交直流调速控制系统 第3章

1、转速、电流双闭环直流调速系统及其工程设计第第 3 章章内容提要 转速、电流双闭环控制的直流调速系统转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广是应用最广, ,性能较好的直流调速系统。性能较好的直流调速系统。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：制系统的重要基础。我们将重点学习：n转速、电流双闭环直流调速系统及其静转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性；特性；n双闭环直流调速系统的数学模型和动态双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析；性能分析；n调节器的

2、工程设计方法；调节器的工程设计方法；n按工程设计方法设计双闭环系统的调节按工程设计方法设计双闭环系统的调节器器内容提要3.1 转速、电流双闭环直流调速系统 及其静特性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调调节器的单闭环直流调速系统可以在保证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，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速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

3、要。1. 主要原因主要原因 是因为在单闭环系统中不能随心所欲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。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它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并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。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3-1 直流调速系统起动过程

4、的电流和转速波形2. 理想的起动过程IdLntIdOIdmIdcr 性能比较性能比较n带电流截止负反馈的带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统起动过程如图起动过程如图 所示，所示，起动电流达到最大值起动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反后，受电流负反馈的作用降低下来，馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延之减小，加速过程延长。长。 IdLntIdOIdmIdcr图3-1 a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统性能比较（续）性能比较（续）n理想起动过程波形理想起动过程波形如图，这时，起动如图，这时，起动电流呈方形波，转电流呈方形波，转速按线性

5、增长。这速按线性增长。这是在最大电流（转是在最大电流（转矩）受限制时调速矩）受限制时调速系统所能获得的最系统所能获得的最快的起动过程。快的起动过程。IdLntIdOIdm图3-1 b) 理想的快速起动过程3. 解决思路解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动，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关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。的恒流过程。 按照反馈控制规律，按照反馈控制规律，采用某个物理量采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，的负反馈就可以保持该量基本不变，那那么，采用电流负反馈应该能够得到近似么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过

6、程。的恒流过程。 现在的问题是，我们希望能实现控制：现在的问题是，我们希望能实现控制：n起动过程，只有电流负反馈，没有转速起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；负反馈；n稳态时，只有转速负反馈，没有电流负稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。反馈。 怎样才能做到这种既存在转速和电流两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种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？段里起作用呢？3.1.1 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，起作用，可在系统中设置两个调节

7、器，分别调节转速和电流，即分别引入转速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。负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌二者之间实行嵌套（或称串级）联接套（或称串级）联接如下图所示。如下图所示。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+图3-2 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去

8、控制电力电子变换器UPE。从闭环结。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。速环在外边，称作外环。 这就形成了这就形成了转速、电流双闭环调速系转速、电流双闭环调速系统。统。2. 系统电路结构系统电路结构 为了获得良好的静、动态性能，转速为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用和电流两个调节器一般都采用 P I 调节调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的器，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，它们调节器输入输出电压的实际极性，它们

9、是按照电力电子变换器的控制电压是按照电力电子变换器的控制电压Uc为为正电压的情况标出的，并考虑到运算放正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。大器的倒相作用。系统原理图系统原理图图3-3 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图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。限幅作用的。n转速调节器转速调节器ASR的输出限幅电压的输出限幅电压U*im决决定了电流环给定电压的最大值；定了电流环给定电压的最大值；n电流调节

10、器电流调节器ACR的输出限幅电压的输出限幅电压Ucm限制限制了电力电子变换器的最大输出电压了电力电子变换器的最大输出电压Udm。3. 限幅电路限幅电路二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD2限幅电路（续）限幅电路（续） 稳压管钳位的内限幅电路R1C1VS1VS2R0Rlim3.1.2 稳态结构图和静特性 为了分析双闭环调速系统的静特性，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。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来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器

11、就可以了。分析静特性的关键调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。调节器的稳态特征。1. 系统稳态结构图图3-4 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. 限幅作用限幅作用 存在两种状况：存在两种状况：n饱和饱和输出达到限幅值输出达到限幅值 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

