典型型系统演示文稿

典型型系统演示文稿本文档共83页；当前第1页；编辑于星期一\10点54分典型型系统本文档共83页；当前第2页；编辑于星期一\10点54分

主要内容1.双闭环调速系统的组成及其静特性2.数学模型和动态性能分析3.调节器的工程设计方法4.双闭环系统调节器的设计*5.转速超调的抑制*6.弱磁控制的直流调速系统本文档共83页；当前第3页；编辑于星期一\10点54分一、双闭环调速系统及其静特性

转速单闭环系统不能随意控制电流和转矩的动态过程。采用电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。

本文档共83页；当前第4页；编辑于星期一\10点54分

理想的快速起动过程IdLntIdOIdm带电流截止负反馈的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrnn起动过程本文档共83页；当前第5页；编辑于星期一\10点54分希望能实现的控制在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用。

本文档共83页；当前第6页；编辑于星期一\10点54分+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG内环外环ni

转速、电流双闭环直流调速系统本文档共83页；当前第7页；编辑于星期一\10点54分当ASR不饱和时，ASR成为主导的调节器，转速负反馈起主要作用。Ks1/CeUcIdEnUd0++-IdRR

ACR-UiUPE当ASR饱和时，相当于电流单闭环系统,

实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈”本文档共83页；当前第8页；编辑于星期一\10点54分双闭环直流调速系统的稳态结构框图—转速反馈系数—电流反馈系数Ks

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

ACR-UiUPE

稳态结构框图本文档共83页；当前第9页；编辑于星期一\10点54分调节器输出限幅的作用转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定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。本文档共83页；当前第10页；编辑于星期一\10点54分静特性

设计时，使ACR不会达到饱和状态。至于ASR，在CA段未饱和，在AB段饱和。

n0IdIdmIdNOnABC本文档共83页；当前第11页；编辑于星期一\10点54分（1）转速调节器不饱和（U*i<U*im，Id<Idm）

（2）转速调节器饱和(n<n0

)本文档共83页；当前第12页；编辑于星期一\10点54分各变量的稳态工作点和稳态参数计算稳态工作中，两个调节器都不饱和本文档共83页；当前第13页；编辑于星期一\10点54分PI调节器的特点

比例调节器的输出量总是正比于其输入量。PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，直到输入为零，才停止积分。这时，输出量与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。本文档共83页；当前第14页；编辑于星期一\10点54分

反馈系数计算转速反馈系数

电流反馈系数

本文档共83页；当前第15页；编辑于星期一\10点54分U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E二、数学模型和动态性能分析本文档共83页；当前第16页；编辑于星期一\10点54分起动过程分析

n

OOttIdm

Id

IIIIIIt4

t3

t2

t1

按转速调节器ASR不饱和、饱和、退饱和分成三个阶段：

I.电流上升阶段II.恒流升速阶段III.转速调节阶段

本文档共83页；当前第17页；编辑于星期一\10点54分双闭环直流调速系统起动过程的特点（1）饱和非线性控制（2）转速超调（3）准时间最优控制(有限制条件的最短时间控制)

本文档共83页；当前第18页；编辑于星期一\10点54分动态抗扰性能分析

调速系统的动态抗扰性能，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能本文档共83页；当前第19页；编辑于星期一\10点54分

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

U*iUi--EId1.抗负载扰动±∆IdL本文档共83页；当前第20页；编辑于星期一\10点54分2.抗电网电压扰动-IdL±∆Ud

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

U*iUi--E本文档共83页；当前第21页；编辑于星期一\10点54分

转速和电流两个调节器的作用

转速调节器的作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）输出限幅值决定电机允许的最大电流。

本文档共83页；当前第22页；编辑于星期一\10点54分2.电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化。（2）对电网电压波动起及时抗扰作用。（3）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。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。本文档共83页；当前第23页；编辑于星期一\10点54分三、调节器的工程设计方法（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明调整参数的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。本文档共83页；当前第24页；编辑于星期一\10点54分工程设计方法的基本思路

设计工作分两步走：1.选择调节器的结构，使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。2.再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。本文档共83页；当前第25页；编辑于星期一\10点54分调节器结构的选择系统校正控制对象

