第二章多环调速系统.ppt

交直流调速系统,施振金,第二章多环调速系统,问题的提出,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。电流截止负反馈虽然能限制起动电流，但在起动时电动机反电势随着转速的上升而增加，使电流达最大值后便迅速降下来。这样，电动机的转矩也减小下来，使起动加速过程变慢，起动的时间也比较长。如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。,如何控制动态性能？,电力拖动系统的运动方程：结论：要得到好的动态性能，必须控制好转矩，即控制好电流。,单闭环系统的主要问题,单闭环系统不能控制电流和转矩的动态过程。电流截止负反馈环节只是用来限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。,a)理想的快速起动过程,IdL,n,Idm,b)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,n,理想的起动过程,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？-转速电流双闭环系统,+,TG,n,ASR,ACR,U*n,+,-,Un,Ui,U*i,+,-,Uc,TA,M,+,-,Ud,Id,UPE,-,图2-2转速、电流双闭环直流调速系统结构,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,n,i,转速、电流双闭环直流调速系统的组成,系统特点：（1）该系统有两个反馈回路，构成双闭环。其中一个是由电流调节器ACR和电流检测反馈环节构成的电流环，另一个是由速度调节器ASR和转速检测反馈环节构成的速度环。由于速度环包围电流环，因此称电流环为内环，称速度环为外环。在电路中，ASR和ACR实行串级连接，即以ASR的输出作为ACR的输入，实现两种作用的配合控制。（2）速度调节器ASR和电流调节器ACR均为比例积分调节器，其输入和输出均设有限幅电路一旦PI调节器限幅（即饱和），其输出量为恒,值，输入量的变化不再影响输出，除非有反极性的输入信号使调节器退出饱和；即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节器处于断开。而输出未达限幅时，调节器才起调节作用，使输入偏差电压在调节过程中趋于零，而在稳态时为零。ASR的限幅值为Usim，它主要限制最大电流Idm，ACR的输出限幅值为Ukm，它主要限制晶闸管整流装置的最大输出电压Udom。（3）电流检测采用三相交流电流互感器；（4）电流、转速均实现无静差。由于转速与电流调节器采用PI调节器，所以系统处于稳态,时，转速和电流均为无静差。转速调节器ASR输入无偏差，实现转速无静差。限幅的作用（存在两种状况）：饱和输出达到限幅值当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im电流给定电压的最大值，即限制了最大电流；电流调节器ACR的输出限幅电压UcmUc的最,大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。不饱和输出未达到限幅值当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。限幅电路（外限幅，输出限幅；内限幅，输出和积分限幅）,二极管钳位的外限幅电路,稳压管钳位的外限幅电路,电流检测电路,电流检测电路TA电流互感器,系统电路结构,图2-3双闭环直流调速系统电路原理图,+,+,-,-,TG,+,-,+,-,RP2,U*n,R0,R0,Uc,Ui,Ri,Ci,+,+,-,R0,R0,Rn,Cn,ASR,ACR,LM,RP1,Un,U*i,LM,+,M,TA,Id,Ud,UPE,+,-,+,-,图6-25转速、电流双闭环直流调速系统组成框图,二、双闭环调速系统的工作原理1、电流调节器ACR的调节作用电流环为由电流负反馈组成的闭环，它的主要作用是稳定电流。由于ACR为PI的调节器，所以稳态时Ui=US-Id=0。由此式可见，在稳态时，Id=US/。此式的含义是：当US为一定的情况下，由于电流调节器的调节作用，整流装置的电流将保持在US/的数值上。其自动调节过程如下：,IdUfiUi=Usi-UfiUC脉冲后移UdId,这种保持电流不变的特性将使系统能：自动限制最大电流由于ASR有输出限幅，限幅值为Usim，这样电流的最大值便为Im=Usim/,当IdIdm时，电流环将使电流降下来。由上式可见，整流电流反馈系数（调节电位器RP3）或调节ASR限幅值Usim,即可整定Im的数值。一般整定Im=2-2.5IN(额定电流)。能有效抑制电网电压波动的影响单闭环：UUdIdnUfnU=Usn-UfnUC脉冲后移Udn,要通过n的变化，测速发电机才能检测出来进行调节。双闭环：UUdIdUfiUi=Usi-UfiUC脉冲后移UdId由此可见，当电网电压波动而引起电流波动时，通过电流调节器ASR的调节作用，使电流很快回复原值。在双闭环调速系统中，电网电压波动对转速的影响几乎看不出来（在仅有转速环的单闭环调速系统中，电网电压的波动要通过转速的变化并进而由转速环来进行调节，这样调节过程慢得多，速降也大）。,2、速度调节器ASR的作用速度环是由转速负反馈组成的闭环，它的主要作用是保持转速稳定，并最后消除转速静差。