第2章 多环控制直流调速系统

1、1多环控制直流调速系统多环控制直流调速系统第第 2 章章2内容提要内容提要 转速、电流双闭环控制的直流调速系统转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。本是应用最广性能很好的直流调速系统。本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。我们将重点学习：系统的重要基础。我们将重点学习：3n转速、电流双闭环直流调速系统的组成及转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性其静特性；n双闭环直流调速系统的数学模型和动态性双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析能

2、分析；n双闭环直流调速系统调节器的工程设计；双闭环直流调速系统调节器的工程设计；n按按工程设计工程设计方法设计双闭环调速系统的调方法设计双闭环调速系统的调节器节器内容提要内容提要42.1 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统 的组成及其静特性的组成及其静特性2.1.1问题的提出问题的提出 第第1章中表明，采用转速负反馈和章中表明，采用转速负反馈和PI调调节器的单闭环直流调速系统节器的单闭环直流调速系统可以在保证可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。系统稳定的前提下实现转速无静差。但但是，如果对系统的动态性能要求较高，是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求例如：要求

3、快速起制动，突加负载动态快速起制动，突加负载动态速降小速降小等等，单闭环系统就难以满足需等等，单闭环系统就难以满足需要。要。51. 主要原因主要原因 是因为在是因为在单闭环系统中不能随心所欲单闭环系统中不能随心所欲地控制地控制电流和转矩电流和转矩的动态过程的动态过程。 在单闭环直流调速系统中，电流截止在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，负反馈环节是专门用来控制电流的，但但它只能在超过临界电流值它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，以后，靠靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。不能很理想地控制电流的动态

4、波形。6b) 理想的快速起动过程理想的快速起动过程IdLntIdOIdma) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统带电流截止负反馈的单闭环调速系统图图2-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形直流调速系统起动过程的电流和转速波形2. 理想的起动过程理想的起动过程IdLntIdOIdmIdcr7 性能比较性能比较n带电流截止负反馈的带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统起动过程如图起动过程如图 所示，所示，起动电流达到最大值起动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反后，受电流负反馈的作用降低下来，馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延之减小，加速过

5、程延长。长。 IdLntIdOIdmIdcr图图2-1 a) 带电流截止负反馈带电流截止负反馈的单闭环调速系统的单闭环调速系统8性能比较（续）性能比较（续）n理想起动过程波形理想起动过程波形如图，这时，起动如图，这时，起动电流呈方形波，转电流呈方形波，转速按线性增长。速按线性增长。这这是在最大电流（转是在最大电流（转矩）受限制时调速矩）受限制时调速系统所能获得的最系统所能获得的最快的起动过程。快的起动过程。IdLntIdOIdm图图2-1 b) 理想的快速起动过程理想的快速起动过程93. 解决思路解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保

6、持为最大值关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。的恒流过程。 按照反馈控制规律，按照反馈控制规律，采用某个物理量采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变的负反馈就可以保持该量基本不变，那，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。的恒流过程。10 现在的问题是，我们希望能实现控制：现在的问题是，我们希望能实现控制：n起动过程，只有电流负反馈，没有转速起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；负反馈；n稳态时，只有转速负反馈，没有电流负稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。反馈。 怎样才能做到这种既存在转速和电流两怎样才能做到这种既存在

7、转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？段里起作用呢？112.1.2 转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，起作用，可在系统中设置两个调节器，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。套（或称串级）联接如下图所示。12TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdId

8、UPEL-MTG+图图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构转速、电流双闭环直流调速系统结构 1. 系统的组成系统的组成ASR转速调节器转速调节器 ACR电流调节器电流调节器 TG测速发电机测速发电机TA电流互感器电流互感器 UPE电力电子变换器电力电子变换器内环外 环13 图中，把转速调节器的输出当作电流图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器去控制电力电子变换器UPE。从闭环结。从闭环结构上看，电流环在里面，称作构上看，电流环在里面，称作内环内环；转；转速环在外边，称作速环在外边，称作外环外环。 这就形成了这

9、就形成了转速、电流双闭环调速系转速、电流双闭环调速系统统。142. 系统电路结构系统电路结构 为了获得良好的静、动态性能，转速为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用和电流两个调节器一般都采用 P I 调节调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。电路原理图示于下图。图中标出了两个图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压是按照电力电子变换器的控制电压Uc为为正电压的情况标出的，并考虑到运算放正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。大器的倒相作用。

