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、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起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+图2-2转速、电流双闭环直流调速系统结构1.系统的组成ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换器内环外环

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去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。2.系统电路结构

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PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个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Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。系统原理图图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，两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。3.限幅电路二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD2限幅电路（续）

稳压管钳位的外限幅电路R1C1VS1VS2R0Rlim4.电流检测电路电流检测电路TA——电流互感器TA2.1.2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，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。1.三系三统稳三态结三构图图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-UiUPE2.三限三幅作三用存在三两种三状况三：饱和三——三输出三达到三限幅三值当调三节器三饱和三时，三输出三为恒三值，三输入三量的三变化三不再三影响三输出三，除三非有三反向三的输三入信三号使三调节三器退三出饱三和；三换句三话说三，饱三和的三调节三器暂三时隔三断了三输入三和输三出间三的联三系，相当三于使三该调三节环三开环。不饱三和—三—输三出未三达到三限幅三值当调三节器三不饱三和时三，正三如1三.6三节中三所阐三明的三那样三，P三I三作用三使输三入偏三差电三压在三稳态三时总三是零三。3.三系三统静三特性实际三上，三在正三常运三行时三，电三流调三节器三是不三会达三到饱三和状三态的三。因三此，三对于三静特三性来三说，三只有三转速三调节三器饱三和与三不饱三和两三种情三况。双闭三环直三流调三速系三统的三静特三性如三图所三示，图2-5双闭环直流调速系统的静特性

n0IdIdmIdnomOnABC（1三）转三速调三节器三不饱三和式中，——三转三速和三电流三反馈三系数三。由第三一个三关系三式可三得从而三得到三上图三静特三性的CA段。(2三-1三)静特三性的三水平三特性与此三同时三，由三于A三SR三不饱三和，U*i<U*im，从三上述三第二三个关三系式三可知三:Id<Idm。这就三是说三，三CA三段静三特性三从理三想空三载状三态的Id=三0三一三直延三续到Id=Idm，而Idm一般三都是三大于三额定三电流IdN的。三这就三是静三特性三的运三行段三，它三是水平三的特三性。（2三）三转速三调节三器饱三和这时三，A三SR三输出三达到三限幅三值U*im，转三速外三环呈三开环三状态三，转三速的三变化三对系三统不三再产三生影三响。三双闭三环系三统变三成一三个电三流无三静差三的单三电流三闭环三调节三系统三。稳三态时式中三，最三大电三流Idm是由三设计三者选三定的三，取三决于三电机三的容三许过三载能三力和三拖动三系统三允许三的最三大加三速度三。(2三-2三)静特三性的三垂直三特性式（三2-三2）三所描三述的三静特三性是三上图三中的AB段，三它是垂直三的特三性。这样三的下三垂特三性只三适合三于n<n0的情三况，三因为三如果n>n0，则Un>U*n，A三SR三将退三出饱三和状三态。4.三两三个调三节器三的作三用双闭三环调三速系三统的三静特三性在三负载三电流三小于Idm时表三现为三转速三无静三差，三这时三，转三速负三反馈三起主三要调三节作三用。当负三载电三流达三到Idm后，三转速三调节三器饱三和，三电流三调节三器起三主要三调节三作用三，系三统表三现为三电流三无静三差，三得到三过电三流的三自动三保护三。这就三是采三用了三两个三PI三调节三器分三别形三成内三、外三两个三闭环三的效三果。三这样三的静三特性三显然三比带三电流三截止三负反三馈的三单闭三环系三统静三特性三好。三然而三实际三上运三算放三大器三的开三环放三大系三数并三不是三无穷三大，三特别三是为三了避三免零三点飘三移而三采用三“三准P三I调三节器三”时三，静三特性三的两三段实三际上三都略三有很三小的三静差三，如三上图三中虚三线所三示。2.三1.三3三各变三量的三稳态三工作三点和三稳态三参数三计算双闭三环调三速系三统在三稳态三工作三中，三当两三个调三节器三都不三饱和三时，三各变三量之三间有三下列三关系(2三-3三)(2三-5三)(2三-4三)上述三关系三表明三，在三稳态三工作三点上三，转速n是由三给定三电压U*n决定三的；AS三R的三输出三量U*i是由三负载三电流IdL决定三的；控制三电压Uc的大三小则三同时三取决三于n和Id，或三者说三，同三时取三决于U*n和IdL。这些三关系三反映三了P三I调三节器三不同三于P三调节三器的三特点三。比三例环三节的三输出三量总三是正三比于三其输三入量三，而三PI三调节三器则三不然三，其三输出三量的三稳态三值与三输入三无关三，而三是由三它后三面环三节的三需要三决定三的。三后面三需要三PI三调节三器提三供多三么大三的输三出值三，它三就能三提供三多少三，直三到饱三和为三止。反馈三系数三计算鉴于三这一三特点三，双三闭环三调速三系统三的稳三态参三数计三算与三单闭三环有三静差三系统三完全三不同三，而三是和三无静三差系三统的三稳态三计算三相似三，即三根据三各调三节器三的给三定与三反馈三值计三算有三关的三反馈三系数三：转速三反馈三系数电流三反馈三系数(2三-6三)(2三-7三)两个三给定三电压三的最三大值U*nm和U*im由设三计者三选定三，设三计原三则如三下：U*nm受运三算放三大器三允许三输入三电压三和稳三压电三源的三限制三；U*im为A三SR三的输三出限三幅值三。返回目录2.三2三双闭三环直三流调三速系三统的三数学三模型三和三动态三性能三分析本节三提要双闭三环直三流调三速系三统的三动态三数学三模型起动三过程三分析动态三抗扰三性能三分析转速三和电三流两三个调三节器三的作三用2.三2.三1三双闭三环直三流调三速系三统的三动态三数学三模型在单三闭环三直流三调速三系统三动态三数学三模型三的基三础上三，考三虑双三闭环三控制三的结三构，三即可三绘出三双闭三环直三流调三速系三统的三动态三结构三图，三如下三图所三示。1.三系三统动三态结三构图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+E2.三数三学模三型图中WAS三R(s三)和WAC三R(s三)分三别表三示转三速调三节器三和电三流调三节器三的传三递函三数。三如果三采用三PI三调节三器，三则有2.三2.三2三起动三过程三分析前已三指出三，设三置双三闭环三控制三的一三个重三要目三的就三是要三获得三接近三理想三起动三过程三，因三此在三分析三双闭三环调三速系三统的三动态三性能三时，三有必三要首三先探三讨它三的起三动过三程。双闭三环直三流调三速系三统突三加给三定电三压U*n由静三止状三态起三动时三，转三速和三电流三的动三态过三程示三于下三图。图2三-7三双三闭环三直流三调速三系统三起动三时的三转速三和电三流波三形n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

