[信息与通信]第5章 转速、电流反馈控制的直流调速系统ppt课件

1、第第5章章 转速、电流反响控制的直流调速系统转速、电流反响控制的直流调速系统 单闭环调速系统存在的问题：单闭环调速系统存在的问题：采用PI调理器后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，假设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求。单闭环系统中不能直接控制电流和转矩的动态过程。一个调理器的动态参数难以保证两种调理过程具一个调理器的动态参数难以保证两种调理过程具有良好的动态质量。有良好的动态质量。 一个调理器综合了多种信号一个调理器综合了多种信号，完成两种义务：正常负载时实现转速调理；电，完成两种义务：正常负载

2、时实现转速调理；电流超越临界值，进展电流调理。流超越临界值，进展电流调理。对扰动的抑制才干差：等到转速出现偏向才干进对扰动的抑制才干差：等到转速出现偏向才干进展调理，因此展调理，因此n大。大。 第第5章章 转速、电流反响控制的直流调速系统转速、电流反响控制的直流调速系统 起动时间长：仅靠剧烈的负反响作用限制电流的起动时间长：仅靠剧烈的负反响作用限制电流的冲击，不能很好地控制电流的动态波形。冲击，不能很好地控制电流的动态波形。第第5章章 转速、电流反响控制的直流调速系统转速、电流反响控制的直流调速系统 为了实如今允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流坚持为最大值Idm的恒流过程。按照反响控

3、制规律，采用某个物理量的负反响就可以坚持该量根本不变，那么，采用电流负反呼应该可以得到近似的恒流过程。处理思绪：处理思绪：第第5章章 转速、电流反响控制的直流调速系统转速、电流反响控制的直流调速系统 希望能实现如下控制：希望能实现如下控制：起、制动过程中，只需电流负反响，没有转速负反响起、制动过程中，只需电流负反响，没有转速负反响。稳态时，只需转速负反响，没有电流负反响。稳态时，只需转速负反响，没有电流负反响。 怎样才干做到这种既存在转速和电流两种负反响，又怎样才干做到这种既存在转速和电流两种负反响，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？只用一个使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？只用一个

4、调理器时不能够的，必需用两个调理器分别调理调理器时不能够的，必需用两个调理器分别调理n和和I，构成转速电流双闭环调理系统。，构成转速电流双闭环调理系统。第第5章章 转速、电流反响控制的直流调速系统转速、电流反响控制的直流调速系统 转速、电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性 转速、电流反响控制直流调速系统的动态数学模型 转速、电流反响控制直流调速系统调理器的工程设计方法 MATLAB仿真软件对转速、电流反响控制的直流调速系统的仿真 5.15.25.35.4本章内容本章内容第第5章章 转速、电流反响控制的直流调速系统转速、电流反响控制的直流调速系统 5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及

5、其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性5.1.1 系统组成5.1.2 稳态构造图及参数计算 在起动或制动过渡过程中，希望一直坚持电流电磁转矩为允许的最大值，使调速系统以最大的加减速度运转。 当到达稳态转速时，最好使电流立刻降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运转。5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性5.1.1 系统组成 起动电流呈矩形波，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制动过程。 5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及

6、其静特性应该在起动过程中只需电流负反响，没有转速负反响，在到达稳态转速后，又希望只需转速负反响，不再让电流负反响发扬作用。 转速、电流双闭环的提出5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性 转速、电流双闭环的构成在系统中设置两个调理器，分别引入转速负反响和电流负反响以调理转速和电流，把转速调理器的输出当作电流调理器的输入，再用电流调理器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环构造上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。二者嵌套衔接，构成了转速、电流反响控制直流调速系统简称双闭环系统。5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及

7、其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速、电流反响控制直流调速系统原理图5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性5.1.2 稳态构造图与参数计算 1. 稳态构造图和静特性稳态构造图和静特性转速调理器ASR控制转速，电流调理器ACR控制电流，串级嵌套衔接。转速调理器ASR的输出限幅电压决议了电流给定的最大值，电流调理器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。ASR，ACR：带限幅作用的PI调理器。稳态时，电流无静差，转速无静差稳态构造图5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调

