电力拖动自动控制系统课件二

转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

电力拖动自动控制系统第2章内容提要

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系统的重要基础。我们将重点学习：转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性；双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析；调节器的工程设计方法；按工程设计方法设计双闭环系统的调节器弱磁控制的直流调速系统。内容提要2.1转速、电流双闭环直流调速系统

及其静特性问题的提出第1章中表明，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。1.主要原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。

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，但它只能在超过临界电流值Idcr

以后，靠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。b)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图2-1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IdLntIdOIdmIdcr性能比较带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图所示，起动电流达到最大值Idm

后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。IdLntIdOIdmIdcr图2-1a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统性能比较（续）理想起动过程波形如图，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。IdLntIdOIdm图2-1b)理想的快速起动过程3.解决思路

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持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。现在的问题是，我们希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。

怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？2.1.1转速速、、电电流流双双闭闭环环直直流流调调速速系系统统的的组组成成为了了实实现现转转速速和和电电流流两两种种负负反反馈馈分分别别起起作作用用，，可可在在系系统统中中设设置置两两个个调调节节器器，，分分别别调调节节转转速速和和电电流流，，即即分分别别引引入入转转速速负负反反馈馈和和电电流流负负反反馈馈。。二二者者之之间间实实行行嵌嵌套套（（或或称称串串级级））联联接接如如下下图图所所示示。。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+图2-2转速速、、电电流流双双闭闭环环直直流流调调速速系系统统结结构构1.系统统的的组组成成ASR——转速速调调节节器器ACR——电流流调调节节器器TG——测速速发发电电机机TA——电流流互互感感器器UPE——电力力电电子子变变换换器器内环环外环环图中中，，把把转转速速调调节节器器的的输输出出当当作作电电流流调调节节器器的的输输入入，，再再用用电电流流调调节节器器的的输输出出去去控控制制电电力力电电子子变变换换器器UPE。从闭环结结构上看看，电流流环在里里面，称称作内环环；转速速环在外外边，称称作外环环。这就形成成了转速、电电流双闭闭环调速速系统。2.系统电路路结构为了获得得良好的的静、动动态性能能，转速速和电流流两个调调节器一一般都采采用PI调节器，，这样构构成的双双闭环直直流调速速系统的的电路原原理图示示于下图图。图中中标出了了两个调调节器输输入输出出电压的的实际极极性，它它们是按按照电力力电子变变换器的的控制电电压Uc为正电压压的情况况标出的的，并考考虑到运运算放大大器的倒倒相作用用。系统原理理图图2-3双闭环直流调速系统电路原理图

++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE图中表出出，两个个调节器器的输出出都是带带限幅作作用的。。转速调节节器ASR的输出限限幅电压压U*im决定了电电流给定定电压的的最大值值；电流调节节器ACR的输出限限幅电压压Ucm限制了电电力电子子变换器器的最大大输出电电压Udm。3.限幅电路路二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD2限幅电路路（续））

稳压管钳位的外限幅电路R1C1VS1VS2R0Rlim4.电流检测测电路电流检测测电路TA———电流互感感器TA2.1.2稳态结构构图和静静特性为了分析析双闭环环调速系系统的静静特性，，必须先先绘出它它的稳态态结构图图，如下下图。它它可以很很方便地地根据上上图的原原理图画画出来，，只要注注意用带带限幅的的输出特特性表示示PI调节器就就可以了了。分析析静特性性的关键键是掌握握这样的的PI调节器的的稳态特特征。1.系统稳态态结构图图图2-4双闭环直流调速系统的稳态结构图—转速反馈系数;

—电流反馈系数Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-R

ACR-UiUPE2.限幅作用用存在两种种状况：：饱和——输出达到到限幅值值当调节器器饱和时时，输出出为恒值值，输入入量的变变化不再再影响输输出，除除非有反反向的输输入信号号使调节节器退出出饱和；；换句话话说，饱饱和的调调节器暂暂时隔断断了输入入和输出出间的联联系，相当于使使该调节节环开环环。不饱和——输出未达达到限幅幅值当调节器器不饱和和时，正正如1.6节中所阐阐明的那那样，PI作用使输输入偏差差电压在在稳态时时总是零零。3.系统静特特性实际上，，在正常常运行时时，电流流调节器器是不会会达到饱饱和状态态的。因因此，对对于静特特性来说说，只有有转速调调节器饱饱和与不不饱和两两种情况况。双闭环直直流调速速系统的的静特性性如图所所示，图2-5双闭环直流调速系统的静特性