1.三起三动过三程由于三在起三动过三程中三转速三调节三器A三SR三经历三了不三饱和三、饱三和、三退饱三和三三种情三况，三整个三动态三过程三就分三成图三中标三明的三I、三II三、I三II三三个三阶段三。第I三阶段三电流三上升三的阶三段（三0三~t1）突加三给定三电压U*n后，Id上升三，当Id小于三负载三电流IdL时，三电机三还不三能转三动。当Id≥IdL后，三电机三开始三起动三，由三于机三电惯三性作三用，三转速三不会三很快三增长三，因三而转三速调三节器三AS三R的三输入三偏差三电压三的数三值仍三较大三，其三输出三电压三保持三限幅三值U*im，强三迫电三流Id迅速三上升三。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt第I三阶段三（续三）第三I三阶段三（续三）直到三，Id=Idm，Ui=U*im电流三调节三器很三快就三压制Id了的三增长三，标三志着三这一三阶段三的结三束。在这三一阶三段中三，A三SR三很快三进入三并保三持饱三和状三态，三而A三CR三一般不饱三和。第三II三阶三段恒三流升三速阶三段（t1~t2）在这三个阶三段中三，A三SR三始终三是饱三和的三，转三速环三相当三于开三环，三系统三成为三在恒三值电三流U*im给定三下的三电流三调节三系统三，基三本上三保持三电流Id恒定三，因三而系三统的三加速三度恒三定，三转速三呈线三性增三长。n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第三II三阶三段（三续）第三II三阶三段（三续）与此三同时三，电三机的三反电三动势E也按三线性三增长三，对三电流三调节三系统三来说三，E是一三个线三性渐三增的三扰动三量，三为了三克服三它的三扰动三，Ud0和Uc也必三须基三本上三按线三性增三长，三才能三保持Id恒定三。当A三CR三采用三PI三调节三器时三，要三使其三输出三量按三线性三增长三，其三输入三偏差三电压三必须三维持三一定三的恒三值，三也就三是说三，Id应略三低于Idm。第三II三阶三段（三续）恒流三升速三阶段三是起三动过三程中三的主三要阶三段。为了三保证三电流三环的三主要三调节三作用三，在三起动三过程三中三AC三R是三不应三饱和三的，三电力三电子三装置三U三PE三的三最大三输出三电压三也须三留有三余地三，这三些都三是设三计时三必须三注意三的。第三Ⅲ三阶段三转速三调节三阶段三（t2以后三）当转三速上三升到三给定三值时三，转三速调三节器三AS三R的三输入三偏差三减少三到零三，但三其输三出却三由于三积分三作用三还维三持在三限幅三值U*im，所三以电三机仍三在加三速，三使转三速超三调。转速三超调三后，三AS三R输三入偏三差电三压变三负，三使它三开始三退出三饱和三状态三，U*i和Id很快三下降三。但三是，三只要Id仍大三于负三载电三流IdL，转三速就三继续三上升三。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第三Ⅲ三阶段三（续三）第三Ⅲ三阶段三（续三）直到Id=IdL时，三转矩Te=TL，则三dn/dt=三0，三转速n才到三达峰三值（t=t3时）三。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4t3

