交直流调速系统与MATLAB仿真 第2章-直流调速系统的动态设计.ppt

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1、第二章第二章 直流调速系统的动态设计直流调速系统的动态设计第一节第一节 单闭环直流调速系统的动态分析单闭环直流调速系统的动态分析第二节第二节 多环直流调速系统的动态分析多环直流调速系统的动态分析第三节第三节 多环调速系统的工程设计方法多环调速系统的工程设计方法第四节第四节 工程设计方法在双闭环直流调速工程设计方法在双闭环直流调速 系统中的应用系统中的应用第一节第一节 单闭环直流调速系统的动态分析单闭环直流调速系统的动态分析l建建模模的的步步骤骤：列列环环节节的的微微分分方方程程进进行行拉拉氏氏变变换换得得到到环环节节的的传传函函系系统统的的动动态态结结构构图图系系统统的的传传递递函数。函数。1

2、、放大器的数学模型和传递函数、放大器的数学模型和传递函数 数学模型：数学模型：传递函数传递函数 ：2、测速反馈环节、测速反馈环节 数学模型数学模型：传递函数传递函数 ：一、单闭环调速系统的动态数学模型一、单闭环调速系统的动态数学模型3、晶闸管触发和整流装置的传递函数、晶闸管触发和整流装置的传递函数 从从的变化到输出电压的变化到输出电压Ud0的改变，存在失控时间。大的改变，存在失控时间。大小随小随Uct发生变化的时刻而改变，发生变化的时刻而改变，ts是随机的。可取其是随机的。可取其统计平均值统计平均值Ts=Tsmax/2，并认为是常数。，并认为是常数。各种整流电路的失控时间各种整流电路的失控时间

3、()电路形式电路形式平均失控时平均失控时间间Ts/ms整流电路形式整流电路形式平均失控时平均失控时间间Ts/ms单相半波单相半波10三相半波三相半波3.33单相桥式（全波）单相桥式（全波）5三相桥式、三相桥式、六相半波六相半波1.67数学模型：数学模型：传递函数：传递函数：由于由于Ts很小，忽略高次项，则可视为一阶惯性环很小，忽略高次项，则可视为一阶惯性环节，晶闸管变流器的动态结构图如下图节，晶闸管变流器的动态结构图如下图。传递函数：传递函数：近似条件是近似条件是即：即：可粗略的取开环截止频率可粗略的取开环截止频率 4、直流电动机的数学模型、直流电动机的数学模型 电枢回路电枢回路电压方程电压方

4、程 传递函数：传递函数：Tl为电枢回路电磁为电枢回路电磁时间常数时间常数 Tl=L/R 力矩方程力矩方程 Id电枢电流；电枢电流；IdL负载电流；负载电流；Tm电机的机电时间常数电机的机电时间常数 传递函数：传递函数：电动机的动态结构图为电动机的动态结构图为 1.1.电磁时间常数电磁时间常数 讨论讨论：式中：式中：为电机的额定参数；为电机的额定参数；P P为电机的极对数为电机的极对数视外部电感而定视外部电感而定 为电机额定功率；为电机额定功率；式中：式中：为电机的效率为电机的效率；为电机的额定参数为电机的额定参数 式中：式中：整流电路相数；整流电路相数；整流变压器短路比整流变压器短路比；整流变

5、压器次级电压与电流整流变压器次级电压与电流 2.2.机电常数机电常数 为系统总的转动惯量为系统总的转动惯量 5.5.单闭环直流调速系统的动态数学模型单闭环直流调速系统的动态数学模型 单闭环调速系统的闭环传递函数（设单闭环调速系统的闭环传递函数（设IdL=0）为为 Ts虽小，但却影响系统的动态性能虽小，但却影响系统的动态性能。二、单闭环调速系统的动态分析二、单闭环调速系统的动态分析稳定性分析稳定性分析特征方程为特征方程为 稳定条件稳定条件 化简得化简得 Kcr为临界放大系数，为临界放大系数，K值超出此值系统将不稳定。值超出此值系统将不稳定。与静特性与静特性K越大越好相矛盾。越大越好相矛盾。从从自

