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1、第1篇直流调速系统,电力拖动自动控制系统-运动控制系统,2023/2/6,1,第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统,电力拖动自动控制系统-运动控制系统,2023/2/6,2,内容提要,转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型 转速、电流反馈控制直流调速系统调节器的工程设计方法 MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制的直流调速系统的仿真,2023/2/6,3,3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性,对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁
2、转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。,2023/2/6,4,2023/2/6,5,图3-1 时间最优的理想过渡过程,3.1.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成,应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。,2023/2/6,6,3.1.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成,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去
3、控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统）。,2023/2/6,7,3.1.2 稳态结构图与参数计算,2023/2/6,8,图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图,1.稳态结构图和静特性,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，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；,2023/2/6,9,1.稳态结构图和静特性,当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性
4、调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。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。,2023/2/6,10,2023/2/6,11,图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图,转速调节器不饱和两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。,2023/2/6,12,转速调节器饱和ASR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。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,2023/2/6,13,AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm,n=n0。BC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm,nn0
5、。,2023/2/6,14,图3-4 双闭环直流调速系统的静特性,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。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。,2023/2/6,15,采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。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。,2023/2/6,16,2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,2023/2/6,17,根据各调节器的给定与反馈
6、值计算有关的反馈系数：转速反馈系数 电流反馈系数 两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。,2023/2/6,18,3.2 转速、电流反馈控制直流调速系统的数学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,2023/2/6,19,图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图,3.2.2 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析,对调速系统而言，被控制的对象是转速。跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。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。,2023/2/6,20,1起动过程分析,
7、电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n*。起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。,2023/2/6,21,2023/2/6,22,图3-6双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形,第阶段：电流上升阶段（0t1）电流从0到达最大允许值Idm,2023/2/6,23,在t=0时，系统突加阶跃给定信号Un*，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下，Id很快上升，在Id上升到Idl之前，电动机转矩小
8、于负载转矩，转速为零。当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id=Idm，Ui=U*im。,2023/2/6,24,第阶段:恒流升速阶段（t1t2）Id基本保持在Idm,电动机加速到了给定值n*。,2023/2/6,25,ASR调节器始终保持在饱和状态，转速环仍相当于开环工作。系统表现为使用PI调节器的电流闭环控制，电流调节器的给定值就是ASR调节器的饱和值U*im，基本上保持电流Id=Idm不变，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是
9、Id略低于Idm。,2023/2/6,26,第阶段：转速调节阶段（t2以后）起始时刻是n上升到了给定值n*。,2023/2/6,27,n上升到了给定值n*，Un=0。因为IdIdm，电动机仍处于加速过程，使n超过了n*，称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了Un0，ASR退出饱和状态，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。,2023/2/6,28,在t3t4时间内，Id Idl，转速由加速变为减速，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡的过程。在第阶段中，ASR和ACR都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统。,2023/2/6,29,