n0IdIdmIdnomOnABC（1）转速调调节器不不饱和式中，——转速和电电流反馈馈系数。。由第一个个关系式式可得从而得到到上图静静特性的的CA段。(2-1)静特性的的水平特特性与此同时时，由于于ASR不饱和，，U*i<U*im，从上述第第二个关关系式可可知:Id<Idm。这就是说说，CA段静特性性从理想想空载状状态的Id=0一直延续续到Id=Idm，而Idm一般都是是大于额额定电流流IdN的。这就就是静特特性的运运行段，，它是水平的特特性。（2）转速速调节器器饱和这时，ASR输出达到到限幅值值U*im，转速外环环呈开环环状态，，转速的的变化对对系统不不再产生生影响。。双闭环环系统变变成一个个电流无无静差的的单电流流闭环调调节系统统。稳态态时式中，最最大电流流Idm是由设计计者选定定的，取取决于电电机的容容许过载载能力和和拖动系系统允许许的最大大加速度度。(2-2)静特性的的垂直特特性式（2-2）所描述述的静特特性是上上图中的的AB段，它是是垂直的特特性。这样的下下垂特性性只适合合于n<n0的情况，，因为如如果n>n0，则Un>U*n，ASR将退出饱饱和状态态。4.两个调节节器的作作用双闭环调调速系统统的静特特性在负负载电流流小于Idm时表现为为转速无无静差，，这时，，转速负负反馈起起主要调调节作用用。当负载电电流达到到Idm后，转速速调节器器饱和，，电流调调节器起起主要调调节作用用，系统统表现为为电流无无静差，，得到过过电流的的自动保保护。这就是采采用了两两个PI调节器分分别形成成内、外外两个闭闭环的效效果。这这样的静静特性显显然比带带电流截截止负反反馈的单单闭环系系统静特特性好。。然而实实际上运运算放大大器的开开环放大大系数并并不是无无穷大，，特别是是为了避避免零点点飘移而而采用““准PI调节器””时，静静特性的的两段实实际上都都略有很很小的静静差，如如上图中中虚线所所示。2.1.3各变量的的稳态工工作点和和稳态参参数计算算双闭环调调速系统统在稳态态工作中中，当两两个调节节器都不不饱和时时，各变变量之间间有下列列关系(2-3)(2-5)(2-4)上述关系系表明，，在稳态态工作点点上，转速n是由给定定电压U*n决定的；；ASR的输出量量U*i是由负载载电流IdL决定的；；控制电压压Uc的大小则则同时取取决于n和Id，或者说，，同时取取决于U*n和IdL。这些关系系反映了了PI调节器不不同于P调节器的的特点。。比例环环节的输输出量总总是正比比于其输输入量，，而PI调节器则则不然，，其输出出量的稳稳态值与与输入无无关，而而是由它它后面环环节的需需要决定定的。后后面需要要PI调节器提提供多么么大的输输出值，，它就能能提供多多少，直直到饱和和为止。。反馈系数数计算鉴于这一一特点，，双闭环环调速系系统的稳稳态参数数计算与与单闭环环有静差差系统完完全不同同，而是是和无静静差系统统的稳态态计算相相似，即即根据各各调节器器的给定定与反馈馈值计算算有关的的反馈系系数：转速反馈馈系数电流反馈馈系数(2-6)(2-7)两个给定定电压的的最大值值U*nm和U*im由设计者者选定，，设计原原则如下下：U*nm受运算放放大器允允许输入入电压和和稳压电电源的限限制；U*im为ASR的输出限限幅值。。返回目录2.2双闭环直直流调速速系统的的数学模模型和和动动态性能能分析本节提要要双闭环直直流调速速系统的的动态数数学模型型起动过程程分析动态抗扰扰性能分分析转速和电电流两个个调节器器的作用用2.2.1双闭环直直流调速速系统的的动态数数学模型型在单闭环环直流调调速系统统动态数数学模型型的基础础上，考考虑双闭闭环控制制的结构构，即可可绘出双双闭环直直流调速速系统的的动态结结构图，，如下图图所示。。1.系统动态态结构图2-6双闭环直流调速系统的动态结构图

U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E2.数学模型型图中WASR(s)和WACR(s)分别别表表示示转转速速调调节节器器和和电电流流调调节节器器的的传传递递函函数数。。如如果果采采用用PI调节节器器，，则则有有2.2.2起动动过过程程分分析析前已已指指出出，，设设置置双双闭闭环环控控制制的的一一个个重重要要目目的的就就是是要要获获得得接接近近理理想想起起动动过过程程，，因因此此在在分分析析双双闭闭环环调调速速系系统统的的动动态态性性能能时时，，有有必必要要首首先先探探讨讨它它的的起起动动过过程程。。双闭闭环环直直流流调调速速系系统统突突加加给给定定电电压压U*n由静静止止状状态态起起动动时时，，转转速速和和电电流流的的动动态态过过程程示示于于下下图图。。图2-7双闭闭环环直直流流调调速速系系统统起起动动时时的的转转速速和和电电流流波波形形n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