6、自动动控控制制系系统统典典型型伯伯德德图图的的三三个个频频段段的的特特征征，可可以以判判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：1.如如果果中中频频段段以以-20dB/dec的的斜斜率率穿穿越越0dB线线，而而且且这这一一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。2.截止频率（剪切频率）越高，则系统的快速性越好。截止频率（剪切频率）越高，则系统的快速性越好。3.低频段的斜率陡、增益高，则说明系统的稳态精度高。低频段的斜率陡、增益高，则说明系统的稳态精度高。4.高高频频段段衰衰减减越越快快，则则高高频频特特性性

7、负负分分贝贝值值越越低低，说说明明系系统抗高频噪声干扰的能力越强。统抗高频噪声干扰的能力越强。三、单环调速系统的动态校正三、单环调速系统的动态校正PI串联校正串联校正原始的单闭环转速负反馈调速系统伯德图原始的单闭环转速负反馈调速系统伯德图 PIPI调节器的对数频率待性调节器的对数频率待性 闭闭环环系系统统的的 PIPI调调 节节器校正器校正原原 始始 系系统特性统特性校校 正正 环环节特性节特性校校 正正 后后系系统统的的特特性性第二节第二节 多环直流调速系统的动态分析多环直流调速系统的动态分析一、转速电流双闭环调速系统的动态分析一、转速电流双闭环调速系统的动态分析（一）转速电流双闭环调速系统

8、的动态数学模型（一）转速电流双闭环调速系统的动态数学模型（二）双闭环调速系统的动态性能分析（二）双闭环调速系统的动态性能分析动态性能包括跟随性能和抗扰性能。双闭环系统的动动态性能包括跟随性能和抗扰性能。双闭环系统的动态性能比单环系统有明显的提高。态性能比单环系统有明显的提高。1 1、动态跟随性能、动态跟随性能（1 1）单闭环转速负反馈系统的动态结构图下图所示。）单闭环转速负反馈系统的动态结构图下图所示。ASR到输出电流到输出电流Id之间的传递函数之间的传递函数。（2）双闭环调速系统的动态结构图如下图所示。）双闭环调速系统的动态结构图如下图所示。ASR到输出到输出Id间的传函（假定间的传函（假定

9、ACR为比例，其传函为为比例，其传函为Ki）。）。从和在双环系统中，电流负反馈能将环内的传函加以改造，在双环系统中，电流负反馈能将环内的传函加以改造，使等效时间常数减小，经电流环改造后的等效环节作为使等效时间常数减小，经电流环改造后的等效环节作为ASR的被控对象，它可使转速环的动态跟随性能得到明的被控对象，它可使转速环的动态跟随性能得到明显改善。显改善。2、动态抗扰性能、动态抗扰性能（1）抗负载扰动性能）抗负载扰动性能从双环系统的动态结构图可以看出，负载扰动（从双环系统的动态结构图可以看出，负载扰动（IdL）在电流环之后，和单环系统一样，只能靠在电流环之后，和单环系统一样，只能靠ASR来抑制。

10、来抑制。但由于电流环改造了环内的传函，使它更有利于转速外但由于电流环改造了环内的传函，使它更有利于转速外环的控制，因此双环系统也能提高系统对负载扰动的抗环的控制，因此双环系统也能提高系统对负载扰动的抗扰性能。扰性能。（2）抗电网电压扰动）抗电网电压扰动电电网网电电压压扰扰动动和和负负载载扰扰动动作作用用点点在在系系统统动动态态结结构构图图中中的的位置不同，系统相应的动态抗扰性能也不同。位置不同，系统相应的动态抗扰性能也不同。在在单单环环系系统统中中，电电网网电电压压波波动动必必须须等等到到影影响响转转速速n后后，才才能通过转速负反馈来调节。当电网电压扰动能通过转速负反馈来调节。当电网电压扰动；