10、15系统原理图系统原理图图图 双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE16 图中表出，两个调节器的输出都是带图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。限幅作用的。n转速调节器转速调节器ASR的输出限幅电压的输出限幅电压U*im决决定了电流给定电压的最大值；定了电流给定电压的最大值；n电流调节器电流调节器ACR的输出限幅电压的输出限幅电压Ucm限制限制了电力电子变换器的最大输出电压了电力电子变换器的最大输出电压Udm。173. 限

11、幅电路限幅电路二极管钳位的外限幅电路二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD2184. 电流检测电路电流检测电路电流检测电路电流检测电路 TA电流互感器电流互感器TA192.1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 为了分析双闭环调速系统的静特性，必为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图。它可以须先绘出它的稳态结构图，如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，很方便地根据上图的原理图画出来，只要注只要注意用带限幅的输出特性表示意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可调节器就可以了。以了。分析静特性的关键是掌握

12、这样的分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。调节器的稳态特征。201. 系统稳态结构图系统稳态结构图图图2-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数转速反馈系数; 电流反馈系数电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE212. 限幅作用限幅作用 存在两种状况：存在两种状况：n饱和饱和输出达到限幅值输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句

13、话说，节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环环开环。22n不饱和不饱和输出未达到限幅值输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，当调节器不饱和时，PI 调节器调节器工作在工作在线性调节状态线性调节状态，其，其作用是使输入偏差电作用是使输入偏差电压在稳态时总是零压在稳态时总是零。 233. 系统静特性系统静特性实际上，在正常运实际上，在正常运行时，电流调节器行时，电流调节器是不会达到饱和状是不会达到饱和状态的。态的。因此，对于因此，对于静特性来说，静特性来说，只有只有转速调节器饱和与转速调节器饱和与

14、不饱和两种情况。不饱和两种情况。 双闭环直流调速双闭环直流调速系统的静特性如图系统的静特性如图所示，所示，图图2-4 双闭环直流调速系统的静特性双闭环直流调速系统的静特性 n0IdIdmINOnABC24（1）转速调节器不饱和）转速调节器不饱和di*i0n*nIUUnnUU式中式中 ， 转速和电流反馈系数。转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得由第一个关系式可得 0*nnUn从而得到上图静特性的从而得到上图静特性的CA段。段。 (2-1) 25n 静特性的水平特性静特性的水平特性 与此同时，由于与此同时，由于ASR不饱和，不饱和，U*i U*im，从上，从上述第二个关系式可知述第二个关系式可知

15、: Id Idm。 这就是说，这就是说， CA段静特性从理想空载状态的段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到一直延续到 Id = Idm ，而而 Idm 一般都是大于额定电流一般都是大于额定电流 IN 的。这就是静特性的的。这就是静特性的运行段，它是运行段，它是水平的特性水平的特性。 26（2） 转速调节器饱和转速调节器饱和 这时，这时，ASR输出达到限幅值输出达到限幅值U*im ，转速外环转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时节系

16、统。稳态时 dm*imdIUI式中，最大电流式中，最大电流 Idm 是由设计者选定的，是由设计者选定的，取决于取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。度。(2-2) 27n 静特性的垂直特性静特性的垂直特性 式（式（2-2）所描述的静特性是上图中的）所描述的静特性是上图中的AB段，它是段，它是垂直的特性垂直的特性。 这样的下垂特性只适合于这样的下垂特性只适合于 n n0 ，则，则Un U*n ，ASR将退出饱和状态。将退出饱和状态。 284. 两个调节器的作用两个调节器的作用n双闭环调速系统的静特性在负载电流小双闭环调速系统的静特性在负载电

17、流小于于Idm时表现为时表现为转速无静差转速无静差，这时，转速，这时，转速负反馈起主要调节作用。负反馈起主要调节作用。n当负载电流达到当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为表现为电流无静差电流无静差，得到过电流的自动，得到过电流的自动保护。保护。29 这就是采用了两个这就是采用了两个PI调节器分别形成调节器分别形成内、外两个闭环的效果。内、外两个闭环的效果。这样的静特性这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开静特性好。然而实际上运

