第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统

1、第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统运动控制系统运动控制系统内 容 提 要n转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性 n转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型 n转速、电流反馈控制直流调速系统调节器的工程设计方法 nMATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制的直流调速系统的仿真 n问题的提出问题的提出 第第2章中表明，采用转速负反馈和章中表明，采用转速负反馈和PI调节器调节器的的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定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。前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，动态性能

2、要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以单闭环系统就难以满足需要。满足需要。3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统转速、电流反馈控制直流调速系统主要原因主要原因单闭环系统单闭环系统仅是以转速为目标仅是以转速为目标的控制，没的控制，没有考虑对决定系统动态行为的转矩（电流）实有考虑对决定系统动态行为的转矩（电流）实施有效的动态控制。施有效的动态控制。 在单闭环直流调速系统中，电流截止负反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，但它只能是一馈环节是专门用来控制电流的，但它只能是一种种“门限控制门限控制”，即在超过临界电流

3、值，即在超过临界电流值 Idcr 以以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并后，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。不能很理想地控制电流的动态波形。 单闭系统环启动过程单闭系统环启动过程n单闭环直流调速系统起单闭环直流调速系统起动过程如图动过程如图 所示，起所示，起动电流达到最大值动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反馈的作后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加磁转矩也随之减小，加速过程延长。速过程延长。 图2-1 a) 单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcr最佳启动过程（期望）最佳启动过程（期望）n理想起动过

4、程波形如图，理想起动过程波形如图，这时，起动电流呈方形这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。获得的最快的起动过程。IdLntIdOIdm整个启动过程电流保持最大整个启动过程电流保持最大b) 期望的起动过程IdLntIdOIdma) 单闭环调速系统（带电流截止负反馈的）启动过程起动过程比较起动过程比较IdLntIdOIdmIdcr我们的目标与解决的思路我们的目标与解决的思路启动和动态过程：启动和动态过程：主要考核指标：主要考核指标：快速性和超调控制能力快速性和超调控制能

5、力理由：理由：电流是决定电机拖动能力的重要因电流是决定电机拖动能力的重要因素，因此动态过程的主要控制量应素，因此动态过程的主要控制量应该是电流该是电流做法：做法：动态过程只针对电流进行控制。保动态过程只针对电流进行控制。保证动态过程电流始终最大证动态过程电流始终最大我们的目标与解决的思路我们的目标与解决的思路（续）稳态运行（终级目标）：稳态运行（终级目标）：主要考核指标：主要考核指标：无静差和抗扰动能力无静差和抗扰动能力理由：理由：最终目标是转速的无静差，抗扰能最终目标是转速的无静差，抗扰能力通过转矩的实时控制来实现力通过转矩的实时控制来实现做法：做法：稳态运行时，转速和电流均采取随稳态运行时

6、，转速和电流均采取随动控制动控制问题是：问题是： 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们能在不同的阶段里分别起作用呢？3.1.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成转速、电流反馈控制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，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。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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接。3.1.2 稳态结构图与参数计算稳态结构图与参数计算图3-2 转速、电流反

7、馈控制直流调速系统原理图ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 1. 稳态结构图和静特性稳态结构图和静特性n转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，n当调节器饱和时，输出达到限幅值，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； n当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。n对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数 电流反馈系数两个调节器的输出均带限幅，

8、其作用：n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；n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。2. 限幅作用限幅作用PI调节器存在两种状况调节器存在两种状况：n饱和输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量输入量的变化不再影响输出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相当于使该调节环开环。n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输入偏差电压在稳态时总是趋于零在稳态时总是趋于零。 事实上，转速调节器是可以运行

9、在以事实上，转速调节器是可以运行在以上两种情况，而正常情况下，电流调节上两种情况，而正常情况下，电流调节器均工作在不饱和状态！器均工作在不饱和状态！（1） 转速调节器不饱和转速调节器不饱和n两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。 得到：diinnIUUnnUU*0*dmdII0*nUnn稳态运行稳态运行 ASRASR不饱和不饱和 Id Idm （2）转速调节器饱和）转速调节器饱和nASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。n双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 dmimdIUI*动态运行动态运行 ASRASR饱和饱和 Id

