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1、哈尔滨工业大学,机电控制技术,第五章 转速电流双闭环直流调速系统,5.1 转速电流双闭环调速系统及其静特性(1)问题的提出,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的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量的基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端；达到稳态转速后，希望只有转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要作用。,5.1 转速电流双闭环调速系统及其静特性,(2)转速电流双闭环调速系统的组成,转速调节器ASR和电流和电流调节器ACR实行串级联接。转速调节
2、器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出控制功放装置的占空比。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外边，叫做外环。,5.1 转速电流双闭环调速系统及其静特性,为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理图如下。其中两个调节器都是带限幅的。转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压是，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器的输出限幅电压，它限制了功放装置的最大输出电压值。,5.1 转速电流双闭环调速系统及其静特性,（3）稳态结构图和静特性分析静特性的关键是掌握两个PI调节器的稳态特征两种情况饱和输出达到限幅值：当调节器饱和时，输
3、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。换句话说，饱和的调节器暂时隔断输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。不饱和输出未达到限幅值：当调节器不饱和时，正如上一张所讲的那样，PI作用使输入偏差电压 在稳态时总是零。,双闭环调速系统的稳态结构图,5.1 转速电流双闭环调速系统及其静特性,实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和的。因此对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1)转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，即,由第一个关系式可得,5.1 转速电流双闭环调速系统及其静特性,2)转速调节器饱和这时，ASR输出达到限
4、幅值，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闭环系统，稳态时,5.1 转速电流双闭环调速系统及其静特性,（4）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，各变量之间的关系为：,5.2 双闭环调速系统的动态性能,（1）动态数学模型,转速电流双闭环直流调速系统动态结构图,5.2 双闭环调速系统的动态性能,（2）起动过程分析,双闭环直流调速系统起动过程的三个特点：饱和非线性控制准时间最优控制转速必然有超调,5.2 双闭环调速系统的动态性能,（3）动态性能和两个调节器的作用动态跟踪性能：双闭环调速系统在起动和升速过程
5、中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。对于电流内环来说，在设计调节器时应强调有良好的跟随性能。动态抗扰性能抗负载扰动：只能靠ASR，要求系统具有良好的抗扰指标。抗电网电压波动：反应比单闭环快很多。,5.2 双闭环调速系统的动态性能,3)两个调节器的作用转速调节器的作用*使转速跟随给定电压的变化，稳态无静差*对负载变化起抗扰作用*其输出限幅值决定允许的最大电枢电流b.电流调节器的作用*对电网电压波动起及时抗扰作用*起动时保证获得最大允许的电枢电流*在转速调节过程中，使电流跟随其电流给定电压的变化*当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用
6、。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。,5.3 调节器的工程设计方法,1.工程设计方法的基本思路第一步：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：选择调节器的参数，以满足动态性能指标。在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据计算一下就可以了。这样做就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。2.典型系统一般说来，许多控制系统的开环传递函数都可用下式表示,5.3 调节器的工程设计方法,I型和II型系统的结构还是多种多样的，这里我们各选一种作为典型。(1)典型I型系统：其开环传递函数为,
