电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt2-4转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

1、11转速、电流双闭环直流转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工调速系统和调节器的工程设计方法程设计方法 第第 2 2 章章22 主要内容主要内容 1. 1.双闭环调速系统的组成及其静特性双闭环调速系统的组成及其静特性 2.2.数学模型和动态性能分析数学模型和动态性能分析 3.3.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法 4.4.双闭环系统调节器的设计双闭环系统调节器的设计 * *5.5.转速超调的抑制转速超调的抑制 * *6.6.弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统*33本节要点：本节要点： 1. 1.应用上述的工程设计方法解决双闭环调速系统应用上述的工程设计方法解决双闭环调速系统两

2、个调节器的设计问题；两个调节器的设计问题； 2. 2.主要参数的计算方法；主要参数的计算方法； 3. 3.电流调节器的设计；电流调节器的设计； 4. 4.转速调节器的设计。转速调节器的设计。 重点、难点：重点、难点： 1. 1.电流、转速调节器的设计中性能要求与系统选电流、转速调节器的设计中性能要求与系统选型的原则，主要参数的计算方法；型的原则，主要参数的计算方法； 2. 2.电流、转速调节器的电路实现方案。电流、转速调节器的电路实现方案。 442.4 按工程设计方法设计双闭环系统的调节按工程设计方法设计双闭环系统的调节器器 本节将应用前述的工程设计方法来设计转速、本节将应用前述的工程设计方法

3、来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。主要内容电流双闭环调速系统的两个调节器。主要内容为为: :l系统设计对象系统设计对象l系统设计原则系统设计原则l系统设计步骤系统设计步骤的设计的设计ASRACR55转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统1. 系统设计对象系统设计对象电流内环电流内环66-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+E Tois+11 Tois+1ASR1 Tons+1 Tons+1U*nn电流内环电流内环图2-22 双闭环调速系统的动态结构图 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统（增加了滤波环

4、节）（增加了滤波环节） Ton 转速转速反馈滤波时反馈滤波时间常数间常数Toi 电流电流反馈滤波时反馈滤波时间常数间常数772. 2. 系统设计原则系统设计原则l系统设计的一般原则：系统设计的一般原则： “先内环后外环先内环后外环” 从内环开始，逐步向外扩展。从内环开始，逐步向外扩展。 首先设计电流调节器，首先设计电流调节器， 然后把整个电流环看作是转速调节系统中的然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。一个环节，再设计转速调节器。88设计分为以下几个步骤：1.电流环结构图的简化2.电流调节器结构的选择3.电流调节器的参数计算4.电流调节器的实现2.4.1 电流调节器

5、的设计电流调节器的设计991. 电流环结构图的简化电流环结构图的简化简化内容：简化内容：l忽略反电动势的动态影响忽略反电动势的动态影响l等效成单位负反馈系统等效成单位负反馈系统 l小惯性环节近似处理小惯性环节近似处理 1010-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+E T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn电流内环电流内环图2-22 双闭环调速系统的动态结构图 l忽略反电动势的动态影响忽略反电动势的动态影响 在按动态性能设计电流环时，可以暂在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，

6、即不考虑反电动势变化的动态影响，即 E E00。1111l忽略反电动势的动态影响忽略反电动势的动态影响 这时，电流环如下图所示。这时，电流环如下图所示。 Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s) T0is+11 T0is+1图2-23(a) 忽略反电动势的动态影响 1212l等效成单位负反馈系统等效成单位负反馈系统 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成地移到环内，同时把给定信号改成U U* *i i( (s s) /) / ，则电流环便等效成则电流环便等效成单位

7、负反馈系统单位负反馈系统+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s) T0is+1图2-23b1313l小惯性环节近似处理小惯性环节近似处理 最后，由于最后，由于T Ts s 和和 T Toioi 一般都比一般都比T Tl l 小得多，小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为环节，其时间常数为 T Tii = = T Ts s + + T Toioi (2-55) 简化的近似条件为简化的近似条件为 oisci131TT(2-56) 1414电流环结构图最终简化成图2-23c。 +-ACRU