10、= Idm nAB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm, n=n0。nBC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm, nn0。图3-4 双闭环直流调速系统的静特性n在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。n当负载电流达到Idm时，转速调节器为饱和输出U*im，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差。n当ASR处于饱和状态时，Id=Idm，若负载电流减小，Idn0，n0，ASR反向积分，使ASR调节器退出饱和。2各变量的稳态工作点和稳态参数计算各变量的稳态工作点和稳态参数计算n双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系

11、0*nnUUnndLdiiIIUU*sdLnesdesdcKRIUCKRInCKUU/*0 比例调节器：稳态时输出量由输入量决定比例调节器：稳态时输出量由输入量决定 PI调节器：稳态时输出量不是由输入量决定，而是调节器：稳态时输出量不是由输入量决定，而是由它后面环节的需求（负载）决定的。由它后面环节的需求（负载）决定的。注意一个很重要又很有趣的事实：注意一个很重要又很有趣的事实：n根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：n转速反馈系数 n电流反馈系数 n两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。max*nUnmdmimIU*3.2 双环系统的数学模型与动态过程分析双环系统的数学

12、模型与动态过程分析3.2.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图3.2.2 双环系统的动态过程分析双环系统的动态过程分析n对调速系统而言，被控制的对象是转速。n跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。n能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。1起动过程分析起动过程分析 前已指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。 双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于

13、下图。图2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 起动过程起动过程 由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不不饱和、饱和、退饱和饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。 第第 I 阶段阶段 电流上升电流上升阶段（阶段（0 t1） n突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。n当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性，转速不能很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压较大，迅速将ASR推向饱和，其输出电压保持限幅值

14、 U*im，强迫电流 Id 迅速上升。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 I 阶段阶段（续）n直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流调节器很快就压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中，在这一阶段中，ASR很快进入并很快进入并保持饱和状态，而保持饱和状态，而ACR一般不饱和。一般不饱和。第第 I 阶段阶段（续）图图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的稳态结构图第第 II 阶段恒流升速阶段（阶段恒流升速阶段（t1 t2） n在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定

15、U*im 下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 II 阶段阶段（续）为了电流恒定，必须保为了电流恒定，必须保证证 Ud 跟随转速上升而跟随转速上升而上升，因此上升，因此ACR输入应输入应保持一个恒定偏差。使保持一个恒定偏差。使得实际电流比给定电流得实际电流比给定电流固定小一个值。固定小一个值。ACR进入饱和与退饱和的过程n电机的反电动势电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节也按线性增长，对电流调节系统来说，系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了是一个线性渐增的

16、扰动量，为了克服它的扰动，克服它的扰动， Ud0和和 Uc 也必须基本上按线性也必须基本上按线性增长，才能保持增长，才能保持 Id 恒定。恒定。n因因ACR采用采用PI调节器，要使其输出量调节器，要使其输出量Uc按线性按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，也就是说， Id 应略低于应略低于 Idm。这一阶段是恒流升速阶段这一阶段是恒流升速阶段第第 II 阶段阶段（续） 恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。 为了保证电流环的主要调节作用，在为了保证电流环的主要调节作用，在起动起动过程中过程中 ACR是不

17、应饱和是不应饱和的，电力电子装置的，电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地，这些的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。都是设计时必须注意的。第第 II 阶段阶段（续）第第 阶段转速调节阶段（阶段转速调节阶段（ t2 以后）以后） n当转速上升到给定值时，转速调节器当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍在加速，所以电机仍在加速，使转速超调。使转速超调。n转速超调后，转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它输入偏差电压变负，使它开始退出饱和

18、状态，开始退出饱和状态， U*i 和和 Id 很快下降。但很快下降。但是，只要是，只要 Id 仍大于负载电流仍大于负载电流 IdL ，转速就继，转速就继续上升。续上升。系统稳态结构图系统稳态结构图 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPEIdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 阶段阶段（续）n直到直到Id = IdL时，时，转矩转矩Te= TL ，则则dn/dt = 0，转，转速速n才到达峰值才到达峰值（t = t3时）。时）。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第