1.起动动过过程程由于于在在起起动动过过程程中中转转速速调调节节器器ASR经历历了了不不饱饱和和、、饱饱和和、、退退饱饱和和三三种种情情况况，，整整个个动动态态过过程程就就分分成成图图中中标标明明的的I、II、III三个阶阶段。。第I阶段电电流上上升的的阶段段（0~t1）突加给给定电电压U*n后，Id上升，，当Id小于负负载电电流IdL时，电电机还还不能能转动动。当Id≥IdL后，电电机开开始起起动，，由于于机电电惯性性作用用，转转速不不会很很快增增长，，因而而转速速调节节器ASR的输入入偏差差电压压的数数值仍仍较大大，其其输出出电压压保持持限幅幅值U*im，强迫迫电流流Id迅速上上升。。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt第I阶段（（续））第I阶段（（续））直到，，Id=Idm，Ui=U*im电流调调节器器很快快就压压制Id了的增增长，，标志志着这这一阶阶段的的结束束。在这一一阶段段中，，ASR很快进进入并并保持持饱和和状态态，而而ACR一般不饱和和。第II阶段恒恒流升升速阶阶段（（t1~t2）在这个个阶段段中，，ASR始终是是饱和和的，，转速速环相相当于于开环环，系系统成成为在在恒值值电流流U*im给定下下的电电流调调节系系统，，基本本上保保持电电流Id恒定，，因而而系统统的加加速度度恒定定，转转速呈呈线性性增长长。n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第II阶段（（续））第II阶段（（续））与此同同时，，电机机的反反电动动势E也按线线性增增长，，对电电流调调节系系统来来说，，E是一个个线性性渐增增的扰扰动量量，为为了克克服它它的扰扰动，，Ud0和Uc也必须须基本本上按按线性性增长长，才才能保保持Id恒定。。当ACR采用PI调节器器时，，要使使其输输出量量按线线性增增长，，其输输入偏偏差电电压必必须维维持一一定的的恒值值，也也就是是说，，Id应略低低于Idm。第II阶段（（续））恒流升升速阶阶段是是起动动过程程中的的主要要阶段段。为了保保证电电流环环的主主要调调节作作用，，在起起动过过程中中ACR是不应应饱和和的，，电力力电子子装置置UPE的最大大输出出电压压也须须留有有余地地，这这些都都是设设计时时必须须注意意的。。第Ⅲ阶段转转速调调节阶阶段（（t2以后））当转速速上升升到给给定值值时，，转速速调节节器ASR的输入入偏差差减少少到零零，但但其输输出却却由于于积分分作用用还维维持在在限幅幅值U*im，所以电电机仍仍在加加速，，使转转速超超调。。转速超超调后后，ASR输入偏偏差电电压变变负，，使它它开始始退出出饱和和状态态，U*i和Id很快下下降。。但是是，只只要Id仍大于于负载载电流流IdL，转速速就继继续上上升。。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第Ⅲ阶段（（续））第Ⅲ阶段（（续））直到Id=IdL时，转转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n才到达达峰值值（t=t3时）。。IdL

Id

n

n*

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OOIIIIIIt4t3

t2

t1

tt第Ⅲ阶段（（续））此后，，电动动机开开始在在负载载的阻阻力下下减速速，与与此相相应，，在一一小段段时间间内（（t3~t4），Id<IdL，直到稳稳定，，如果果调节节器参参数整整定得得不够够好，，也会会有一一些振振荡过过程。。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1

tt第Ⅲ阶段（（续））在这最最后的的转速速调节节阶段段内，，ASR和ACR都不饱饱和，，ASR起主导导的转转速调调节作作用，，而ACR则力图图使Id尽快地地跟随随其给给定值值U*i，或者说说，电电流内内环是是一个个电流流随动动子系系统。。2.分析结结果综上所所述，，双闭闭环直直流调调速系系统的的起动动过程程有以以下三三个特特点：：（1）饱和非非线性性控制制；（2）转速超超调；；（3）准时间间最优优控制制。（1）饱和非非线性性控制制根据ASR的饱和和与不不饱和和，整整个系系统处处于完完全不不同的的两种种状态态：当ASR饱和时时，转转速环环开环环，系系统表表现为为恒值值电流流调节节的单单闭环环系统统；当ASR不饱和和时，，转速速环闭闭环，，整个个系统统是一一个无无静差差调速速系统统，而而电流流内环环表现现为电电流随随动系系统。（2）转速超超调由于ASR采用了了饱和和非线线性控控制，，起动动过程程结束束进入入转速速调节节阶段段后，，必须须使转转速超超调，，ASR的输入入偏差差电压压△Un为负值值，才才能使使ASR退出饱饱和。。这样，，采用用PI调节器器的双双闭环环调速速系统统的转转速响响应必必然有有超调调。（3）准时间间最优优控制制起动过过程中中的主主要阶阶段是是第II阶段的的恒流流升速速，它它的特特征是是电流流保持持恒定定。一一般选选择为为电动动机允允许的的最大大电流流，以以便充充分发发挥电电动机机的过过载能能力，，使起起动过过程尽尽可能能最快快。这阶段段属于于有限限制条条件的的最短短时间间控制制。因因此，，整个个起动动过程程可看看作为为是一一个准准时间间最优优控制制。最后，，应该该指出出，对对于不不可逆逆的电电力电电子变变换器器，双双闭环环控制制只能能保证证良好好的起起动性性能，，却不不能产产生回回馈制制动，，在制制动时时，当当电流流下降降到零零以后后，只只好自自由停停车。。必须须加快快制动动时，，只能能采用用电阻阻能耗耗制动动或电电磁抱抱闸。。2.2.3动态抗抗扰性性能分分析一般来来说，，双闭闭环调调速系系统具具有比比较满满意的的动态态性能能。对对于调调速系系统，，最重重要的的动态态性能能是抗抗扰性性能。。主要要是抗抗负载载扰动动和抗抗电网网电压压扰动动的性性能。。