18、算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用避免零点飘移而采用 “准准PI调节器调节器”时，时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如上图中虚线所示。如上图中虚线所示。 30各变量的稳态工作点和稳态参数计算各变量的稳态工作点和稳态参数计算 双闭环调速系统在稳态工作中，当两个双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(2-3) (2-5) (2-4)

19、 31 上述关系表明，在稳态工作点上，上述关系表明，在稳态工作点上， 转速转速 n 是由给定电压是由给定电压U*n决定的；决定的； ASR的输出量的输出量U*i是由负载电流是由负载电流 IdL 决定的；决定的； 控制电压控制电压 Uc 的大小则同时取决于的大小则同时取决于 n 和和 Id，或者说，同时取决于或者说，同时取决于U*n 和和 IdL。32 这些关系反映了这些关系反映了PI调节器不同于调节器不同于P调调节器的特点。节器的特点。比例环节的输出量总是正比例环节的输出量总是正比于其输入量，而比于其输入量，而PI调节器则不然，其调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它输出量的稳态值

20、与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要后面环节的需要决定的。后面需要PI调调节器提供多么大的输出值，它就能提供节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。多少，直到饱和为止。33n 反馈系数计算反馈系数计算 鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 转速反馈系数转速反馈系数 电流反馈系数电流反馈系数 max*nmnU

21、dm*imIU(2-6) (2-7) 34 两个给定电压的最大值两个给定电压的最大值U*nm和和U*im由设由设计者选定，设计原则如下：计者选定，设计原则如下：nU*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；源的限制；nU*im 为为ASR的输出限幅值。的输出限幅值。351双闭环调速系统中，在双闭环调速系统中，在恒流升速阶段恒流升速阶段时，两个调节器的状时，两个调节器的状态是（态是（ ）。）。 （A）ASR饱和、饱和、ACR不饱和不饱和 （B）ACR饱和、饱和、ASR不饱和不饱和 （C）ASR和和ACR都饱和都饱和 （D）ACR和和ASR都不饱和都不饱和2在

22、双闭环调速系统在双闭环调速系统稳态特性的平直段稳态特性的平直段，ASR工作在（工作在（ ）状）状态、态、ACR工作在（工作在（ ）状态；而在双闭环调速系统）状态；而在双闭环调速系统稳态特性的稳态特性的下垂段下垂段，ASR工作在（工作在（ ）状态、）状态、ACR工作在（工作在（ ）状态）状态（A） ASR工作在线性状态工作在线性状态 （B）ACR工作在线性状态工作在线性状态 （C） ASR工作在限幅状态工作在限幅状态 （D）ACR工作在限幅状态工作在限幅状态例题精讲例题精讲36VUn5*AIdL10nnU*iUiUcU（3）当系统稳定运行在）当系统稳定运行在，各为多少？各为多少？ 37382.2

23、 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环直流调速系统的数学模型 和动态性能分析和动态性能分析本节提要n双闭环直流调速系统的动态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图n起动过程分析起动过程分析n双闭环直流调速系统的动态抗扰性能双闭环直流调速系统的动态抗扰性能n转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用392.2.1 双闭环直流调速系统的动态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图 在单闭环直流调速系统动态数学在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。统的动态结构图

24、，如下图所示。401. 系统动态结构系统动态结构图图2-5 双闭环直流调速系统的动态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图 U*n Uc-IdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E412. 数学模型数学模型 图中图中WASR(s)和和WACR(s)分别表示转速分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果调节器和电流调节器的传递函数。如果采用采用PI调节器，则有调节器，则有 ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(422.2.2 起动过程分析起动过程分析 前已指出，设置双闭环控制的一个重前已指出，设

25、置双闭环控制的一个重要目的就是要要目的就是要获得接近理想起动过程获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。时，有必要首先探讨它的起动过程。 双闭环直流调速系统突加给定电压双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图。过程示于下图。43图图2-6 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 441. 起动过程起动过程 由于在起动过程中

26、转速调节器由于在起动过程中转速调节器ASR经经历了历了不饱和、饱和、退饱和不饱和、饱和、退饱和三种情况，整三种情况，整个动态过程就分成图中标明的个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。三个阶段。 45（1）第）第I阶段电流上升的阶段（阶段电流上升的阶段（0 t1） 突加给定电压突加给定电压 U*n 后，后，Id 上升，当上升，当 Id 小小于负载电流于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。时，电机还不能转动。当当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器速调节器ASR的输入偏差电压