19、 阶段阶段（续）只有当电流小只有当电流小于负载电流，于负载电流，电机才能降速。电机才能降速。电动机开始在负载电动机开始在负载的阻力下减速，与的阻力下减速，与此相应，在一小段此相应，在一小段时间内（时间内（ t3 t4 ），）， Id IdL ，直到稳，直到稳定。定。 如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 阶段阶段（续） 在这最后的转速调节阶段内，在这最后的转速调节阶段内，ASR和和ACR都不饱和，都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而起主导的转速调节作用，而ACR则力图使则力图使 Id 尽快地跟随其给

20、定值尽快地跟随其给定值 U*i ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。或者说，电流内环是一个电流随动子系统。 第第 阶段阶段（续）2. 分析结果分析结果 综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点： （1）饱和非线性控制；饱和非线性控制； （2）转速超调；转速超调； （3）准时间最优控制准时间最优控制。 2动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析n双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个电流反馈环和电流调节器。个电流反馈环和电流调节器。n调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰动和抗电网电压扰动性能，动和抗电网电压扰

21、动性能，n闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关。闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关。 （1）抗负载扰动）抗负载扰动n负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产来产生抗负载扰动的作用。生抗负载扰动的作用。n在设计在设计ASR时，要求有较好的抗扰性能指标。时，要求有较好的抗扰性能指标。 图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用负载扰动负载扰动（2）抗电网电压扰动）抗电网电压扰动n电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，使抗扰电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，使抗扰性能得到改善。性能得到改善。n在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转

22、速变化会比单在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。闭环系统小得多。 图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用电网电压扰动电网电压扰动1. 转速调节器的作用转速调节器的作用n转速调节器是调速系统的主导调节器，转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化它使转速很快地跟随给定电压变化, 如如果采用果采用PI调节器，则可实现无静差。调节器，则可实现无静差。n对负载变化起抗扰作用。对负载变化起抗扰作用。n其输出限幅值决定电动机允许的最大电其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。流。2. 电流调节器的作用电流调节器的作用n在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其

23、在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。给定电压（即外环调节器的输出量）变化。n对电网电压的波动起及时抗扰的作用。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。n在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。电流。n当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。系统立即自动恢复正常。3.3 双环直流调速系统的设计双环直流调速系统的设计3.3.1 控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标n

24、在控制系统中设置调节器是为了改善系统在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能。的静、动态性能。n控制系统的动态性能指标包括对给定输入控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。抗扰性能指标。1、跟随性能指标、跟随性能指标n以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程。化下的过渡过程作为典型的跟随过程。n此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。应。n常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、常用的阶跃响应跟随性能指标有

25、上升时间、超调量和调节时间。超调量和调节时间。 图3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标%100maxCCC上升时间 峰值时间 调节时间 超调量 2抗扰性能指标抗扰性能指标n当调速系统在稳定运行中，突加一个使当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量降低（或上升）的扰动量输出量降低（或上升）的扰动量F之后，之后，输出量由降低（或上升）到恢复到稳态输出量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过渡过程就是一个抗扰过程。值的过渡过程就是一个抗扰过程。n常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。时间。 图3-9 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标动态降落 恢复时间 3.3.2

26、调节器的工程设计方法从这以后到从这以后到3.4节均不要求节均不要求3.3.2 调节器的工程设计方法n工程设计方法： 在设计时，把实际系统校正或简化成典型系统，可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程简便得多。n调节器工程设计方法所遵循的原则是：（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，而且指明参数调整的方向；（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。n在典型系统设计的基础上，利用MATLAB/SIMULINK进行计算机辅助分析和设计，可设计出实用有效的控制系统。n控制系统的开环传递函数

27、都可以表示成（3-9） 分母中的sr项表示该系统在s= 0处有r重极点，或者说，系统含有r个积分环节，称作r型系统。n为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统（ r =0），至少是型系统（ r =1）；当给定是斜坡输入时，则要求是型系统（ r =2）才能实现稳态无差。n选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。由于型（ r =3）和型以上的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。因此常把型和型系统作为系统设计的目标。n1jjrm1ii)1sT(s)1s(K)s(W1典型型系统n作为典型的I型系统，其开环传递函数选择为 （3-10）式中， T系统的惯性时间常数； K系统的开环增益。n对