8、速系统的组成及其静特性双闭环直流调速系统的稳态构造图转速反响系数 电流反响系数5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性 饱和调理器输出到达限幅值，输入量的大小变化不再影响输出，处于开环任务形状。饱和的调理器暂时隔断了输入和输出间的联络。除非有反向的输入信号使调理器退出饱和。 不饱和PI调理器任务在线性调理形状，其作用是使输入偏向电压在稳态时为零。 调理器的两种任务形状：对于静特性来说，只需转速调理器饱和与不饱和两种情况，电流调理器不进入饱和形状 。5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静

9、特性1 转速调理器不饱和转速调理器不饱和 两个调理器都不饱和，稳态时，它们的输入偏向电压都是零。 ASR不饱和那么有： diinnIUUnnUU*0*dmdII0*nUnn00inUUdmimiIUU5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性2转速调理器饱和转速调理器饱和 ASR输出到达限幅值时，转速外环呈开环形状，转速的变化对转速环不再产生影响。 双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调理系统。稳态时： dmimdIUI*电流无静差只适用于 时，ASR退出饱和 0nn 0nn 5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流

10、反响控制直流调速系统的组成及其静特性AB段是两个调理器都不饱和时的静特性，IdIdm, n=n0。BC段是ASR调理器饱和时的静特性，Id=Idm, nn0。双闭环直流调速系统的静特性 静特性5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性在IdIdm时，ASR饱和，输出为U*im不变。ACR起主要调理作用，表现为电流无静差。当ASR处于饱和形状时，转速上升，nn0，n0，ASR反向积分，使ASR调理器退出饱和。 ASR与ACR的作用：5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性2各变量的稳态任

11、务点和稳态参数计算各变量的稳态任务点和稳态参数计算 系统达稳态时，对应静特性AB段上一个点稳态任务点。两个调理器都不饱和，各变量之间有以下关系 0*nnUUnndLdiiIIUU*结论： n由U*n决议 ASR输出由IdL决议 UC大小由U*n和IdL决议5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性sdLnesdLesdcKRIUCKRInCKUU/*00 这些关系反映了PI调理器不同于P调理器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调理器那么不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需求决议的。后面需求PI调理器提供多么

12、大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性 反响参数计算： 转速反响系数 电流反响系数 两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。max*nUnmdmimIU*5.1 转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性转速电流反响控制直流调速系统的组成及其静特性5.2.1 双闭环控制直流调速系统的动态数学模型动态构造图5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析5.2.2 双闭环控制直流调速系统的动态过程分析起动过程分析动态

13、抗扰性能分析5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析1起动过程分析 设置双闭环的目的：起动过程是恒加速过程，动态呼应过程时间最优。 描画方法：转速的跟随性能用阶跃给定下的动态呼应描画。 转速的跟随性能与电枢电流的大小严密相关。 启动过程分三个阶段：电流上升、恒流升速、转速调理5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析 电流波形 转速波形 转速调理器 电流调理器5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过

14、程分析数学模型与动态过程分析第第阶段：电流上升阶段阶段：电流上升阶段0t1突加Un* Un很大ACR的给定输入很大 Id IdIdL电机转，转速不会很快增长 ASR迅速饱和Ui*= Uim* IdIdm本阶段：ASR由不饱和迅速饱和Un增长慢。ACR不饱和Ui增长快。5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析电流从0到达最大允许值ASR由不饱和快速进入饱和形状。ACR不饱和，调理电流到达最大值。dmI5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析第第阶

15、段阶段:恒流升速阶段恒流升速阶段t1t2 ASR饱和 Ui* Uim* IdIdm电机以恒加速度上升n线性上升至n*nE Id Ui Ui Uct Ud0 Id Id维持Idm不变 在该阶段，ASR一直饱和。5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析ASR处于饱和形状，相当于开环ASR输出为限幅值，Id根本坚持在Idm,电动机加速到了给定值n*。 5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析系统为I型系统。斜坡作用于ACR时，有静差反电动势是一个线性

16、渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是Id略低于Idm。ui不是零5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析第第阶段：转速调理阶段：转速调理 起动过程的转速超调。 ASR退出饱和形状，Ui和Id很快下降。转速仍在上升。 直到t=t3时，Id= Idl ，转速才到达峰值。5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析 在t3t4时间内， Id Idl，转速由加速变为减速，直到稳定。 ASR和ACR都不饱和，ASR起主导作用，ACR为电流随动子系统，遭到