8、c (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)图2-23c15152.电流调节器结构的选择电流调节器结构的选择l典型系统的选择：典型系统的选择：l从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性想的堵转特性，由图，由图2-23c2-23c可以看出，采用可以看出，采用 I I 型型系统就够了。系统就够了。l从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在突加控制作用时有

9、太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流电流环应以跟随性能为主环应以跟随性能为主，应选用典型，应选用典型I I型系统。型系统。 1616l电流调节器选择电流调节器选择 图图2-23c2-23c表明，电流环的控制对象是表明，电流环的控制对象是双惯性型双惯性型的，的，要校正成典型要校正成典型 I I 型系统，型系统，显然应采用显然应采用PIPI型的电流调节型的电流调节器器，其传递函数可以写成，其传递函数可以写成 ssKsWiiiACR) 1()(（2-57）

10、式中 Ki 电流调节器的比例系数； i 电流调节器的超前时间常数。参见表参见表2-81717 为了让调节器零点与控制对象的大时间常为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择数极点对消，选择 则电流环的动态结构图便成为图则电流环的动态结构图便成为图2-24a2-24a所示所示的典型形式，其中的典型形式，其中 ilT（2-58）isIiK KKR（2-59）1818K I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s)校正后电流环的结构和特性校正后电流环的结构和特性 图2-24 校正成典型I型系统的电流环 a) 动态结构图: b) 开环对数幅频特性: 10L/dBci-20dB/dec /

11、s-1-40dB/decTi19193. 电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算 式（式（2-572-57）给出，电流调节器的参数有：）给出，电流调节器的参数有：K Ki i 和和 i i， 其中其中 i i 已选定，见式（已选定，见式（2-582-58），剩），剩下的只有比例系数下的只有比例系数 K Ki i， 可根据所需要的动态可根据所需要的动态性能指标选取。性能指标选取。2020l参数选择参数选择 在一般情况下，希望电流超调量在一般情况下，希望电流超调量 i i 5% 5%，由由表表2-22-2，可选，可选 =0.707=0.707，K KI I T T i i =0.5 =0.5，则

12、，则iciI21TK)(22isisiTTKRTKRTKll(2-60) (2-61) 再利用式（2-59）和式（2-58）得到 2121l注意： 如果实际系统要求的跟随性能指标不同，如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式（式（2-602-60）和式（）和式（2-612-61）当然应作相应的）当然应作相应的改变。改变。 此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。否满足。22224. 电流调节器的实现电流调节器的实现l模拟式电流调节器电路图中l U*i 为电流给定电压；l Id 为电流负

13、反馈电压；l Uc 电力电子变换器的控制电压。图2-25 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 2323l电流调节器电路参数的计算公式电流调节器电路参数的计算公式0iiRRK iiiCRoi0oi41CRT (2-62) (2-63) (2-64) 2424 总结电流调节器的设计总结电流调节器的设计分为以下几个分为以下几个步骤：步骤：1. 1.电流环结构图的简化：电流环结构图的简化： 1.11.1忽略反电动势的动态影响忽略反电动势的动态影响 1.21.2等效成单位负反馈系统等效成单位负反馈系统 1.31.3小惯性环节近似处理小惯性环节近似处理 2.2.电流调节器结构的选择电流调节器结构的选择

14、3.3.电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算4.4.电流调节器的实现电流调节器的实现2525设计分为以下几个步骤：设计分为以下几个步骤：1. 1.电流环的等效闭环传递函数电流环的等效闭环传递函数2.2.转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择3.3.转速调节器参数的选择转速调节器参数的选择4.4.转速调节器的实现转速调节器的实现2.4.2 转速调节器的设计转速调节器的设计26261. 电流环的等效闭环传递函数电流环的等效闭环传递函数l电流环闭环传递函数电流环闭环传递函数 电流环经简化后可视作转速环中的一个电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。环节，为此，须求

