电力拖动自动控制系统：运动控制系统：第三章课件.ppt

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1、转速、电流反馈控制的直流调速系统第 3 章内容提要内容提要n转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性性n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的动态数学模型n转速、电流反馈控制直流调速系统调节器的工程设转速、电流反馈控制直流调速系统调节器的工程设计方法计方法nMATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制直流调速仿真软件对转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真系统的仿真3.1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组成及其静特性1. 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成转速、电流

2、反馈控制直流调速系统的组成n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效率的重要因素；效率的重要因素；n在起动在起动( (或制动或制动) )过渡过程中，希望始终保持电流过渡过程中，希望始终保持电流( (电磁转矩电磁转矩) )为允许的最大为允许的最大值，使调速系统以最大的加值，使调速系统以最大的加( (减减) )速度运行；速度运行；n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。衡，从而迅速转入稳态运行。

3、IdnOtIdmnIdL-Idm时间最优的理想过渡过程时间最优的理想过渡过程 起动电流呈矩形波，转速按起动电流呈矩形波，转速按线性增长。这是在最大电流线性增长。这是在最大电流( (转转矩矩) )受限制时调速系统所能获得受限制时调速系统所能获得的最快的起动的最快的起动( (制动过程制动过程) )。3.1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组成及其静特性1. 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成转速、电流反馈控制直流调速系统的组成n在系统中设置两个调节器，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分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转

4、速和电流和电流；n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控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控制电力电子变换器制电力电子变换器UPEUPE；n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。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形成了转速、电流反馈控制直流调速系统( (简称双闭环系统简称双闭环系统) )。3.1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组成及其静特性1. 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成转速、电流反馈控制直流调

5、速系统的组成UPEMIcUd+-TG+-IdUi*TAACRASRUn*UnUin转速、电流反馈控制直流调速系统原理图转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR-ASR-转速调节器转速调节器 ACR-ACR-电流调节器电流调节器 TG-TG-测速发电机测速发电机3.1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组成及其静特性2. 稳态结构图与参数计算稳态结构图与参数计算n转速调节器转速调节器ASRASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACRACR的输出限幅限制了电力电子变换器的最大输出电压的输出

6、限幅限制了电力电子变换器的最大输出电压；n当调节器饱和时，输出达到了限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非当调节器饱和时，输出达到了限幅值，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；有反向的输入信号使调节器退出饱和；n当调节器不饱和时，当调节器不饱和时，PIPI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零；电压在稳态时为零；n对于静特性来说，有转速调节器饱和与不饱和两种情况，对于静特性来说，有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进电流调节器不进入饱和状态入饱和状态。3.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组

7、成及其静特性转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性Un*UnKsIdRC1Ud0EenASRUi*ACRUc2. 稳态结构图与参数计算稳态结构图与参数计算-稳态结构稳态结构双闭环直流调速系统的稳态结构双闭环直流调速系统的稳态结构 -转速反馈系数转速反馈系数 -电流反馈系数电流反馈系数3.1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组成及其静特性di*i0n*nIUUnnUUdmdLdIII2. 稳态结构图与参数计算稳态结构图与参数计算-转速调节器不饱和转速调节器不饱和n两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。两个调节器都不饱和，稳态时，

8、它们的输入偏差电压都是零。0*nnUn（3-1） 3.1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组成及其静特性dm*imdIUI2. 稳态结构图与参数计算稳态结构图与参数计算-转速调节器饱和转速调节器饱和nASRASR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。产生影响。n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：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：（3-2） nOtn0IdmIdNABC双闭环直流调速系统的静特性双闭环直流调速系统的

9、静特性nABAB段是两个调节器都不饱和时的静特性，段是两个调节器都不饱和时的静特性，I Id dIIdmdm，n=nn=n0 0。nBCBC段是段是ASRASR调节器饱和时的静特性，调节器饱和时的静特性，I Id d=I=Idmdm，nnnn0 03.1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组成及其静特性2. 稳态结构图与参数计算稳态结构图与参数计算-静特性总结静特性总结n在负载电流小于在负载电流小于I Idmdm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用；时表现为转速无静差，转速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I Idmdm时，转

