1、起動電流呈矩形波，轉速按起動電流呈矩形波，轉速按線性增長。這是在最大電流線性增長。這是在最大電流（轉矩）受限制時調速系統（轉矩）受限制時調速系統所能獲得的最快的起動（制所能獲得的最快的起動（制動）過程動）過程。 3.1 轉速、電流反饋控制直流調速系統轉速、電流反饋控制直流調速系統的組成及其靜特性的組成及其靜特性n方案設想：方案設想：在系統中設置兩個調節器，分別引入轉速負在系統中設置兩個調節器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節轉速和電流，把轉速調節器的反饋和電流負反饋以調節轉速和電流，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出

2、去控制電力電子變換器控制電力電子變換器UPE。圖圖3-2 轉速、電流反饋控制直流調速系統原理圖轉速、電流反饋控制直流調速系統原理圖ASR轉速調節器轉速調節器 ACR電流調節器電流調節器 TG測速發電機測速發電機 從閉環結構上看，電從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，環；轉速環在外邊，稱作外環。形成了轉稱作外環。形成了轉速、電流反饋控制直速、電流反饋控制直流調速系統（簡稱流調速系統（簡稱雙雙閉環系統閉環系統）。）。 1. 穩態結構圖和靜特性n轉速調節器轉速調節器ASR的輸出限幅電壓決定了電的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調節器流給定的最大值，電流調節

3、器ACR的輸出的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓；出電壓；（1） 轉速調節器不飽和n兩個調節器都不飽和，穩態時，它們的輸入偏差電壓都是零。n diinnIUUnnUU*0*dmdIIUU*im*i0*nUnn(3-1) 處于處于AB段段（2）轉速調節器飽和nASR輸出達到限幅值時，轉速外環呈開環狀態，轉速的變化對轉速環不再產生影響。n雙閉環系統變成一個電流無靜差的單電流閉環調節系統。穩態時，電樞電流將保持最大值運行。 dmimdIUI*2各變量的穩態工作點和穩態參數計算n雙閉環調速系統在穩態工作中，當兩個調節器都不飽和時，各變量之間有下列關系

4、(3-3) (3-4) (3-5)0*nnUUnndLdiiIIUU*sdLnesdesdcKRIUCKRInCKUU/*0(1)轉速轉速n是由給定電壓是由給定電壓Un*決定的決定的;(2)ASR的輸出的輸出Ui*是由負載電流是由負載電流IdL決定的決定的;(3)控制電壓控制電壓Uc的大小則同時取決于的大小則同時取決于n和和Id3.2 轉速、電流反饋控制直流調速系統的數學模型與動態過程分析3.2.1 轉速、電流反饋控制直流調速系統的動態數學模型轉速、電流反饋控制直流調速系統的動態數學模型擴展擴展書書P28圖圖2-21中中c圖圖雙閉環直流調速系統的起動過程雙閉環直流調速系統的起動過程有以下三個特

5、點：有以下三個特點：（1）飽和非線性控制）飽和非線性控制 隨著隨著ASR的飽和與不飽和，整個系統的飽和與不飽和，整個系統處于完全不同的兩種狀態，因此不能簡單處于完全不同的兩種狀態，因此不能簡單地用線性控制理論來分析整個過程，也不地用線性控制理論來分析整個過程，也不能簡單地用線性控制理論來籠統地設計這能簡單地用線性控制理論來籠統地設計這樣的控制系統，只能用分段的方法分析樣的控制系統，只能用分段的方法分析；（2）轉速超調）轉速超調 當轉速調節器當轉速調節器ASR采用采用PI調節器時，調節器時，轉速必然有超調。轉速略有超調一般是允轉速必然有超調。轉速略有超調一般是允許的，對于完全不允許超調的情況，應

6、采許的，對于完全不允許超調的情況，應采用別的控制措施來抑制超調。用別的控制措施來抑制超調。雙閉環直流調速系統的起動過程雙閉環直流調速系統的起動過程有以下三個特點：有以下三個特點：（3）準時間最優控制）準時間最優控制 對于調速系統，在電動機允許過載能對于調速系統，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動或制動，就是時間最力限制下的恒流起動或制動，就是時間最優控制。優控制。雙閉環直流調速系統的起動過程雙閉環直流調速系統的起動過程有以下三個特點：有以下三個特點：2動態抗擾性能分析n調速系統，最主要的抗擾性能是指抗調速系統，最主要的抗擾性能是指抗負載擾動和抗電網電壓擾動性能。負載擾動和抗電網電壓擾動性能。