t2

t1

tt第三Ⅲ三阶段三（续三）此后三，电三动机三开始三在负三载的三阻力三下减三速，三与此三相应三，在三一小三段时三间内三（t3~t4），Id<IdL，直三到稳三定，三如果三调节三器参三数整三定得三不够三好，三也会三有一三些振三荡过三程。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1

tt第三Ⅲ三阶段三（续三）在这三最后三的转三速调三节阶三段内三，A三SR三和A三CR三都不三饱和三，A三SR三起主三导的三转速三调节三作用三，而三AC三R则三力图三使Id尽快三地跟三随其三给定三值U*i，或三者说三，电三流内三环是三一个三电流三随动三子系三统。2.三分三析结三果综上三所述三，双三闭环三直流三调速三系统三的起三动过三程有三以下三三个三特点三：（1三）饱和三非线三性控三制；（2三）转速三超调三；（3三）准时三间最三优控三制。（1三）饱和三非线三性控三制根据三AS三R的三饱和三与不三饱和三，整三个系三统处三于完三全不三同的三两种三状态三：当AS三R饱和三时，三转速三环开三环，三系统三表现三为恒三值电三流调三节的三单闭三环系三统；当A三SR三不饱三和时三，转三速环三闭环三，整三个系三统是三一个三无静三差调三速系三统，三而电三流内三环表三现为三电流三随动三系统。（2三）转三速超三调由于三AS三R采三用了三饱和三非线三性控三制，三起动三过程三结束三进入三转速三调节三阶段三后，三必须三使转三速超三调，三A三SR三的三输入三偏差三电压△Un为负三值，三才能三使A三SR三退出三饱和三。这样三，采三用P三I调三节器三的双三闭环三调速三系统三的转三速响三应必三然有三超调三。（3三）准三时间三最优三控制起动三过程三中的三主要三阶段三是第三II三阶段三的恒三流升三速，三它的三特征三是电三流保三持恒三定。三一般三选择三为电三动机三允许三的最三大电三流，三以便三充分三发挥三电动三机的三过载三能力三，使三起动三过程三尽可三能最三快。这阶三段属三于有三限制三条件三的最三短时三间控三制。三因此三，整三个起三动过三程可三看作三为是三一个三准时三间最三优控三制。最后三，应三该指三出，三对于三不可三逆的三电力三电子三变换三器，三双闭三环控三制只三能保三证良三好的三起动三性能三，却三不能三产生三回馈三制动三，在三制动三时，三当电三流下三降到三零以三后，三只好三自由三停车三。必三须加三快制三动时三，只三能采三用电三阻能三耗制三动或三电磁三抱闸三。2.三2.三3三动态三抗扰三性能三分析一般三来说三，双三闭环三调速三系统三具有三比较三满意三的动三态性三能。三对于三调速三系统三，最三重要三的动三态性三能是三抗扰三性能三。主三要是三抗负三载扰三动和三抗电三网电三压扰三动的三性能三。

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

U*iUi--EId1.三抗三负载三扰动±∆IdL直流三调速三系统三的动三态抗三负载三扰作三用抗负三载扰三动（三续）由动三态结三构图三中可三以看三出，三负载三扰动三作用三在电三流环三之后三，因三此只三能靠三转速三调节三器A三SR三来产三生抗三负载三扰动三的作三用。三在设三计A三SR三时，三应要三求有三较好三的抗三扰性三能指三标。图2三-8三直三流调三速系三统的三动态三抗扰三作用a)三单闭三环系三统2.三抗三电网三电压三扰动±∆UdU*n-IdLUn+-ASR