12、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，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不饱和不饱和输出未达到限幅值输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压在作用使输入偏差电压在稳态时总是零。输出稳态时总是零。输出不再增加，维持不饱和值。不再增加，维持不饱和值。3. 系统静特性系统静特性实际上，在正常运实际上，在正常运行时，电流调节器行时，电流调节器是不会达到饱和状是不会达到饱和状态的。因此，对于态的。因此，对于静特性来说，只有静特性来说，只有转速调节器饱和与转速调节器饱和与不饱和两种情况。不饱和两种情况。 双闭环直流

13、调速双闭环直流调速系统的静特性如图系统的静特性如图所示，所示，图3-5 双闭环直流调速系统的静特性 n0IdIdmIdNOnABC（1）转速调节器不饱和）转速调节器不饱和di*i0n*nIUUnnUU式中， 转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得 0*nnUn从而得到上图静特性的CA段。 (3-1) n 静特性的水平特性静特性的水平特性 与此同时，由于与此同时，由于ASR不饱和，不饱和，U*i U*im，从上述第二个关系式可知从上述第二个关系式可知: Id Idm。 这就是说，这就是说， CA段静特性从理想空载段静特性从理想空载状态的状态的 Id = 0 一直延续到一直延续到 Id = Idm

14、 ，而，而 Idm一般都是大于额定电流一般都是大于额定电流 IdN 的。这就的。这就是静特性的运行段，它是是静特性的运行段，它是水平的特性水平的特性。 （2） 转速调节器饱和转速调节器饱和 这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 dm*imdIUI式中，最大电流 Idm 是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。(3-2) n 静特性的垂直特性静特性的垂直特性 式（式（3-2）所描述的静特性是上图中的）所描述的静特性是上图中的AB段，它是段，它是垂直的特性垂直的

15、特性。 这样的下垂特性只适合于这样的下垂特性只适合于 n n0 ，则，则Un U*n ，ASR将退出饱和状态。将退出饱和状态。 4. 两个调节器的作用两个调节器的作用n双闭环调速系统的静特性在负载电流小双闭环调速系统的静特性在负载电流小于于Idm时表现为转速无静差，这时，转速时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。负反馈起主要调节作用。n当负载电流达到当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。保护。 这就是采用了两个PI调节器分

16、别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如上图中虚线所示。 3.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 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 0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(3-3) (3-5) (3-4) 上述关系表明，在稳态工作点上， 转速 n 是由给定电压U*n决定的； ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL决定的

17、； 控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。 这些关系反映了这些关系反映了PI调节器不同于调节器不同于P调调节器的特点。比例环节的输出量总是正节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而比于其输入量，而PI调节器则不然，其调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要后面环节的需要决定的。后面需要PI调调节器提供多么大的输出值，它就能提供节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。多少，直到饱和为止。n 反馈系数计算反馈系数计算 鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态

18、参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 转速反馈系数 电流反馈系数 max*nmnUdm*imIU(3-6) (3-7) 两个给定电压的最大值两个给定电压的最大值U*nm和和U*im由设由设计者选定，设计原则如下：计者选定，设计原则如下：nU*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；源的限制；nU*im 为为ASR的输出限幅值。的输出限幅值。返回目录返回目录3.2 双闭环直流调速系统的数学模型 和动态性能分析本节提要本节提要n双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动

19、态数学模型n起动过程分析起动过程分析n动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析n转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用3.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型 在单闭环直流调速系统动态数学在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。统的动态结构图，如下图所示。v单闭环有静差调速系统的动态结构图图2.2.13 单闭环调速系统的动态结构图n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+

20、1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)1. 系统动态结构图3-6 双闭环直流调速系统的动态结构图 U*n Uc-IdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E2. 数学模型数学模型 图中图中WASR(s)和和WACR(s)分别表示转速调节分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调调节器，则有（节器，则有（P23） 为为PI调节器的超前时间常数。调节器的超前时间常数。ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(3.2.2 起动过程分析 前已指出，设置双闭环