调节器

输入输出典型系统

输入输出选择调节器，将控制对象校正成为典型系统。本文档共83页；当前第26页；编辑于星期一\10点54分

典型I型系统

T—系统的惯性时间常数；

K—系统的开环增益。选择参数，保证或，使系统足够稳定。本文档共83页；当前第27页；编辑于星期一\10点54分典型Ⅱ型系统保证系统足够稳定或本文档共83页；当前第28页；编辑于星期一\10点54分控制系统的动态性能指标

1.跟随性能指标2.抗扰性能指标调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。

本文档共83页；当前第29页；编辑于星期一\10点54分系统典型的阶跃响应曲线±5%（或±2%）

0Otrts本文档共83页；当前第30页；编辑于星期一\10点54分阶跃响应跟随性能指标

tr

—上升时间—超调量ts

—调节时间本文档共83页；当前第31页；编辑于星期一\10点54分突加扰动的动态过程和抗扰性能指标±5%（或±2%）

O

tmtvCb本文档共83页；当前第32页；编辑于星期一\10点54分抗扰性能指标

Cmax

—动态降落tv

—恢复时间

本文档共83页；当前第33页；编辑于星期一\10点54分典型I型系统和典型Ⅱ型系统除了在稳态误差上的区别以外，在动态性能中，典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。

这是设计时选择典型系统的重要依据。I型和Ⅱ型系统在稳态误差上的区别。典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。

典型I型系统和典型Ⅱ型系统的比较本文档共83页；当前第34页；编辑于星期一\10点54分典型I型系统跟随性能指标与参数的关系输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入

稳态误差

0v0/K

（1）稳态跟随性能指标：不同输入信号作用下的稳态误差本文档共83页；当前第35页；编辑于星期一\10点54分稳态跟随性能指标在阶跃输入下的I型系统稳态时是无差的；但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与K值成反比；在加速度输入下稳态误差为。

因此，I型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。本文档共83页；当前第36页；编辑于星期一\10点54分（2）动态跟随性能指标参数关系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/T本文档共83页；当前第37页；编辑于星期一\10点54分典型I型系统的抗扰性能指标典型I型系统

本文档共83页；当前第38页；编辑于星期一\10点54分扰动作用下的典型I型系统

只讨论抗扰性能时，输入作用R=0。

取，则本文档共83页；当前第39页；编辑于星期一\10点54分阶跃扰动作用下的输出变化量阶跃扰动：输出变化量：当时本文档共83页；当前第40页；编辑于星期一\10点54分

55.5%33.2%18.5%12.9%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)本文档共83页；当前第41页；编辑于星期一\10点54分典型II型系统性能指标和参数的关系

时间常数T是控制对象固有的，而待定的参数有两个：K和。

定义中频宽：本文档共83页；当前第42页；编辑于星期一\10点54分典型Ⅱ型系统的开环对数幅频特性0-20

–40

-40

/s-1c=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec中频宽本文档共83页；当前第43页；编辑于星期一\10点54分参数之间的一种最佳配合采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合，本文档共83页；当前第44页；编辑于星期一\10点54分则

本文档共83页；当前第45页；编辑于星期一\10点54分输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差00（1）稳态跟随性能指标不同输入信号作用下的稳态误差

典型II型系统跟随性能指标和参数的关系本文档共83页；当前第46页；编辑于星期一\10点54分

在阶跃和斜坡输入下，II型系统稳态时均无差；加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比。本文档共83页；当前第47页；编辑于星期一\10点54分（2）动态跟随性能指标

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按Mrmin准则确定参数关系时本文档共83页；当前第48页；编辑于星期一\10点54分典型Ⅱ型系统抗扰性能指标和参数的关系+0-本文档共83页；当前第49页；编辑于星期一\10点54分

在阶跃扰动下，

阶跃扰动的输出响应Cb=2FK2T取输出量基准值为本文档共83页；当前第50页；编辑于星期一\10点54分典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

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（参数关系符合最小Mr准则）本文档共83页；当前第51页；编辑于星期一\10点54分校正成典型I型系统的几种调节器选择控制对象调节器参数配合T1、T2T3T1T2本文档共83页；当前第52页；编辑于星期一\10点54分