27、的数值仍的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值较大，其输出电压保持限幅值 U*im，强，强迫电流迫电流 Id 迅速上升。迅速上升。46IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt（1）第）第I阶段（续）阶段（续）47（1）第）第 I 阶段（续）阶段（续）直到，直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流调节器电流调节器很快就压制了很快就压制了Id 的增长，标志着这一的增长，标志着这一阶段的结束。阶段的结束。 在这一阶段中，在这一阶段中，ASR很快进入并保很快进入并保持饱和状态，而持饱和状态，而ACR一般一般不饱和。不饱和。48（2）第）第 II

28、 阶段恒流升速阶段（阶段恒流升速阶段（t1 t2） 在这个阶段中，在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转始终是饱和的，转速环相当于开环，速环相当于开环，系统成为在恒值电流系统成为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统给定下的电流调节系统，基本上保，基本上保持电流持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒恒定，因而系统的加速度恒定，定，转速呈线性增长转速呈线性增长。49n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt（2）第）第 II 阶段（续）阶段（续）50（2）第）第 II 阶段（续）阶段（续）与此同时，电机的反电动势与此同时，电机的反电动势E 也按线性增也按线性增长

29、，对电流调节系统来说，长，对电流调节系统来说，E 是一个线性是一个线性渐增的扰动量（图渐增的扰动量（图2-5和和2-6），为了克服，为了克服它的扰动，它的扰动， Ud0和和 Uc 也必须基本上按线也必须基本上按线性增长，才能保持性增长，才能保持 Id 恒定。恒定。当当ACR采用采用PI调节器时，要使其输出量调节器时，要使其输出量按线性增长按线性增长，其输入偏差电压必须维持一其输入偏差电压必须维持一定的恒值，定的恒值，也就是说，也就是说， Id 应略低于应略低于 Idm。51（2）第）第 II 阶段（续）阶段（续） 恒流升速阶段是起动过程中的主要阶恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。段。 为了保

30、证电流环的主要调节作用，在为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中起动过程中 ACR是不应饱和是不应饱和的，的，电力电电力电子装置子装置 UPE 的最大输出电压的最大输出电压也须留有余也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。地，这些都是设计时必须注意的。52（3）第）第 阶段转速调节阶段（阶段转速调节阶段（ t2 以后）以后） 当转速上升到给定值时，转速调节器当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，的输入偏差减少到零，但其输出却但其输出却由于积分作用还维持在限幅值由于积分作用还维持在限幅值U*im ，所，所以电机仍在加速，使以电机仍在加速，使转速超调转速超调。转速超调后，转

31、速超调后，ASR输入偏差电压变负，输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，使它开始退出饱和状态， U*i 和和 Id 很快很快下降。但是，下降。但是，只要只要 Id 仍大于负载电流仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升，转速就继续上升。53IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt（3）第）第 阶段（续）阶段（续）54（3）第）第 阶段（续）阶段（续）直到直到Id = IdL时，时，转矩转矩Te= TL ，则，则dn/dt = 0，转速，转速n才到达峰值（才到达峰值（t = t3时）。时）。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t

32、1 tt55（3）第）第 阶段（续）阶段（续）此后此后，电动机开，电动机开始在负载的阻力始在负载的阻力下减速，与此相下减速，与此相应，应，在一小段时在一小段时间内（间内（ t3 t4 ），）， Id IdL ，直到稳，直到稳定，如果调节器定，如果调节器参数整定得不够参数整定得不够好，也会有一些好，也会有一些振荡过程。振荡过程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt56（3）第）第 阶段（续）阶段（续） 在这最后的转速调节阶段内，在这最后的转速调节阶段内，ASR和和ACR都不饱和都不饱和，ASR起主导的转速调起主导的转速调节作用节作用，而，而ACR则力图使则

33、力图使 Id 尽快地跟随尽快地跟随其给定值其给定值 U*i ，或者说，或者说，电流内环是一电流内环是一个电流随动子系统。个电流随动子系统。 572. 分析结果分析结果 综上所述，双闭环直流调速系统的起动综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：过程有以下三个特点： （1） 饱和非线性控制；饱和非线性控制； （2） 转速超调；转速超调； （3） 准时间最优控制。准时间最优控制。 58（1） 饱和非线性控制饱和非线性控制 根据根据ASR的饱和与不饱和，整个系统的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：处于完全不同的两种状态：当当ASR饱和时饱和时，转速环开环，系统表，转速环开环，

