1、 Shanghai university轉速、電流雙閉環直流調速系統轉速、電流雙閉環直流調速系統和和調節器的工程設計方法調節器的工程設計方法 第第 2 章章 Shanghai university2.1 2.1 轉速、電流雙閉環直流調速系統轉速、電流雙閉環直流調速系統 及其靜特性及其靜特性一。問題的提出一。問題的提出 Shanghai university 采用轉速負反饋和采用轉速負反饋和PIPI調節器的單閉環調節器的單閉環直流調速系統可以在保證系統穩定的前直流調速系統可以在保證系統穩定的前提下實現轉速無靜差。提下實現轉速無靜差。 如果對系統的動態性能要求較高，單如果對系統的動態性能要求較高，

2、單閉環系統就難以滿足需要。閉環系統就難以滿足需要。 Shanghai university如何控制動態性能如何控制動態性能？電力拖動系統的運動方程：電力拖動系統的運動方程：結論：結論：要得到好的動態性能，必須控制好要得到好的動態性能，必須控制好轉矩，即控制好電流。轉矩，即控制好電流。dtdnGDTTLe3752dtdnCGDIImLd3752 Shanghai university1. 1. 單閉環系統的主要問題單閉環系統的主要問題 單閉環系統不能控制電流和轉矩的動態單閉環系統不能控制電流和轉矩的動態過程。過程。 電流截止負反饋環節只是用來限制電流電流截止負反饋環節只是用來限制電流的沖擊，并不

3、能很好地控制電流的動態的沖擊，并不能很好地控制電流的動態波形。波形。 Shanghai universitya) 理想的快速起動過程IdLntIdOIdmb) 帶電流截止負反饋的單閉環調速系統圖2-1 直流調速系統起動過程的電流和轉速波形n2. 2. 理想的起動過程理想的起動過程IdLntIdOIdmIdcrn Shanghai university3. 3. 解決思路解決思路 為了實現在允許條件下的最快起動，關鍵為了實現在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值是要獲得一段使電流保持為最大值I Idmdm的恒流過的恒流過程。程。 按照反饋控制規律，采用某個物理量的負按照反饋控

4、制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。 Shanghai university 現在的問題希望能實現控制：現在的問題希望能實現控制：起動過程，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋。起動過程，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋。穩態時，只有轉速負反饋，沒有電流負反饋。穩態時，只有轉速負反饋，沒有電流負反饋。 怎樣才能做到這種既存在轉速和電流兩種怎樣才能做到這種既存在轉速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？用

5、呢？-轉速電流雙閉環系統轉速電流雙閉環系統 Shanghai university+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG圖2-2 轉速、電流雙閉環直流調速系統結構 ASR轉速調節器 ACR電流調節器 TG測速發電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器內環外 環ni二。二。 轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成 Shanghai university轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成 把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸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控制

6、電力電子變入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器換器UPEUPE。 從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，稱作外環。環；轉速環在外邊，稱作外環。 這就形成了這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。轉速、電流雙閉環調速系統。 Shanghai university 系統電路結構系統電路結構圖2-3 雙閉環直流調速系統電路原理圖 +-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+- Shanghai university限幅的作用：限幅的作用： 轉速調節

7、器轉速調節器ASR的輸出限幅電壓的輸出限幅電壓U*im電流給定電壓的最大值，即電流給定電壓的最大值，即限制了最大電流；限制了最大電流； 電流調節器電流調節器ACR的輸出限幅電壓的輸出限幅電壓Ucm Uc的最大值，即限制了電力的最大值，即限制了電力電子變換器的最大輸出電壓電子變換器的最大輸出電壓Udm。 Shanghai university限幅電路（外限幅，輸出限幅限幅電路（外限幅，輸出限幅）二極管鉗位的外限幅電路 Shanghai university限幅電路（內限幅，輸出和積分限幅限幅電路（內限幅，輸出和積分限幅） Shanghai university圖2-4(a) 雙閉環直流調速系統的

8、穩態結構框圖(ASR未飽和)轉速反饋系數 電流反饋系數 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE三。三。 雙閉環系統穩態結構圖和靜特性雙閉環系統穩態結構圖和靜特性1. 穩態結構圖：穩態結構圖： Shanghai university圖圖2-4 (b) ASR2-4 (b) ASR飽和，相當于電流閉環系統飽和，相當于電流閉環系統 Ks 1/CeUcIdEnUd0+U*i-IdR R ACR-UiUPEASRASR飽和，相當于電流閉環系統飽和，相當于電流閉環系統 Shanghai university 2. 2. 系統靜特性系統靜特性 設計時，設