传递函数近似处理（1）高频段小惯性环节的近似处理

小惯性环节可以合并本文档共83页；当前第53页；编辑于星期一\10点54分近似条件本文档共83页；当前第54页；编辑于星期一\10点54分（2）高阶系统的降阶近似处理设三阶系统a，b，c都是正数，且bca，即系统是稳定的。降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统近似条件：本文档共83页；当前第55页；编辑于星期一\10点54分（3）低频段大惯性环节的近似处理

时间常数特别大的惯性环节，可以近似为积分环节，即近似条件：

本文档共83页；当前第56页；编辑于星期一\10点54分四、双闭环系统调节器的设计

用工程设计方法设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环，即从内环开始，逐步向外扩展。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一个环节，再设计转速调节器。本文档共83页；当前第57页；编辑于星期一\10点54分-IdL(s)Ud0(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*I(s)Uc(s)KsTss+1Id1Ce+E

Tois+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

Tons+1U*n(s)n(s)电流环转速、电流双闭环调速系统E(s)（增加了滤波环节）本文档共83页；当前第58页；编辑于星期一\10点54分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.电流调节器的实现电流调节器的设计本文档共83页；当前第59页；编辑于星期一\10点54分+-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)简化后的电流环结构图按典型I型系统设计，ACR选PI调节器。，本文档共83页；当前第60页；编辑于星期一\10点54分KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)

动态结构框图

开环对数幅频特性:OL/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decT∑i校正后电流环的结构和特性本文档共83页；当前第61页；编辑于星期一\10点54分设计步骤：1.电流环的等效闭环传递函数2.转速调节器结构的选择3.转速调节器参数的选择4.转速调节器的实现

转速调节器的设计本文档共83页；当前第62页；编辑于星期一\10点54分

电流环等效传递函数

原来双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。本文档共83页；当前第63页；编辑于星期一\10点54分

电流闭环控制的意义

电流闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。本文档共83页；当前第64页；编辑于星期一\10点54分

转速调节器结构的选择

n

(s)+-Un

(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s)

Tons+11

Tons+1U*i(s)+-IdL

(s)电流环本文档共83页；当前第65页；编辑于星期一\10点54分简化后的转速环结构n

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

(s)/

Tns+1+-IdL

(s)本文档共83页；当前第66页；编辑于星期一\10点54分转速调节器选择ASR采用PI调节器令则本文档共83页；当前第67页；编辑于星期一\10点54分n

(s)+-U*n(s)校正后的调速系统本文档共83页；当前第68页；编辑于星期一\10点54分转速调节器的参数计算

按照典型Ⅱ型系统的参数关系，因此

本文档共83页；当前第69页；编辑于星期一\10点54分转速环与电流环的关系

外环的响应比内环慢，这是按上述工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，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。

本文档共83页；当前第70页；编辑于星期一\10点54分例题2－1电流调节器设计例题2－2转速调节器设计

按典型II型系统设计的ASR使转速超调量过大，难以满足设计要求。典型系统是线性的，不符合起动时ASR饱和的非线性条件，必须按实际条件重新计算转速超调量。本文档共83页；当前第71页；编辑于星期一\10点54分转速调节器退饱和超调

起动时，转速调节系统不服从典型系统的线性规律，超调量不等于典型II型系统跟随性能指标中的数值,而是经历了饱和非线性过程后的超调，称作“退饱和超调”。分析表明，可以利用典型II型系统抗扰性能指标中负载由突降到的动态速升与恢复过程来计算退饱和超调量。本文档共83页；当前第72页；编辑于星期一\10点54分n

OOttIdm

Id

IIIIIIt4

t3

t2

t1

本文档共83页；当前第73页；编辑于星期一\10点54分退饱和转速超调n的基准值

在典型II型系统抗扰性能指标中，C的基准值：换算到退饱和转速超调n的基准值：由于，，则其中，，本文档共83页；当前第74页；编辑于星期一\10点54分退饱和超调量

转速超调量的基准值应该是经基准值换算后得

本文档共83页；当前第75页；编辑于星期一\10点54分例题2-3计算后表明，转速退饱和的超调量满足设计要求。本文档共83页；当前第76页；编辑于星期一\10点54分＊五、转速超调的抑制

在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈后，可