10、速调节器为饱和输出时，转速调节器为饱和输出U U* *imim，电流调节器起主要，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差；调节作用，系统表现为电流无静差；n采用两个采用两个PIPI调节器形成了内、外两个闭环的效果；调节器形成了内、外两个闭环的效果；n当当ASRASR处于饱和状态时，处于饱和状态时，I Id d=I=Idmdm，若负载电流减小，若负载电流减小，I Id dInnn0 0，nn0IIdmdm，电动机仍处于，电动机仍处于加速过程，使加速过程，使n n超过了超过了n n* *，称之为起动过程的转速超调；，称之为起动过程的转速超调；n转速的超调造成了转速的超调造成了U Un n0

11、 0 ，ASRASR退出饱和状态，退出饱和状态，U UI I和和I Id d很很快下降，转速仍在上升，直到时快下降，转速仍在上升，直到时t=tt=t3 3，I Id d=I=IdLdL，转速才到，转速才到达峰值；达峰值；n在在t t3 3tt4 4时间内，时间内，I Id dIIdLdL，转速由加速变为减速，直到稳定；，转速由加速变为减速，直到稳定；n如果调节器参数整定的不够好，也会有一段振荡过程。如果调节器参数整定的不够好，也会有一段振荡过程。n在第在第IIIIII阶段中，阶段中，ASRASR和和ACRACR都不饱和，电流内环是一个电都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统。流随动子系统。2.

12、转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析-起动过程分析起动过程分析n第第IIIIII阶段：转速调节阶段阶段：转速调节阶段(t(t2 2以后以后) )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n双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：n饱和非线性控制；饱和非线性控制；n调节过程中，调节过程中，ASRASR处理饱和和非饱和两种状态，饱和过程中是一种非线性控制。处理饱和和非饱和两种状态，饱和过程中是一种非线性控制。n转速超调；转速超调

13、；n采用采用PIPI调节器，转速必然会有超调，如果不允许超调，要采用其它措施。调节器，转速必然会有超调，如果不允许超调，要采用其它措施。n准时间最优控制。准时间最优控制。n起动过程中采用恒流控制，是时间最优控制。但是电流不能突变，存在起动过程中采用恒流控制，是时间最优控制。但是电流不能突变，存在I I和和IIIIII两两个电流变化阶段，故可称为准时间最优。个电流变化阶段，故可称为准时间最优。2.转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析-起动过程分析起动过程分析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转速、电流反馈控制直流调速系

14、统的数学模型与动态过程分析2.转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析-动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析n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，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，具有比较满意的动态性能；具有比较满意的动态性能；n对于调速系统，另一个重要的动态性能是抗扰性能：包括抗负载扰动和对于调速系统，另一个重要的动态性能是抗扰性能：包括抗负载扰动和抗电网扰动；抗电网扰动；n闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关。闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关。3.2转速、电流反馈控制直流调速系统的

15、数学模型与动态过程分析转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析1)1)抗负载扰动抗负载扰动2.转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析-动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析n负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASRASR来产生抗负载扰动作来产生抗负载扰动作用；用；n设计设计ASRASR时，要求有较好的抗扰性能指标。时，要求有较好的抗扰性能指标。直流调速系统的动态抗扰性能直流调速系统的动态抗扰性能Un*WKsIdLIdnTs+1ASR1/RsTl+1sRmsT1eC(s)WACR(s)-U

16、nUi*UiUcUd0E3.2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2)2)抗电网压扰动抗电网压扰动2.转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析-动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析n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；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；n在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。多。直流调速系统的动态抗扰性能直流调速系统的

17、动态抗扰性能Un*WKsIdnTs+1ASR1/RsTl+1sRmsT1eC(s)WACR(s)UnUi*UiUcUd0E-d U3.2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1)1)转速调节器的作用转速调节器的作用2.转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析-调节器的作用调节器的作用n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，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，如果采用如果采用PIPI调节器，则可实现无静差；调节器，则可实现

18、无静差；n对负载变化起抗扰作用；对负载变化起抗扰作用；n其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。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2)2)电流调节器的作用电流调节器的作用2.转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析-调节器的作用调节器的作用n在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压( (即外环调节器的即外环调节器的输出量输出量) )变化；变化；n对电网电压的波动起及时抗扰作用；

19、对电网电压的波动起及时抗扰作用；n在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流；在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流；n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，系统立即自动恢复正常。作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计1.控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标n在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能；在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能；n静态性能已在静态性能已在2.2