21、控制的一个重前已指出，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，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。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，转速和电流的动态由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图。过程示于下图。图3-7 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 1. 起动过程起动过程 由于在起动过程中转速调节器由于在起动过程

22、中转速调节器ASR经经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。三个阶段。 第第I阶段电流上升的阶段（阶段电流上升的阶段（0 t1） n突加给定电压突加给定电压 U*n 后，后，Id 上升，上升，当当 Id 小于负载电流小于负载电流 IdL 时，电机时，电机还不能转动。还不能转动。n当当 Id IdL 后，电机开始起动，后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器快增长，因而转速调节器ASR的的输入偏差电压的数值仍较大，其输入偏差电压的

23、数值仍较大，其输出电压保持限幅值输出电压保持限幅值 U*im，强，强迫电流迫电流 Id 迅速上升。直到，迅速上升。直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流调节器很快电流调节器很快就压制就压制 Id 了的增长，标志着这了的增长，标志着这一阶段的结束。一阶段的结束。 在这一阶段中，在这一阶段中，ASR很快进入很快进入并保持饱和状态，而并保持饱和状态，而ACR一般一般不饱和。不饱和。第第 II 阶段恒流升速阶段（阶段恒流升速阶段（t1 t2） 在这个阶段中，在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电压速环相当于开环，系统成为在恒值电压U*im 给

24、定下的电流调节系统，基本上保给定下的电流调节系统，基本上保持电流持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势的反电动势E 也按线性增长，对电流调也按线性增长，对电流调节系统来说，节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，量，为了克服它的扰动， Ud0和和 Uc 也必也必须基本上按线性增长，才能保持须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。恒定。 当当ACR采用采用PI调节器时，要使其输出量调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持按线性增长，其输入偏

25、差电压必须维持一定的恒值，也就是说，一定的恒值，也就是说， Id 应略低于应略低于 Idm 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，在起为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中动过程中 ACR是不应饱和的，电力电是不应饱和的，电力电子装置子装置 UPE 的最大输出电压也须留有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。余地，这些都是设计时必须注意的。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，转速调节当转速上升到给定值时，转速调节器器ASR的输入偏差减少到零，但其的输入偏差减

26、少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅输出却由于积分作用还维持在限幅值值U*im ，所以电机仍在加速，使转，所以电机仍在加速，使转速超调。速超调。n转速超调后，转速超调后，ASR输入偏差电压变输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，负，使它开始退出饱和状态， U*i 和和 Id 很快下降。但是，只要很快下降。但是，只要 Id 仍大于仍大于负载电流负载电流 IdL ，转速就继续上升。直，转速就继续上升。直到到Id = IdL时，转矩时，转矩Te= TL ，则，则dn/dt = 0，转速，转速n才到达峰值（才到达峰值（t = t3时）。时）。此后，电动机开始在负载的阻力下此后，电动机开始在负载

27、的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内减速，与此相应，在一小段时间内（ t3 t4 ），）， Id IdL ，直到稳定，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。会有一些振荡过程。在这最后的转在这最后的转速调节阶段内，速调节阶段内，ASR和和ACR都不饱都不饱和，和，ASR起主导的转速调节作用，起主导的转速调节作用，而而ACR则力图使则力图使 Id 尽快地跟随其给尽快地跟随其给定值定值 U*i ，或者说，电流内环是一个，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。电流随动子系统。 IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 t

28、tIdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 阶段（续）阶段（续）第第 阶段（续）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 阶段（续）阶段（续）n此后，电动机开此后，电动机开始在负载的阻力始在负载的阻力下减速，与此相下减速，与此相应，在一小段时应，在一小段时间内（间内（ t3 t4 ），）， Id IdL ，直到稳，直到稳定，如果调节器定，如果调节器参数整定得不够参数整