17、ASR输出的支配。5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析 结论起动过程中，ASR饱和后，系统成为恒流调理系统； ASR退饱和后，系统到达稳定运转时，表现为一转速无静差调速系统，ACR那么力图使电流尽快地跟随其给定值，电流内环为一个电流随动子系统。5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析 起动过程的三个特点起动过程的三个特点1饱和非线性控制 ASR：不饱和 饱和 不饱和转速开环，恒值电流调理单闭环系统双闭环同时调理，无静差调速系统，电流环表现为

18、电流随动系统系统完全处于不同的两种形状，对应两个不同构造的线性系统，采用分段线性化来分析整个系统。5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析2转速超调 由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程终了进入转速调理阶段后，必需使转速超调， ASR 的输入偏向电压 Un 为负值，才干使ASR退出饱和。 这样，采用PI调理器的双闭环调速系统的转速呼应必然有超调。5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析3准时间最优控制 时间最优控制：在设备物理上的允许条件下

19、，实现最短时间的控制。调速系统的起动：在允许过载才干限制下，恒流起动时间最短。因电流不能发生突变，为准时间最优控制5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析2动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析调速系统，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，闭环系统的抗扰才干与其作用点的位置有关。 5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析1抗负载扰动抗负载扰动 负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调理器ASR来产生抗负载扰动的作用。 在设计ASR时，要

20、求有较好的抗扰性能目的。 负载扰动负载扰动5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析2抗电网电压扰动抗电网电压扰动 电压扰动在电流环之内，在尚未影响到转速前就曾经为电流环所抑制。可以经过电流反响得到比较及时的调理，使抗扰性能得到改善。 在双闭环系统中，由电网电压动摇引起的转速变化会比单闭环系统小得多。 电网电压扰动电网电压扰动5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析对比分析对比分析 在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调理作用遭

21、到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。 双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压动摇可以经过电流反响得到比较及时的调理，不用等它影响到转速以后才干反响回来，抗扰性能大有改善。5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析1. 转速调理器的作用转速调理器是调速系统的主导调理器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 假设采用PI调理器，那么可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决议电动机允许的最大电流。总结：总结：5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态

22、过程分析数学模型与动态过程分析2. 电流调理器的作用 在转速外环的调理过程中，使电流紧紧跟随其给定电压即外环调理器的输出量变化。 在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。 对电网电压的动摇起及时抗扰的作用。 当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动维护作用。一旦缺点消逝，系统立刻自动恢复正常。5.2 转速、电流反响控制直流调速系统的转速、电流反响控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析数学模型与动态过程分析5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计控制系统的动态性能目的调理器的工程设计方法按工程设计方法设计双闭环直流调速系统的调理器

23、跟随性能目的：对给定输入信号抗扰性能目的：对扰动输入信号5.3.1 控制系统的动态性能目的5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计1、跟随性能目的、跟随性能目的 跟随过程：描画在R(t)作用下，C(t)的变化情况。 典型的跟随过程：输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程，称作阶跃呼应。 阶跃呼应跟随性能目的：上升时间、超调量和调理时间。 5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计%100maxCCC上升时间 峰值时间 调理时间 超调量 5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系

24、统的设计2抗扰性能目的抗扰性能目的 抗扰过程：当调速系统在稳定运转中，突加一个使输出量降低或上升的扰动量F之后，输出量由降低或上升到恢复到稳态值的过渡过程。 抗扰性能目的：动态降落和恢复时间。 5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计动态降落 恢复时间 %1001maxCC5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计5.3.2 调理器的工程设计方法调理器的工程设计方法 问题的提出问题的提出 必要性必要性 用经典的动态校正方法设计调理器需求设计者用经典的动态校正方法设计调理器需求设计者有扎实的实际根底和丰富的实际阅历，而

25、初学者有扎实的实际根底和丰富的实际阅历，而初学者那么不易掌握。那么不易掌握。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 能够性 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。 工程设计方法：工程设计方法： 在设计时，把实践系统校正、简化和近似在设计时，把实践系统校正、简化和近似成典型的低阶系统，对典型低阶系统进展深化研成典型的低阶系统，对典型低阶系统进展深化研讨。得到现成的公式和图表来进展参数计算，设讨。得到现成的公式和图表来进展参数计算，设计过程被大大简化。计过程被大大简化。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统