10、双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制 转速超调 准时间最优控制,2023/2/6,30,2动态抗扰性能分析,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。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，闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关。,2023/2/6,31,抗负载扰动负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，要求有较好的抗扰性能指标。,2023/2/6,32,图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用,抗电网电压扰动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。在双闭环系统
11、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。,2023/2/6,33,图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用,1.转速调节器的作用,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,如果采用PI调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。,2023/2/6,34,2.电流调节器的作用,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。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。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，系统立即自
12、动恢复正常。,2023/2/6,35,3.3 转速、电流反馈控制直流调速系统的设计,3.3.1 控制系统的动态性能指标在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能。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抗扰性能指标。,2023/2/6,36,1、跟随性能指标,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，此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间。,2023/2/6,37,2023/2/6,38,上升时间,峰值时间,调节时间,超调量,图3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标,2
13、抗扰性能指标,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F之后，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。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。,2023/2/6,39,2023/2/6,40,动态降落,恢复时间,图3-9 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标,3.3.2 调节器的工程设计方法,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。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。,2023/2/6,41,3.3.2
14、调节器的工程设计方法,调节器工程设计方法所遵循的原则是：概念清楚、易懂；计算公式简明、好记；不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。,2023/2/6,42,3.3.2 调节器的工程设计方法,调节器工程设计过程：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求,2023/2/6,43,控制系统的开环传递函数都可以表示成分母中的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。,2023/2/
15、6,44,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。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。,2023/2/6,45,用频率法设计自动控制系统基本思路根据生产机械和工艺要求，确定系统动、静态性能指标；根据性能指标求得相应的预期开环对数频率特性；根据预期开环对数频率特性和控制对象固有特性，确定调节器的结构和参数。,2023/2/6,46,开环对数频率特性,2023/2/6,47,中频段以
16、-20dB/dec的斜率穿越0dB，且应有一定频带宽度，以保证系统稳定性；截止频率（或称剪切频率）应尽可能大一些，以提高系统快速性；低频段的斜率陡、增益要高，以保证系统稳态准确高；高频段衰减要快一些，以提高系统抗干扰能力；系统要有足够的稳定余量，用相角裕度，以保证系统动态过程振荡弱、超调小。,2023/2/6,48,1典型型系统,作为典型的I型系统，其开环传递函数选择为 式中，T系统的惯性时间常数；K系统的开环增益。,2023/2/6,49,1典型型系统,对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。只包含开环增益K和时间
17、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。,2023/2/6,50,2023/2/6,51,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,典型型系统的对数幅频特性的幅值为得到相角裕度为K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。在选择参数 K时，须在快速性与稳定性之间取折衷。,2023/2/6,52,（1）动态跟随性能指标,典型型系统的闭环传递函数为 自然振荡角频率；阻尼比。1，过阻尼的单调特性；=1，临界阻尼。过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻
18、尼，即 0 1。,2023/2/6,53,超调量上升时间 峰值时间,2023/2/6,54,当调节时间在、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,2023/2/6,55,2023/2/6,56,表3-1 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系,（2）动态抗扰性能指标,影响到参数K的选择的第二个因素是它和抗扰性能指标之间的关系，典型型系统已经规定了系统的结构，分析它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用点，某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的扰动作用点。,2023/2/6,57,电压扰动作用点前后各有一个一阶惯性环节，采用PI调节器,2023/2/6,58