20、.12.2.1在进行了讨论；在进行了讨论；n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以扰动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以扰动输入信号的抗扰性能指标。输入信号的抗扰性能指标。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计COttpC(t)trtsCmaxC5%(或2%)1.控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标-跟随性能指标跟随性能指标n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；随过程；n此跟随过程的输出量动态响应称为阶跃响应

21、；此跟随过程的输出量动态响应称为阶跃响应；n常用的阶跃响应跟随性能指标有：常用的阶跃响应跟随性能指标有：上升时间、超调量和调节时间上升时间、超调量和调节时间。上升时间，表示动态响应的快速性。峰值时间超调量，表示系统的相对稳定性%100maxCCC调节时间，既反映快速性，又映稳定性3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计1.控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标-跟随性能指标跟随性能指标 1) 1)上升时间上升时间t tr r：在阶跃响应中，输出量从零起第一次上升到稳态值：在阶跃响应中，输出量从零起第一次上升到稳态值C C所所需的时间称为上升时间，它反

22、映动态响应的快速性。需的时间称为上升时间，它反映动态响应的快速性。 2)2)超调量超调量：在阶跃响应中了，输出量超出稳态值的最大偏差与稳态值：在阶跃响应中了，输出量超出稳态值的最大偏差与稳态值之比的百分值。之比的百分值。 3)3)调节时间调节时间t ts s：在阶跃响应中，输出衰减到与稳态值之差进入：在阶跃响应中，输出衰减到与稳态值之差进入5%5%或或2%2%允许范围之内所需的最小时间称为调节时间，又称过渡过程时间。调节允许范围之内所需的最小时间称为调节时间，又称过渡过程时间。调节时间用来衡量系统整个调节过程的快慢，时间用来衡量系统整个调节过程的快慢，t ts s小，表示系统的快速性好。小，表

23、示系统的快速性好。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计1.控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标-抗扰性能指标抗扰性能指标n当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量降低当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量降低( (或上升或上升) )的扰动量的扰动量F F之之后，输出量由降低后，输出量由降低 ( (或上升或上升) )到恢复到稳态值的过渡过程就是一个抗扰过到恢复到稳态值的过渡过程就是一个抗扰过程；程；n常用的抗扰性能指标有：常用的抗扰性能指标有：动态降落和恢复时间动态降落和恢复时间。C1OtC(t)tmtvCmaxCb5%(或2%)C2F恢复时间

24、动态降落最大动态降落时间3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计1.控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标-抗扰性能指标抗扰性能指标 1) 1)动态阶落动态阶落CCmaxmax% %：系统稳定运行时，突加一定数值的阶跃扰动后所引：系统稳定运行时，突加一定数值的阶跃扰动后所引起的输出量最大降落，用原稳态值起的输出量最大降落，用原稳态值C C11的百分数表示，叫做动态降落。的百分数表示，叫做动态降落。 2)2)恢复时间恢复时间t tv v：从阶跃扰动作用开始，到输出量恢复到新稳态值：从阶跃扰动作用开始，到输出量恢复到新稳态值C C22之差之差进入某基准量

25、进入某基准量C Cb b的的5%(5%(或或2%)2%)范围之内所需的时间，称为恢复时间。其中范围之内所需的时间，称为恢复时间。其中C Cb b称为抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况选定。称为抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况选定。 3)3)最大动态降落时间最大动态降落时间t tm m：从阶跃扰动作用开始，到输出量达到最大偏移：从阶跃扰动作用开始，到输出量达到最大偏移量所需的时间，称为最大动态降落时间。量所需的时间，称为最大动态降落时间。 3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法n工程设计方法：工程设计方法：

26、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。表来进行参数计算，设计过程简便得多。n调节器工程设计方法所遵循的原则：调节器工程设计方法所遵循的原则：n概念清楚、易懂；概念清楚、易懂；n计算公式简明、好记；计算公式简明、好记；n不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；n能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；n适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。适用于各

27、种可以简化成典型系统的反馈控制系统。n在典型系统设计的基础上，利用在典型系统设计的基础上，利用MATLAB/SIMULINKMATLAB/SIMULINK进行计算机辅助分析和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。设计，可设计出实用有效的控制系统。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法n调节器的设计步骤：调节器的设计步骤：n第一步：选择调节器结构，确保系统稳定，同时满足稳态精度；第一步：选择调节器结构，确保系统稳定，同时满足稳态精度；n第二步：选择调节器参数，以满足动态性能指标。第二步：选择调节器