26、的设计 调理器工程设计方法所遵照的原那么是：调理器工程设计方法所遵照的原那么是： 1概念清楚、易懂；概念清楚、易懂； 2计算公式简明、好记；计算公式简明、好记； 3不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；的方向； 4能思索饱和非线性控制的情况，同样给出简单能思索饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；的计算公式； 5适用于各种可以简化成典型系统的反响控制系适用于各种可以简化成典型系统的反响控制系统。统。设计步骤设计步骤选择调理器构造选择调理器构造,使系统典型化并满足稳定和稳态精使系统典型化并满足稳定和稳态精度。度。设计调理器的参数，以满足动

27、态性能目的的要求。设计调理器的参数，以满足动态性能目的的要求。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计典型系统控制系统的开环传送函数都可以表示成 njjrmiiCsTssKsHsGsGsW110) 1() 1()()()()(5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 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。 自动控制实际曾经证明，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，多项选择用I型和II型系统。5.3 转速、电流反

28、响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计njjrmiiCsTssKsHsGsGsW110) 1() 1()()()()(伯德图与系统性能的关系： 中频段以-20dB/dec的斜率穿过0dB，且这一斜率覆盖足够的频带宽度，那么系统稳定性好。 截止频率剪切频率 c 越高，那么系统的快速性越好。 低频段的斜率陡，增益高，阐明系统的稳态精度高。 高频段衰减越快，即高频特性的负分贝值越高，阐明系统的抗高频噪声干扰的才干越强。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计1典型型系统 开环传送函数和构造图 式中， T系统的惯性时间常数； K系统的开环增

29、益。) 1()(TssKsW开环传函：构造图：5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 参数：参数： 开环传送函数包含两个参数：开环增益开环传送函数包含两个参数：开环增益 K 和时间和时间常数常数 T 。 T 在实践系统中往往是控制对象本身固有的，在实践系统中往往是控制对象本身固有的，K 是独一的待定参数。设计时，需求按照性能目的是独一的待定参数。设计时，需求按照性能目的选择参数选择参数 K 的大小。的大小。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计) 1()(TssKsW 开环对数频率特性5.3 转速、电流反响控制

30、直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计) 1()(TssKsW 性能特性性能特性 对数幅频特性的中频段以对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分的斜率穿越零分贝线，只需参数的选择能保证足够的中频带宽度，贝线，只需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：择参数满足： T1c1cT或于是，相角稳定裕度： 45arctg90arctg90180ccTT5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计典型型系统的对数幅频特性的幅值为 得到相角裕度为

31、：K值越大，系统呼应越快，截止频率c 也越大，相角稳定裕度 越小，快速性与稳定性之间存在矛盾。在选择参数 K时，须在快速性与稳定性之间取折衷。 ccKlg20) 1lg(lg20lg20cK当Tc1时 18090arctg90arctgccTT5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 图中绘出了在不同 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。 5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计1动态跟随性能目的典型型系统的闭环传送函数为 式中， 222221) 1(1) 1()(1)()

32、(nnnclssTKsTsTKTssKTssKsWsWsWTKnKT121无阻尼时的自然振荡角频率固有角频率； 阻尼比，或称衰减系数5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 1，系统动态呼应是欠阻尼的振荡特性， 1，系统动态呼应是过阻尼的单调特性； = 1，系统动态呼应是临界阻尼。 过阻尼动态呼应较慢，普通把系统设计成欠阻尼形状，即 0 1。二阶系统的性质5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 由于在典 型I型 系统中 KT 0.5。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呼应动态

33、目的计算公式 15 . 05.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 性能目的和系统参数之间的关系超调量上升时间峰值时间%100)1/(2e)arccos(122Ttr21npt5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计当调理时间在 、误差带为 的条件下可近似计算得截止频率按准确关系计算 相角稳定裕度 9 . 0%5Ttns632124214nc21242142arctg5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计参数关系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比超调量 上升

34、时间 tr峰值时间 tp 相角稳定裕度 截止频率c 1.0 0 % 76.30.243/T 0.8 1.5% 6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3 % 4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5 % 3.3T4.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3 % 2.4T3.2T 51.8 0.786/T典型型系统动态跟随性能目的和频域目的与参数的关系详细选择参数时，应根据系统工艺要求选择参数以满足性能目的。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计2动态抗扰性能目的 影响到参数K的选择的第二个要素是它和抗扰性能目的之间