由于ASR也是PI调节器，因此稳态时Un=US-n=0。由此式可见，在稳态时，n=US/。此式的含义是：当US为一定的情况下，由于速度调节器的调节作用，转速n将稳定在US/的数值上。其自动调节过程如下：TLnUfnUn(=Usn-Ufn)0Usi（）Ui(=-Usi+Ufi)0UC脉冲前移Udn,此外，由式n=US/可见，调节US即可调节转速。调节电位器RP2，即可整定转速反馈系数。由上面分析还可见，转速环要求电流迅速响应转速n的变化而变化，而电流环则要求维持电流不变。这种性能会不利于电流对转速变换的响应，有使静特性变软的趋势。但由于转速环是外环，电流环的作用只相当转速环内部一种扰动而已，不起主导作用。只要转速环的开环反放大倍数足够大，最后仍然能靠ASR的积分作用消除转速偏差。,双闭环系统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。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。,1.系统稳态结构图：,稳态运行时，电流调节器不应该饱和，稳态中若出现了电流调节器稳定在饱和，则说明控制角已经移到尽头，输出电压Udo已经到达最大值而无法再调，整个系统处于“失控”的不可调状态。,Ks,1/Ce,U*n,Uc,Id,E,n,Ud0,Un,+,+,-,ASR,+,U*i,-IdR,R,ACR,-,Ui,UPE,图2-4(a)双闭环直流调速系统的稳态结构框图(ASR未饱和),图2-4(a)双闭环直流调速系统的稳态结构框图(ASR未饱和)转速反馈系数电流反馈系数,Ks,1/Ce,U*n,Uc,Id,E,n,Ud0,Un,+,+,-,ASR,+,U*i,-IdR,R,ACR,-,Ui,UPE,图2-4(b)ASR饱和，相当于电流闭环系统,2.系统静特性,静特性双闭环系统的静特性如右图所示：n0A斜线是电流调节器饱和而产生的限制工作点向上的界线。AB垂直线是转速调节器饱和而产生的限制工作点向左的界线n0A线段下方、AB线段左方的区域内，是系统的可调节工作区域。在该区域内系统的静特性是一组水平直线。,双闭环调速系统的静特性,分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器作用使输入偏差电压u在稳态时总是为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。（1）转速调节器不饱和转速无静差,转速调节器不饱和：这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此：,即,电动机的运行转速n为,从而得到图2.5静特性的no-A段,与此同时，由于ASR不饱和，UiUim，从上述第二个关系式可知：Idn*。转速超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压立U*i即从限幅值降下来，主电流Id也因而下降。但是，由于Id仍大于负载电流IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。直到t=t3时，Id=IdL时，转矩T=TL，则dn/dt=0，转速n才达到峰,值。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，在一小段时间内（t3t4），电流Id也出现一段小于IdL的过程，直到稳定Id=IdL，n=n*。如果调节器参数整定得不够好，会有振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的输出量U*i，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。特点：ASR不饱和，起主要调节作用；ACR起跟随作用；转速有超调。起动过程中，ASR饱和后，系统成为恒流调节系统；ASR退饱和后，系,统达到稳定运行时，表现为一转速无静差调速系统。双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：(一)饱和非线性控制ASR饱和,转速环开环,恒值电流调节的单闭环系统；ASR不饱和,转速环闭环,无静差调速系统。(二）转速超调只有转速超调才能使ASR退饱和。(三)准时间最优控制恒流升速可使起动过程尽可能最快：（1）饱和非线性控制根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：当ASR饱和时，转速环开环，,系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（2）转速超调由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，ASR的输入偏差电压Un为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。（3）准时间最优控制起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升,速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。最后，应该指出，对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。