29、定得不够好，也会有一些好，也会有一些振荡过程。振荡过程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 阶段（续）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起主导的转速调节起主导的转速调节作用，而作用，而ACR则力图使则力图使 Id 尽快地跟随其尽快地跟随其给定值给定值 U*i ，或者说，电流内环是一个，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。电流随动子系统。 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：过程有以下三个特点： （1）

30、 饱和非线性控制； （2） 转速超调； （3） 准时间最优控制。 （1） 饱和非线性控制饱和非线性控制 根据根据ASR的饱和与不饱和，整个系统的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：处于完全不同的两种状态：n当当ASR饱和时，转速环开环，系统表饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；现为恒值电流调节的单闭环系统；n当当ASR不饱和时，转速环闭环，整个不饱和时，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内环表现为电流随动系统。（2）转速超调）转速超调 由于由于ASR采用了饱和非线性控制，起动采用了饱和非线性控制，

31、起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，速超调， ASR 的输入偏差电压的输入偏差电压 Un 为负为负值，才能使值，才能使ASR退出饱和。退出饱和。 这样，采用这样，采用PI调节器的双闭环调速系统调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调的转速响应必然有超调。（3）准时间最优控制）准时间最优控制 起动过程中的主要阶段是第起动过程中的主要阶段是第II阶段的阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。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，使起动便充分发挥电动机的过载能

32、力，使起动过程尽可能最快。过程尽可能最快。 这阶段属于有限制条件的最短时间控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制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。个准时间最优控制。 最后，应该指出，对于不可逆的电力最后，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。阻能耗制动或电磁抱闸。 3.

33、2.3 动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有比一般来说，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。负载扰动和抗电网电压扰动的性能。 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1. 抗负载扰动抗负载扰动IdL直流调速系统的动态抗负载扰作用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

34、转速调节器此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。时，应要求有较好的抗扰性能指标。 抗负载扰动（续抗负载扰动（续） 由动态结构图中可以看出，负载扰由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器速调节器ASR来产生抗负载扰动的作来产生抗负载扰动的作用。在设计用。在设计ASR时，应要求有较好的时，应要求有较好的抗扰性能指标。抗扰性能指标。 图3-8 直流调速系统的动态抗扰作用a)单闭环系统2. 抗电网电压扰动UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/

35、R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E抗电网电压扰动（续）抗电网电压扰动（续）-IdLUdb)双闭环系统Ud电网电压波动在整流电压上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E3. 对比分析对比分析n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，调节作用受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，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。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。n双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到

36、比双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。善。4. 分析结果分析结果 因此，在双闭环系统中，由电网因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。单闭环系统小得多。3.2.4 转速和电流两个调节器的作用 综上所述，转速调节器和电流调综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下：用可以分别归纳如下： 1. 转速调节器的作用转

37、速调节器的作用 （1）转速调节器是调速系统的主导调）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采变化，稳态时可减小转速误差，如果采用用PI调节器，则可实现无静差。调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电机允许的最大）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流。2. 电流调节器的作用电流调节器的作用（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其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

38、（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）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大枢电流的最大值，起快速的自动保护作值，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正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的是十分重要的。返回目录返回目录3.3 调节器的工程设计方法3.3.0 问题的提出n必要性：必要性： 用用经典的动态校正方法设计调节器经典的动态校正方法设计调节器须同须同时解决时解决稳、准、快、抗干扰稳、准、快、抗干扰等各方面相互等各方面相互有矛盾的

39、静、动态性能要求，需要设计者有矛盾的静、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初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。的设计方法。问题的提出（续）问题的提出（续）n 可能性：可能性： 大多数现代的电力拖动自动控制系统均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

40、样，就表对照，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。有了建立工程设计方法的可能性。 n设计方法的原则设计方法的原则 ：（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）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；调整的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；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）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。制系统。3.3.1 工程设计方法的基本思路 1.选择调节器结构选择调节