19、,图3-11 电流环的在电压扰动作用下的动态结构图,在只讨论抗扰性能时，令输入变量R=0，将输出量写成C,2023/2/6,59,在阶跃扰动下，得到在选定KT=0.5时，,2023/2/6,60,阶跃扰动后输出变化量的动态过程函数为式中 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过程曲线。,2023/2/6,61,在计算抗扰性能指标时，为了方便起见，输出量的最大动态降落Cmax用基准值Cb的百分数表示，所对应的时间tm用时间常数T的倍数表示，允许误差带为5%Cb时的恢复时间tv也用T的倍数表示。取开环系统输出值作为基准值，即 Cb=Fk2,2023/2/6,62,
20、2023/2/6,63,表3-2 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系,2.典型型系统,典型型系统的开环传递函数表示为典型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。定义中频宽：中频宽表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度，是一个与性能指标紧密相关的参数。,2023/2/6,64,2023/2/6,65,图3-13典型型系统(a)闭环系统结构图(b)开环对数频率特性,改变K相当于使开环对数幅频特性上下平移，此特性与闭环系统的快速性有关。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。,2023/2/6,66,采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，
21、可以找到和两个参数之间的一种最佳配合。,2023/2/6,67,2023/2/6,68,表3-3 不同h值时Mrmin值及最佳频比,Mr 1.21.5,在确定了h之后，可求得,2023/2/6,69,（1）动态跟随性能指标,按Mr最小准则选择调节器参数，典型型系统的开环传递函数为系统的闭环传递函数,2023/2/6,70,当R(t)为单位阶跃函数时，则,2023/2/6,71,2023/2/6,72,表3-4 典型型系统阶跃输入跟随性能指标(按Mrmin准则确定参数关系),以h=5的动态跟随性能比较适中,（2）动态抗扰性能指标,2023/2/6,73,图3-14 转速环在负载扰动作用下的动态结
22、构框图,在扰动作用点前后各有一个积分环节，用作为一个扰动作用点之前的控制对象,2023/2/6,74,图3-15 典型型系统在一种扰动作用下的动态结构图,2023/2/6,75,图3-15 典型型系统在一种扰动作用下的动态结构图,在阶跃扰动下，,按Mrmin准则确定参数关系取2T时间内的累加值作为基准值Cb=2FK2T,2023/2/6,76,2023/2/6,77,表3-5 典型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，参数关系符合 准则）,由表3-5中的数据可见，值越小，也越小，都短，因而抗扰性能越好。但是，当 时，由于振荡次数的增加，再小，恢复时间 反而
23、拖长了。是较好的选择，这与跟随性能中调节时间 最短的条件是一致的（见表3-4）。,2023/2/6,78,典型I型系统和典型型系统在稳态误差上有区别。典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差。典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。这些是设计时选择典型系统的重要依据。,2023/2/6,79,3.控制对象的工程近似处理方法,（1）高频段小惯性环节的近似处理当高频段有多个小时间常数T1、T2、T3 的小惯性环节时，可以等效地用一个小时间常数T的惯性环节来代替。其等效时间常数为T=T1+T2+T3+考察一个有2个高频段小惯性环节的开环传递函数其中T1、T2为小时间常数。,202
24、3/2/6,80,3.控制对象的工程近似处理方法,它的频率特性为近似处理后的近似传递函数，其中T=T1+T2，它的频率特性为,2023/2/6,81,2023/2/6,82,T=T1+T2,图3-16高频段小惯性群近似处理对频率特性的影响,近似相等的条件是。在工程计算中，一般允许有10%以内的误差，近似条件可写成有三个小惯性环节，其近似处理的表达式近似的条件为,2023/2/6,83,（2）高阶系统的降阶近似处理,三阶系统a，b，c都是正数，且bc a，即系统是稳定的。降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统近似条件,2023/2/6,84,（3）低频段大惯性环节的近似处理,当系统中存在一个时间
25、常数特别大的惯性环节时，可以近似地将它看成是积分环节大惯性环节的频率特性为近似成积分环节，其幅值应近似为 近似条件是：,2023/2/6,85,2023/2/6,86,在低频段，把特性a近似地看成特性b。,图3-17 低频段大惯性环节近似处理对频率特性的影响,某反馈控制系统校正成典型I型系统，已知时间常数T0.1s,阶跃响应超调量10%，求系统的开环增益，计算过渡过程时间ts和上升时间tr。绘制开环对数幅频特性。如果要求上升时间小于0.25s，则：K=?，=?,2023/2/6,87,2023/2/6,88,表3-1 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系,由表3-1知，10%，应使
26、KT0.69,2023/2/6,89,要使 tr0.25s，T0.1s,tr2.5T可知KT=1此时=16.3%,2023/2/6,90,某系统采用典型II型系统，要求频域动态指标为：c=30（1/s）,Mrmin1.5，求系统的预期开环对数幅频特性，开环传递函数以及阶跃响应的超调量和过渡过程时间。如果时间常数T不变，改取h=9，则开环对数幅频特性如何变化？试求系统能够达到的频域和时域指标。两者相比，在快速性和稳定性上各有什么变化？,2023/2/6,91,由表3-3知，为使Mrmin1.5，则h5，取h=5,2023/2/6,92,2023/2/6,93,2023/2/6,94,于是预期开环
27、对数幅频特性见图,2023/2/6,95,2023/2/6,96,若T不变，h=9，由表查得：,2023/2/6,97,对比开环对数幅频特性,2023/2/6,98,指标c=27.8（1/s），Mrmin=1.25h变大以后，快速性降低，ts增大，减小。,2023/2/6,99,3.3.3按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器,基本思路:将控制对象校正成为典型系统,2023/2/6,100,3.3.3按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器,校正成典型 I型系统时调节器的选择（跟随性好）校正成典型II型系统时调节器的选择（抗扰性好）,2023/2/6,101,
28、3.3.3按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器,校正成典型I型系统时，调节器的选择设控制对象有两个惯性环节：采用PI调节器，其传递函数：,2023/2/6,102,3.3.3按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器,校正成典型I型系统时，调节器的选择,2023/2/6,103,3.3.3按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器,校正成典型II型系统时，调节器的选择,2023/2/6,104,3.3.3按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器,校正成典型II型系统时，调节器的选择,2023/2/6,105,3.3.3按工程设计方