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId1.抗负载载扰动动±∆IdL直流调调速系系统的的动态态抗负负载扰扰作用用抗负载载扰动动（续续）由动态态结构构图中中可以以看出出，负负载扰扰动作作用在在电流流环之之后，，因此此只能能靠转转速调调节器器ASR来产生生抗负负载扰扰动的的作用用。在在设计计ASR时，应应要求求有较较好的的抗扰扰性能能指标标。图2-8直流调调速系系统的的动态态抗扰扰作用用a)单闭环环系统统2.抗电网网电压压扰动动±∆UdU*n-IdLUn+-ASR

1/CenUd01/RTls+1RTmsIdKsTss+1-E抗电网网电压压扰动动（续续）-IdL±∆Udb)双闭环环系统统△Ud—电网电电压波波动在在整流流电压压上的的反映映

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E3.对比分分析在单闭闭环调调速系系统中中，电电网电电压扰扰动的的作用用点离离被调调量较较远，，调节节作用用受到到多个个环节节的延延滞，，因此此单闭闭环调调速系系统抵抵抗电电压扰扰动的的性能能要差差一些些。双闭环环系统统中，，由于于增设设了电电流内内环，，电压压波动动可以以通过过电流流反馈馈得到到比较较及时时的调调节，，不必必等它它影响响到转转速以以后才才能反反馈回回来，，抗扰扰性能能大有有改善善。4.分析结结果因此，，在双双闭环环系统统中，，由电电网电电压波波动引引起的的转速速动态态变化化会比比单闭闭环系系统小小得多多。2.2.4转速和和电流流两个个调节节器的的作用用综上所所述，，转速速调节节器和和电流流调节节器在在双闭闭环直直流调调速系系统中中的作作用可可以分分别归归纳如如下：：1.转速调调节器器的作作用（1）转速调调节器器是调调速系系统的的主导导调节节器，，它使使转速速n很快地地跟随随给定定电压压变化化，稳稳态时时可减减小转转速误误差，，如果果采用用PI调节器器，则则可实实现无无静差差。（2）对负负载变变化起起抗扰扰作用用。（3）其输输出限限幅值值决定定电机机允许许的最最大电电流。。2.电流调调节器器的作作用（1）作为内内环的的调节节器，，在外外环转转速的的调节节过程程中，，它的的作用用是使使电流流紧紧紧跟随随其给给定电电压（（即外外环调调节器器的输输出量量）变变化。。（2）对电电网电电压的的波动动起及及时抗抗扰的的作用用。（3）在转转速动动态过过程中中，保保证获获得电电机允允许的的最大大电流流，从从而加加快动动态过过程。。（4）当电机机过载载甚至至堵转转时，，限制制电枢枢电流流的最最大值，起起快速速的自自动保保护作作用。。一旦旦故障障消失失，系系统立立即自自动恢恢复正正常。。这个个作用用对系系统的的可靠靠运行行来说说是十十分重重要的的。返回目录2.3调节器器的工工程设设计方方法2.3.0问题的的提出出必要性性：用经典典的动动态校校正方方法设设计调调节器器须同同时解解决稳稳、准准、快快、抗抗干扰扰等各各方面面相互互有矛矛盾的的静、、动态态性能能要求求，需需要设设计者者有扎扎实的的理论论基础础和丰丰富的的实践践经验验，而而初学学者则则不易易掌握握，于于是有有必要要建立立实用用的设设计方方法。。问题的的提出出（续续）可能性性：大多数数现代代的电电力拖拖动自自动控控制系系统均均可由由低阶阶系统统近似似。若若事先先深入入研究究低阶阶典型型系统统的特特性并并制成成图表表，那那么将将实际际系统统校正正或简简化成成典型型系统统的形形式再再与图图表对对照，，设计计过程程就简简便多多了。。这样样，就就有了了建立立工程程设计计方法法的可可能性性。设计方方法的的原则则：（1）概念念清楚楚、易易懂；；（2）计算算公式式简明明、好好记；；（3）不仅仅给出出参数数计算算的公公式，，而且且指明明参数数调整整的方方向；；（4）能考考虑饱饱和非非线性性控制制的情情况，，同样样给出出简单单的计计算公公式；；（5）适用用于各各种可可以简简化成成典型型系统统的反反馈控控制系系统。。2.3.1工程设设计方方法的的基本本思路路1.选择调调节器器结构构,使系统统典型型化并并满足足稳定定和稳稳态精精度。2.设计调调节器器的参参数，，以满满足动动态性性能指指标的的要求求。2.3.2典型系统统一般来说说，许多多控制系系统的开开环传递递函数都都可表示示为(2-8)R(s)C(s)上式中，，分母中中的sr项表示该该系统在在原点处处有r重极点，，或者说说，系统统含有r个积分环环节。根根据r=0，1，2，……等不同数数值，分分别称作作0型、I型、Ⅱ型、……系统。自动控制制理论已已经证明明，0型系统稳稳态精度度低，而而Ⅲ型和Ⅲ型以上的的系统很很难稳定定。因此，为为了保证证稳定性性和较好好的稳态态精度，，多选用I型和II型系统。1.典型I型系统结构图与与传递函函数式中T—系统的惯惯性时间间常数；；K—系统的开开环增益益。（2-9）开环对数数频率特性O性能特性性典型的I型系统结结构简单单，其对对数幅频频特性的的中频段段以–20dB/dec的斜率穿穿越0dB线，只要要参数的的选择能能保证足足够的中中频带宽宽度，系系统就一一定是稳稳定的，，且有足足够的稳稳定裕量量，即选择参数数满足或于是，相相角稳定定裕度2.典型Ⅱ型系统结构图和和传递函函数（2-10）开环对数数频率特性O性能特性性典型的II型系统也也是以–20dB/dec的斜率穿穿越零分分贝线。。由于分分母中s2项对应的的相频特特性是–180°°，后面还还有一个个惯性环环节，在在分子添添上一个个比例微微分环节节（s+1），是为为了把相相频特性性抬到–180°°线以上，，以保证证系统稳稳定，即即应选择参数数满足或且比T大得越多多，系统统的稳定定裕度越越大。2.3.3控制系统统的动态态性能指指标自动控制制系统的的动态性性能指标标包括：：跟随性能能指标抗扰性能能指标系统典型型的阶跃跃响应曲曲线±5%（或±2%）