41、器结构,使系统典型化并满足稳定使系统典型化并满足稳定和稳态精度和稳态精度。2.设计调节器的参数，以满足动态性能指标设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求的要求。3.3.2 典型系统 一般来说，许多控制系统的开环传递函数一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示都可表示为为 (2-8)n1iirm1jj) 1() 1()(sTssKsW)(sWR(s)C(s) 上式中，分母中的上式中，分母中的 sr 项表示该系统在原点处有项表示该系统在原点处有 r 重极点，或者说，系统含有重极点，或者说，系统含有 r 个积分环节。根个积分环节。根据据 r=0，1，2，等不同数值，分别称作等不同数值，分别称

42、作0型、型、I型、型、型、型、系统。系统。 自动控制理论已经证明，自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，型系统稳态精度低，而而型和型和型以上的系统很难稳定。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，因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多多选用选用I型和型和II型系统型系统。1. 典型典型I型系统型系统n结构图与传递函数结构图与传递函数 ) 1()(TssKsW)(sR) 1(TssK)(sC式中 T 系统的惯性时间常数； K 系统的开环增益。（3-9）O)()(1lg20lg20lg2011lg201lg20lg20)(2dBTKTjjKL开环对数开环对数频率频率特性

43、特性)(90)(Tarctgn性能特性性能特性 典型的典型的I型系统结构简单，其对数幅频特性的型系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以中频段以 20 dB/dec 的斜率穿越的斜率穿越 0dB 线，只要线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一参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，即定是稳定的，且有足够的稳定裕量，即选择参数选择参数满足满足 T1c1cT或于是，相角稳定裕度 45arctg90arctg90180ccTT2. 典型典型型系统型系统n结构图和传递函数结构图和传递函数 ) 1() 1()(2TsssKsW)(sR)(sC) 1() 1(2

44、TsssK（3-10）n开环对数开环对数频率频率特性特性On 性能特性性能特性 典型的典型的II型系统也是以型系统也是以 20dB/dec 的斜率穿越的斜率穿越零分贝线。由于分母中零分贝线。由于分母中 s2 项对应的相频特性是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，后面还有一个惯性环节，在分子添上一个比例微分环节（个比例微分环节（ s +1），是为了把相频特性抬），是为了把相频特性抬到到 180线以上，以保证系统稳定，即线以上，以保证系统稳定，即应应选择选择参数参数满足满足 T11cT或 且 比 T 大得越多，系统的稳定裕度越大。3.3.3 控制系统的动态性能指标 自动

45、控制系统的动态性能指标包括：自动控制系统的动态性能指标包括： 跟随性能指标跟随性能指标 抗扰性能指标抗扰性能指标 系统典型的阶跃响应曲线系统典型的阶跃响应曲线5%（或2%） )(tCCCCmaxmaxCC0 tOtrts图3-12 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，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来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有标有ntr 上升时间上升时间n 超调量超调量nts 调节时间调节时间 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标突加扰

46、动的动态过程和抗扰性能指标图3-13 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标maxC1C2C5%（或2%） CNNO ttmtvCb2. 抗扰性能指标抗扰性能指标 抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动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的能力。常用的抗扰性能指标有n Cmax 动态降落动态降落ntv 恢复时间恢复时间 一般来说，调速系统的动态指标以抗扰一般来说，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性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。随性能为主。3.3.4 典型I型系统性能指标和参数的关系 典型典型I型系统的开环传递函数如式（型系统的开环传递

47、函数如式（3-9）所示，它包含两个参数：开环增益所示，它包含两个参数：开环增益 K 和时和时间常数间常数 T 。其中，时间常数。其中，时间常数 T 在实际系统在实际系统中往往是控制对象本身固有的，能够由调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节器改变的只有开环增益 K ，也就是说，也就是说，K 是唯一的待定参数。设计时，需要按照是唯一的待定参数。设计时，需要按照性能指标选择参数性能指标选择参数 K 的大小。的大小。 K 与开环对数频率特性的关系与开环对数频率特性的关系 图图3-13绘出了在不同绘出了在不同 K 值时典型值时典型 I 型系统的型系统的开环对数频率特性，箭头表示