29、法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器,2023/2/6,106,3.3.3按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器,用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，,2023/2/6,107,3.3.3按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器,再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。,2023/2/6,1
30、08,2023/2/6,109,图3-18 双闭环调速系统的动态结构图,1电流调节器的设计,反电动势与电流反馈的作用相互交叉，给设计工作带来麻烦。转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，。,2023/2/6,110,1电流调节器的设计,忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 式中ci电流环开环频率特性的截止频率。,2023/2/6,111,2023/2/6,112,图3-19 电流环的动态结构图及其化简(a)忽略反电动势的动态影响,把给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，再把给定信号改成，
31、则电流环便等效成单位负反馈系统。,2023/2/6,113,图3-19 电流环的动态结构图及其化简(b）等效成单位负反馈系统,Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以近似为一个惯性环节，其时间常数为 Ti=Ts+Toi 简化的近似条件为,2023/2/6,114,图3-19 电流环的动态结构图及其化简(c）小惯性环节近似处理,典型系统的选择：采用 I 型系统电流调节器选择：PI型的电流调节器，Ki 电流调节器的比例系数；i 电流调节器的超前时间常数。电流环开环传递函数,2023/2/6,115,因为 TiTi，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，希望电流超调量i 5%
32、，选=0.707，KI Ti=0.5，则,2023/2/6,116,2023/2/6,117,图3-20 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,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。,2023/2/6,118,按典型型系统设计的电流环的闭环传递函数为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,2023/2/6,119,降价近似条件为 式中，cn转速环开环频率特性的截止频率。,2023/2/6,120,电流环在转速环中等效为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
33、阶惯性环节，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。,2023/2/6,121,例题3-1,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；电流反馈系数：=0.05V/A（10V/1.5IN）设计要求 设计电流调节器，要求电流超调量,2023/2/6,122,1）确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s。电流滤波时间常数Toi=2
34、ms=0.002s。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。,2023/2/6,123,2）选择电流调节器结构要求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。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。,2023/2/6,124,3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Ti=0.03s。电流环开环增益：取KiTi=0.5，ACR的比例系数为,2023/2/6,125,4）校验近似条件电流环截止频率ci=KI=135.1s-1校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件校验
35、忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件,2023/2/6,126,校验电流环小时间常数近似处理条件5）计算调节器电阻和电容,2023/2/6,127,2转速调节器的设计,2023/2/6,128,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,2转速调节器的设计,2023/2/6,129,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,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)/，把时间常数为 1/KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并,2023/2/6,130,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
36、，IdL(s)是负载扰动。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。转速开环传递函数应有两个积分环节，按典型型系统设计。ASR采用PI调节器,2023/2/6,131,Kn 转速调节器的比例系数；n 转速调节器的超前时间常数。,调速系统的开环传递函数为令转速环开环增益KN为则,2023/2/6,132,2023/2/6,133,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,无特殊要求时，一般以选择h=5 为好,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。,2023/2/6,134,例题3-2,在例题3-
37、1中，除已给数据外，已知：转速反馈系数=0.07Vmin/r（10V/nN），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节器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。,2023/2/6,135,1）确定时间常数电流环等效时间常数。由例题3-1，已取KITi=0.5，则 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。转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取,2023/2/6,136,2）选择转速调节器结构选用PI调节器3）计算转速调节器参数取h=5，则ASR的超前时间常数为转速环开环增益：ASR的比例系数为,2023/2/6,137,