9、計時，ACR不不會達到飽和狀態。會達到飽和狀態。 CA段段ASR未飽和，未飽和，AB段段ASR飽和。飽和。 圖2-5 雙閉環直流調速系統的靜特性 n0IdIdmIdNOnABC Shanghai university（1 1）轉速調節器不飽和轉速無靜差）轉速調節器不飽和轉速無靜差di*i0n*nIUUnnUU即即 0*nnUnU*i U*im， Id Idm。 Shanghai university（2 2） 轉速調節器飽和電流無靜差轉速調節器飽和電流無靜差U*i = U*im，穩態時穩態時 dm*imdIUI最大電流最大電流- - I Idmdm 取決于容許過載取決于容許過載能力和拖動系統允

10、許的最大加速能力和拖動系統允許的最大加速度。度。n nnn* *。 ASRASR輸入偏差電壓變負，開始退出飽和，輸入偏差電壓變負，開始退出飽和， U U* *i i 和和 I Id d 很快下降。但是，只要很快下降。但是，只要 I Id d 仍大于負載電流仍大于負載電流 I IdLdL ，轉速就繼續上升。，轉速就繼續上升。 直到直到I Id d = = I IdLdL時，轉時，轉矩矩T Te e= = T TL L ，則，則d dn/n/d dt t = 0= 0，轉，轉速速n n才到達峰才到達峰值（值（t t = = t t3 3時）。時）。 Shanghai university第第 階段

11、階段 轉速調節階段（續）轉速調節階段（續） 此后，電動機在負載的阻此后，電動機在負載的阻力下減速，在一小段時間力下減速，在一小段時間內（內（ t3 t4 ），）， Id IdL ，直到穩定直到穩定Id = IdL ， n =n* 。 如果調節器參數整定得不如果調節器參數整定得不夠好，會有振蕩過程。夠好，會有振蕩過程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt特點：特點：ASR不飽和，起主要調節作用；不飽和，起主要調節作用；ACR起跟隨作用；起跟隨作用；轉速有超調。轉速有超調。 Shanghai university2. 2. 起動過程的特點：起動過程的特點：雙

12、閉環直流調速系統的起動過程有以下三個特點：雙閉環直流調速系統的起動過程有以下三個特點： （1 1）飽和非線性控制）飽和非線性控制 （2 2）轉速超調）轉速超調 （3 3）準時間最優控制）準時間最優控制( (有限制條件的最短時間控制有限制條件的最短時間控制) ) Shanghai university三。雙閉環調速系統動態抗擾性能分析三。雙閉環調速系統動態抗擾性能分析 主要擾動源：主要擾動源： 負載變化；負載變化； 電源電壓變化。電源電壓變化。 Shanghai university 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1.

13、1. 抗負載擾動抗負載擾動IdL直流調速系統的抗負載擾動作用直流調速系統的抗負載擾動作用 Shanghai university抗負載擾動（續抗負載擾動（續）擾動作用位置：擾動作用位置：電流環之外電流環之外抗擾作用調節器：抗擾作用調節器：轉速調節器轉速調節器ASR對對ASR的設計要求：的設計要求：應要求有較好的應要求有較好的抗擾性能指標。抗擾性能指標。 Shanghai university2. 抗電網電壓擾動抗電網電壓擾動-IdLUd圖圖2-8 直流調速系統的動態抗擾作用直流調速系統的動態抗擾作用 Ud電網電壓波動在整流電壓上的反映電網電壓波動在整流電壓上的反映 1/CeU*nnUd0Un+

14、-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E Shanghai university抗電網電壓擾動抗電網電壓擾動 雙閉環系統中，由于增設了電流內環，電雙閉環系統中，由于增設了電流內環，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節，調節，不必等它影響到轉速以后才能反饋不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善回來，抗擾性能大有改善。 擾動作用位置：擾動作用位置：電流環內的前向通道電流環內的前向通道抗擾作用的調節器：抗擾作用的調節器：電流調節器電流調節器ACR Shanghai university1. 轉速調節器的作用

15、轉速調節器的作用 （1）速度調節）速度調節它使轉速它使轉速 n 很快地跟隨給定電壓變化，很快地跟隨給定電壓變化，穩態時可減小轉速誤差，如果采用穩態時可減小轉速誤差，如果采用PI調節器，則可實調節器，則可實現無靜差。現無靜差。（2）抗擾作用）抗擾作用對負載變化起抗擾作用。對負載變化起抗擾作用。（3）限制電機最大電流）限制電機最大電流其輸出限幅值決定電機允許其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。的最大電流。四。四。 轉速、電流調節器的作用轉速、電流調節器的作用 Shanghai university2. 2. 電流調節器的作用電流調節器的作用（1）跟隨作用）跟隨作用作為內環的調節器，在外環轉速的作為