,双闭环调速系统动态抗扰性能分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。1.抗负载扰动动态抗扰性能分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。直流调速系统的动态抗负载扰作用由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，,因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。突加载干扰只能靠速度调节器ASR来产生抗扰作用。这表明负载干扰出现后，必然会引起动态转速变化。如负载突然增加，转速必然下降，形成动态速降。Un的产生，使系统ASR、ACR均处于自动调节状态。只要不是太大的负载干扰，ASR、ACR均不会饱和。由于它们的调节作用，转速在下降到一定值后即开始回升，形成抗扰动的恢复过程。最终使转速回升到干扰发生以前的给定值，仍然实现了稳态无静差的抗扰过程。其转速恢复过程如图所示,直流调速系统的抗负载扰动作用,2.抗电网电压扰动,-IdL,Ud,图2-8直流调速系统的动态抗扰作用Ud电网电压波动在整流电压上的反映,电网电压扰动在电流环之内，电压扰动尚未影响到转速前就已经为电流环所抑制。因而双,闭环系统中电网电压扰动引起的动态速降（升）比单闭环小得多。电网电压波动时双闭环系统的调节作用在转速单闭环系统中，电网电压波动的干扰，必将引起转速的变化，然后通过速度调节器来调整转速以达到抗扰的目的。由于机械惯性，这个调节过程显得比较迟钝。但在双闭环系统中，由于电网电压干扰出现在电流环内，当电网电压的波动引起电枢电流Id变化时，这个变化立即可以通过电流反馈环节使电流环产生对电网电压波动的抑制作用。由于这是一个电磁调节过程，其调节时间比,机械转速调节时间短得多，所以双环系统对电网电压干扰的抑制比单环系统快得多，甚至可以在转速n尚未显著变化以前就被抑制了。四、转速、电流调节器的作用1.转速调节器的作用（1）速度调节器ASR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）抗扰作用对负载变化起抗扰作用。（3）限制电机最大电流其输出限幅值Uim*决定电机电枢主回路允许的最大电流Idm。,2.电流调节器ACR的作用（1）跟随作用作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）抗扰作用对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）加快动态过程启动时保证获得电机允许的最大电流Idm，从而加快动态过程；在转速调节过程中，使电枢电流跟随其给定电压值Ui*变化；（4）过流自动保护作用当电机过载甚至堵转时，即有很大的负载干扰时，可以限制电枢电,流的最大值，从而起到快速的过流安全保护作用；一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。双闭环调速系统优点使转速N跟随给定电压Un*变化,稳态无静差(接近理想的“挖土机特性”)。对负载变化起抗扰作用，具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应快)，超调量也较小。其输出限幅值取决于允许的最大电流电流调节器作用：1)对电网电压波动起及时抗扰作用；2)起动时保证获得允许的最大电流；,3)转速调节过程中,使电流跟随其给定电压Ui*而变化；4)当电机过载甚至于堵转时,限制电流的最大值,动态抗扰性能(抗负载扰动、抗电网电压扰动)。由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调速度环)，调整方便。,第二节转速超调的抑制-转速微分负反馈在双闭环系统中，转速微分负反馈是为抑制转速超调量而提出的。在转速微分负反馈作用下，由于退饱和时间和退饱和转速均获得了提前，而抑制了转速超调。同时又增添了系统抗扰能力，使负载在扰动下的速降减小，但恢复时间延长。有关计算公式如下：,退饱和转速,退饱和时间,无超调时,微分反馈时间常数,1)直流双闭环调速系统引入转速微分负反馈后，可使突加给定起动时转速调节器提前退饱和，从而有效地抑制以至消除转速超调。同时也增强了调速系统的抗扰能力，在负载扰动下的动态速降大大减低，但恢复时间有所延长。2)微分反馈必须带滤波电阻，否则将引入新的干扰。,3)求带微分反馈双环系统的退饱和过渡过程不能象普通双环系统那样借助于系统的抗扰性能曲线，因为初始条件不一致。只能以退饱和点为初始条件求解带微分负反馈系统的微分方程。分析设计双闭环调速系统的方法可推广应用到更多调节器串级联接的多环系统中去。如为了在起动或制动过程中保持电动机容许的最大电流变化率，可设置电流变化率内环以构成带电流变化率内环的三环调速系统。为了提高抗电网电压扰动的能力，可设置电压内环构成带电压内环的三环调速系统。在有弱磁控制的直流调速系统中，电枢电压,与弱磁的控制需要互相配合，以保证电动机在额定磁通下起动，在额定转速以上才减弱磁通升速。常用的是非独立控制励磁的调速系统，在该系统中，电枢电压控制仍采用ASR串级ACR的双闭环结构，调磁部分可以电动势调节器AER串级励磁电流调节器AFR的双闭环结构，也可采用一个调节器，励磁电流反馈和电动势反馈都作用在这个调节器上，同时用一个二极管最大值选择电路使它们不同时起作用。