28、参数，以满足动态性能指标。 niirmiisTssKsW1111（3-9） n控制系统的开环传递函数都可表示为：控制系统的开环传递函数都可表示为： 分母中的项表示该系统在分母中的项表示该系统在s=0s=0处有处有r r重极点，或者说，系统含有重极点，或者说，系统含有r r个积分环节，个积分环节，称作称作r r型系统。型系统。n为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0 0型系统型系统(r=0)(r=0)，到少是，到少是I I型型系统系统(r=1)(r=1)；当给定是斜坡输入时，则要求是；当给定是斜坡输入时，则要求是型系统型系统(r=2)(r=2)才能实现

29、稳才能实现稳态无差。态无差。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型I型系统型系统n选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。由于选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。由于型型(r=3)(r=3)和和型以上的系统很难稳定，而型以上的系统很难稳定，而0 0型系统的稳态精度低。因此常把型系统的稳态精度低。因此常把型和型和型型系统作为系统设计的目标。系统作为系统设计的目标。n作为典型的作为典型的I I型系统，其开环传递函数为：型系统，其开环传递函数为： 1TssKsW（3-10） 式中，式中，T-

30、T-系统的惯性时间常数，系统的惯性时间常数，K-K-系统的开环增益。系统的开环增益。n对数幅频特性的中频段以对数幅频特性的中频段以-20dB/dec-20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只要参数的选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。择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定。n只包含开环增益只包含开环增益K K和时间常和时间常T T两个参数，时间常数两个参数，时间常数T T往往是控制对象本身固往往是控制对象本身固有的，唯一可变的是开环增益有的，唯一可变的是开环增益K K，设计时，需控制性能指标选择参数，设计时，需控制性能指标选择参数K K。3.3转速、

31、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计R(s)KT +1ss()C(s)OL/dBO-20dB/decc-40dB/decT120lgK1O-90O-180O /s-1 /s-1ccKlg201lglg20lg202.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型I型系统型系统TKcc1闭环系统结构图闭环系统结构图开环对数幅频特性开环对数幅频特性n典型典型I I型系统的对数幅频特性的幅值为：型系统的对数幅频特性的幅值为：得到：得到：TTccarctan90arctan90180000n相角裕度为：相角裕度为：nK K值越大，截止频率值越大，截止频率c c也越大，

32、系统响应也越大，系统响应越快，相角稳定裕度越快，相角稳定裕度越小，快速性与稳越小，快速性与稳定性之间存在矛盾：定性之间存在矛盾：n在选择参数在选择参数K K时，须在快速性与稳定性之间时，须在快速性与稳定性之间取折衷。取折衷。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计 2222211111nnnclssTKsTsTKTssKTssKsWsWsWTKn2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型I型系统型系统-动态跟随性能指标动态跟随性能指标（3-12） KT121n典型典型I I型系统的闭环传递函数为：型系统的闭环传递函数为：式中：式中：自然振荡角频

33、率自然振荡角频率阻尼比阻尼比n11 1 ，过阻尼的单调特性；，过阻尼的单调特性；n=1 =1 ，临界阻尼。，临界阻尼。n过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即：过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即：0 10 1。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计Ttns63)arccos(122rTt2np1t（3-13） 2124214ncn超调量：超调量：2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型I型系统型系统-动态跟随性能指标动态跟随性能指标%100e)1/(2n上升时间：上升时间：（3-14） n峰值时间：峰值时间：（3-15）

34、 n当调节时间在当调节时间在0.9 0.9 、误差带为、误差带为5%5%的条件下可近似计算，得：的条件下可近似计算，得：（3-16） n截止频率截止频率( (按准确关系计算按准确关系计算) )：（3-17） 3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型I型系统型系统-动态跟随性能指标动态跟随性能指标n相角稳定裕度：相角稳定裕度：21242142 arctg（3-18） 表表3-1 典型典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 0.5 16.3 % 2.4

35、T3.2T 51.8 0.786/T 0.6 9.5 % 3.3T4.7T 59.2 0.596/T 0.707 4.3 % 4.7T6.2T 65.50.455/T0.81.5%6.6T8.3T 69.90.367/T 1.0 0% 76.30.243/T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 1.00.69 0.50.390.25参数关系参数关系KT3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型I型系统型系统-动态跟随性能指