28、数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线，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。n只包含开环增益K和时间常数T两个参数，时间常数T往往是控制对象本身固有的，唯一可变的只有开环增益K 。设计时，需要按照性能指标选择参数K的大小。) 1()(TssKsW图3-10 典型型系统(a)闭环系统结构图(b)开环对数频率特性n典型型系统的对数幅频特性的幅值为 得到 (3-11)n相角裕度为nK值越大，截止频率c 也越大，系统响应越快，相角稳定裕度 越小，快速性与稳定性之间存在矛盾。n在选择参数 K时，须在快速性与稳定性之间取折衷。 ccKlg20) 1lg(lg20lg

29、20cK（当Tc1时） 18090arctg90arctgccTT（1）动态跟随性能指标n典型型系统的闭环传递函数为 （3-12）式中， 自然振荡角频率； 阻尼比。n 1，欠阻尼的振荡特性，n 1，过阻尼的单调特性；n = 1，临界阻尼。 n过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即 0 Ti，选择i= Ti ，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，n希望电流超调量i 5%，选 =0.707， KI Ti =0.5，则 ) 1() 1(/)(sTsKsTsRKKsWiIiisiopi（3-50） iciITK21)(22ilsisliTTKRTKRTK(3-52) (3-51) 图3

30、-20 校正成典型I型系统的电流环(a)动态结构图 (b）开环对数幅频特性 n模拟式电流调节器电路 U*i 电流给定电压； Id 电流负反馈电压； Uc 电力电子变换器的控制电压。图3-21 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器0RRKiiiiiCRoioiCRT041(3-53) (3-54) (3-55) n按典型型系统设计的电流环的闭环传递函数为 (3-56)n采用高阶系统的降阶近似处理方法，忽略高次项，可降阶近似为 (3-57)n降价近似条件为 (3-58) 式中，cn转速环开环频率特性的截止频率。111)1(1)1(/)()()(2*sKsKTsTsKsTsKsUsIsWIIiiI

31、iIidcli111)(sKsWIcliiIcnTK31n电流环在转速环中等效为 (3-59)n电流的闭环控制把双惯性环节的电流环控制对象近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节，n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。111)()()(*sKsWsUsIIcliid例题3-1 n 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置放大系数：Ks=40；电枢回路总电阻：R=0.5 ；时间常数：Ti=0.03s， Tm=0.18s；电

32、流反馈系数：=0.05V/A（10V/1.5IN）。n设计要求设计要求 设计电流调节器，要求电流超调量5%i解 1）确定时间常数n整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s。n电流滤波时间常数Toi=2ms=0.002s。n电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。2）选择电流调节器结构n要求i5%，并保证稳态电流无差，按典型I型系统设计电流调节器。用PI型电流调节器。n检查对电源电压的抗扰性能： ， 参看表3-2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。11. 80037. 003. 0ilTT3）计算电流调节器参数n电流调节器超前时间常数：i

33、=Ti=0.03s。n电流环开环增益：取KiTi=0.5， nACR的比例系数为1 .1350037. 05 . 05 . 0iITK013. 105. 0405 . 003. 01 .135siIiKRKK4）校验近似条件n电流环截止频率ci=KI=135.1s-1（1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 （2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 （3）校验电流环小时间常数近似处理条件 1 .1960017. 03131sT1s1s1s 82.4003. 018. 01313lmTT 8 .180002. 00017. 0131131oisTTcicici5）计算调节器电阻和电容n

34、取n 取40kn 取0.75Fn 取0.2FkR400kRKRii52.4040013. 10FFRCiii75. 01075. 0104003. 063FFRTCioi2 . 0102 . 01040002. 04463002转速调节器的设计图3-22 转速环的动态结构图及其简化(a)用等效环节代替电流环 图3-22 转速环的动态结构图及其简化(b)等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理n把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/，n把时间常数为 1 / KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并onInTKT1n转速环的控制对象是由一个积分环节和一个惯性环节组成，