16、內環的調節器，在外環轉速的調節過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓調節過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環調節器的輸出量）變化。（即外環調節器的輸出量）變化。（2）抗擾作用）抗擾作用對電網電壓的波動起及時抗擾的作對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。用。（3）加快動態過程加快動態過程在轉速動態過程中，保證獲得在轉速動態過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態過程。電機允許的最大電流，從而加快動態過程。（4）過流自動保護作用過流自動保護作用當電機過載甚至堵轉時，當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用

17、。一旦故障消失，系統立即自動恢復正常。這個作用對系統的故障消失，系統立即自動恢復正常。這個作用對系統的可靠運行來說是十分重要的?？煽窟\行來說是十分重要的。 Shanghai university2.3 2.3 調節器的工程設計方法調節器的工程設計方法必要性必要性: 設計調節器須同時解決穩、準、快、抗干擾等設計調節器須同時解決穩、準、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態性能要求。各方面相互有矛盾的靜、動態性能要求。可能性可能性: 電力拖動自動控制系統可由低階系統近似電力拖動自動控制系統可由低階系統近似，事事先研究低階典型系統的特性，將實際系統校正先研究低階典型系統的特性，將實際系統校正成典型系

18、統，設計過程就簡便多了。成典型系統，設計過程就簡便多了。 Shanghai university設計方法的原則設計方法的原則 （1）概念清楚、易懂；）概念清楚、易懂；（2）計算公式簡明、好記；）計算公式簡明、好記；（3）不僅給出參數計算的公式，而且指明參數調整的方）不僅給出參數計算的公式，而且指明參數調整的方向；向；（4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式；算公式；（5）適用于各種可以簡化成典型系統的反饋控制系統。）適用于各種可以簡化成典型系統的反饋控制系統。 Shanghai university一。一。 工程設計方法的基本思路工

19、程設計方法的基本思路 1. 選擇典型系統選擇典型系統根據系統性能要求選擇合適的典型系統根據系統性能要求選擇合適的典型系統2. 選擇調節器結構選擇調節器結構使系統典型化并滿足穩定和穩態精度使系統典型化并滿足穩定和穩態精度。3. 設計調節器的參數設計調節器的參數滿足動態性能指標的要求滿足動態性能指標的要求。 Shanghai university二。二。 控制系統的動態性能指標控制系統的動態性能指標 動態性能指標：動態性能指標： 跟隨性能指標跟隨性能指標抗擾性能指標抗擾性能指標調速系統的動態指標調速系統的動態指標以抗擾性能以抗擾性能隨動系統的動態指標隨動系統的動態指標以跟隨性能為主。以跟隨性能為主

20、。 Shanghai university 系統典型的階躍響應曲線系統典型的階躍響應曲線5%（或2%） )(tCCCCmaxmaxCC0 tOtrts圖2-11 典型階躍響應曲線和跟隨性能指標 Shanghai university跟隨性能指標跟隨性能指標 階躍響應跟隨性能指標：階躍響應跟隨性能指標：tr 上升時間：第一次到達給定值的時間上升時間：第一次到達給定值的時間 超調量超調量: ts 調節時間調節時間:進入誤差帶的時間進入誤差帶的時間%100*CCCmax Shanghai university 突加擾動的動態過程和抗擾性能指標突加擾動的動態過程和抗擾性能指標圖圖2-12 突加擾動的動

21、態過程和抗擾性能指標突加擾動的動態過程和抗擾性能指標maxC1C2C5%（或2%） CNNO ttmtvCb Shanghai university抗擾性能指標抗擾性能指標 抗擾性能指標：抗擾性能指標： Cmax 最大動態降落最大動態降落 tv 恢復時間：恢復時間： Shanghai university三。典型系統三。典型系統 一般來說，許多控制系統的開環傳遞函數都可表示一般來說，許多控制系統的開環傳遞函數都可表示為為 n11) 1() 1()(iirmjjsTssKsW)(sWR(s)C(s) Shanghai university典型系統典型系統 分母中的分母中的 sr 項表示該系統在原

22、點處有項表示該系統在原點處有 r 重極點，重極點， r=0，1，2，時，分別稱作時，分別稱作0型、型、I型、型、型、型、系統。系統。 0型系統穩態精度低，而型系統穩態精度低，而型和型和型以上的系統很難穩定。型以上的系統很難穩定。 為了保證穩定性和較好的穩態精度，為了保證穩定性和較好的穩態精度，多選用多選用I型和型和II型型系統。系統。 Shanghai university1. 典型典型I型系統型系統（1）結構圖與傳遞函數）結構圖與傳遞函數 ) 1()(TssKsW)(sR) 1(TssK)(sC式中 T 系統的慣性時間常數； K 系統的開環增益。（2-9） Shanghai universi