34、系统表现为现为恒值电流恒值电流调节的单闭环系统；调节的单闭环系统；当当ASR不饱和时不饱和时，转速环闭环，整个，转速环闭环，整个系统是一个系统是一个无静差调速系统无静差调速系统，而电流，而电流内环表现为内环表现为电流随动系统电流随动系统。59（2）转速超调）转速超调 由于由于ASR采用了饱和非线性控制，起动采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，速超调， ASR 的输入偏差电压的输入偏差电压 Un 为负为负值，才能使值，才能使ASR退出饱和退出饱和。 这样，采用这样，采用PI调节器的双闭环调速系统调节器的双闭环调速系统的转速响应

35、必然有超调。的转速响应必然有超调。60（3）准时间最优控制）准时间最优控制 起动过程中的主要阶段是第起动过程中的主要阶段是第II阶段的阶段的恒流升速，恒流升速，它的特征是电流保持恒定它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。过程尽可能最快。 这阶段属于这阶段属于有限制条件有限制条件的的最短时间最短时间控制。控制。因此，整个起动过程可看作为是因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。一个准时间最优控制。61 最后，应该指出：最后，应该指出： 对于不可逆的电力

36、电子变换器对于不可逆的电力电子变换器，双，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用快制动时，只能采用电阻能耗制动或电电阻能耗制动或电磁抱闸磁抱闸。 622.2.3 双闭环直流调速系统动态抗扰性能双闭环直流调速系统动态抗扰性能 一般来说，双闭环调速系统具有比一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是重要的动态性能是抗扰性能抗扰性能。主要是。主要

37、是抗抗负载扰动负载扰动和和抗电网电压扰动抗电网电压扰动的性能。的性能。63 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1. 抗负载扰动抗负载扰动IdL直流调速系统的动态抗负载扰作用直流调速系统的动态抗负载扰作用641.抗负载扰动（续）抗负载扰动（续） 由动态结构图中可以看出，由动态结构图中可以看出，负载扰负载扰动作用在电流环之后动作用在电流环之后，因此只能靠转，因此只能靠转速调节器速调节器ASR来产生抗负载扰动的作来产生抗负载扰动的作用。用。在设计在设计ASR时，应要求有较好的时，应要求有较好的抗扰性能指标。抗扰性能指标。 65直

38、流调速系统的动态抗扰作用直流调速系统的动态抗扰作用a)单闭环系统单闭环系统2. 抗电网电压扰动抗电网电压扰动UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E662.抗电网电压扰动（续）抗电网电压扰动（续）-IdLb)双闭环系统双闭环系统Ud电网电压波动在整流电压上的反映电网电压波动在整流电压上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-EUd673. 对比分析对比分析(1)在单闭环调速系统中，在单闭环调速系统中，电网电压扰动的电网电压扰动的作用点离被调量较远作用点离被调量较

39、远，调节作用受到多，调节作用受到多个环节的延滞，个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些抗电压扰动的性能要差一些。(2)双闭环系统中，双闭环系统中，由于增设了电流内环，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节时的调节，不必等它影响到转速以后才，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。能反馈回来，抗扰性能大有改善。684. 分析结果分析结果 因此，在双闭环系统中，由电因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。比单闭环系统小得多

40、。692.2.4 转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用 综上所述，转速调节器和电流综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下：作用可以分别归纳如下： 701. 转速调节器的作用转速调节器的作用 （1）转速调节器是调速系统的）转速调节器是调速系统的主导调主导调节器节器，它使转速，它使转速 n 很快地跟随给定电压很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采变化，稳态时可减小转速误差，如果采用用PI调节器，则可实现调节器，则可实现无静差无静差。 （2）对）对负载变化负载变化起抗扰作用。起抗扰作用。 （3）其输出限

41、幅值决定电机允许的最大）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流。712. 电流调节器的作用电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压其给定电压 （即外环调节器的输出量）变（即外环调节器的输出量）变化。化。（2）对）对电网电压的波动电网电压的波动起及时抗扰的作起及时抗扰的作用。用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。允许的最大电流，从而加快动态过程。72 （4）当电机过载甚至堵转时，限制电当电机过载甚至堵转