35、的关系。 典型型系统曾经规定了系统的构造，分析它的抗扰性能目的的关键要素是扰动作用点。 某种定量的抗扰性能目的只适用于一种特定作用点。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计电流环的在电压扰动作用下的动态构造图电压扰动作用点前后各有一个一阶惯性环节， 采用PI调理器，那么有电流环动态构造图为：)(sWACR双闭环控制直流调速系统电流环内的抗电压扰动性能分析5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计RKTTTTls221电流环动态构造R=0，输出量为C5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调

36、速系统的设计1)() 1() 1() 1() 1()(2221111sTKsWsTssKsTKssKsWsp系统开环传函：) 1() 1(1) 1() 1()()()(121221121TssKsTsKKsTKsTssKsWsWsW1/psKK K2T5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计在阶跃扰动下， ，得到在选定KT=0.5时， 经过拉普拉斯反变换，可得扰动输出动态呼应表达式：sFsF)()(1() 1(11)()(1)()(2222122212KsTssTTsFKTsKKssTFKsWsWsWsFsC) 122)(1() 1(2)(2222Tss

37、TsTTsTFKsC5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计2sin2cos)1 ()1(1222)(2/2/222TtmeTtememmmmFKtCTtTtTt121TTm式中 为控制对象中小时间常数与大时间常数的比值。取不同m值，可计算出相应的动态降落和恢复时间221TTTTm51101201301%100maxbCC27.8%12.6%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目的与参数的关系

38、5 . 0KT2bCFK结论：当控制对象的两个时间常数相距较大时，动结论：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。态降落减小，但恢复时间却拖得较长。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计2.典型型系统 开环传送函数和构造图 典型II型系统的时间常数T也是控制对象固有的，而待定的参数有两个：K 和 。 )1()1()(2TsssKsW5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 开环对数频率特性 ) 1() 1()(2TsssKsW5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反

39、响控制直流调速系统的设计 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，参数选择应满足：T11cT或 且 比 T 大得越多，系统的稳定裕度越大。系统相角稳定裕度为：比T大得越多，系统的稳定裕度就越大5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计Tccarctanarctan中频宽：表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度选择频域参数h，就相当于选择参数12Th5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计改动K相当于使开环对数幅频特性上下平移，相当于改动特性的剪切频率。在设计调理器时，选择频域参数h和

40、c，就相当于选择参数和K5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计11lg20)lg(lg20) 1lg(lg40lg20cccKcK1 采用“振荡目的法中的闭环幅频特性峰值最小准那么，可以找到和两个参数之间的一种最正确配合。 计算典型型系统参数公式：122hhc211hchT1121)(12122212111hhThKcccchhh21212215.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计1动态跟随性能目的 按Mr最小准那么选择调理器参数，典型型系统的开环传送函数为 系统的闭环传送函数 ) 1(1)21() 1() 1

41、()(2222TsshTsThhTsssKsW112121) 1(21) 1() 1(21)(1)()(22233222222hTssThhsThhhTshTsThhTsshTsThhsWsWsWcl5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 当R(t)为单位阶跃函数时， ，那么ssR1)( 112121)(222332hTssThhsThhshTssC5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 h 3 4 56 7 8 9 10 tr / Tts / T k 52.6% 2.412.15 3 43.6% 2.65 1

42、1.65 237.6% 2.85 9.55 2 33.2% 3.0 10.45 129.8% 3.1 11.30 127.2% 3.2 12.25 125.0% 3.3 13.25 1 23.3% 3.35 14.20 1典型型系统阶跃输入跟随性能目的(按Mrmin准那么确定参数关系)以h=5的动态跟随性能比较适中。 5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计2动态抗扰性能目的转速环在负载扰动作用下的动态构造框图是电流环的闭环传送函数采用PI调理器 )(sWcli)(sWASR5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计