1/CenUd01/RTls+1RTmsIdKsTss+1-E抗电三网电三压扰三动（三续）-IdL±∆Udb)三双闭三环系三统△Ud—电三网电三压波三动在三整流三电压三上的三反映

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

U*iUi--E3.三对三比分三析在单三闭环三调速三系统三中，三电网三电压三扰动三的作三用点三离被三调量三较远三，调三节作三用受三到多三个环三节的三延滞三，因三此单三闭环三调速三系统三抵抗三电压三扰动三的性三能要三差一三些。双闭三环系三统中三，由三于增三设了三电流三内环三，电三压波三动可三以通三过电三流反三馈得三到比三较及三时的三调节三，不三必等三它影三响到三转速三以后三才能三反馈三回来三，抗三扰性三能大三有改三善。4.三分三析结三果因此三，在三双闭三环系三统中三，由三电网三电压三波动三引起三的转三速动三态变三化会三比单三闭环三系统三小得三多。2.三2.三4三转速三和电三流两三个调三节器三的作三用综上三所述三，转三速调三节器三和电三流调三节器三在双三闭环三直流三调速三系统三中的三作用三可以三分别三归纳三如下三：1.三转三速调三节器三的作三用（1三）转三速调三节器三是调三速系三统的三主导三调节三器，三它使三转速n很快三地跟三随给三定电三压变三化，三稳态三时可三减小三转速三误差三，如三果采三用P三I调三节器三，则三可实三现无三静差三。（2三）对三负载三变化三起抗三扰作三用。（3三）其三输出三限幅三值决三定电三机允三许的三最大三电流三。2.三电三流调三节器三的作三用（1三）作三为内三环的三调节三器，三在外三环转三速的三调节三过程三中，三它的三作用三是使三电流三紧紧三跟随三其给三定电三压（三即外三环调三节器三的输三出量三）变三化。（2三）对三电网三电压三的波三动起三及时三抗扰三的作三用。（3三）在三转速三动态三过程三中，三保证三获得三电机三允许三的最三大电三流，三从而三加快三动态三过程三。（4三）当三电机三过载三甚至三堵转三时，三限制三电枢三电流三的最三大值，三起快三速的三自动三保护三作用三。一三旦故三障消三失，三系统三立即三自动三恢复三正常三。这三个作三用对三系统三的可三靠运三行来三说是三十分三重要三的。返回目录2.三3调节三器的三工程三设计三方法2.三3.三0问题三的提三出必要三性：用经三典的三动态三校正三方法三设计三调节三器须三同时三解决三稳、三准、三快、三抗干三扰等三各方三面相三互有三矛盾三的静三、动三态性三能要三求，三需要三设计三者有三扎实三的理三论基三础和三丰富三的实三践经三验，三而初三学者三则不三易掌三握，三于是三有必三要建三立实三用的三设计三方法三。问题三的提三出（三续）可能三性：大多三数现三代的三电力三拖动三自动三控制三系统三均可三由低三阶系三统近三似。三若事三先深三入研三究低三阶典三型系三统的三特性三并制三成图三表，三那么三将实三际系三统校三正或三简化三成典三型系三统的三形式三再与三图表三对照三，设三计过三程就三简便三多了三。这三样，三就有三了建三立工三程设三计方三法的三可能三性。设计三方法三的原三则：（1三）概三念清三楚、三易懂三；（2三）计三算公三式简三明、三好记三；（3三）不三仅给三出参三数计三算的三公式三，而三且指三明参三数调三整的三方向三；（4三）能三考虑三饱和三非线三性控三制的三情况三，同三样给三出简三单的三计算三公式三；（5三）适三用于三各种三可以三简化三成典三型系三统的三反馈三控制三系统三。2.三3.三1三工三程设三计方三法的三基本三思路1.选择三调节三器结三构,使系三统典三型化三并满三足稳三定和三稳态三精度三。2.三设计三调节三器的三参数三，以三满足三动态三性能三指标三的要三求。2.三3.三2三典型三系统一般三来说三，许三多控三制系三统的三开环三传递三函数三都可三表示为(2三-8三)R(s)C(s)上式三中，三分母三中的sr项表三示该三系统三在原三点处三有r重极三点，三或者三说，三系统三含有r个积三分环三节。三根据r=0，三1，三2，三……三等不三同数三值，三分别三称作三0型三、I三型、三Ⅱ型三、…三…系三统。自动三控制三理论三已经三证明三，0三型系三统稳三态精三度低三，而三Ⅲ型三和Ⅲ三型以三上的三系统三很难三稳定三。因此三，为三了保三证稳三定性三和较三好的三稳态三精度三，多选三用I三型和三II三型系三统。1.三典三型I三型系三统结构三图与三传递三函数式中T—三系统三的惯三性时三间常三数；K三—系统三的开三环增三益。（2-三9）开环三对数三频率三特性O性能三特性典型三的I三型系三统结三构简三单，三其对三数幅三频特三性的三中频三段以–2三0三dB三/d三ec三的三斜率三穿越三0三dB三线三，只三要参三数的三选择三能保三证足三够的三中频三带宽三度，三系统三就一三定是三稳定三的，三且有三足够三的稳三定裕三量，三即选择三参数满足或于是三，相三角稳三定裕三度2.三典三型Ⅱ三型系三统结构三图和三传递三函数（2-三10）开环三对数三频率三特性O性能三特性典型三的I三I型三系统三也是三以–2三0d三B/三de三c三的斜三率穿三越零三分贝三线。三由于三分母三中s2项对三应的三相频三特性三是–1三80三°，三后面三还有三一个三惯性三环节三，在三分子三添上三一个三比例三微分三环节三（s+1），三是为三了把三相频三特性三抬到–1三80三°线三以上三，以三保证三系统三稳定三，即应选择三参数满足或且比T大得三越多三，系三统的三稳定三裕度三越大三。2.三3.三3三控制三系统三的动三态性三能指三标自动三控制三系统三的动三态性三能指三标包三括：跟随三性能三指标抗扰三性能三指标系统三典型三的阶三跃响三应曲三线±5%（或±2%）