35、IdL(s)是负载扰动。n系统实现无静差的必要条件是：在负载扰动点之前必须含有一个积分环节。n转速开环传递函数应有两个积分环节，按典型型系统设计。nASR采用PI调节器ssKsWnnnASR) 1()(（3-61） Kn 转速调节器的比例系数； n 转速调节器的超前时间常数。 n调速系统的开环传递函数为n令转速环开环增益KN为 (3-62)n则 （3-63） ) 1() 1() 1() 1()(2sTsTCsRKsTsTCRssKsWnmennnnmennnnmennNTCRKK) 1() 1()(2sTssKsWnnNn图3-22 转速环的动态结构图及其简化(c)校正后成为典型型系统nnhT

36、2221nNThhKnmenRThTChK2) 1(（3-64） （3-65） （3-66） 无特殊要求时，一般以选择h=5 为好。n模拟式转速调节器电路 U*n 转速给定电压； n 转速负反馈电压； U*i 电流调节器的给定电压。(3-67) (3-68) (3-69) 图3-23 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器0RRKnnnnnCRononCRT041例题3-2 n在例题3-1中，除已给数据外，已知：转速反馈系数=0.07Vmin/r（10V/nN），n要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量n10%。n试按工程设计方法设计转速调节器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。解

37、 1）确定时间常数n（1）电流环等效时间常数。 由例题3-1，已取KITi=0.5，则 n（2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。n（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取sTKiI0074. 00037. 0221sTKTonIn0174. 001. 00074. 012）选择转速调节器结构n选用PI调节器，3）计算转速调节器参数n取h=5，则ASR的超前时间常数为n转速环开环增益： nASR的比例系数为ssKsWnnnASR) 1()(shTnn087. 00174. 05222224 .3960174. 052621sThhKnN7 .11017

38、4. 05 . 0007. 05218. 0132. 005. 062) 1(nmenRThTChK4）检验近似条件n转速环截止频率为（1）电流环传递函数简化条件 满足简化条件（2）转速环小时间常数近似处理条件 满足近似条件115 .34087. 04 .396sKKnNNcn7 .630037. 01 .1353131iITK7 .3801. 01 .1353131onITK1s1scncn5）计算调节器电阻和电容n取n 取470kn 取0.2 F n 取1F6）校核转速超调量n当h=5时，由表3-4查得，n%=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统计算的，而突加阶跃

39、给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。kR400kRKRnn468407 .110FFRCnnn185. 010185. 010470087. 063FFRTConon1101104001. 0446303转速调节器退饱和时转速超调量的计算n当转速超过给定值之后，转速调节器ASR由饱和限幅状态进入线性调节状态，此时的转速环由开环进入闭环控制，迫使电流由最大值Idm降到负载电流Idl 。nASR开始退饱和时，由于电动机电流Id仍大于负载电流Idl ，电动机继续加速，直到Id Idl时，转速才降低。n这不是按线性系统规律的超调，而是经历了饱和非线性区域之

40、后的超调，称作“退饱和超调”。n假定调速系统原来是在Idm的条件下运行于转速n*，n在点O 突然将负载由Idm降到Idl ，转速会在突减负载的情况下，产生一个速升与恢复的过程，n突减负载的速升过程与退饱和超调过程是完全相同的。 图3-24 ASR饱和时转速环按典型II型系统设计的 调速系统起动过程图3-25 调速系统的等效动态结构图(a)以转速n为输出量 只考虑稳态转速n*以上的超调部分，n=n-n*，坐标原点移到O点， 图3-25 调速系统的等效动态结构图(b）以转速超调值为输出量初始条件则转化为dmdIIn)0(, 0)0(n把n的负反馈作用反映到主通道第一个环节的输出量上来，得图 (c)

41、，图中Id和IdL的+、- 号都作了相应的变化。n图 (c)和讨论典型II型系统抗扰过程所用的图完全相同。可以利用表3-5给出的典型II型系统抗扰性能指标来计算退饱和超调量， 图3-25 调速系统的等效动态结构图(c) 图(b)的等效变换n在典型II型系统抗扰性能指标中， C的基准值是 (3-35)nn的基准值是(3-70)TFKCb22nmeTTTCRK2dLdmIIFmedLdmnbTCIIRTn)(2n作为转速超调量n%，其基准值应该是n*，退饱和超调量可以由表3-5列出的数据经基准值换算后求得，即 mnNbbbnTTnnzCCnnCC*max*max)%)(2%)(% 电动机允许的过载倍数， z负载系数， (3-72)dNdmIIdNdLz