7、（1）抗負載擾動n負載擾動作用在電流環之后，只能靠轉速調節器負載擾動作用在電流環之后，只能靠轉速調節器ASR來產生抗負載擾動的作用。來產生抗負載擾動的作用。n在設計在設計ASR時，要求有較好的抗擾性能指標。時，要求有較好的抗擾性能指標。 圖3-7 直流調速系統的動態抗擾作用負載擾動（2）抗電網電壓擾動n電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節，使抗擾性能得到改善。使抗擾性能得到改善。n在雙閉環系統中，由電網電壓波動引起的轉速變在雙閉環系統中，由電網電壓波動引起的轉速變化會比單閉環系統小得多。化會比單閉環系統小得多。 圖3-7 直流調速系統的動態抗擾

8、作用電網電壓擾動1. 轉速調節器的作用n轉速調節器是調速系統的主導調節器，它使轉速調節器是調速系統的主導調節器，它使轉速很快地跟隨給定電壓變化轉速很快地跟隨給定電壓變化, 如果采用如果采用PI調節器，則可實現無靜差。調節器，則可實現無靜差。n對負載變化起抗擾作用。對負載變化起抗擾作用。n其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。調節器作用總結調節器作用總結2. 電流調節器的作用n使電流緊緊跟隨其給定電壓使電流緊緊跟隨其給定電壓Ui*（外環調節器（外環調節器的輸出量）變化。的輸出量）變化。n對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。n在

9、轉速動態過程中，保證獲得電機允許的最大在轉速動態過程中，保證獲得電機允許的最大電流。電流。n當電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最當電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統立即自動恢復正常。系統立即自動恢復正常。3.3 轉速、電流反饋控制直流調速系統的設計3.3.1 控制系統的動態性能指標控制系統的動態性能指標n控制系統的動態性能指標包括對給定輸控制系統的動態性能指標包括對給定輸入信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信入信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。號的抗擾性能指標。圖3-8 典型的階躍響應過

10、程和跟隨性能指標%100maxCCC上升時間上升時間 峰值時間峰值時間 調節時間調節時間 超調量超調量 圖3-9 突加擾動的動態過程和抗擾性能指標靜差靜差 恢復時間恢復時間 動態降落動態降落 1典型型系統n作為典型的作為典型的I型系統，其開環傳遞函數選擇為型系統，其開環傳遞函數選擇為 （3-10）式中，式中， T系統的慣性時間常數；系統的慣性時間常數； K系統的開環增益系統的開環增益。) 1()(TssKsW(a)閉環系統結構圖n典型典型型系統的對數幅頻特性的幅值為型系統的對數幅頻特性的幅值為 得到得到 (3-11)n相角裕度為相角裕度為nK值越大，系統響應越快，截止頻率值越大，系統響應越快，

11、截止頻率 c 也越大，相角也越大，相角穩定裕度穩定裕度 越小越小，快速性與穩定性之間存在矛盾。快速性與穩定性之間存在矛盾。n在選擇參數在選擇參數 K時，須在快速性與穩定性之間取折衷。時，須在快速性與穩定性之間取折衷。 ccKlg20) 1lg(lg20lg20cK（當Tc1時） 18090arctg90arctgccTT（1）動態跟隨性能指標n典型典型型系統的閉環傳遞函數為型系統的閉環傳遞函數為 （3-12）式中，式中， 自然振蕩角頻率；自然振蕩角頻率； 阻尼比。阻尼比。n 1，欠阻尼的振蕩特性，欠阻尼的振蕩特性，n 1，過阻尼的單調特性；，過阻尼的單調特性；n = 1，臨界阻尼（恰無超調的情

12、況）。，臨界阻尼（恰無超調的情況）。 n過阻尼動態響應較慢，一般把系統設計成欠阻尼，過阻尼動態響應較慢，一般把系統設計成欠阻尼， 即即 0 1。222221) 1(1) 1()(1)()(nnnclssTKsTsTKTssKTssKsWsWsWTKnKT121下面用數字定量地表示下面用數字定量地表示K值與各項性能指標之間的關系值與各項性能指標之間的關系參數關系參數關系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比阻尼比 超調量超調量 上升時間上升時間 tr峰值時間峰值時間 tp 相角穩定裕度相角穩定裕度 截止頻率截止頻率 c 1.0 0 % 76.30.243/T 0.8 1.5% 6.6

13、T8.3T69.90.367/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表3-1 典型型系統動態跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系當系統的時間常數當系統的時間常數T為已知時，隨著為已知時，隨著K的增大，的增大，系統的快速性提高，但穩定性變差系統的快速性提高，但穩定性變差當要求動態響應快時，可取當要求動態響應快時，可取 =0.5-0.6，把把K選大些選大些；當要求超調量小時，當要求超調量小時，可取可取 =0.8-1.0，把把K選小些；若要求無超