23、tyOdB/decdB/dec典型典型I型系統型系統開環對數開環對數頻率頻率特性特性 Shanghai university 系統結構簡單，對數幅頻特性系統結構簡單，對數幅頻特性20 dB/dec 的斜率穿越的斜率穿越 0dB 線，只要參數的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系線，只要參數的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統就一定是穩定的，且有足夠的穩定裕量，當統就一定是穩定的，且有足夠的穩定裕量，當 T1c1cT或或相角穩定裕度相角穩定裕度 45arctg90arctg90180ccTT典型典型I I型系統性能特性型系統性能特性 Shanghai university2. 典型典型型系統型系統結構圖

24、和傳遞函數結構圖和傳遞函數 ) 1() 1()(2TsssKsW（2-10）)(sR)(sC) 1() 1(2TsssK Shanghai universityOdB/decdB/decdB/dec典型典型型系統型系統開環對數開環對數頻率頻率特性特性O1/ Shanghai university 典型的典型的II型系統也是以型系統也是以 20dB/dec 的斜率穿越零分貝線。的斜率穿越零分貝線。為保證系統穩定，為保證系統穩定，選擇參數應選擇參數應滿足滿足 T11cT或或 比比 T 大得越多，系統的穩定裕度越大得越多，系統的穩定裕度越大。大。典型典型型系統系統性能特性型系統系統性能特性 Shan

25、ghai university四。四。 典型典型I型系統性能指標和參數的關系型系統性能指標和參數的關系 典型典型I型系統中，型系統中，時間常數時間常數 T 在實在實際系統中往往是控制對象本身固有際系統中往往是控制對象本身固有的，能夠改變的只有開環增益的，能夠改變的只有開環增益 K 。 設計時，需要按照性能指標選擇設計時，需要按照性能指標選擇參數參數 K 。 ) 1()(TssKsW Shanghai university K 與開環對數頻率特性的關系與開環對數頻率特性的關系 不同不同 K 值時典型值時典型 I 型系統的開環對數頻率特性，箭頭型系統的開環對數頻率特性，箭頭表示表示K值增大時特性變

26、化的方向。值增大時特性變化的方向。 Shanghai university K 與截止頻率與截止頻率 c 的關系的關系 當當 c 1 / T時，特時，特性以性以20dB/dec斜率斜率穿越零分貝線，系統穿越零分貝線，系統有較好的穩定性。由有較好的穩定性。由圖中的特性可知：圖中的特性可知：cclg20) 1lg(lg20lg20K所以所以 K = c （當（當 c 時）時） T1(2-12) 1 Shanghai university快速性與穩定性之間的矛盾快速性與穩定性之間的矛盾 K值越大，截止頻率值越大，截止頻率 c 也越大，系統響應越也越大，系統響應越快，相角穩定裕度快，相角穩定裕度 =

27、90 arctg cT越小越小，這也說明快速性與穩定性之間的矛盾。這也說明快速性與穩定性之間的矛盾。 在選擇參數在選擇參數 K時，須在二者之間取折衷。時，須在二者之間取折衷。 Shanghai university1. 典型典型I型系統跟隨性能指標與參數的關系型系統跟隨性能指標與參數的關系 （1）穩態跟隨性能指標）穩態跟隨性能指標)(sR) 1(TssK)(sC)( e)() 1() 1(0lim)()(0lim)(SRKTSSTSSSSSRSSESee Shanghai university不同輸入信號作用下的穩態誤差不同輸入信號作用下的穩態誤差輸入信號輸入信號階躍輸入階躍輸入斜坡輸入斜坡輸

28、入加速度輸入加速度輸入穩態誤差穩態誤差 0v0 / K 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatR Shanghai university穩態跟隨性能指標穩態跟隨性能指標 在階躍輸入下的在階躍輸入下的 I 型系統穩態時是無差的；型系統穩態時是無差的； 但在斜坡輸入下則有恒值穩態誤差，且與但在斜坡輸入下則有恒值穩態誤差，且與 K 值值成反比；成反比； 在加速度輸入下穩態誤差為在加速度輸入下穩態誤差為 。 因此，因此，I型系統不能用于具有加速度輸入的隨動型系統不能用于具有加速度輸入的隨動系統。系統。 Shanghai university（2）動態跟隨性能指標）動態跟隨性能指標 閉環傳遞函數：典

29、型閉環傳遞函數：典型 I 型系統是一種二階系統，型系統是一種二階系統，其閉環傳遞函數的一般形式為其閉環傳遞函數的一般形式為 2nn22ncl2)()()(sssRsCsW（2-13） 式中式中 n 無阻尼時的自然振蕩角頻率，或稱無阻尼時的自然振蕩角頻率，或稱 固有角頻率；固有角頻率； 阻尼比，或稱衰減系數。阻尼比，或稱衰減系數。 Shanghai universityTKnKT121T21nK、T與標準形式參數的換算與標準形式參數的換算)(sR) 1(TssK)(sCTKTsTKTssKTssKsRsCsWcl1) 1(1) 1()()()(2 Shanghai university 1，欠阻