42、时，限制电枢电流的最大枢电流的最大值，起快速的自动保护作值，起快速的自动保护作用。用。一旦故障消失，系统立即自动恢复一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。是十分重要的。732.3 双闭环直流调速系统调节器的工程设计双闭环直流调速系统调节器的工程设计本节提要n调节器工程设计方法的必要性、可能性与基本调节器工程设计方法的必要性、可能性与基本思路思路n控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标n典型典型型系统以及系统性能指标和参数的关系型系统以及系统性能指标和参数的关系 n典型典型型系统以及系统性能指标和参数的关系型系统以及

43、系统性能指标和参数的关系 n非典型系统的典型化非典型系统的典型化 741.必要性：必要性： 用经典的动态校正方法设计调节器须同时解用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决决稳、快、准、抗干扰稳、快、准、抗干扰等各方面相互有矛盾的等各方面相互有矛盾的动、静态性能要求动、静态性能要求，需要设计者有扎实的理论，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。于是有必要建立实用的设计方法。2.3.1调节器工程设计方法的必要性、可能性调节器工程设计方法的必要性、可能性与基本思路与基本思路752.可能性：可能性： 大多

44、数现代的电力拖动自动控制系统均可由大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低低阶系统阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。 763.工程设计方法的基本思路工程设计方法的基本思路 （1）选择调节器结构）选择调节器结构,使系统典型化并满足使系统典型化并满足稳定和稳态精度。稳定和稳态精度。（2）设计调节器的参数，以

45、满足动态性能）设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求指标的要求。77这样做，就可把这样做，就可把“稳、快、准稳、快、准 和抗干扰和抗干扰”之间相互交叉的矛之间相互交叉的矛盾问题分成盾问题分成两步来解决两步来解决： 第一步:解决主要矛盾: 动态稳定性和稳态精度; 第二步: 再进一步满足其他动态性能指标。选择调节器结构时选择调节器结构时, ,只采用少量典型系统只采用少量典型系统, ,其参数与系统性能其参数与系统性能指标的关系明确指标的关系明确, ,可使参数设计方法规范化可使参数设计方法规范化, ,减少设计工作量。减少设计工作量。 782.3.2 控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标 对

46、给定输入信号的跟随性能指标对给定输入信号的跟随性能指标 对挠动输入信号的抗扰性能指标对挠动输入信号的抗扰性能指标 生产工艺生产工艺“对控制系统动态性能的要求”，经经折算和量化后可表达为折算和量化后可表达为“动态性能指标”。 动态性能指标，包括：动态性能指标，包括：791. 跟随性能指标：跟随性能指标： 在给定信号或参考输入信号的作用下，在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有标有 tr 上升时间上升时间 超调量超调量 ts 调节时间调节时间80 系统典型的阶跃响

47、应曲线系统典型的阶跃响应曲线图图2-7 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标典型阶跃响应曲线和跟随性能指标812. 抗扰性能指标抗扰性能指标 抗扰性能指标抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动标志着控制系统抵抗扰动的能力。的能力。常用的抗扰性能指标有常用的抗扰性能指标有 Cmax 动态降落动态降落 tv 恢复时间恢复时间 82 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标突加扰动的动态过程和抗扰性能指标图图2-8 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标突加扰动的动态过程和抗扰性能指标83实际控制系统对于各种动态指标要求不同。例如:n可逆轧钢机可逆轧钢机，需要连续正反向轧制许多道次，需要连续正反向轧制许多道次，对转速动态对

48、转速动态跟随性能和抗扰性能都有较高要求跟随性能和抗扰性能都有较高要求；n一般生产中用的不可逆调速系统一般生产中用的不可逆调速系统，主要要求一定的主要要求一定的“转速转速抗扰性能抗扰性能”，其跟随性能如何关系不大；，其跟随性能如何关系不大；n工业机器人和数控机床工业机器人和数控机床位置随动（伺服）系统，位置随动（伺服）系统，对跟随性对跟随性能要求高；能要求高；n大型天线大型天线的随动系统，的随动系统，需要较高的跟随性能，对抗挠性能需要较高的跟随性能，对抗挠性能也有一定要求。也有一定要求。2. 抗扰性能指标（续）抗扰性能指标（续）842. 抗扰性能指标（续）抗扰性能指标（续）总之，一般来说： 调速