36、标动态跟随性能指标n如果工艺要求动响应快，可取如果工艺要求动响应快，可取=0.5=0.50.6 0.6 ，把，把K K选大一些；选大一些；n如果要求超调小，可取如果要求超调小，可取=0.8=0.81.0 1.0 ，把，把K K选小些；选小些；n如果要求无超调，可取如果要求无超调，可取=1.0 =1.0 ，K=0.25/TK=0.25/T；n无特殊要求，可折中，取无特殊要求，可折中，取=0.707 =0.707 ，K=0.5/T K=0.5/T ，此时略有超调，此时略有超调(%=4.3%)(%=4.3%)；n如果无法满足所有指标，则采用其它控制。如果无法满足所有指标，则采用其它控制。3.3转速、

37、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型I型系统型系统-动态抗扰性能指标动态抗扰性能指标n影响到参数影响到参数K K的选择的第二个因素是它和抗扰性能指标间的关系；的选择的第二个因素是它和抗扰性能指标间的关系；n典型典型I I弄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弄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；是扰动作用点；n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。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。KsIdTs+11/RsTl+1sWACR(s

38、)-Ui*UiUcUd0Ud电流环在电压扰动作用下的动态结构图电流环在电压扰动作用下的动态结构图3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计KsT1+1sT2+1s-R(s)Kp +1s()sW(s)1F(s)W(s)2K2C(s)调节器控制对象/1spKKK RK/2n电压扰动作用点前后和有一个一阶惯性环节。电压扰动作用点前后和有一个一阶惯性环节。nW WACRACR(s(s) )采用采用PIPI调节器调节器2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型I型系统型系统-动态抗扰性能指标动态抗扰性能指标电流环在一种扰动作用下的结构电流环在一种扰动作用下

39、的结构sTT 1lTT 2这里：这里：3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计11111)()()(1212212121TssKsTsKKsTKsTssTKsWsWsW2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型I型系统型系统-动态抗扰性能指标动态抗扰性能指标n用调节器中的用调节器中的(s+1)(s+1)对消掉了较大的时间常数的惯性环节对消掉了较大的时间常数的惯性环节(T(T2 2s+1) (s+1) (即即令：令：=T=T2 2) )，就成为典型，就成为典型I I型系统。型系统。T2+1sK1T +1s()sF(s)W(s)2K2C(s)2T

40、+1s()1W(s)1电流环在一种扰动作用下的等效结构图电流环在一种扰动作用下的等效结构图n在只讨论抗扰性能时，令输入变量在只讨论抗扰性能时，令输入变量R=0R=0，输出变量写成，输出变量写成CC。n取取K K1 1K K2 2=K=K，T=TT=T1 1，系统的开环传递函数为：，系统的开环传递函数为：3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计)(1() 1(11)()(1)()(2222122212KsTssTTsFKTsKKssTFKsWsWsWsFsCsFsF)() 122)(1() 1(2)(222TsTssTTsTFKsC2.调节器的工程设计方法调

41、节器的工程设计方法-典型典型I型系统型系统-动态抗扰性能指标动态抗扰性能指标n在阶跃扰动在阶跃扰动 作用下，得：作用下，得：TtmeTtememmmmFKtCTtTtTt2sin2cos111222)(2/2/2/22n在选定在选定KT=0.5KT=0.5时：时：（3-19） n阶跃扰动后，输出变化量的动态过程函数为：阶跃扰动后，输出变化量的动态过程函数为：121TTmn式中，式中， 为控制对象中小时间常数与在时间常数的比值。取不同为控制对象中小时间常数与在时间常数的比值。取不同m m值，可计算出相应的动态过程曲线。值，可计算出相应的动态过程曲线。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速

42、、电流反馈控制直流调速系统的设计2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型I型系统型系统-动态抗扰性能指标动态抗扰性能指标n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CCmaxmax用用基准值基准值C Cb b的百分数表示；的百分数表示；n所对应的时间所对应的时间t tm m用时间常数用时间常数T T的倍数表示；的倍数表示；n允许误差带为允许误差带为5%C5%Cb b时的恢复时间时的恢复时间t tv v也用也用T T的倍数表示；的倍数表示；n取开环系统输出值作为基准值，即：取开环系统输出值作为基准值，即：2FKC

43、b（3-19） 3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型I型系统型系统-动态抗扰性能指标动态抗扰性能指标221TTTTm51101201301%100maxbCC30.428.721.714.7tv / T4.03.83.42.8tm / T12.9%18.5%33.2%55.5%表表2-3 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(参数参数KT=0.5，Cb=FK2) 从表中可以看出，当控制对象的两个时间常数相距较大时，动态降落减从表中可以看出，当控制对象的两个时