30、尼的振蕩特性，欠阻尼的振蕩特性， 1，過阻尼的單調特性；，過阻尼的單調特性； = 1，臨界阻尼。，臨界阻尼。 過阻尼動態響應較慢，一般把系統設計成欠阻過阻尼動態響應較慢，一般把系統設計成欠阻尼，即尼，即 0 1二階系統的二階系統的動態響應動態響應性質性質 Shanghai university典型典型I型系統的阻尼比型系統的阻尼比 在典在典 I 系統中系統中 KT 0.5，應取應取 15 . 0(2-18) KT121 Shanghai university%100e)1/(2)arccos(122rTt(2-19) (2-20) (2-21) 2np1t超調量超調量 上升時間上升時間 峰值時

31、間峰值時間 性能指標和系統參數之間的關系性能指標和系統參數之間的關系 Shanghai university典型典型I型系統跟隨性能指標和頻域指標與參數型系統跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系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% 6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3 % 4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5 % 3.3T4.7T59.2 0.596

32、/T 0.5 16.3 % 2.4T3.2T 51.8 0.786/T Shanghai university性能指標討論：性能指標討論：1。當。當 ， 時時，超調量為超調量為 ，穩定穩定性和快速性都較好西門子把它稱為性和快速性都較好西門子把它稱為“二階最佳系統二階最佳系統”；2。在工程上，根據不同的工藝要求，可以有不同的最佳。在工程上，根據不同的工藝要求，可以有不同的最佳參數選擇，根據要求選擇參數；參數選擇，根據要求選擇參數；3。列表的目：為參數的選擇提供了簡便的途徑，當不能。列表的目：為參數的選擇提供了簡便的途徑，當不能滿足所需的全部性能指標時，說明典型滿足所需的全部性能指標時，說明典型型

33、系統已不能適型系統已不能適用，須采用其它控制方法。用，須采用其它控制方法。707. 05 . 0KT%3 . 4 Shanghai university 典型典型型系統已經規定了系統的結構，分析它的抗擾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用點，某種定量的抗擾性能指標的關鍵因素是擾動作用點，某種定量的抗擾性能指標只適用于一種特定的擾動作用點。性能指標只適用于一種特定的擾動作用點。2. 典型典型I型系統抗擾性能指標與參數的關系型系統抗擾性能指標與參數的關系 Shanghai university電流環的擾動作用點：電流環的擾動作用點：在在 采用采用PI調節器的情況下，

34、在擾動作用點前后調節器的情況下，在擾動作用點前后各是一個一階慣性環節，其動態結構框圖為：各是一個一階慣性環節，其動態結構框圖為： )(sWACRTTs21TTlRK/1211/siKKK ssKsW11pACR1)(（T2T1） Shanghai university僅考慮擾動作用僅考慮擾動作用R(s)=0 Shanghai university)(sN)(11sW)(sW)(sC典型I型系統 )(sF擾動作用下的典型擾動作用下的典型I型系統的傳遞函數型系統的傳遞函數:) 1()()()(21TssKsWsWsW(2-25) ) 1() 1()(211TsssTKsW) 1()(222sTKs

35、W Shanghai university階躍擾動作用下的輸出變化量階躍擾動作用下的輸出變化量階躍擾動階躍擾動：sFsF)()(1() 1()(222KsTssTTsFKsC輸出變化量：輸出變化量：TtmeTtememmmmFKtCTtTtTt2sin2cos)1 ()1(1222)()2/()2/(/2225 . 0KT當當 Shanghai university221TTTTm51101201301%100maxbCC55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4典型典型I型系統動態抗擾性能指標與參數的關系型系統動態

36、抗擾性能指標與參數的關系（KT=0.5,Cb=FK2/2) Shanghai university結果分析結果分析 當控制對象的兩個時間常數相距較大時，當控制對象的兩個時間常數相距較大時，動態降落減小，但恢復時間卻拖得較長動態降落減小，但恢復時間卻拖得較長。 Shanghai university五。五。 典型典型II型系統性能指標和參數的關系型系統性能指標和參數的關系 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 。 定義定義中頻寬中頻寬：12Th(2-32) ) 1() 1()(2TsssKsW S

37、hanghai university典型典型型系統的開環對數幅頻特性型系統的開環對數幅頻特性dB/L0 11T12hKlg20-20 40 -40 / s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec中頻寬1111lg20lg20)lg(lg20) 1lg(lg4020cccKKlg Shanghai university參數之間的一種最佳配合參數之間的一種最佳配合采用采用“振蕩指標法振蕩指標法”中的閉環幅頻特性峰值最小準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，則，可以找到和兩個參數之間的一種最佳配合， 122hhc211hc Shanghai univ