49、系统的动态指标以抗扰性能为主以抗扰性能为主； 随动系统的动态指标以跟随性能为主以跟随性能为主。852.3.3 典型典型I型系统以及系统性能指标和参数型系统以及系统性能指标和参数的关系的关系 一般来说，许多控制系统的开环传递函数一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示为都可表示为 (2-9)n1iirm1jj) 1() 1()(sTssKsW)(sWR(s)C(s)86 上式中，分母中的上式中，分母中的 sr 项表示该系统在原点处有项表示该系统在原点处有 r 重极点，或者说，重极点，或者说，系统含有系统含有 r 个积分环节个积分环节。根据。根据 r=0，1，2，等不同数值，分别称作等不同数值

50、，分别称作0型、型、I型、型、型、型、系统。系统。 自动控制理论已经证明，自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，而型系统稳态精度低，而型和型和型以上的系统很难稳定型以上的系统很难稳定。 因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选多选用用I型和型和II型系统。型系统。871. 典型典型I型系统型系统（1）结构图与传递函数）结构图与传递函数 ) 1()(TssKsW)(sR) 1(TssK)(sC式中式中 T 系统的惯性时间常数；系统的惯性时间常数； K 系统的开环增益。系统的开环增益。（2-10）88) 1()(TssKsW1（2）开环对数频率特性）开环

51、对数频率特性89n性能特性性能特性 典型的典型的I型系统结构简单，其对数幅频特性的型系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以中频段以 20 dB/dec 的斜率穿越的斜率穿越 0dB 线线，只要，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量，即定是稳定的，且有足够的稳定裕量，即选择参数选择参数满足满足 T1c1cT或或于是，相角稳定裕度于是，相角稳定裕度 45arctg90arctg90180ccTT902. 典型典型I型系统性能指标和参数的关系型系统性能指标和参数的关系它包含两个参数：开环增益它包含两个参数：开环增益 K

52、 和时间常数和时间常数 T 。v时间常数时间常数 T 往往是控制对象本身固有的往往是控制对象本身固有的；v能够由调节器改变的只有开环增益能够由调节器改变的只有开环增益 K。即，。即，K 是是唯一的待定参数。唯一的待定参数。 设计时，需要设计时，需要按照性能指标选择参数按照性能指标选择参数 K 的的大小。大小。( ).(2 9)(1)KW ss Ts开环传递函数:91 K 与开环对数频率特性的关系与开环对数频率特性的关系 下图绘出了在不同下图绘出了在不同 K 值时典型值时典型 I 型系统的开型系统的开环对数频率特性，环对数频率特性，箭头表示箭头表示K值增大时特性变值增大时特性变化的方向。化的方向

53、。 也在增大也在增大c92 K 与截止频率与截止频率 c 的关系的关系 当当 c 1 / T时，特性以时，特性以20dB/dec斜率穿斜率穿越零分贝线，系统有较好的稳定性。越零分贝线，系统有较好的稳定性。由图由图中的特性可知中的特性可知c20lg20lglg1K所以所以 K = c （当（当 c 时）时） T1(2-12) 93 上式表明，上式表明，K 值越大，截止频率值越大，截止频率 c 也越也越大，系统响应越快，但相角稳定裕度大，系统响应越快，但相角稳定裕度 = 90 arctg cT 越小越小，这也说明快速性与这也说明快速性与稳定性之间的矛盾。稳定性之间的矛盾。在具体选择参数在具体选择参

54、数 K时，时，须在二者之间取须在二者之间取折衷折衷。 下面将用数字定量地表示下面将用数字定量地表示 K 值与值与各项性各项性能指标能指标之间的关系。之间的关系。 94表表2-1 I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差型系统在不同输入信号作用下的稳态误差输入信号输入信号阶跃输入阶跃输入斜坡输入斜坡输入加速度输入加速度输入稳态误差稳态误差 0v0 / K 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatR(1) 典型典型I型系统跟随性能指标与参数的关系型系统跟随性能指标与参数的关系稳态跟随性能指标稳态跟随性能指标：系统的稳态跟随性能指标系统的稳态跟随性能指标可可用不同用不同输入信号作用下的稳态误差来表示