15、出它的闭环传递函数。由由图图2-24a2-24a可知可知 111) 1(1) 1(/ )()()(I2IiiIiI*idclisKsKTsTsKsTsKsUsIsW(2-65) 2727l传递函数化简传递函数化简忽略高次项，上式可降阶近似为忽略高次项，上式可降阶近似为 111)(IclisKsW(2-66) iIcn31TK近似条件可由式（近似条件可由式（2-522-52）求出）求出 (2-67) 式中式中 cncn 转速环开环频率特性的截止频率。转速环开环频率特性的截止频率。 2828l电流环等效传递函数电流环等效传递函数 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应接入转速环内，电流环等效环节的

16、输入量应为为U U* *i i( (s s) )，因此电流环在转速环中应等效为，因此电流环在转速环中应等效为 clid*iI( )1( )1( )1IssUssKW(2-68) 这样，这样，原来是双惯性环节原来是双惯性环节 的电流环控制对的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节小时间常数的一阶惯性环节。 2929l物理意义： 这就表明，电流的闭环控制改造了电流的闭环控制改造了控制对象，控制对象，加快了电流的跟随作用，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。要功能。

17、 30302. 转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择l转速环的动态结构 用电流环的等效环节代替图2-22 中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图所示。电流电流环环3131l系统等效和小惯性的近似处理系统等效和小惯性的近似处理 和电流环中一样，和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，滤波环节移到环内，同时将给定信号改成同时将给定信号改成 U U* *n n( (s s)/ )/ ，再把时间常数为再把时间常数为 1/ 1/K KI I 和和 T T0 0n n 的两个小的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为惯性环节合并起来，近似成一个时间常数

18、为T T n n的的惯性环节，其中惯性环节，其中onIn1TKT（2-69） 3232l转速环结构简化 n (s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) / Tns+1U*n(s)+-IdL (s)b)等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理 3333l转速调节器选择转速调节器选择 为了实现转速无静差，在负载扰动作为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面用点前面必须有一个积分环节必须有一个积分环节，它应该包，它应该包含在转速调节器含在转速调节器 ASR ASR 中，现在在扰动作用中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有

19、两个积分环节，所环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该以应该设计成典型设计成典型 型型系统，这样的系统系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。同时也能满足动态抗扰性能好的要求。3434 由此可见，由此可见，ASRASR也应该采用也应该采用PIPI调节器，调节器，其传递函数为其传递函数为ssKsWnnnASR) 1()(（2-70） 式中 Kn 转速调节器的比例系数； n 转速调节器的超前时间常数。 3535l调速系统的开环传递函数调速系统的开环传递函数 这样，调速系统的开环传递函数为这样，调速系统的开环传递函数为) 1() 1() 1() 1()(n2mennnnmennnnsT

20、sTCsRKsTsTCRssKsW令转速环开环增益为mennNTCRKK) 1() 1()(n2nNnsTssKsW（2-72） 则 （2-71） 3636l校正后的系统结构校正后的系统结构 n (s)+-U*n(s) 1() 1(2sTssKnnNc) 校正后成为典型 II 型系统 37373. 转速调节器的参数计算转速调节器的参数计算 转速调节器的参数包括转速调节器的参数包括 K Kn n 和和 n n。按照。按照典型典型型系统的参数关系，由型系统的参数关系，由式式(2-38)(2-38) nn hT（2-74） 2n2N21ThhKnmen2) 1(RThTChK再由式（2-39） （2

21、-75） （2-76） 因此 3838l参数选择参数选择 至于中频宽至于中频宽 h h 应选择多少，要看动态应选择多少，要看动态性能的要求决定。性能的要求决定。 无特殊要求时，一般可选择无特殊要求时，一般可选择 5h参见表参见表2-639394. 转速调节器的实现转速调节器的实现l模拟式转速调节器电路图2-27 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器 图中l U*n 为转速给定电压，l - n 为转速负反馈电压，l U*i 调节器的输出是电流调节器的给定电压。 4040l转速调节器参数计算转速调节器参数计算0nnRRK (2-77) nnnCRon0on41CRT(2-78) (2-79) 4