0Otrts图2-12典型阶跃跃响应曲曲线和跟跟随性能能指标1.跟随性能能指标：：在给定信信号或参参考输入入信号的的作用下下，系统统输出量量的变化化情况可可用跟随随性能指指标来描描述。常常用的阶阶跃响应应跟随性性能指标标有tr—上升时间间—超调量ts—调节时间间突加扰动动的动态态过程和和抗扰性性能指标标图2-13突加扰动动的动态态过程和和抗扰性性能指标标±5%（或±2%）

O

tmtvCb2.抗扰性能能指标抗扰性能能指标标标志着控控制系统统抵抗扰扰动的能能力。常常用的抗抗扰性能能指标有有Cmax—动态降落落tv—恢复时间间一般来说说，调速速系统的的动态指指标以抗抗扰性能能为主，，而随动动系统的的动态指指标则以以跟随性性能为主主。2.3.4典型I型系统性性能指标标和参数数的关系系典型I型系统的的开环传传递函数数如式（（2-9）所示，，它包含含两个参参数：开开环增益益K和时间常常数T。其中，，时间常常数T在实际系系统中往往往是控控制对象象本身固固有的，，能够由由调节器器改变的的只有开开环增益益K，也就是是说，K是唯一的的待定参参数。设设计时，，需要按按照性能能指标选选择参数数K的大小。。K与开环对对数频率率特性的的关系图2-13绘出了在在不同K值时典型型I型系统的的开环对对数频率率特性，，箭头表表示K值增大时时特性变变化的方方向。K与截止频频率c的关系当c<1/T时，特性性以–20dB/dec斜率穿越越零分贝贝线，系系统有较较好的稳稳定性。。由图中中的特性性可知所以K=c（当c时）(2-12)式（2-12）表明，，K值越大，，截止频频率c也越大，，系统响响应越快快，但相相角稳定定裕度=90°–arctgcT越小，这这也说明明快速性性与稳定定性之间间的矛盾盾。在具具体选择择参数K时，须在在二者之之间取折折衷。下面将用用数字定定量地表表示K值与各项项性能指指标之间间的关系系。表2-1I型系统在在不同输输入信号号作用下下的稳态态误差输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差

0v0/K1.典型I型系统跟跟随性能能指标与与参数的的关系（1）稳态跟跟随性能能指标：系统的稳稳态跟随随性能指指标可用用不同输入信号号作用下下的稳态态误差来来表示。由表可见见：在阶跃输输入下的的I型系统稳稳态时是是无差的的；但在斜坡坡输入下下则有恒恒值稳态态误差，，且与K值成反比比；在加速度度输入下下稳态误误差为。因此，I型系统不不能用于于具有加加速度输输入的随随动系统统。（2）动态跟跟随性能能指标闭环传递递函数：：典型I型系统是是一种二二阶系统统，其闭闭环传递递函数的的一般形形式为（2-13）式中n—无阻尼时时的自然然振荡角角频率，，或称固有角频频率；—阻尼比，，或称衰衰减系数数。K、T与标准形形式中的的参数的的换算关关系(2-15)(2-16)(2-17)且有二阶系统统的性质质当<1时，系统统动态响响应是欠欠阻尼的的振荡特特性，当1时，系统统动态响响应是过过阻尼的的单调特特性；当=1时，系统统动态响响应是临临界阻尼尼。由于过阻阻尼特性性动态响响应较慢慢，所以以一般常常把系统统设计成成欠阻尼尼状态，，即0<<1由于在典典I系统中KT<1，代入式式（2-16）得>0.5。因此在在典型I型系统中中应取下面列出出欠阻尼尼二阶系系统在零零初始条条件下的的阶跃响响应动态态指标计计算公式式(2-18)性能指标标和系统统参数之之间的关关系(2-19)(2-20)(2-21)超调量上升时间间峰值时间间表2-2典型I型系统跟跟随性能能指标和和频域指指标与参参数的关关系（（与KT的关系服服从于式式2-16）具体选择择参数时时，应根根据系统统工艺要要求选择参数数以满足足性能指指标。参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比超调量上升时间tr峰值时间tp