38、ersity參數之間的一種最佳配合參數之間的一種最佳配合則 hT2222112121)1(21ThhhhThKc Shanghai university輸入信號輸入信號階躍輸入階躍輸入斜坡輸入斜坡輸入加速度輸入加速度輸入穩態誤差穩態誤差00 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatRKa /0（1）穩態跟隨性能指標）穩態跟隨性能指標 系統在不同輸入信號作用下的穩態誤差系統在不同輸入信號作用下的穩態誤差 1. 典型典型II型系統跟隨性能指標和參數的關系型系統跟隨性能指標和參數的關系 Shanghai university 在階躍和斜坡輸入下，在階躍和斜坡輸入下，II型系統穩態時均無型系統穩態時

39、均無差；差； 加速度輸入下穩態誤差與開環增益加速度輸入下穩態誤差與開環增益K成反比成反比。 Shanghai university（2）動態跟隨性能指標）動態跟隨性能指標 h 3 4 56 7 8 9 10 tr / Tts / T k 52.6% 2.412.15 3 3.6% 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典型典型II型系統階躍輸入跟隨性能指標型系統階躍輸入跟隨性能指標 （按（按Mrmin

40、準準則確定關系時）則確定關系時）h越小超調量越大穩定性差越小超調量越大穩定性差 Shanghai university轉速環在負載擾動作用下的動態結構轉速環在負載擾動作用下的動態結構:2. 典型典型型系統抗擾性能指標和參數的關系型系統抗擾性能指標和參數的關系 Shanghai university2. 典型典型型系統抗擾性能指標和參數的關系型系統抗擾性能指標和參數的關系抗擾系統結構抗擾系統結構圖圖2-17b 典型典型II型系統在一種擾動作用下的動態結構框圖型系統在一種擾動作用下的動態結構框圖+ ) 1() 1(1TsshTsKsK2)(sF)(sC0)(1sW- )(2sW Shanghai

41、university 在階躍擾動下在階躍擾動下， 11212) 1(12)(222332222hTssThhsThhTsTFKhhsC（2- 43） 擾動系統的輸出響應擾動系統的輸出響應Cb = 2FK2T （2-44） sFsF/)(取輸出量基準值為取輸出量基準值為 Shanghai university典型典型II型系統動態抗擾性能指標與參數的關系型系統動態抗擾性能指標與參數的關系 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

42、.3% 3.15 16.8588.1% 3.25 19.8089.6% 3.30 22.80 90.8% 3.40 25.85（參數關系符合最?。▍店P系符合最小Mr準則）準則） Shanghai university 一般來說，一般來說， h 值越小，值越小， Cmax/Cb 也越小，也越小， tm 和和 tv 都短，都短，因而抗擾性能越好，這個趨勢與跟隨性能指標中超調量因而抗擾性能越好，這個趨勢與跟隨性能指標中超調量與與 h 值的關系恰好相反，反映了快速性與穩定性的矛盾值的關系恰好相反，反映了快速性與穩定性的矛盾。 但是，當但是，當 h 5 時，由于振蕩次數的增加，時，由于振蕩次數的增加，

43、 h 再小，恢再小，恢復時間復時間 tv 反而拖長了。反而拖長了。 h = 5是較好的選擇是較好的選擇 Shanghai university 靜態誤差不同靜態誤差不同典型典型 I 只對階躍輸入無差，典型只對階躍輸入無差，典型對斜坡輸入也對斜坡輸入也無差無差 動態跟隨及抗擾性能動態跟隨及抗擾性能典型典型 I 型系統在跟隨性能上可以做到超調小，抗型系統在跟隨性能上可以做到超調小，抗擾性能較差擾性能較差典型典型型系統的超調量相對較大，抗擾性能卻型系統的超調量相對較大，抗擾性能卻比較好。比較好。 這是設計時選擇典型系統的重要依據。這是設計時選擇典型系統的重要依據。兩種典型系統性能比較兩種典型系統性能

44、比較 Shanghai university六。六。 調節器結構的選擇和傳遞函數的近似調節器結構的選擇和傳遞函數的近似 處理處理非典型系統的典型化非典型系統的典型化1. 調節器結構的選擇調節器結構的選擇基本思路基本思路: 將控制對象校正成為典型系統。將控制對象校正成為典型系統。系統校正控制對象 調節器 輸入輸出典型系統 輸入輸出 Shanghai university校正成典型校正成典型I型系統的幾種調節器選擇型系統的幾種調節器選擇控制控制對象對象調節調節器器參數參數配合配合) 1)(1)(1(3212sTsTsTK) 1)(1(212sTsTKT1、T2 T312TsK) 1(2TssK)