电动势信号难于直接测量，可由容易检测到的Ud、Id经运算器运算得到。,第三节直流调速系统的的工程设计方法,必要性:用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。可能性:大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简,化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。设计方法的原则：（1）理论上概念清楚易懂；（2）计算公式简明、好记，尽量避免繁琐；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；（4）除线性系统外，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。,工程设计方法的基本思路1.选择典型系统；根据系统性能要求选择合适的典型系统（调节器设计内容,结构、参数）2.选择调节器的结构；调节器设计目的,把原始系统校正成一个稳、准、快、抗扰的低阶系统,满足动静态性能的要求。使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。3.再选择调节器的参数；调节器设计方法,经典设计方法、工程设计方法调节器类型,R,C等元件构成的无源校正网络运算放大器为核心的有源校正网络（常用），以满足动态性能指标的要求。,典型系统,典型系统0型系统,r=0(有静差系统,稳态精度低)型系统,r=1（无静差系统、易稳定）型系统,r=2（无静差系统、易稳定）型系统,r=3（无静差系统、难稳定）型以上系统,（难稳定）一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示为,(2-8),自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，而型和型以上的系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用I型和II型系统。典型I型系统结构图与传递函数,T系统的惯性时间常数；K系统的开环增益。,（2-9）,开环对数频率特性,O,性能特性典型的I型系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以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，即选择参数满足,或,于是，相角稳定裕度,2.典型型系统,结构图和传递函数,（2-10）,开环对数频率特性,O,性能特性典型的II型系统也是以20dB/dec的斜率穿越零分贝线。由于分母中s2项对应的相频特性是180，后面还有一个惯性环节，在分子添上一个比例微分环节（s+1），是为了把相频特性抬到180线以上，以保证系统稳定，即应选择参数满足,或,且比T大得越多，系统的稳定裕度越大。,控制系统的动态性能指标自动控制系统的动态性能指标包括：,跟随性能指标随动系统的动态指标抗扰性能指标调速系统的动态指标,系统典型的阶跃响应曲线,图2-12典型阶跃响应曲线和跟随性能指标,1.跟随性能指标：在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有tr上升时间：第一次到达给定值的时间超调量：ts调节时间：进入误差带的时间,图2-13突加扰动的动态过程和抗扰性能指标,2.抗扰性能指标,抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标有Cmax动态降落；tv恢复时间一般来说，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。,典型I型系统性能指标和参数的关系,典型I型系统的开环传递函数如式（2-9）所示，它包含两个参数：开环增益K和时间常数T。其中，时间常数T在实际系统中往往是控制对象,本身固有的，能够由调节器改变的只有开环增益K，也就是说，K是唯一的待定参数。设计时，需要按照性能指标选择参数K的大小。K与开环对数频率特性的关系图2-13绘出了在不同K值时典型I型系统的开环对数频率特性，箭头表示K值增大时特性变化的方向。,K与截止频率c的关系,当c1/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）,(2-12),快速性与稳定性之间的矛盾式（2-12）表明，K值越大，截止频率c也越大，系统响应越快，但相角稳定裕度=90arctgcT越小，这也说明快速性与稳定性之间的矛盾。在具体选择参数K时，须在二者之间取折衷。,下面将用数字定量地表示K值与各项性能指标之间的关系。典型I型系统跟随性能指标与参数的关系（1）稳态跟随性能指标：系统的稳态跟随性能指标可用不同输入信号作用下的稳态误差来表示。,表2-1I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差,由表可见：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。（2）动态跟随性能指标闭环传递函数：典型I型系统是一种二阶系统，其闭环传递函数的一般形式为,（2-13）,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。