38、4）检验近似条件转速环截止频率为电流环传递函数简化条件转速环小时间常数近似处理条件,2023/2/6,138,5）计算调节器电阻和电容取470k取0.2 F 取1F,2023/2/6,139,6）校核转速超调量当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。,2023/2/6,140,3转速调节器退饱和时转速超调量的计算,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
39、负载电流Idl。ASR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。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后的超调，称作“退饱和超调”。,2023/2/6,141,假定调速系统原来是在Idm的条件下运行于转速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，突减负载的速升过程与退饱和超调过程是完全相同的。,2023/2/6,142,2023/2/6,143,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,只考虑稳态转速n*以上的超调部分，n=n-n*，坐标
40、原点移到O点，,2023/2/6,144,图3-25 调速系统的等效动态结构图(a)以转速n为输出量,初始条件则转化为,2023/2/6,145,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,2023/2/6,146,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)，图中Id和IdL的+、-号都作了相应的变化。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，,2023/2/6,147,在典型II型系统抗扰性能指标中，C的基准值是n的基准值是,2023/2/6,148,作为转速超调量n%，其
41、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 电动机允许的过载倍数，z负载系数，,2023/2/6,149,例题3-3,试按退饱和超调量的计算方法计算例题3-2中调速系统空载起动到额定转速时的转速超调量，并校验它是否满足设计要求。解 当h=5时，由表2-7查得,2023/2/6,150,从例题3-1，3-2，3-3的计算结果来看，有三个问题是值得注意的。（1）转速的退饱和超调量与稳态转速有关按线性系统计算转速超调量时，当h选定后，不论稳态转速n*有多大，超调量n%的百分数都是一样的。按照退饱和过程计算超调量，其具体数值与n*有关,2023/2/6,151,（2）
42、反电动势对转速环和转速超调量的影响。反电动势的动态影响对于电流环来说是可以忽略的。对于转速环来说，忽略反电动势的条件就不成立了。好在反电动势的影响只会使转速超调量更小，不考虑它并无大碍。,2023/2/6,152,（3）内、外环开环对数幅频特性的比较外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。,2023/2/6,153,图3-26 双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性I电流内环 n转速外环,某三相零式可控硅整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统，基本数据如下：1）直流电动机：60KW，220V，305A，1000r/m，Ce=0.2Vm/r；2）主回路电阻：R=0.
43、18；3）UPE放大倍数：Ks=30；4）电磁时间常数：Tl=0.012s；机电时间常数：Tm=0.12s；,2023/2/6,154,5)反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，Ton=0.0141s；6)额定转速时的给定电压：Un*=15V；7)ASR饱和输出电压Uim*=12V；8)系统的调速范围：D=10。试计算：1）假定起动电流限制在300A以内，求反馈系数和,2023/2/6,155,2）系统的静、动态指标为：无静差，i%5%；起动到额定转速时，n%10%。设计ACR、ASR，画出电路图，并计算R、C参数，设调节器输入回路电阻R0=40K（BG305运放）；3）计算起动到最低速时
44、的超调量；4）计算空载起动到额定转速的时间。,2023/2/6,156,解：1）,2）ACR：,，校正成典型I型系统，设,三相零式整流电路：,ASR：为保证系统无静差，ASR采用PI调节器，设,按照跟随性和干扰性均较好原则，速度环校正成典型II型系统，取h=5。,取330K,取30.47F,，n*=1000r/m,采用以上参数，计算ASR退饱和超调量：,10%满足要求。,3)起动到最低转速时，速度超调量为：,4）空载起动到额定转速时的时间为：,3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真,采用了转速、电流反馈控制直流调速系统，设计者要选择ASR和ACR两个调节器的PI参数，有效的方法是使用调节
45、器的工程设计方法。工程设计是在一定的近似条件下得到的，再用MATLAB仿真软件进行仿真，可以根据仿真结果对设计参数进行必要的修正和调整。,2023/2/6,164,3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真,2023/2/6,165,3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真,2023/2/6,166,3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真,PI参数是根据例题3-1计算的结果设定 在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于200A，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动。,2023/2/6,167,3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真,PI调节器的传递函数为,2023/2/
46、6,168,3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真,PI调节器的传递函数为,2023/2/6,169,3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真,2023/2/6,170,3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真,2023/2/6,171,3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真,ASR调节器传递函数为双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10,2023/2/6,172,3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真,把负载电流设置为136，满载起动,2023/2/6,173,3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真,利用转速环仿真模型同样可以对转速环抗扰过程进行仿真，它是在负载电流IdL(s)的输入端加上负载电流图3-36是在空载运行过程中受到了额定电流扰动时的转速与电流响应曲线。,2023/2/6,174,在工程设计时，首先根据典型I型系统或典型型系统的方法计算调节器参数，然后利用MATLAB下的SIMULINK软件进行仿真，灵活修正调节器参数，直至得到满意的结果。,2023/2/6,175,