55、。输入信号作用下的稳态误差来表示。95 由表可见：由表可见： a.a.在阶跃输入下的在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无型系统稳态时是无差的；差的； b.b.但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与且与 K 值成反比；值成反比； c.c.在加速度输入下稳态误差为在加速度输入下稳态误差为 。 因此，因此，I型系统不能用于具有加速度输入型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。的随动系统。96 动态跟随性能指标动态跟随性能指标n闭环传递函数：典型闭环传递函数：典型 I 型系统是一种型系统是一种二阶二阶系统系统，其闭环传递函数的，其闭环传递函数的一般形式一般形式为为 2nn

56、22ncl2)()()(sssRsCsW（2-14） 式中式中 n 无阻尼时的自然振荡角频率，或称无阻尼时的自然振荡角频率，或称 固有角频率固有角频率； 阻尼比阻尼比，或称衰减系数。，或称衰减系数。97 由典型由典型I型系统的开环传递函数式（型系统的开环传递函数式（2-10）可）可以求出其闭环传递函数为以求出其闭环传递函数为 TKsTsTKTssKTssKsWsWsWcl1) 1(1) 1()(1)()(2（2-15） 2nn22ncl2)()()(sssRsCsW（2-14）98nK、T与标准形式中的参数的换算关系与标准形式中的参数的换算关系 TKnKT121T21n(2-16) (2-17

57、) (2-18) 且有且有 99n二阶系统的性质二阶系统的性质l当当 1 时，系统动态响应是时，系统动态响应是欠阻尼的振欠阻尼的振荡特性荡特性，l当当 1 时，系统动态响应是时，系统动态响应是过阻尼的单过阻尼的单调特性调特性；l当当 = 1 时，系统动态响应是时，系统动态响应是临界阻尼临界阻尼。 由于过阻尼特性动态响应较慢，所以一由于过阻尼特性动态响应较慢，所以一般常把系统设计成般常把系统设计成欠阻尼状态欠阻尼状态，即，即 0 1100 由于在典由于在典 I 系统中系统中 KT 0.5。因此在典型。因此在典型 I 型系统中应取型系统中应取 下面列出欠阻尼二阶系统在零初始条件下面列出欠阻尼二阶系

58、统在零初始条件下的阶跃响应动态指标计算公式下的阶跃响应动态指标计算公式 15 . 0(2-18) 101n性能指标和系统参数之间的关系性能指标和系统参数之间的关系 %100e%)1/(2)arccos(122rTt(2-19) (2-20) (2-21) 2np1t超调量超调量 上升时间上升时间 峰值时间峰值时间 调节时间 36sntT（当T1=T。 在阶跃扰动下，在阶跃扰动下，sFsF)( 可得可得 )(1() 1(11)()(1)()(2222122212KsTssTTsFKTsKKssTFKsWsWsWsFsC106如果按如果按“最佳最佳”法选定法选定KT=0.5，即，即K=K1K2=1

59、/(2T)，则，则) 122)(1() 1(2)(2222TssTsTTsTFKsC （2-24） 拉普拉斯反变换，可得拉普拉斯反变换，可得 2sin2cos)1 ()1(1222)(2/2/222TtmeTtememmmmFKtCTtTtTt（2-25） 式中式中 21TTm 控制对象中两个时间常数的比值，它的值小于控制对象中两个时间常数的比值，它的值小于1。 107 取不同的取不同的m值，可计算出相应的值，可计算出相应的C（t）= f（t）动态曲线，从而求得最大动态降落动态曲线，从而求得最大动态降落Cmax（用基（用基准值准值Cb的百分数表示）和对应的时间的百分数表示）和对应的时间tm以及

60、允许以及允许误差带为误差带为5Cb时的恢复时间时的恢复时间tv（tm、tv都用都用T的倍数表示），计算结果列于表的倍数表示），计算结果列于表2-3中。中。 108221TTTTm51101201301%100maxbCC55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4表表2-3 典型典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系型系统动态抗扰性能指标与参数的关系(控制结构和扰动作用点如图控制结构和扰动作用点如图2-10所示，已选定的参数关系所示，已选定的参数关系KT=0.5) 109n 分析结果：分析结果： 由表由表2-3中的数