48、开环对数频率特性，箭头表示K值增大时特性值增大时特性变化的方向。变化的方向。 K 与截止频率与截止频率 c 的关系的关系 当当 c 1 / T时，特性以时，特性以20dB/dec斜率穿斜率穿越零分贝线，系统有较好的稳定性。由图越零分贝线，系统有较好的稳定性。由图中的特性可知中的特性可知cclg20) 1lg(lg20lg20K所以 K = c （当 c 时） T1(2-12) 式（式（3-12）表明）表明，K 值越大，截止频率值越大，截止频率 c 也越大，系统响应越快，但相角稳定裕也越大，系统响应越快，但相角稳定裕度度 = 90 arctg cT 越小，这也说明快速越小，这也说明快速性与稳定性

49、之间的矛盾。在具体选择参数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。时，须在二者之间取折衷。 下面将用数字定量地表示下面将用数字定量地表示 K 值与各项性值与各项性能指标之间的关系。能指标之间的关系。 表表3-1 I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差型系统在不同输入信号作用下的稳态误差输入信号输入信号阶跃输入阶跃输入斜坡输入斜坡输入加速度输入加速度输入稳态误差稳态误差 0v0 / K 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatR1. 典型典型I型系统跟随性能指标与参数的关系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系统的稳态跟随性能指标

50、可用不同标可用不同输入信号作用下的稳态误差来表示输入信号作用下的稳态误差来表示。 由表可见：由表可见：n在阶跃输入下的在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无差的；型系统稳态时是无差的；n但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与 K 值成反比；值成反比；n在加速度输入下稳态误差在加速度输入下稳态误差为为 。 因此，因此，I型系统不能用于具有加速度输入型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。的随动系统。（2）动态跟随性能指标）动态跟随性能指标n闭环传递函数：典型闭环传递函数：典型 I 型系统是一种二阶型系统是一种二阶系统，其闭环传递函数的一般形式为系统，其闭环传递函数

51、的一般形式为 2nn22ncl2)()()(sssRsCsW（3-13） 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。nK、T与标准形式中的参数的换算关系与标准形式中的参数的换算关系 TKnKT121T21n(3-15) (3-16) (3-17) 且有 n二阶系统的性质二阶系统的性质l当当 1 时，系统动态响应是欠阻尼的振时，系统动态响应是欠阻尼的振荡特性，荡特性，l当当 1 时，系统动态响应是过阻尼的单时，系统动态响应是过阻尼的单调特性；调特性；l当当 = 1 时，系统动态响应是临界阻尼。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，所以一由于

52、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，即般常把系统设计成欠阻尼状态，即 0 1 由于在典由于在典 I 系统中系统中 KT 0.5。因此在典型。因此在典型 I 型系统中应取型系统中应取 下面列出欠阻尼二阶系统在零初始条件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的阶跃响应动态指标计算公式 15 . 0(3-18) n性能指标和系统参数之间的关系性能指标和系统参数之间的关系 %100e%)1/(2)arccos(122rTt(3-19) (3-20) (3-21) 2np1t超调量 上升时间 峰值时间 表3-2 典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关

53、系 （ 与KT的关系服从于式3-16） 具体选择参数时，应根据系统工艺要求具体选择参数时，应根据系统工艺要求选择参选择参数以满足性能指标。数以满足性能指标。参数关系参数关系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比阻尼比 超调量超调量 上升时间上升时间 tr峰值时间峰值时间 tp 相角稳定裕度相角稳定裕度 截止频率截止频率 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 % 2.4T3.2

54、T 51.8 0.786/T2. 典型典型I型系统抗扰性能指标与参数的关系型系统抗扰性能指标与参数的关系 图图3-15a是在扰动是在扰动 F 作用下的典型作用下的典型 I 型系型系统，统，其中，其中，W1(s)是扰动作用点前面部分的是扰动作用点前面部分的传递函数，后面部分是传递函数，后面部分是W2(s) ，于是，于是 只讨论抗扰性能时，令输入作用只讨论抗扰性能时，令输入作用 R = 0，得到图得到图2-15b所示的等效结构图。所示的等效结构图。 ) 1()()()(21TssKsWsWsW(3-25) 图图3-15 扰动作用下的典型扰动作用下的典型I型系统型系统)a)b0)(sR)(2sW)(

