第3章(观摩01)转速电流反馈控制的直流调速系统

第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统主讲教师:张今朝所在单位:机电工程学院《电力拖动自动控制系统》课堂实践式教学改革顺藤子摸瓜，顺瓜摸藤子照葫芦画瓢，照瓢画葫芦3.1转速、电流反馈控制的直流调速系统组成及其静特性图3-1时间最优的理想过渡过程难度系数★★☆☆☆3.1.1转速、电流反馈控制的直流调速系统组成图3-2转速、电流反馈控制直流调速系统原理图3.1.2稳态结构图与参数计算（1）转速调节器不饱和（2）转速调节器饱和图3-3双闭环直流调速系统的稳态结构图难度系数★★☆☆☆《电力拖动自动控制系统》课堂实践式教学改革图3-4双闭环直流调速系统的静特性二极管钳位的外限幅电路二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD2限幅电路《电力拖动自动控制系统》课堂实践式教学改革图3-4双闭环直流调速系统的静特性《电力拖动自动控制系统》课堂实践式教学改革2各变量的稳态工作点和稳态参数的计算1)当两个调节器都不饱和的情况下2)两个调节器都饱和《电力拖动自动控制系统》课堂实践式教学改革3.2转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析图3-5双闭环直流调速系统的动态结构图《电力拖动自动控制系统》课堂实践式教学改革图3-6双闭环直流调速系统的起动过程的转速和电流波形第I阶段电流上升阶段第II阶段恒流升速阶段第III阶段转速调节阶段双闭环直流调速系统的起动过程三个特点：1）饱和非线性控制2）转速超调3）准时间最优控制2.动态抗扰性能分析（1）抗负载扰动（2）抗电网电压扰动图3-7直流调速系统的动态抗扰作用（a）单闭环系统（b）双闭环系统（a）（b）1）转速调节器的作用2）电流调节器的作用创新互动与知识延伸1.在恒流起动过程中，电枢电流能否达到最大值？为什么？能否达到呢？2.双闭环直流调速系统调试时，遇到下列情况会出现什么现象？

（1）电流反馈极性接反；（2）转速极性接反；创新互动与知识延伸3.双闭环直流调速系统中，给定电压不变，增加转速负反馈系数，系统稳定后转速反馈电压和实际转速是增加、减小还是不变？4.由于机械原因，造成转轴堵死，试分析双闭环直流调速系统的工作状态。图3-6双闭环直流调速系统的起动过程的转速和电流波形第I阶段电流上升阶段第II阶段恒流升速阶段第III阶段转速调节阶段总结双闭环直流调速系统的起动过程三个特点：1）饱和非线性控制2）转速超调3）准时间最优控制3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计3.3.1控制系统的动态性能指标1.跟随性能指标±5%（或±2%）

0Otrts（1）上升时间tr（2）超调量与峰值时间tptp（3）调节时间ts图3-8典型的阶跃响应过程和跟随性能指标2.抗扰性能指标±5%（或±2%）

O

tmtvCb（1）动态降落（2）恢复时间tv3.3.2调节器的工程设计方法R(s)C(s)调节器结构的选择 基本思路:将控制对象校正成为典型系统。系统校正控制对象

调节器

输入输出典型系统

输入输出1.典型的I型系统（1）结构图与传递函数

式中T—系统的惯性时间常数；

K—系统的开环增益。（3-10）K

与截止频率c

的关系

当c

<1/T时，特性以–20dB/dec斜率穿越零分贝线，系统有较好的稳定性。由图中的特性可知：所以

K=c

（当

c

时）

(3-11)

dB/decdB/dec典型I型系统开环对数频率特性

系统结构简单，对数幅频特性–20dB/dec的斜率穿越0dB线，只要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，当或相角稳定裕度（1）动态跟随性能指标（3-12）