0Otrts图2-三12典型三阶跃三响应三曲线三和跟三随性三能指三标1.跟随三性能三指标三：在给三定信三号或三参考三输入三信号三的作三用下三，系三统输三出量三的变三化情三况可三用跟三随性三能指三标来三描述三。常三用的三阶跃三响应三跟随三性能三指标三有tr—三上升三时间—三超调三量ts—三调节三时间突加三扰动三的动三态过三程和三抗扰三性能三指标图2三-1三3三突加三扰动三的动三态过三程和三抗扰三性能三指标±5%（或±2%）

O

tmtvCb2.三抗三扰性三能指三标抗扰三性能三指标三标志三着控三制系三统抵三抗扰三动的三能力三。常三用的三抗扰三性能三指标三有Cma三x—动态三降落tv—三恢复三时间一般三来说三，调三速系三统的三动态三指标三以抗三扰性三能为三主，三而随三动系三统的三动态三指标三则以三跟随三性能三为主三。2.三3.三4三典型三I型三系统三性能三指标三和参三数的三关系典型三I型三系统三的开三环传三递函三数如三式（三2-三9）三所示三，它三包含三两个三参数三：开三环增三益K和时三间常三数T。其三中，三时间三常数T在实三际系三统中三往往三是控三制对三象本三身固三有的三，能三够由三调节三器改三变的三只有三开环三增益K，也三就是三说，K是唯三一的三待定三参数三。设三计时三，需三要按三照性三能指三标选三择参三数K的大三小。K与开三环对三数频三率特三性的三关系图2三-1三3绘三出了三在不三同K值时三典型三I三型三系统三的开三环对三数频三率特三性，三箭头三表示三K值三增大三时特三性变三化的三方向三。K与截三止频三率c的关三系当c<三1三/T时，三特性三以–2三0d三B/三de三c斜三率穿三越零三分贝三线，三系统三有较三好的三稳定三性。三由图三中的三特性三可知所以K=c（当c时）(2三-1三2)式（三2-三12三）表三明，K值越三大，三截止三频率c也越三大，三系统三响应三越快三，但三相角三稳定三裕度=三90°–三ar三ct三gcT越小三，这三也说三明快三速性三与稳三定性三之间三的矛三盾。三在具三体选三择参三数K时，三须在三二者三之间三取折三衷。下面三将用三数字三定量三地表三示K值与三各项三性能三指标三之间三的关三系。表2-1三I型三系统三在不三同输三入信三号作三用下三的稳三态误三差输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差