55、1sW)(sF)()(sCsC)(sN)(11sW)(2sW)(sC典型I型系统 由于抗扰性能与由于抗扰性能与 W1(s) 有关，因此抗扰有关，因此抗扰性能指标也不定，随着扰动点的变化而变性能指标也不定，随着扰动点的变化而变化。在此，我们针对常用的调速系统，分化。在此，我们针对常用的调速系统，分析图析图3-16的一种情况，其他情况可仿此处的一种情况，其他情况可仿此处理。经过一系列计算可得到表理。经过一系列计算可得到表 3-3 所示的所示的数据。数据。221TTTTm51101201301%100maxbCC55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.0tv / T

56、14.721.728.730.4表表3-3 典型典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系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3-15所示，已选定的参数关系KT=0.5) n 分析结果：分析结果： 由表由表3-3中的数据可以看出，当控制对象中的数据可以看出，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小，但恢复时间却拖得较长。3.3.5 典型II型系统性能指标和参数的关系 n可选参数：可选参数： 在典型在典型II型系统的开环传递函型系统的开环传递函数式数式(3-10)中，与典型中，与典型 I 型系统相仿，时间型

57、系统相仿，时间常数常数T也是控制对象固有的。所不同的是，也是控制对象固有的。所不同的是，待定的参数有两个：待定的参数有两个： K 和和 ，这就增加了，这就增加了选择参数工作的复杂性。选择参数工作的复杂性。 为了分析方便起见，引入一个新的变量为了分析方便起见，引入一个新的变量 (图图3-16)，令，令 12Th(3-32) 典型典型型系统的开环对数幅频特性型系统的开环对数幅频特性dBL/0 11T12hKlg20-20 40 -40 / s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec图3-16 典型型系统的开环对数幅频特性和中频宽中频宽度n中频宽中频宽h 由图可见，由图可见，h 是

58、斜率为是斜率为20dB/dec的中的中频段的宽度（对数坐标），称作频段的宽度（对数坐标），称作“中频中频宽宽”。由于中频段的状况对控制系统的。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，因此动态品质起着决定性的作用，因此 h 值值是一个很关键的参数。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值，就可以代入这两个公式计算K 和和 ，并由此计算调节器的参数。并由此计算调节器的参数。 表表35 II型系统在不同输入信号作用下的稳态误差型系统在不同输入信号作用下的稳态误差输入信号输入信号阶跃输入阶跃输入斜坡输入斜坡输入

59、加速度输入加速度输入稳态误差稳态误差00 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatRKa /0（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型系统在不同输入信号作用下的稳态误差列于表误差列于表3-5中中 1. 典型典型II型系统跟随性能指标和参数的关系型系统跟随性能指标和参数的关系 由表可知由表可知： n在阶跃和斜坡输入下，在阶跃和斜坡输入下，II型系统稳态时型系统稳态时均无差；均无差；n加速度输入下稳态误差与开环增益加速度输入下稳态误差与开环增益K成成反比。反比。表表3-6 典型典型II型系统阶跃输入跟随性能指标型系统阶跃输入跟随性能指标（按（按Mrmin准则确定关系时）准则确定

60、关系时） h 3 4 56 7 8 9 10 tr / Tts / T k 52.6% 2.412.15 3 43.6% 2.65 11.65 237.6% 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（2）动态跟随性能指标 图图3-17b 典型典型II型系统在一种扰动作用下的动态结构图型系统在一种扰动作用下的动态结构图+ ) 1() 1(1TsshTsKsK2)(sF)(sC0)(1sW- )(2sWn抗扰系统结构抗扰系统结构2. 典型典型