43、典型型系统在一种扰动作用下的动态构造图作为一个扰动作用点之前的控制对象， 1TsKd5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计取hTKKKKKKdp12111,/) 1() 1()(11TsshTsKsWsKsW22)(系统开环传函：) 1() 1() 1() 1()()()(22121TsshTsKsKTsshTsKsWsWsW5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 在阶跃扰动下， ,按Mrmin准那么确定参数关系11212) 1(12)(222332222hTssThhsThhTsTFKhhsCsFsF/)(取

44、2T时间内的累加值作为基准值：Cb = 2FK2T 可计算出对应不同h值的动态抗扰过程曲线C(t)，从而求出抗扰性能目的与h值间的关系5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计控制构造和扰动作用点如图3-15所示，参数关系符合 准那么 h 3 4 56 7 8 9 10 Cmax/Cbtm / T tv / T 72.2% 2.4513.60 77.5% 2.70 10.4581.2% 2.85 8.80 84.0% 3.00 12.9586.3% 3.15 16.8588.1% 3.25 19.8089.6% 3.30 22.80 90.8% 3.40

45、25.85minrM典型型系统动态抗扰性能目的与参数的关系5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 可见，h值越小， 也越小，恢复时间和动态降落的时间都短，因此抗扰性能越好。而跟随性目的中 但是，当hTi，选择i= Tl ，用调理器零点消去控制对象中大的时间常数极点：) 1() 1(/)(sTsKsTsRKKsWiIiisiopi电流环开环传送函数：) 1)(1(/) 1()(sTsTRKssKsWilsiiiopi5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计校正成典型I型系统的电流环5.3 转速、电流反响控制直流调速

46、系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计普通情况下，希望电流超调量i 5%，经过查表，选 =0.707，KI Ti =0.5那么：iciITK21)(22ilsisliTTKRTKRTK 电流调理器的参数计算电流调理器的参数计算电流调理器的参数有：Ki 和 i， 其中 i 为控制系统所固有，剩下的只需比例系数 Ki， 可根据所需求的动态性能目的选取。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计假照实践系统要求的跟随性能目的不同，电流调理器参数应作相应的改动。此外，假设对电流环的抗扰性能也有详细的要求，还得再校验一下抗扰性能目的能否满足。5.3 转速、电

47、流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 模拟控制电流调理器电路 U*i 电流给定电压； Id 电流负反响电压； Uc 电力电子变换器的控制电压。含给定滤波与反响滤波的PI型电流调理器0RRKiiiiiCRoioiCRT041 电流调理器的实现电流调理器的实现5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 电流环的闭环传送函数： 111)1(1)1(/)()()(2*sKsKTsTsKsTsKsUsIsWIIiiIiIidcli电流环在整个系统中的作用电流环在整个系统中的作用5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制

48、直流调速系统的设计采用高阶系统的降阶近似处置方法，忽略高次项，可降阶近似为：降价近似条件为 式中，cn转速环开环频率特性的截止频率。111)(sKsWIcliiIcnTK315.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计电流环在转速环中等效为 结论：改造了控制对象加快了电流的跟随作用。111)()()(*sKsWsUsIIcliid双惯性环节较小时间常数的一阶惯性环节5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计例题例题某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流安装采用三相桥式电路，根本数据如下：直流电动机：220V，A，1460

49、r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5；晶闸管安装放大系数：Ks=40；电枢回路总电阻：R=0.5 ；时间常数：Tl=0.03s， Tm=0.18s；电流反响系数：=0.05V/A10V/1.5IN。设计要求 设计电流调理器，要求电流超调量5%i5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计解：解： 1确定时间常数整流安装滞后时间常数：Ts=0.0017s。电流滤波时间常数：Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处置，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电

50、流反响控制直流调速系统的设计2选择电流调理器构造要求i5%，并保证稳态电流无差，按典型I型系统设计电流调理器。用PI型电流调理器。检查对电源电压的抗扰性能： 查表：典型I型系统动态抗扰性能，各项目的都是可以接受的。11. 80037. 003. 0ilTT5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计3计算电流调理器参数电流调理器超前时间常数：i=Tl=0.03s。电流环开环增益：要求取KiTi=0.5 ACR的比例系数为1 .1350037. 05 . 05 . 0iITK013. 105. 0405 . 003. 01 .135siIiKRKK5%i5.3