0v0/K1.三典型三I型三系统三跟随三性能三指标三与参三数的三关系（1三）稳三态跟三随性三能指三标：系三统的三稳态三跟随三性能三指标三可用三不同输入三信号三作用三下的三稳态三误差三来表三示。由表三可见三：在阶三跃输三入下三的三I三型系三统稳三态时三是无三差的三；但在三斜坡三输入三下则三有恒三值稳三态误三差，三且与K值成三反比三；在加三速度三输入三下稳三态误三差为。因此三，I三型系三统不三能用三于具三有加三速度三输入三的随三动系三统。（2三）动三态跟三随性三能指三标闭环三传递三函数三：典三型三I三型系三统是三一种三二阶三系统三，其三闭环三传递三函数三的一三般形三式为（2三-1三3）式中n—三无阻三尼时三的自三然振三荡角三频率三，或三称固有三角频三率；—三阻尼三比，三或称三衰减三系数三。K、T与标三准形三式中三的参三数的三换算三关系(2三-1三5)(2三-1三6)(2三-1三7)且有二阶三系统三的性三质当<1时，三系统三动态三响应三是欠三阻尼三的振三荡特三性，当1时，三系统三动态三响应三是过三阻尼三的单三调特三性；当=三1时，三系统三动态三响应三是临三界阻三尼。由于三过阻三尼特三性动三态响三应较三慢，三所以三一般三常把三系统三设计三成欠三阻尼三状态三，即0<<1由于三在典三I三系三统中三K三T三<1三，代三入式三（2三-1三6）三得>三0.三5。三因此三在典三型三I型系三统中三应取下面三列出三欠阻三尼二三阶系三统在三零初三始条三件下三的阶三跃响三应动三态指三标计三算公三式(2三-1三8)性能三指标三和系三统参三数之三间的三关系(2三-1三9)(2三-2三0)(2三-2三1)超调三量上升三时间峰值三时间表2三-2三典三型I三型系三统跟三随性三能指三标和三频域三指标三与参三数的三关系三（与K三T的三关系三服从三于式三2-三16）具体三选择三参数三时，三应根三据系三统工三艺要三求选三择参三数以三满足三性能三指标三。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/T2.三典三型I三型系三统抗三扰性三能指三标与三参数三的关三系图2三-1三5a三是在三扰动三F三作三用下三的典三型三I三型系三统，其中三，W1(s)是扰三动作三用点三前面三部分三的传三递函三数，三后面三部分三是W2(s)，于三是只讨三论抗三扰性三能时三，令三输入三作用R=三0，三得到三图2三-1三5b三所示三的等三效结三构图三。(2三-2三5)图2三-1三5三扰动三作用三下的三典型三I型三系统典型I型系统

由于三抗扰三性能三与W1(s)三有关三，因三此抗三扰性三能指三标也三不定三，随三着扰三动点三的变三化而三变化三。在三此，三我们三针对三常用三的调三速系三统，三分析三图2三-1三6的三一种三情况三，其三他情三况可三仿此三处理三。经三过一三系列三计算三可得三到表三2三-3三所三示的三数据三。55.5%33.2%18.5%12.9%tm

/T2.83.43.84.0tv

/T14.721.728.730.4表2三-3三典型三I型三系统三动态三抗扰三性能三指标三与参三数的三关系(控三制结三构和三扰动三作用三点如三图2三-1三5所三示，三已选三定的三参数三关系三KT三=0三.5三)分析三结果三：由表三2-三3中三的数三据可三以看三出，三当控三制对三象的三两个三时间三常数三相距三较大三时，三动态三降落三减小三，但三恢复三时间三却拖三得较三长。2.三3.三5三典三型I三I型三系统三性能三指标三和参三数的三关系可选三参数三：三在典三型I三I型三系统三的开三环传三递函三数式三(2三-1三0)三中，三与典三型三I三型系三统相三仿，三时间三常数T也是三控制三对象三固有三的。三所不三同的三是，三待定三的参三数有三两个三：K和，这三就增三加了三选择三参数三工作三的复三杂性三。为了三分析三方便三起见三，引三入一三个新三的变三量三(图三2-三16三)，三令(2三-3三2)典型三Ⅱ型三系统三的开三环对三数幅三频特三性0-20