相角稳定裕度

截止频率c

1.00%

76.3°0.243/T

0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T

65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T

51.8°0.786/T2.典型I型系统抗抗扰性能能指标与与参数的的关系图2-15a是在扰动动F作用下的的典型I型系统，，其中，W1(s)是扰动作作用点前前面部分分的传递递函数，，后面部部分是W2(s)，于是只讨论抗抗扰性能能时，令令输入作作用R=0，得到图2-15b所示的等等效结构构图。(2-25)图2-15扰动作用用下的典典型I型系统典型I型系统

由于抗扰扰性能与与W1(s)有关，因因此抗扰扰性能指指标也不不定，随随着扰动动点的变变化而变变化。在在此，我我们针对对常用的的调速系系统，分分析图2-16的一种情情况，其其他情况况可仿此此处理。。经过一一系列计计算可得得到表2-3所示的数数据。55.5%33.2%18.5%12.9%tm

/T2.83.43.84.0tv

/T14.721.728.730.4表2-3典型I型系统动动态抗扰扰性能指指标与参参数的关关系(控制结构构和扰动动作用点点如图2-15所示，已已选定的的参数关关系KT=0.5)分析结果果：由表2-3中的数据据可以看看出，当当控制对对象的两两个时间间常数相相距较大大时，动动态降落落减小，，但恢复复时间却却拖得较较长。2.3.5典型II型系统性性能指标标和参数数的关系系可选参数数：在在典典型II型系统的的开环传传递函数数式(2-10)中，与典典型I型系统相相仿，时时间常数数T也是控制制对象固固有的。。所不同同的是，，待定的的参数有有两个：：K和，这就增增加了选选择参数数工作的的复杂性性。为了分析析方便起起见，引引入一个个新的变变量(图2-16)，令(2-32)典型Ⅱ型系统的的开环对对数幅频频特性0-20

–40

-40

/s-1c=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec图2-16典型Ⅱ型系统的的开环对对数幅频频特性和和中频宽宽中频宽度度中频宽h由图可见见，h是斜率为为–20dB/dec的中频段段的宽度度（对数数坐标）），称作作“中频频宽”。。由于中中频段的的状况对对控制系系统的动动态品质质起着决决定性的的作用，，因此h值是一个个很关键键的参数数。只要按照照动态性性能指标标的要求求确定了了h值，就可可以代入入这两个个公式计计算K和，并由此此计算调调节器的的参数。。表2－5II型系统在在不同输输入信号号作用下下的稳态态误差输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差00（1）稳态跟跟随性能能指标Ⅱ型系统在在不同输输入信号号作用下下的稳态态误差列列于表2-5中1.典型II型系统跟跟随性能能指标和和参数的的关系由表可知知：在阶跃和和斜坡输输入下，，II型系统稳稳态时均均无差；；加速度输输入下稳稳态误差差与开环环增益K成反比。。表2-6典型II型系统阶阶跃输入入跟随性性能指标标（按Mrmin准则确定定关系时时）

h345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201（2）动态跟跟随性能能指标图2-17b典型II型系统在在一种扰扰动作用用下的动动态结构构图+0-抗扰系统统结构2.典型Ⅱ型系统抗抗扰性能能指标和和参数的的关系扰动系统统的输出出响应在阶跃扰扰动下，，（2-43）由式（2-43）可以计计算出对对应于不不同h值的动态态抗扰过过程曲线线C(t)，从而求求出各项项动态抗抗扰性能能指标，，列于表表2-7中。在计计算中，，为了使使各项指指标都落落在合理理的范围围内，取取输出量量基准值值为Cb=2FK2T（2-44）表2-7典型II型系统动动态抗扰扰性能指指标与参参数的关关系（控制结结构和阶阶跃扰动动作用点点如图2-18，参数关关系符合合最小Mr准则）

h345678910

Cmax/Cbtm

/T

tv

/T

72.2%

2.4513.6077.5%2.70

10.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85由表2-7中的数据据可见，，一般来来说，h值越小，，Cmax/Cb也越小，，tm和tv都短，因因而抗扰扰性能越越好，这这个趋势势与跟随随性能指指标中超超调量与与h值的关系系恰好相相反，反反映了快快速性与与稳定性性的矛盾盾。但是，当当h<5时，由于于振荡次次数的增增加，h再小，恢恢复时间间tv反而拖长长了。分析结果果由此可见见，h=5是较好的的选择，，这与跟跟随性能能中调节节时间最最短的条条件是一一致的（（见表2-6）。因此，把把典型Ⅱ型系统跟跟随和抗抗扰的各各项性能能指标综综合起来来看，h=5应该是一一个很好好的选择择。两种系统统比较比较分析析的结果果可以看看出，典典型I型系统和和典型Ⅱ型系统除除了在稳稳态误差差上的区区别以外外，在动动态性能能中，典型I型系统在在跟随性性能上可可以做到到超调小小，但抗抗扰性能能稍差，，典型Ⅱ型系统的的超调量量相对较较大，抗抗扰性能能却比较较好。这是设计计时选择择典型系系统的重重要依据据。2.3.6调节器结结构的选选择和传传递函数数的近似似处处理——非典型系系统的典典型化1.调节器结结构的选选择基本思路路:将控制对对象校正正成为典典型系统统。系统校正控制对象