22、141l转速环与电流环的关系：转速环与电流环的关系： 外环的响应比内环慢，外环的响应比内环慢，这是按上述工这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。调试工作非常有利。 42422.4.3 设计举例设计举例l某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用置采用三相桥式电路三相桥式电路，基本数据如下：，基本数据如下：l直流电动机：直流电动机： 电动机电势系数电动机电势系

23、数 ， 允许过载倍数允许过载倍数 ；l晶闸管装置放大系数：晶闸管装置放大系数： ；VUN220AIdN136min/1460rnNrVCemin/132. 01.540sK4343l l l l l设计要求：设计要求：l 静态指标：无静差静态指标：无静差l 动态指标：电流超调量动态指标：电流超调量 ；l 空载起动到额定转速时的转速超调量空载起动到额定转速时的转速超调量 5 . 0R0.03slT0.18smT0.05V/ANIV5 . 1/10Vmin/r007. 0NnV /10%5i%10n44441. 电流环的设计电流环的设计 确定时间常数确定时间常数l整流装置滞后时间常数：三相桥式电路

24、整流装置滞后时间常数：三相桥式电路的平均失控时间的平均失控时间Ts=0.0017s 。l电流滤波时间常数：电流滤波时间常数： Toi=2ms=0.002s 。l电流环小时间常数之和：按小时间常数电流环小时间常数之和：按小时间常数近似处理，近似处理，T i=Ts+Toi=0.0037s 。45451. 电流环的设计电流环的设计选择电流调节器结构选择电流调节器结构n根据设计要求，根据设计要求，%5in要保证稳态电流无差，可要保证稳态电流无差，可按典型按典型I I型系型系统设计电流调节器统设计电流调节器。4646n电流环控制对象是双惯性型的，电流环控制对象是双惯性型的，用用PIPI型电流调节器型电流

25、调节器。+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)ssKsWiiiACR) 1()(4747电流环的设计电流环的设计sTli03. 0%5i5 . 0iITK11 .1350037. 05 . 05 . 0sTKiI013. 105. 0405 . 003. 01 .135siIiKRKKnACR的比例系数：的比例系数：n电流环开环增益：电流环开环增益：计算电流调节器参数计算电流调节器参数n电流调节器超前时间常数：电流调节器超前时间常数：n要求要求 ：4848电流环

26、的设计电流环的设计 1 .1960017. 031311cissTn满足晶闸管整流装置传递函数的近似满足晶闸管整流装置传递函数的近似条件：条件：11 .135sKIci校验近似条件校验近似条件n电流环截止频率：电流环截止频率：4949电流环的设计电流环的设计 82.4003. 018. 013131cilmsTT 8 .180002. 00017. 01311311cioissTTn满足忽略反电动势变化对电流环动态影响满足忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：的条件：n满足电流环小时间常数近似处理条件：满足电流环小时间常数近似处理条件：5050电流环的设计电流环的设计计算调节器电阻和电容计算

27、调节器电阻和电容l电流调节器原理图如图电流调节器原理图如图2-48， 取取40k 取取0.75F 取取0.2FkR400kRKRii52.4040013. 10FFFRCiii75. 01075. 0104003. 063FFFRTCioi2 . 0102 . 01040002. 044630051512转速环的设计转速环的设计确定时间常数确定时间常数l电流环等效时间常数电流环等效时间常数1/1/K KI I ：已取：已取K KI IT T i i=0.5=0.5 ，则则l转速滤波时间常数：转速滤波时间常数：l转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，转速环小时间常数：按小时间常数近似处理， sTKiI0074. 00037. 0221sTon01. 0sTKTonIn0174. 001. 00074. 015252转速环的设计转速环的设计选择转速调节器结构选择转速调节器结构l按照设计要求，选用按照设计要求，选用PI调节器，调节器，计算转速调节器参数计算转速调节器参数 l按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，取取h=5，则，则ASR的超前时间常数为的超前时间常数为087. 00174. 05nnhT5353转速环的设计转速环的设计l转速环开环增益：转速环开环增益：l A