–40

-40

/s-1c=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec图2三-1三6三典三型Ⅱ三型系三统的三开环三对数三幅频三特性三和中三频宽中频三宽度中频三宽h由图三可见三，h是斜三率为–2三0d三B/三de三c的三中频三段的三宽度三（对三数坐三标）三，称三作“三中频三宽”三。由三于中三频段三的状三况对三控制三系统三的动三态品三质起三着决三定性三的作三用，三因此h值是三一个三很关三键的三参数三。只要三按照三动态三性能三指标三的要三求确三定了h值，三就可三以代三入这三两个三公式三计算K和，并三由此三计算三调节三器的三参数三。表2三－5三I三I型三系统三在不三同输三入信三号作三用下三的稳三态误三差输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差00（1三）稳三态跟三随性三能指三标Ⅱ型三系统三在不三同输三入信三号作三用下三的稳三态误三差列三于表三2-三5中1.三典三型I三I型三系统三跟随三性能三指标三和参三数的三关系由表三可知三：在阶三跃和三斜坡三输入三下，三II三型系三统稳三态时三均无三差；加速三度输三入下三稳态三误差三与开三环增三益K三成反三比。表2-三6三典型三II三型系三统阶三跃输三入跟三随性三能指三标（按三Mr三mi三n准三则确三定关三系时三）

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（2三）动三态跟三随性三能指三标图2三-1三7b三典型三II三型系三统在三一种三扰动三作用三下的三动态三结构三图+0-抗扰三系统三结构2.三典三型Ⅱ三型系三统抗三扰性三能指三标和三参数三的关三系扰动三系统三的输三出响三应在阶三跃扰三动下三，（2三-4三3）由式三（2三-4三3）三可以三计算三出对三应于三不同h值的三动态三抗扰三过程三曲线C(t)，三从而三求出三各项三动态三抗扰三性能三指标三，列三于表三2-三7中三。在三计算三中，三为了三使各三项指三标都三落在三合理三的范三围内三，取三输出三量基三准值三为Cb=2FK2T（2三-4三4）表2三-7三典三型I三I型三系统三动态三抗扰三性能三指标三与参三数的三关系（控三制结三构和三阶跃三扰动三作用三点如三图2三-1三8，三参数三关系三符合三最小三Mr三准则三）

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由表三2-三7中三的数三据可三见，三一般三来说三，h值越三小，Cma三x/Cb也越三小，tm和tv都短三，因三而抗三扰性三能越三好，三这个三趋势三与跟三随性三能指三标中三超调三量与h值的三关系三恰好三相反三，反三映了三快速三性与三稳定三性的三矛盾三。但是三，当h<三5时，三由于三振荡三次数三的增三加，h再小三，恢三复时三间tv反而三拖长三了。分析三结果由此三可见三，h=三5是三较好三的选三择，三这与三跟随三性能三中调三节时三间最三短的三条件三是一三致的三（见三表2三-6三）。因此三，把三典型三Ⅱ型三系统三跟随三和抗三扰的三各项三性能三指标三综合三起来三看，h=三5应该三是一三个很三好的三选择三。两种三系统三比较比较三分析三的结三果可三以看三出，三典型三I型三系统三和典三型Ⅱ三型系三统除三了在三稳态三误差三上的三区别三以外三，在三动态三性能三中，典型三I三型三系统三在跟三随性三能上三可以三做到三超调三小，三但抗三扰性三能稍三差，典型三Ⅱ型三系统三的超三调量三相对三较大三，抗三扰性三能却三比较三好。这是三设计三时选三择典三型系三统的三重要三依据三。调节三器结三构的三选择三和传三递函三数的三近似三处理三——三非典三型系三统的三典型三化1.调节三器结三构的三选择基本三思路三:将控三制对三象校三正成三为典三型系三统。系统校正控制对象

调节器

输入输出典型系统

输入输出选择三规律三：几种三校正三成典三型I三型系三统和三典型三II三型系三统的三控制三对象三和相三应的三调节三器传三递函三数列三于表三2三-8三和表三2-三9中三，表三中还三给出三了参三数配三合关三系。三有时三仅靠三P三、I三、P三I、三PD三及P三ID三几种三调节三器都三不能三满足三要求三，就三不得三不作三一些三近似三处理三，或三者采三用更三复杂三的控三制规三律。表2三-8三校三正成三典型三I型三系统三的几三种调三节器三选择控制对象调节器参数配合T1、T2T3T1T2表2三-9三校三正成三典型三II三型系三统的三几种三调节三器选三择控制对象调节器参数配合认为：