调节器

输入输出典型系统

输入输出选择规律律：几种校正正成典型型I型系统和和典型II型系统的的控制对对象和相相应的调调节器传传递函数数列于表表2-8和表2-9中，表中中还给出出了参数数配合关关系。有有时仅靠靠P、I、PI、PD及PID几种调节节器都不不能满足足要求，，就不得得不作一一些近似似处理，，或者采采用更复复杂的控控制规律律。表2-8校正成典典型I型系统的的几种调调节器选选择控制对象调节器参数配合T1、T2T3T1T2表2-9校正成典典型II型系统的的几种调调节器选选择控制对象调节器参数配合认为：

认为：2.传递函数数近似处处理（1）高高频段小小惯性环环节的近近似处理理实际系统统中往往往有若干干个小时时间常数数的惯性性环节，，这些小小时间常常数所对对应的频频率都处处于频率率特性的的高频段段，形成成一组小小惯性群群。例如如，系统统的开环环传递函函数为小惯性环节可以合并当系统有一一组小惯性性群时，在在一定的条条件下，可可以将它们们近似地看看成是一个个小惯性环环节，其时时间常数等等于小惯性性群中各时时间常数之之和。例如：(2-47)近似条件(2-46)（2）高阶阶系统的降降阶近似处处理上述小惯性性群的近似似处理实际际上是高阶阶系统降阶阶处理的一一种特例，，它把多阶阶小惯性环环节降为一一阶小惯性性环节。下下面讨论更更一般的情情况，即如如何能忽略略特征方程程的高次项项。以三阶阶系统为例例，设其中a，b，c都是正系数数，且bca，即系统是是稳定的。。(2-50)降阶处理：：若能忽略高高次项，可可得近似的的一阶系统统的传递函函数为近似条件(2-51)(2-52)（3）低频频段大惯性性环节的近近似处理表2-9中已经指出出，当系统统中存在一一个时间常常数特别大大的惯性环环节时，可可以近似地地将它看成成是积分环环节，即近似条件(2-53)例如：c对频率特性性的影响图2-21低频段大惯惯性环节近近似处理对对频率特性性的影响返回目录低频时把特特性a近似地看成成特性b2.4按工程设计计方法设计计双闭环系系统的调调节器本节将应用用前述的工工程设计方方法来设计计转速、电电流双闭环环调速系统统的两个调调节器。主主要内容为为系统设计对对象系统设计原原则系统设计步步骤-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+E

T0is+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

T0ns+1U*nn电流内环图2-22双闭环调速速系统的动动态结构图图转速、电流流双闭环调调速系统。。1.系统设计对对象双闭环调速速系统的实实际动态结结构图绘于于图2-22，它与前述述的图2-6不同之处在在于增加了了滤波环节节，包括电电流滤波、、转速滤波波和两个给给定信号的的滤波环节节。其中T0i—电流反馈滤滤波时间常常数T0n—转速反馈滤滤波时间常常数2.系统设计原原则系统设计的的一般原则则：“先内环后后外环”从内环开始始，逐步向向外扩展。。在这里，，首先设计计电流调节节器，然后后把整个电电流环看作作是转速调调节系统中中的一个环环节，再设设计转速调调节器。设计分为以以下几个步步骤：1.电流环结构构图的简化化2.电流调节器器结构的选选择3.电流调节器器的参数计计算4.电流调节器器的实现2.4.1电流调节器器的设计1.电流环结构构图的简化化简化内容：：忽略反电动动势的动态态影响等效成单位位负反馈系系统小惯性环节节近似处理理忽略反电动动势的动态态影响在按动态性性能设计电电流环时，，可以暂不不考虑反电电动势变化化的动态影影响，即E≈0。这时，电电流环如下下图所示。。Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc

(s)KsTss+1Id

(s)

T0is+11

T0is+1图2-23电流环的动动态结构图图及其化简简等效成单位位负反馈系系统如果把给定定滤波和反反馈滤波两两个环节都都等效地移移到环内，，同时把给给定信号改改成U*i(s)/，则电流环环便等效成成单位负反反馈系统（（图2-23b）。+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tss+1)(Tls+1)Id

(s)U*i(s)