K、T与标准形式中的参数的换算关系,(2-15),(2-16),(2-17),且有,二阶系统的性质当1时，系统动态响应是欠阻尼的振荡特性，当1时，系统动态响应是过阻尼的单调特性；当=1时，系统动态响应是临界阻尼。由于过阻尼特性动态响应较慢，所以一般常把系统设计成欠阻尼状态，即01,由于在典型I系统中KT0.5。因此在典型I型系统中应取下面列出欠阻尼二阶系统在零初始条件下的阶跃响应动态指标计算公式,下面列出欠阻尼二阶系统在零初始条件下的阶跃响应动态指标计算公式性能指标和系统参数之间的关系,(2-19),(2-20),(2-21),超调量,上升时间,峰值时间,(2-18),表2-2典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系（与KT的关系服从于式2-16）,具体选择参数时，应根据系统工艺要求选择参数以满足性能指标。,性能指标讨论：,1、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、列表目的：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，说明典型型系统已不能适用，须采用其它控制方法。,2.典型I型系统抗扰性能指标与参数的关系典型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。,图2-15a是在扰动F作用下的典型I型系统，其中，W1(s)是扰动作用点前面部分的传递函数，后面部分是W2(s)，于是,(2-25),只讨论抗扰性能时，令输入作用R=0，得到图2-15b所示的等效结构图。由于抗扰性能与W1(s)有关，因此抗扰性能指标也不定，随着扰动点的变化而变化。在此，,图2-15扰动作用下的典型I型系统,典型I型系统,我们针对常用的调速系统，分析图2-15的一种情况，其他情况可仿此处理。经过一系列计算可得到表2-3所示的数据。,表2-3典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系(控制结构和扰动作用点如图2-15所示，已选定的参数关系KT=0.5),分析结果：由表2-3中的数据可以看出，当控制对象的两个时间常数相距较大时，动态降落减小，但恢复时间却拖得较长。,典型型系统的开环对数幅频特性,图2-16典型型系统的开环对数幅频特性和中频宽,中频宽度,中频宽h由图可见，h是斜率为20dB/dec的中频段的宽度（对数坐标），称作“中频宽”。由于中频段的状况对控制系统的动态品质起着决定性的作用，因此h值是一个很关键的参数。只要按照动态性能指标的要求确定了h值，就可以代入这两个公式计算K和，并由此计算调节器的参数。1.典型II型系统跟随性能指标和参数的关系（1）稳态跟随性能指标型系统在不同输入信号作用下的稳态误差列于表2-5中,表25II型系统在不同输入信号作用下的稳态误差,由表可知：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。,（2）动态跟随性能指标,表2-6典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mrmin准则确定关系时）,2.典型型系统抗扰性能指标和参数的关系抗扰系统结构,图2-17b典型II型系统在一种扰动作用下的动态结构图,扰动系统的输出响应在阶跃扰动下，,（2-43）,由式（2-43）可以计算出对应于不同h值的动态抗扰过程曲线C(t)，从而求出各项动态抗扰性能指标，列于表2-7中。在计算中，为了使各项指标都落在合理的范围内，取输出量基准值为,Cb=2FK2T（2-44）,表2-7典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（控制结构和阶跃扰动作用点如图2-18，参数关系符合最小Mr准则）,由表2-7中的数据可见，一般来说，h值越小，Cmax/Cb也越小，tm和tv都短，因而抗扰性能越好，这个趋势与跟随性能指标中超调量与h值的关系恰好相反，反映了快速性与稳定性的矛盾。但是，当h5时，由于振荡次数的增加，h再小，恢复时间tv反而拖长了。,分析结果由此可见，h=5是较好的选择，这与跟随性能中调节时间最短的条件是一致的（见表2-6）。因此，把典型型系统跟随和抗扰的各项性,能指标综合起来看，h=5应该是一个很好的选择。,两种系统比较静态误差不同典型I只对阶跃输入无差，典型对斜坡输入也无差动态跟随及抗扰性能典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能较差典型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。,第四节双闭环系统的设计,转速、电流双闭环调速系统。,1.系统设计对象,-IdL(s),Ud0(s),Un,+,-,-,+,-,Ui,ACR,1/R,Tls+1,R,Tms,U*I(s),Uc(s),Ks,Tss+1,Id,1Ce,+,E,ASR,U*n(s),n(s),电流环,图2-22双闭环调速系统的动态结构框图,E(s),增加了滤波环节,本节将应用前述的工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。