7、特点是结构简单，而且对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只要参数选择能保证足够的中频带宽度，则系统一定稳定，而且有足够的稳定裕度。显然，应保证：,5.3 调节器的工程设计方法,(2)典型II型系统：最简单而且稳定的一种结构的开环传递函数为,对数幅频特性的中频段也以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线。显然，分子上的一个比例微分环节是非常必要的。要保证这样的特性，应有：,5.3 调节器的工程设计方法,3.典型I型系统参数和性能指标的关系,典型I型系统的开环传递函数中有两个参数，开环增益K和时间常数T。实际上，时间常数T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
8、益K。,5.3 调节器的工程设计方法,a.稳态跟随性能指标 I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差,b.动态跟随性能指标典型I型系统是一种二阶系统，二阶系统闭环传递函数的一般形式为：,5.3 调节器的工程设计方法,5.3 调节器的工程设计方法,5.3 调节器的工程设计方法,5.3 调节器的工程设计方法,5.3 调节器的工程设计方法,4.典型II型系统参数和性能指标的关系,典型II型系统的开环传递函数中有三个参数，开环增益K、时间常数T和。实际上，时间常数T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K和时间常数，这就增加了选择复杂性。为了分析方便，引入一个新的变量h，令,典型II型
9、系统的开环对数幅频特性和中频宽,5.3 调节器的工程设计方法,在工程设计中，如果两个参数都任意选择，就需要比较多的图表和数据，这样做虽然可以针对不同情况来选择参数，以便获得比较理想的动态性能，但终究不太方便。因此，如果能够在两个参数之间找到某种对动态性能有利的关系，选择其中一个参数就可以计算出另一个参数，那么双参数的设计问题就可以蜕化成但参数设计，使用起来自然就方便多了。当然，这样做对于照顾不同要求、优化动态性能来说，多少是要做出一些牺牲的。,5.3 调节器的工程设计方法,5.3 调节器的工程设计方法,典型II型系统跟随性能指标与参数的关系a.稳态跟随性能指标,5.3 调节器的工程设计方法,b
10、.动态跟随性能指标,5.3 调节器的工程设计方法,5.3 调节器的工程设计方法,5.调节器结构的选择和传递函数的近似处理非典型系统的典型化,在电力拖动自动控制系统中，大多数控制对象配以适当的调节器，就可以校正成典型系统。当然任何典型都不能包罗万象，总有一些实际系统不可能简单地校正成典型系统的形式，这就必须先经过近似地处理，才能使用前述的工程设计方法。(1)调节器结构的选择 采用工程设计方法选择调节器时，应先根据控制系统的要求，确定校正成哪一类典型系统。为此，应该清楚地掌握两类典型系统的主要特征和它们在性能上的区别。两类典型系统的名称本身说明了它们的基本区别I型和II型，分别适合于不同情况的稳态
11、精度要求。除此之外，典型I型系统在动态跟踪性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差；而典型II型系统的超调量相对要大一些，抗扰性能却比较好。如果控制系统既要抗扰能力强，又要阶跃响应超调小，似乎是矛盾的。实际上，在大多数情况下，在突加阶跃给定后的相当一段时间内，转速调节器的输出是饱和的，这样就超出了当初所假定的线性条件，前边所列的数字就不适用了。也就是说，考虑到调节器饱和的因素，实际系统的超调量并没有按线性计算出来的那样大，应该另行计算。确定了要采用哪一种典型系统后，选择调节器的方法就是利用传递函数的近似处理将控制对象与调节器的传递函数配成典型系统的形式。,5.3 调节器的工程设计方法,控制对象是双
12、惯性型的(如右图),用PI调节器将双惯性型对象校正成典型I型系统,5.3 调节器的工程设计方法,b.控制对象是几分双惯性型的(如右图),用PID调节器将积分-双惯性型对象校正成典型II型系统,5.3 调节器的工程设计方法,c.几种校正成典型I型系统的控制对象和调节器结构,5.3 调节器的工程设计方法,5.3 调节器的工程设计方法,d.几种校正成典型II型系统的控制对象和调节器结构,5.3 调节器的工程设计方法,5.3 调节器的工程设计方法,值得指出的是，有时仅靠P、I、PI、PID以及PD几种调节器还难以满足要求，就不得不作一些近似处理，或者采用更为复杂些的控制规律。下面要讲的就是一些环节的近
13、似处理方法。,5.3 调节器的工程设计方法,(2)小惯性环节的近似处理 实际系统中往往有一些小时间常数的惯性环节，例如晶闸管整流装置的滞后时间常数、PWM功率变换装置的调制周期、电流和转速检测的滤波时间常数等等。它们的倒数都处于对数频率特性的高频段，对它么进行近似处理不会显著影响系统的动态性能。例如，若系统的开环传递函数为,5.3 调节器的工程设计方法,工程计算中一般允许10%以内的误差，因此近似条件可以写成,5.3 调节器的工程设计方法,由此可得如下结论：当系统有多个小惯性环节时，在一定条件下，可以近似地将它们看成一个小惯性环节，其时间常数等于原系统各小时间常数之和。,5.3 调节器的工程设
14、计方法,(3)高阶系统的降阶处理 上述小惯性环节的近似处理实际上是一种特殊的降阶处理，把多阶小惯性环节降为一阶小惯性环节。现在讨论更一般的情况，即如何忽略特征方程的高次项。原则上说，当高次项的系数小到一定程度就可以忽略不计。现以三阶系统为例，设,5.3 调节器的工程设计方法,(4)大惯性环节的近似处理 前面已经指出，当系统存在一个时间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，现在分析一下这样近似处理的条件。大惯性环节的频率特性为,5.3 调节器的工程设计方法,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。对转速电流双