式中n—无阻尼时的自然振荡角频率，或称固有角频率；

—阻尼比，或称衰减系数。二阶系统的动态响应性质

<1，欠阻尼的振荡特性，

1，过阻尼的单调特性；

=1，临界阻尼。过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即

0<

<1过渡时间

超调量

上升时间

峰值时间

性能指标和系统参数之间的关系（只许查不许记）截止频率

相角稳定裕度《自动控制原理》补充（P70）表3-1典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系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c1.00%

76.3°0.243/T0.81.5%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%2.4T3.6T

51.8°0.786/T1。当

，时，超调量为，，稳定性和快速性都较好－－西门子把它称为“二阶最佳系统”；2。在工程上，根据不同的工艺要求，可以有不同的最佳参数选择，根据要求选择参数；3。列表的目：为参数的选择提供了简便的途径，当不能满足所需的全部性能指标时，说明典型Ⅰ型系统已不能适用，须采用其它控制方法。注意典型Ⅰ型系统已经规定了系统的结构，分析它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用点，某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的扰动作用点。(2)动态抗扰性能指标电流环的扰动作用点：在

采用PI调节器的情况下，在扰动作用点前后各是一个一阶惯性环节，其动态结构框图为：仅考虑扰动作用R(s)=0典型I型系统

扰动作用下的典型I型系统的传递函数:(典型的I型系统)

阶跃扰动作用下的输出变化量阶跃扰动：输出变化量：当P70表3-1，得到式（3-19）再用部分分式分解法27.8%16.6%9.3%6.5%tm

/T2.83.43.84.0tv

/T14.721.728.730.4典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（KT=0.5,Cb=FK2/2)典型II型系统见N003第80页(2-38)

(2-39)

式中为负载电流。

2）动态数学模型图2-23转速反馈控制的直流调速系统的动态结构框图由图可见，将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。

由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是

式中K=KpKs/Ce

闭环调速系统的动态结构图设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是

2.3.2比例控制的直流调速系统（P165）1.开环系统机械特性与比例控制闭环系统静态特性关系转速降静差率调速范围特性对比例2-32.反馈控制规律3.比例控制闭环直流调速系统的动态稳定过程它的一般表达式为

根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是

式右边称作系统的临界放大系数Kcr,当K

≥

Kcr时，系统将不稳定。对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。

例题2-2~~2-5讲解2.4直流调速系统的数字控制2.4.1微机数字控制的特殊问题2.4.2转速检测数字化2.3.3比例积分控制的无静差直流调速系统1.积分调节器和积分控制规律积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。比例调节器的输出只取决于输入偏差的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。2.比例积分控制规律比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。2.3.4直流调速系统的稳态误差分析比例调节器开环传递函数为积分调节器开环传递函数为比例积分调节器开环传递函数为稳态误差定义为输入量和反馈量的差值，即1.阶跃给定输入的稳态误差比例调节器误差传递函数积分调节器误差传递函数比例积分调节器误差传递函数比例调节器稳态误差积分调节器稳态误差比例积分调节器稳态误差2.扰动引起的稳态误差比例调节器误差积分调节器误差比例积分调节器误差比例调节器积分调节器比例积分调节器2.扰动引起的稳态误差阶跃扰动引起的稳态误差a）利用独立直流电源作比较电压M++--UdId

RsVDUi

Ucom接放大器M2.5转速反馈控制直流调速系统的限流保护1.电流截止负反馈环节图2-38电流截止负反馈环节2.5.2带电流截止负反馈环节的直流调速系统0UiId

Rs

-

Ucom图2-40带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图2.带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静态结构框图和静特性（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻KpKsRs

，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。（2）比较电压Ucom与给定电压Un*的作用一致，好象把理想空载转速提高到（2-95）

一般KpKsRs>>R，因此堵转电流3.带电流截止的无静差直流调速系统图2-42带电流截止的无静差直流调速系统2.带电流截止的无静差直流调速系统图2-43无静差直流调速系统稳态结构图（Id

<

Idcr）

Ks

1/CeU*nUc∆UnIdREnUd0Un++--