主要内容为：系统设计对象；系统设计原则；系统设计步骤双闭环调速系统的实际动态结构图绘于图2-22，不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中T0i电流反馈滤波时间常数T0n转速反馈滤波时间常数系统设计的一般原则：“先内环后外环”,从内环开始，逐步向外扩展。在这里，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。电流调节器的设计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5.检验近似条件。电流环结构图的简化简化内容：忽略反电动势的动态影响；,等效成单位负反馈系统；小惯性环节近似处理。,图2-23电流环的动态结构图及其化简,忽略反电动势的动态影响在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即E0。这时，电流环如下图所示。,简化条件：,电流环截止频率,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地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s)/，则电流环便等效成单位负反馈系统（图2-23b）。,图2-23b,小惯性环节近似处理最后，由于Ts和T0i一般都比Tl小得多，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Ti=Ts+Toi,(2-55),2.电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-23c可以看出，采用I型系统就够了。,电流环结构图最终简化成图2-23c。,简化的近似条件为,(2-56),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，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。,电流调节器选择图2-23c表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成,（2-57）,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。,为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构图便成为图2-24a所示的典型形式，其中,（2-58）,（2-59）,校正后电流环的结构和特性,a)动态结构图:,图2-24校正成典型I型系统的电流环,b)开环对数幅频特性:,3.电流调节器的参数计算,式（2-57）给出，电流调节器的参数有：Ki和i，其中i已选定，见式（2-58），剩下的只有比例系数Ki，可根据所需要的动态性能指标选取。,参数选择在一般情况下，希望电流超调量i5%，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,如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式（2-60）和式（2-61）当然应作相应的改变。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否满足。,4.电流调节器的实现,模拟式电流调节器电路,图中：U*i为电流给定电压；Id为电流负反馈电压；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,电流调节器电路参数的计算公式：(2-62)(2-63)；(2-64)。,5.检验近似条件：,计算电流环截止频率：（1）电力电子变换器纯滞后的近似处理：（2）忽略反电动势变化对电流环的动态影响：（3）电流环小惯性群的处理：,转速调节器的设计设计分为以下几个步骤：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；5.校验近似条件。1.电流环的等效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环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图2-24a可知,(2-65),传递函数化简忽略高次项，上式可降阶近似为,(2-66),近似条件可由式（2-52）求出,(2-67),式中cn转速环开环频率特性的截止频率。,(2-65),传递函数化简忽略高次项，上式可降阶近似为,(2-66),近似条件可由式（2-52）求出,(2-67),式中cn转速环开环频率特性的截止频率。,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为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为,(2-68),这样，原来是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。这就表明，电流的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。,2.转速调节器结构的选择,转速环的动态结构用电流环的等效环节代替图2-22中