45、1)(1)(1(3212sTsTsTK321,TTT ssK11pi) 1(sKipKsss) 1)(1(21ssK11pi) 1(11T2211,TT3211,TTTTT1 T2 Shanghai university控制控制對象對象調節調節器器參數參數配合配合) 1(2TssK21212) 1)(1(TTsTsTK相近21212,) 1)(1(TTsTsTsK都很小21212,) 1)(1(TTsTsTsK3213212) 1)(1)(1(TTTsTsTsTK、認為： ssK11pi) 1(ssK11pi1sss) 1)(1(21hT1認為： 21hTsTsT11111）（或）（或1222

46、11 ThThThT)(211TTh)(321TThsTsT11111ssK11pi1ssK11pi1校正成典型校正成典型II型系統的幾種調節器選擇型系統的幾種調節器選擇 Shanghai university2. 傳遞函數近似處理傳遞函數近似處理（1）高頻段小慣性環節的近似處理）高頻段小慣性環節的近似處理 小時間常數所對應的頻率都處于頻率特性的高頻段，形小時間常數所對應的頻率都處于頻率特性的高頻段，形成一組小慣性群。例如，系統的開環傳遞函數成一組小慣性群。例如，系統的開環傳遞函數為為 ) 1)(1)(1() 1()(321sTsTsTssKsW小慣性環節可以合并 Shanghai unive

47、rsity高頻段高頻段小慣性群小慣性群的近似處理的近似處理 當系統有一組小慣性群時，在一定的條件下，可以將它們當系統有一組小慣性群時，在一定的條件下，可以將它們近似地看成是一個小慣性環節，其時間常數等于小慣性群近似地看成是一個小慣性環節，其時間常數等于小慣性群中各時間常數之和。中各時間常數之和。 1)(1) 1)(1(13232sTTsTsT例如例如：近似條件近似條件32c31TT323223222323232232321,11, 11)(1)()1 (1) 1)(1(1TTTTTTTTTTjTTjTTTjjTcc一般認為即，條件： Shanghai university（2）高階系統的降階近

48、似處理）高階系統的降階近似處理三階系統三階系統a，b，c都是正數，且都是正數，且bc a，即系統是穩定的。，即系統是穩定的。降階處理：忽略高次項，得近似的一階系統降階處理：忽略高次項，得近似的一階系統近似條件近似條件 1)(23csbsasKsW(2-50) 1)(csKsW(2-51) ),1min(31cacb(2-52) Shanghai university（3）低頻段大慣性環節的近似處理）低頻段大慣性環節的近似處理 時間常數特別大的慣性環節，可以近似為積分環節，時間常數特別大的慣性環節，可以近似為積分環節，即即 11TsTs1近似條件近似條件 T3c(2-53) Shanghai u

49、niversityc對頻率特性的影響對頻率特性的影響低頻段大慣性環節近似處理對頻率特性的影響低頻段大慣性環節近似處理對頻率特性的影響 低頻時把特性a近似地看成特性b Shanghai university2.4 2.4 按工程設計方法設計雙閉環系統的調節器按工程設計方法設計雙閉環系統的調節器 系統設計的一般原則：系統設計的一般原則： “先內環后外環先內環后外環”從內環開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計從內環開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器。系統中的一個環節，再設計轉速調節

50、器。 Shanghai university-IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+E Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 Tons+1U*n(s)n(s)電流環圖圖2-22 雙閉環調速系統的動態結構框圖雙閉環調速系統的動態結構框圖 轉速、電流雙閉環調速系統轉速、電流雙閉環調速系統E(s)增加了濾波環節增加了濾波環節 Shanghai university設計分為以下幾個步驟：設計分為以下幾個步驟：1.電流環結構圖的簡化；電流環結構圖的簡化；2.電流調節器結構的選擇；電流調節器結構的選擇；3.電

51、流調節器的參數計算；電流調節器的參數計算；4.電流調節器的實現；電流調節器的實現；5. 檢驗近似條件。檢驗近似條件。一。一。 電流調節器的設計電流調節器的設計 Shanghai university1. 電流環結構圖的簡化電流環結構圖的簡化簡化內容簡化內容 忽略反電動勢的動態影響忽略反電動勢的動態影響 等效成單位負反饋系統等效成單位負反饋系統 小慣性環節近似處理小慣性環節近似處理 Shanghai universityUd0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s) Tois+11 Tois+1（1）忽略反電動勢的動態影響）忽略反電動勢的

52、動態影響 暫不考慮反電動勢變化的動態影響，電流環如下圖所示。暫不考慮反電動勢變化的動態影響，電流環如下圖所示。簡化條件簡化條件：cilmciTT13電流環截止頻率電流環截止頻率 Shanghai university 給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效地移到環內，同時給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效地移到環內，同時把給定信號改成把給定信號改成U*i(s) / ，則電流環便等效成單位負反饋，則電流環便等效成單位負反饋系統系統。 +-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s) Tois+1圖2-23b等效成單位負反饋系統等效成單位負反饋系統 Shanghai