51、 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计4校验近似条件电流环截止频率ci=KI=.1s-11校验晶闸管整流安装传送函数的近似条件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置条件 1 .1960017. 03131ci1sTs 82.4003. 018. 01313ci1sTTlm 8 .180002. 00017. 0131131ci1sTTois5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计5计算调理器电阻和电容取 ，那么有： kR400kRKRii52.4040013. 10FFRCiii75

52、. 01075. 0104003. 063FFRTCioi2 . 0102 . 01040002. 0446300取40k5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计取0.75F取0.2F2转速调理器的设计转速调理器的设计 转速调理器的设计和电流调理器的设计过程和思绪完全一样。由于典型型系统的抗扰性能比较好，所以转速调理器的设计要按照典型型系统进展设计。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速环的简化及近似处置：转速环的简化及近似处置：电流环的闭环传送函数作为转速环上的一个传送函数5.3 转速、电流反响控制直流调速

53、系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计等效成单位负反响系统和小惯性的近似处置把转速给定滤波和反响滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/，把时间常数为 1 / KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并onInTKT15.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 在负载扰动点之前必需含有一个积分环节，才干实现系统无静差。 转速开环传送函数应有两个积分环节，按典型型系统设计。 ASR采用PI调理器ssKsWnnnASR) 1()(Kn 转速调理器的比例系数； n 转速调理器的超前时间常数。 5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流

54、反响控制直流调速系统的设计调速系统的开环传送函数为令转速环开环增益KN为 那么 ) 1() 1() 1() 1()(2sTsTCsRKsTsTCRssKsWnmennnnmennnnmennNTCRKK) 1() 1()(2sTssKsWnnNn5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计校正后成为典型校正后成为典型型系统：型系统：nnhT2221nNThhKnmenRThTChK2) 1(无特殊要求时，普通以选择h=5 为好。nNK、需求确定两个参数：5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计模拟式转速调理器电路U*n

55、 转速给定电压；-n转速负反响电压；U*i 电流调理器的给定电压。含给定滤波与反响滤波的PI型转速调理器0RRKnnnnnCRononCRT0415.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计例题例题3-2 在例题3-1中，除已给数据外，知：转速反响系数=0.007Vmin/r，要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量n10%。试按工程设计方法设计转速调理器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计解解 1 确定时间常数1电流环等效时间常数。 由例题3-1，已取KITi=0.5

56、，那么 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。3转速环小时间常数。按小时间常数近似处置，取sTKiI0074. 00037. 0221sTKTonIn0174. 001. 00074. 015.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计2 选择转速调理器构造选用PI调理器3 计算转速调理器参数取h=5，那么ASR的超前时间常数为转速环开环增益： ASR的比例系数为ssKsWnnnASR) 1()(shTnn087. 00174. 05222224 .3960174. 052621sThhKnN7 .110174. 05 . 00

57、07. 05218. 0132. 005. 062) 1(nmenRThTChK5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计4 检验近似条件转速环截止频率为1忽略反电动势对转速环的影响近似处置条件： 不满足。1电流环传送函数简化条件 2转速环小时间常数近似处置条件 115 .34sKKnNNcncniIsTK17 .630037. 01 .1353131cnonIsTK17 .3801. 01 .13531315.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 82.4003. 018. 01313cn1sTTlm5 计算调理器

58、电阻和电容取 kR400kRKRnn468407 .110FFRCnnn185. 010185. 010470087. 063FFRTConon1101104001. 044630取470k取0.2 F 取1F5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计6 校核转速超调量当h=5时，由查表得，n%=37.6%，不能满足设计要求。实践上，由于表格数据是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，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。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计3转速调理器退饱和时转

59、速超调量的计算当转速超越给定值之后，转速调理器ASR由饱和限幅形状进入线性调理形状，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 。ASR开场退饱和时，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。这不是按线性系统规律的超调，而是阅历了饱和非线性区域之后的超调，称作“退饱和超调。 退饱和超调5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计突减负载的速升过程与退饱和超调过程是完全一样 退饱和超调量的计算：5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计退饱和超调量计算典型型抗扰动态降落目的计算转速环动态构造图：5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计 与讨论典型II型系统抗扰过程所用的图完全一样。可以利用典型II型系统抗扰性能目的来计算退饱和超调量。5.3 转速、电流反响控制直流调速系统的设计转速、电流反响控制直流调速系统的设计控制构造和扰动作用点如图3-15所示，参数关系