认为三：2.传递三函数三近似三处理（1三）高三频段三小惯三性环三节的三近似三处理实际三系统三中往三往有三若干三个小三时间三常数三的惯三性环三节，三这些三小时三间常三数所三对应三的频三率都三处于三频率三特性三的高三频段三，形三成一三组小三惯性三群。三例如三，系三统的三开环三传递三函数三为小惯性环节可以合并当系三统有三一组三小惯三性群三时，三在一三定的三条件三下，三可以三将它三们近三似地三看成三是一三个小三惯性三环节三，其三时间三常数三等于三小惯三性群三中各三时间三常数三之和三。例如三：(2三-4三7)近似三条件(2三-4三6)（2三）高三阶系三统的三降阶三近似三处理上述三小惯三性群三的近三似处三理实三际上三是高三阶系三统降三阶处三理的三一种三特例三，它三把多三阶小三惯性三环节三降为三一阶三小惯三性环三节。三下面三讨论三更一三般的三情况三，即三如何三能忽三略特三征方三程的三高次三项。三以三三阶系三统为三例，三设其中a，b，c都是三正系三数，三且bca，即三系统三是稳三定的三。(2三-5三0)降阶三处理三：若能三忽略三高次三项，三可得三近似三的一三阶系三统的三传递三函数三为近似三条件(2三-5三1)(2三-5三2)（3三）低三频段三大惯三性环三节的三近似三处理表2三-9三中已三经指三出，三当系三统中三存在三一个三时间三常数三特别三大的三惯性三环节三时，三可以三近似三地将三它看三成是三积分三环节三，即近似三条件(2三-5三3)例如三：c对频三率特三性的三影响图2三-2三1三低三频段三大惯三性环三节近三似处三理对三频率三特性三的影三响返回目录低频三时把三特性三a近似三地看三成特三性b2.三4三按工三程设三计方三法设三计双三闭环三系统三的三调节三器本节三将应三用前三述的三工程三设计三方法三来设三计转三速、三电流三双闭三环调三速系三统的三两个三调节三器。三主要三内容三为系统三设计三对象系统三设计三原则系统三设计三步骤-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+E

T0is+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

T0ns+1U*nn电流三内环图2三-2三2三双三闭环三调速三系统三的动三态结三构图转速三、电三流双三闭环三调速三系统三。1.三系三统设三计对三象双闭三环调三速系三统的三实际三动态三结构三图绘三于图三2-三22三，它三与前三述的三图2三-6三不同三之处三在于三增加三了滤三波环三节，三包括三电流三滤波三、转三速滤三波和三两个三给定三信号三的滤三波环三节。三其中T0i—三电流三反馈三滤波三时间三常数T0n—三转速三反馈三滤波三时间三常数2.三系三统设三计原三则系统三设计三的一三般原三则：“先三内环三后外三环”从内三环开三始，三逐步三向外三扩展三。在三这里三，首三先设三计电三流调三节器三，然三后把三整个三电流三环看三作是三转速三调节三系统三中的三一个三环节三，再三设计三转速三调节三器。设计三分为三以下三几个三步骤三：1.三电流三环结三构图三的简三化2.三电流三调节三器结三构的三选择3.三电流三调节三器的三参数三计算4.三电流三调节三器的三实现2.三4.三1三电三流调三节器三的设三计1.三电三流环三结构三图的三简化简化三内容三：忽略三反电三动势三的动三态影三响等效三成单三位负三反馈三系统小惯三性环三节近三似处三理忽略三反电三动势三的动三态影三响在按三动态三性能三设计三电流三环时三，可三以暂三不考三虑反三电动三势变三化的三动态三影响三，即E≈0。这三时，三电流三环如三下图三所示三。Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc

(s)KsTss+1Id

(s)

T0is+11

T0is+1图2三-2三3三电三流环三的动三态结三构图三及其三化简等效三成单三位负三反馈三系统如果三把给三定滤三波和三反馈三滤波三两个三环节三都等三效地三移到三环内三，同三时把三给定三信号三改成U*i(s)三/，则三电流三环便三等效三成单三位负三反馈三系统三（图三2-三23三b）三。+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tss+1)(Tls+1)Id

(s)U*i(s)

T0is+1图2三-2三3b小惯三性环三节近三似处三理最后三，由三于Ts和T0i一般三都比Tl小得三多，三可以三当作三小惯三性群三而近三似地三看作三是一三个惯三性环三节，三其时三间常三数为T∑i=Ts+Toi(2三-5三5)简化三的近三似条三件为(2三-5三6)电流三环结三构图三最终三简化三成图三2-三23三c。+-ACRUc