T0is+1图2-23b小惯性环节节近似处理理最后，由于于Ts和T0i一般都比Tl小得多，可可以当作小小惯性群而而近似地看看作是一个个惯性环节节，其时间间常数为T∑i=Ts+Toi(2-55)简化的近似似条件为(2-56)电流环结构构图最终简简化成图2-23c。+-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)图2-23c2.电流调节器器结构的选选择典型系统的的选择：从稳态要求求上看，希希望电流无无静差，以以得到理想想的堵转特特性，由图图2-23c可以看出，，采用I型系统就够够了。从动态要求求上看，实实际系统不不允许电枢枢电流在突突加控制作作用时有太太大的超调调，以保证证电流在动动态过程中中不超过允允许值，而而对电网电电压波动的的及时抗扰扰作用只是是次要的因因素，为此此，电流环环应以跟随随性能为主主，应选用用典型I型系统。电流调节器器选择图2-23c表明，电流流环的控制制对象是双双惯性型的的，要校正正成典型I型系统，显显然应采用用PI型的电流调调节器，其其传递函数数可以写成成（2-57）式中Ki—电流调节器器的比例系系数；i—电流调节器器的超前时时间常数。。为了让调节节器零点与与控制对象象的大时间间常数极点点对消，选选择则电流环的的动态结构构图便成为为图2-24a所示的典型型形式，其其中（2-58）（2-59）KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)校正后电流流环的结构构和特性图2-24校正成典型型I型系统的电电流环a)动态结构图图:b)开环对数幅幅频特性:0L/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decT∑i3.电流调节器器的参数计计算式（2-57）给出，电电流调节器器的参数有有：Ki和i，其中i已选定，见见式（2-58），剩下的的只有比例例系数Ki，可根据据所需要的的动态性能能指标选取取。参数选择在一般情况况下，希望望电流超调调量i<5%，由表2-2，可选=0.707，KITi=0.5，则(2-60)(2-61)再利用式（（2-59）和式（2-58）得到注意：如果实际系系统要求的的跟随性能能指标不同同，式（2-60）和式（2-61）当然应作作相应的改改变。此外，如果果对电流环环的抗扰性性能也有具具体的要求求，还得再再校验一下下抗扰性能能指标是否否满足。4.电流调节器器的实现模拟式电流流调节器电电路图中U*i—为电流给定定电压；–Id—为电流负反反馈电压；；Uc—电力电子变变换器的控控制电压。。图2-25含给定滤波波与反馈滤滤波的PI型电流调节节器电流调节器器电路参数数的计算公公式(2-62)(2-63)(2-64)设计分为以以下几个步步骤：1.电流环的等等效闭环传传递函数2.转速调节器器结构的选选择3.转速调节器器参数的选选择4.转速调节器器的实现2.4.2转速调节器器的设计1.电流环的等等效闭环传传递函数电流环闭环环传递函数数电流环经简简化后可视视作转速环环中的一个个环节，为为此，须求求出它的闭闭环传递函函数。由图图2-24a可知(2-65)传递函数化化简忽略高次项项，上式可可降阶近似似为(2-66)近似条件可可由式（2-52）求出(2-67)式中cn—转速环开环环频率特性性的截止频频率。电流环等效效传递函数数接入转速环环内，电流流环等效环环节的输入入量应为U*i(s)，因此电流环环在转速环环中应等效效为(2-68)这样，原来来是双惯性性环节的电电流环控制制对象，经经闭环控制制后，可以以近似地等等效成只有有较小时间间常数的一一阶惯性环环节。物理意义：：这就表明，，电流的闭环环控制改造造了控制对对象，加快快了电流的的跟随作用用，这是局局部闭环（（内环）控控制的一个个重要功能能。2.转速调节器器结构的选选择转速环的动动态结构用电流环的的等效环节节代替图2-22中的电流环环后，整个个转速控制制系统的动动态结构图图便如图2-26a所示。n

(s)+-Un

(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s)

T0ns+11

T0ns+1U*n(s)+-IdL

(s)图2-26转速环的动态结构图及其简化

电流环系统等效和和小惯性的的近似处理理和电流环中中一样，把把转速给定定滤波和反反馈滤波环环节移到环环内，同时时将给定信信号改成U*n(s)/，再把把时间间常数数为1/KI和T0n的两个个小惯惯性环环节合合并起起来，，近似似成一一个时时间常常数为为的惯惯性环环节，，其中中（2-69）转速环环结构构简化化n

(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s)/

Tns+1U*n(s)+-IdL

(s)b)等效成成单位位负反反馈系系统和和小惯惯性的的近似似处理理转速调调节器器选择择为了实实现转转速无无静差差，在在负载载扰动动作用用点前前面必必须有有一个个积分分环节节，它它应该该包含含在转转速调调节器器ASR中（见见图2-26b），现现在在在扰动动作用用点后后面已已经有有了一一个积积分环环节，，因此此转速速环开开环传传递函函数应应共有有两个个积分分环节节，所所以应应该设设计成成典型型Ⅱ型系统统，这这样的的系统统同时时也能能满足足动态态抗扰扰性能能好的的要求求。由此可可见，，ASR也应该该采用用PI调节器器，其其传递递函数数为（2-70）式中Kn—转速调调节器器的比比例系系数；；n—转速调调节器器的超超前时时间常常数。。调速系系统的的开环环传递递函数数这样，，调速速系统统的开开环传传递函函数为为令转速速环开开环增增益为为（2-72）则（2-71）校正后后的系系统结结构n

(s)