14、調，則取選小些；若要求無超調，則取 =1; 一般可取折中值，即一般可取折中值，即 =0.707，K=0.5/T，此時略有超調此時略有超調（ %=4.3%） 該參數關系就是西門子該參數關系就是西門子“最佳整定最佳整定”方法的方法的 “模最佳系統模最佳系統”或稱或稱“二階最佳系統二階最佳系統”。 其實這只是折中參數的選擇，無所謂最佳，真正其實這只是折中參數的選擇，無所謂最佳，真正的最佳應依據工藝要求性能指標而定的最佳應依據工藝要求性能指標而定 最適合的就是最好的最適合的就是最好的!（2）動態抗擾性能指標）動態抗擾性能指標n影響到參數影響到參數K的選擇的第二個因素是它和的選擇的第二個因素是它和抗擾性

15、能指標之間的關系；抗擾性能指標之間的關系；n典型典型型系統已經規定了系統的結構，分型系統已經規定了系統的結構，分析它的抗擾性能指標的關鍵因素是擾動作析它的抗擾性能指標的關鍵因素是擾動作用點；用點；221TTTTm51101201301%100maxbCC27.8%12.6%9.3%6.5%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4表3-2 典型I型系統動態抗擾性能指標與參數的關系5 . 0KT2bCFK開環系統穩態輸出值作為最大動態降落的基準值當控制對象的兩個時間常數相距較大時，動態降落較小，但恢復時間卻拖得很長當控制對象的兩個時間常數相距較大時，動態降落

16、較小，但恢復時間卻拖得很長最大動最大動態降落態降落動態降動態降落時間落時間恢復時恢復時間間I型系統設計的幾個總結：（1） 在設計動態跟隨性能指標時，要考慮在設計動態跟隨性能指標時，要考慮K值的選擇問題；值的選擇問題；K值越大，系統響應越快，截止頻率值越大，系統響應越快，截止頻率 c 也越大，相角穩定也越大，相角穩定裕度裕度 越小越小，快速性與穩定性之間存在矛盾。在選擇參數快速性與穩定性之間存在矛盾。在選擇參數 K時，須在快速性與穩定性之間取折衷。時，須在快速性與穩定性之間取折衷。 從表從表3-1的數據可知，當系統的時間常數的數據可知，當系統的時間常數T為已知時，隨著為已知時，隨著K的增大，系統

17、的快速性提高，但穩定性變差；的增大，系統的快速性提高，但穩定性變差； 一般可取一般可取折中值，即折中值，即 =0.707，K=0.5/T，此時略有超調（，此時略有超調（ %=4.3%），該值為西門子最佳整定參數關系。），該值為西門子最佳整定參數關系。 I型系統設計的幾個總結：（2） 在設計動態抗擾性能指標時，要考慮控制對象在設計動態抗擾性能指標時，要考慮控制對象中小時間常數和大時間常數比值中小時間常數和大時間常數比值m的選擇問題；的選擇問題； 從表從表3-2的數據可知，的數據可知，當控制對象的兩個時間常數當控制對象的兩個時間常數相距較大時，動態降落較小，但恢復時間卻拖得很相距較大時，動態降落較

18、小，但恢復時間卻拖得很長，反映的是動態穩定性和恢復時間這對矛盾的問長，反映的是動態穩定性和恢復時間這對矛盾的問題題2.典型型系統n典型典型型系統的開環傳函：型系統的開環傳函：（3-22）n典型典型II型系統的時間常數型系統的時間常數T也是控制對象固有的，也是控制對象固有的，而待定的參數有兩個：而待定的參數有兩個： K 和和 。 定義中頻寬：定義中頻寬：(3-23)n中頻寬表示了斜率為中頻寬表示了斜率為20dB/sec的中頻的寬度，是的中頻的寬度，是一個與性能指標緊密相關的參數。一個與性能指標緊密相關的參數。) 1() 1()(2TsssKsW2111ThTn =1點處在點處在-40dB/dec

19、特性段，可以看出特性段，可以看出n20lgK=40(lg 1lg1)+20(lg c-lg 1)=20lg 1 c(3-24)n系統相角穩定裕度為系統相角穩定裕度為n比比T大得越多，系統的穩定裕度就越大大得越多，系統的穩定裕度就越大。cK1TTccccarctanarctanarctanarctan180180) 1() 1()(2TsssKsWn (3-25) (3-26)n在確定了h之后，可求得 (3-29) (3-30)122hhc211hchT222112221111111()()2222chhhhKhhTh T 1+ 2=2 c采用采用“振蕩指標法振蕩指標法”中的閉環幅頻特性峰值最小

20、中的閉環幅頻特性峰值最小準則，可以找到和兩個參數之間的一種最佳配合。準則，可以找到和兩個參數之間的一種最佳配合。最佳頻比需滿足：最佳頻比需滿足：因此，因此，h的選取是二階系統系能指標的關鍵！的選取是二階系統系能指標的關鍵！令令c處于處于1和和2的中心的中心 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