44、间常数相距较大时，动态降落减小，但恢复时间拖得较长。小，但恢复时间拖得较长。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计 112TsssKsWR(s)KT +1ss()C(s)2 +1s()2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型II型系统型系统n典型典型IIII型系统的开环传递函数表示为：型系统的开环传递函数表示为：OL/dBO-20dB/decc-40dB/decT120lgK1O-90O-180O /s-1 /s-1-40dB/dec11=2=h（3-22） n闭环结构图和开环对数幅频特性如下图：闭环结构图和开环对数幅频特性如下图：n其中频

45、段也是以其中频段也是以-20dB/dec-20dB/dec的斜率穿越零分贝线，由于分母的斜率穿越零分贝线，由于分母s s2 2项对应的相项对应的相频特性是频特性是-180-1800 0，后面还有一个惯性环节，后面还有一个惯性环节( (这一般是系统中必定有的这一般是系统中必定有的) )，如，如不在分子上添加一个比例微分不在分子上添加一个比例微分(s+1)(s+1)，就无法把相频特性抬到，就无法把相频特性抬到-180-1800 0线线以上，也就无法保证系统稳定。以上，也就无法保证系统稳定。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计 1 1 2112TThT 1

46、1c或TTTccccarctanarctanarctanarctan18018000n典型典型IIII型系统的时间常数型系统的时间常数T T也是控制对象固有的，而待定的参数有两个：也是控制对象固有的，而待定的参数有两个：K K和和，定义中频宽为：，定义中频宽为：2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型II型系统型系统n要实现图象的特性，应保证：要实现图象的特性，应保证：n相角裕度为：相角裕度为： h h表示了斜率为表示了斜率为20db/dec20db/dec的中频宽度，是一个与性能指标紧密相关的参的中频宽度，是一个与性能指标紧密相关的参数。数。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统

47、的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计（3-24） 2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型II型系统型系统n一般情况下，一般情况下，=1=1点在点在-40db/dec-40db/dec特性段，故：特性段，故：ccK111lg20lg201lglg40lg20因此：因此：cK1hT又因为：又因为：n当当T T值确定后，改变值确定后，改变值相当于改变了中频宽值相当于改变了中频宽h h；改变；改变K K相当于使开环对数幅相当于使开环对数幅频特性上下平移，因此，此特性与闭环系统的快速性有关。选择频特性上下平移，因此，此特性与闭环系统的快速性有关。选择h h和和c c ，就相当于选择

48、了就相当于选择了和和K K。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计 1h2h2c2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型II型系统型系统-Mr最小准则最小准则n如果两个参数任意选则，工作量较大，采用如果两个参数任意选则，工作量较大，采用“振荡指标法振荡指标法”中的闭环幅中的闭环幅频特性峰值频特性峰值MrMr最小准则，可以找到最小准则，可以找到h h与与c c间的最佳配合，使求双参数变间的最佳配合，使求双参数变为求单参数。为求单参数。n最小准则说明，对于一定的最小准则说明，对于一定的h h值，只有一个确定的值，只有一个确定的c c( (或或K

49、)K)可以得到最小可以得到最小的闭环幅频特性峰值的闭环幅频特性峰值M Mrminrmin，这时，这时， c c和和1 1 、2 2之间的关系为：之间的关系为： 21h1c（3-25） （3-26） 以上两式称为以上两式称为M Mrminrmin 准则的准则的“最佳频比最佳频比”。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计h345678910Mrmin21.671.51.41.331.291.251.222/ c1.51.61.671.711.751.781.801.82c/ 12.02.53.03.54.04.55.05.52.调节器的工程设计方法调节器的工

50、程设计方法-典型典型II型系统型系统-Mr最小准则最小准则n列出不同列出不同h h时，时， M Mrminrmin值和最佳频比。值和最佳频比。 加大中频宽加大中频宽h h，可以减小，可以减小M Mrminrmin ，从而降低超调量；但同时，从而降低超调量；但同时c c也减小，使也减小，使快速性减弱，经验表明，在快速性减弱，经验表明，在1.21.21.51.5之间，系统的动态性能较好。之间，系统的动态性能较好。3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计转速、电流反馈控制直流调速系统的设计hT2222112121121ThhhhThKc2.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法-典型典型II型系