15、闭环直流调速系统，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速环的一个环节，再设计转速调节器。双闭环调速系统的动态结构图如下图。与前面不同之处在于增加了电流滤波和转速滤波环节。滤波环节可以抑制反馈信号的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入相同的时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,1.电流调节器的设计(1)电流环结构图的简化 把电流环单独拿出来设计时首先遇到的问题是反电动势产生的交叉反馈作用，它代表转速环输出量对电流环的影响。现在还没有轮到设计转速环，考虑它的影响是比较困难的。好在实
16、际系统中的电磁时间常数一般都远小于机电时间常数，因此电流的调节过程往往比转速的变化快得多，也就是说，比电动势E的变化快得多。反电动势对电流环来说只是一个缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为E基本不变。这样，在设计电流环时，可以暂时不考虑反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈断开，从而得到忽略电动势影响的电流环紧似结构图。如图a所示。再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内，得图b（这就是两个时间常数取值相等的方便之处）。最后，功放装置的时间常数和滤波时间常数都比电磁时间常数小得多，可以当作小惯性环节来处理，看成一个惯性环节，取则电流环结构图最终简化为图c。,5.4 按工程
17、设计方法设计双闭环直流调速系统,当然，这样的简化是有条件的，近似条件为,(2)电流调节器结构的选择 首先应决定要把电流环校正成哪一类型典型系统。电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望有超,调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环校正成典型I型系统。可是电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用，为了提高其抗扰性能，又希望将其校正成典型II型系统。在一般情况下，当电磁时间常数远大于小惯性环节的时间常数时，典型I型系统的抗扰性能还是可以接受的。因此，一般多按典型I型系统设计电流环。,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,如上图
18、c所示，电流环的控制对象是双惯性的。要校正成典型I型系统，显然应该采用PI调节器，其传递函数可以写成,为了让调节器零点对消控制对象的大时间常数极点，选择,则电流环的动态结构图便成为下左图所示的形式，其中,上右图绘出了电流环这时的开环对数幅频特性。,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,(3)电流调节器参数的选择,(4)电流调节器的实现,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,2.转速调节器的设计(1)电流环等效闭环传递函数 前已指出，在设计转速调节器时，可把设计好的电流环看作转速调节系统的一个环节。为此，须求出它的等效闭环传递函数。按
19、前面电流环的设计结果，电流环的等效闭环传递函数为,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,(2)转速调节器结构的选择 用电流环等效环节代替电流闭环后，转速调节系统的动态结构图如下图,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,转速环应该校正成典型II型系统是比较明确的，这首先是基于稳态无静差的要求。由图b可以看出，在扰动作用点以后已经有了一个积分环节，为了实现转速无静差，还必须在扰动作用点之前设置一个积分环节，因此需要II型系统。再从动态性能上看，调
20、速系统首先需要较好的抗扰性能，典型II型系统恰好能满足这个要求。至于典型II型系统阶跃响应超调量大的问题，那是线性条件下的计算数据，实际系统的转速调节器在突加给定后很快会饱和，这个非线性作用会使超调量大大降低。因此大多数调速系统都按典型II型系统进行设计。从图b可以明显看出，要把转速环校正成典型II型系统，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,这样，调速系统的开环传递函数为,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,(3)转速调节器参数的选择,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,(4)转速调节器的实现,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,3.设计举例,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,5.4 按工程设计方法设计双闭环直流调速系统,