21、 1表3-4 典型型系統階躍輸入跟隨性能指標(按Mrmin準則確定參數關系)h=5的調節時間最短，此外，的調節時間最短，此外，h減小時，上升時間快，但減小時，上升時間快，但h減小時，超調量減小時，超調量確增大，系統變得不穩定。把各項指標綜合起來看，以確增大，系統變得不穩定。把各項指標綜合起來看，以h=5的動態跟隨性的動態跟隨性能比較適中。能比較適中。 （控制結構和擾動作用點如圖3-15所示，參數關系符合 準則）minrM 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

22、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 25.85表3-5 典型型系統動態抗擾性能指標與參數的關系h值越小，值越小， 也越小，也越小，tm和和tv都短，因而抗擾性能越好。都短，因而抗擾性能越好。但是，當但是，當h5時，由于振蕩次數的增加時，由于振蕩次數的增加,h再小，恢復時間再小，恢復時間tv反而拖長了。反而拖長了。 因此，因此，h=5 是較好的選擇，這與跟隨性能中調節時間是較好的選擇，這與跟隨性能中調節時間ts最短的條件一致。最短的條件一致。bCC/maxCb = 2FK2T 為輸

23、出為輸出C在在2T時間內的累加值時間內的累加值II型系統設計的幾個總結：（1） 典型典型II型系統的時間常數型系統的時間常數T是控制對象固有的，所以關鍵需是控制對象固有的，所以關鍵需確定的參數有兩個：確定的參數有兩個： K 和和 ； 根據根據“振蕩指標法振蕩指標法”中的閉環幅頻特性峰值最小準則：中的閉環幅頻特性峰值最小準則： ) 1() 1()(2TsssKsW2212hKh T；式（3-30）hT；式（3-29）因此中頻寬因此中頻寬h的選取是二階系統系能指標的關的選取是二階系統系能指標的關鍵鍵II型系統設計的幾個總結：（2）從動態跟隨性能指標看）從動態跟隨性能指標看h的作用：的作用： 根據表

24、根據表3-4數據可知：數據可知：h=5的調節時間最的調節時間最短，此外，短，此外，h減小時，上升時間快，但減小時，上升時間快，但h超超調量增加，系統不穩定性增加；調量增加，系統不穩定性增加； 把各項指標綜合起來看，以把各項指標綜合起來看，以h=5的動態跟的動態跟隨性能比較適中。隨性能比較適中。II型系統設計的幾個總結：（3）從動態抗擾性能指標看）從動態抗擾性能指標看h的作用：的作用： 根據表根據表3-5數據可知：數據可知：h越小，最大動態降落和最大越小，最大動態降落和最大動態降落時間都短，因而抗擾性好。（動態降落時間都短，因而抗擾性好。（與跟隨性中與跟隨性中h越小超調量大，穩定性差矛盾越小超調

25、量大，穩定性差矛盾），），當當hTi，選擇，選擇i= Tl ，用調節器零點消去控，用調節器零點消去控制對象中大的時間常數極點，制對象中大的時間常數極點， ) 1() 1(/)(sTsKsTsRKKsWiIiisiopi) 1)(1(/) 1()(sTsTRKssKsWilsiiiopi電流環開環傳遞函數電流環開環傳遞函數isisIilK KK KKRT R其中n希望電流超調量希望電流超調量 i 5%，選，選 =0.707， KI T i =0.5，則，則iciITK21n模擬式電流調節器電路 U*i 電流給定電壓；電流給定電壓； Id 電流負反饋電壓；電流負反饋電壓； Uc 電力電子變換器的控

26、制電壓。電力電子變換器的控制電壓。圖3-21 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器00iiiiRKRKRR/iiiiiiR CCR00414oioioioiTTR CCR(3-53) (3-54) (3-55) 2轉速調節器的設計111)()()(*sKsWsUsIIcliid)()()(*sWsUsIcliid111)1(1)1(/)()()(2*sKsKTsTsKsTsKsUsIsWIIiiIiIidcli111)(sKsWIcli111)()()(*sKsWsUsIIcliid仍忽略了反電動勢仍忽略了反電動勢E對電流環的影響對電流環的影響n把時間常數為把時間常數為 1 / KI 和和 Ton 的兩個小慣性環節合并的兩個小慣性環節合并onInTKT1其中11111sTsKsTnIonn轉速環的控制對象是由一個積分環節和一個慣性轉速環的控制對象是由一個積分環節和一個慣性環節組成，環節組成，IdL(s)是負載擾動。是負載擾動。n系統轉速調節實現無靜差：系統轉速調節實現無靜差：ASR采用采用PI調節器調節器nASR采用采用PI調節器調節器ssKsWnnnASR) 1()(（3-61） Kn 轉速調節器的比例系數； n 轉速調節器的超前時間常數。 需