53、 university Ts 和和 T0i 一般都比一般都比Tl 小得多，可以近似為一個慣小得多，可以近似為一個慣性環節，其時間常數為性環節，其時間常數為 Ti = Ts + Toi (2-55) 簡化的近似條件為簡化的近似條件為 oisci131TT(2-56) （2）小慣性環節近似處理）小慣性環節近似處理 Shanghai university+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)圖2-23c電流環結構圖電流環結構圖 Shanghai university2

54、.電流調節器結構的選擇電流調節器結構的選擇典型系統的選擇：典型系統的選擇：采用采用 I 型系統型系統電流調節器選擇：電流調節器選擇：PI型的電流調節器，傳遞函數型的電流調節器，傳遞函數ssKsWiiiACR) 1()(（2-57） Ki 電流調節器的比例系數；電流調節器的比例系數； iR1C 電流調節器的超前時間常數電流調節器的超前時間常數。 Shanghai university+-Uc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-Uc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)ssKiii1 Shanghai university3

55、. 電流調節器的參數計算電流調節器的參數計算 調節器零點與控制對象的大時間常數極點對消調節器零點與控制對象的大時間常數極點對消 則電流環的動態結構圖便成為典型則電流環的動態結構圖便成為典型系統系統，其中，其中lTiRKKKisiI+-Uc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-Uc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)ssKiii1 Shanghai university3. 電流調節器的參數計算電流調節器的參數計算(續）續） 如希望電流超調量如希望電流超調量 i 5%，選選 =0.707，KI T i =0.5，則，則ic

56、iI21TK)(22isisiTTKRTKRTKll根據性能要求查典型根據性能要求查典型I型系統跟隨性能指標與參數的關系表型系統跟隨性能指標與參數的關系表,查出查出KT值，因值，因T已知，計算已知，計算K。RKKKisiI Shanghai universityK I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s)圖2-24 校正成典型I型系統的電流環 a) 動態結構框圖動態結構框圖 b) 開環對數幅頻特性開環對數幅頻特性: 校正后電流環的結構和特性校正后電流環的結構和特性1OL/dBci-20dB/dec /s-1-40dB/decTi Shanghai university4. 電流調節器的

57、實現電流調節器的實現 模擬式電流調節器電路模擬式電流調節器電路圖中圖中: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 電力電子變換器的電力電子變換器的控制電壓?？刂齐妷骸D2-25 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器 Shanghai university電流調節器電路參數的計算公式電流調節器電路參數的計算公式0iiRRK iiiCRoi0oi41CRT (2-62) (2-63) (2-64) Shanghai university5。檢驗近似條件：。檢驗近似條件：計算電流環截止頻率：計算電流環截止頻率：（1）電力電子變換器純滯后的近似處理：電力電子變

58、換器純滯后的近似處理：（2）忽略反電動勢變化對電流環的動態影響：忽略反電動勢變化對電流環的動態影響：（3）電流環小慣性群的處理：電流環小慣性群的處理：sciT31lmciTT13oisci131TTIciK Shanghai university設計步驟：設計步驟：1.電流環的等效閉環傳遞函數；電流環的等效閉環傳遞函數；2.轉速調節器結構的選擇；轉速調節器結構的選擇；3.轉速調節器參數的選擇；轉速調節器參數的選擇；4.轉速調節器的實現；轉速調節器的實現；5. 校驗近似條件。校驗近似條件。二。二。 轉速調節器的設計轉速調節器的設計 Shanghai university1. 電流環的等效閉環傳遞

59、函數電流環的等效閉環傳遞函數電流環閉環傳遞函數電流環閉環傳遞函數 111) 1(1) 1(/ )()()(I2IiiIiI*idclisKsKTsTsKsTsKsUsIsW(2-65) K I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s) Shanghai university忽略高次項，上式可降階近似忽略高次項，上式可降階近似為為 111)(IclisKsW(2-66) iIcn31TK近似條件近似條件可由式（可由式（2-52）求出）求出 (2-67) 式中式中 cn 轉速環開環頻率特性的截止頻率轉速環開環頻率特性的截止頻率。 電流環的傳遞函數簡化電流環的傳遞函數簡化: Shanghai u

60、niversity111)()()(Icli*idsKsWsUsI(2-68) 電流環等效傳遞函數電流環等效傳遞函數 原來雙慣性環節的電流環控制對象，經閉環控原來雙慣性環節的電流環控制對象，經閉環控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數的一制后，可以近似地等效成只有較小時間常數的一階慣性環節。階慣性環節。 Shanghai university電流閉環控制的意義電流閉環控制的意義 電流閉環控制改造了控制對象，加快了電電流閉環控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環（內環）控流的跟隨作用，這是局部閉環（內環）控制的一個重要功能。制的一個重要功能。 Shanghai universi