11、在在双双环环系系统统中中，电电网网电电压压扰扰动动被被包包围围在在电电流流环环内内，当当电电网网电电压压波波动动时时，可可以以通通过过电电流流反反馈馈及及时时得得到到抑抑制制。如当电网电压扰动如当电网电压扰动双闭环系统能有效提高系统对电网电压扰动的抗扰性能。双闭环系统能有效提高系统对电网电压扰动的抗扰性能。第三节第三节 多环调速系统的工程设计方法多环调速系统的工程设计方法一、工程设计方法与步骤一、工程设计方法与步骤设设计计内内容容包包括括：确确定定典典型型系系统统、选选择择调调节节器器类类型型、计计算算调调节节器参数、计算调节器电路参数、校验等。器参数、计算调节器电路参数、校验等。一般步骤是：

12、一般步骤是：（1）在在众众多多的的开开环环系系统统中中，选选择择两两类类具具有有优优越越静静、动动性性能能的的系系统统作作为为典典型型系系统统，并并求求出出典典型型系系统统的的系系统统参参数数与与性性能能指指标间的关系；标间的关系；（2）根根据据生生产产工工艺艺要要求求，确确定定系系统统的的跟跟随随性性能能和和抗抗扰扰性性能能指指标标，根根据据系系统统参参数数与与性性能能指指标标的的关关系系，求求出出与与性性能能指指标标对对应的典型系统作为预期的典型系统；应的典型系统作为预期的典型系统；（3）通通过过比比较较预预期期的的典典型型系系统统和和被被控控对对象象的的实实际际系系统统，确确定用于校正的

13、调节器的结构、参数和电路参数；定用于校正的调节器的结构、参数和电路参数；（4）进行设计校验。）进行设计校验。二、典型系统二、典型系统（1）根根据据r=0，1，2，等等不不同同数数值值，分分别别称称为为0型型、型型、型、型、系统；系统；（2）型号越高，系统的准确度越高，而稳定性越差。）型号越高，系统的准确度越高，而稳定性越差。稳态精度：稳态精度：0型系统型系统型型型型型；型；型以上的系统很难稳定。型以上的系统很难稳定。通通常常采采用用型型和和型型系系统统。而而型型和和型型系系统统仍仍然然有有无无数数个个，再在其中选出两个特例作为典型系统。再在其中选出两个特例作为典型系统。（一）典型（一）典型型系

14、统型系统（1）典）典系统的开环传函：系统的开环传函：（2）闭环系统结构图和开环对数频率特性）闭环系统结构图和开环对数频率特性 在在开开环环传传函函中中，T是是控控制制对对象象本本身身所所固固有有的的，唯唯一一可可变变的的参参数数只只有有K。一一旦旦K值值选选定定，系系统统的的性性能能就就被被确确定了。定了。1、K与系统稳态跟随性能的关系与系统稳态跟随性能的关系 阶跃输入时，其稳态误差为：阶跃输入时，其稳态误差为：单位斜坡输入时，其稳态误差为：单位斜坡输入时，其稳态误差为：2、K与系统动态跟随性能的关系与系统动态跟随性能的关系（1）其相角裕度为：）其相角裕度为：系统是稳定系统是稳定的。的。K越大

15、，截止频率越大，截止频率c越高，系统的响应速度就越快，越高，系统的响应速度就越快，但稳定性却越差。但稳定性却越差。（2）闭环传递函数为）闭环传递函数为式中：式中：为自然振荡频率；为自然振荡频率；为阻尼比为阻尼比。当当 时，在零初始条件下的阶跃响应动态性时，在零初始条件下的阶跃响应动态性能指标计算公式为能指标计算公式为 时域指标：时域指标：频域指标：频域指标：超调量：超调量：截止频率：截止频率：峰值时间：峰值时间：相角裕度：相角裕度：上升时间：上升时间：调节时间：调节时间：表表2-2 典型典型型系统动态跟随性能指标和频域指型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数关系标与参数关系 0.7860.59

16、60.4550.3670.2960.243cT51.859.265.569.973.576.3(c)/()5.66.34.25.47.29.5ts(5%)/T2.413.344.726.6711.12tr/T3.624.716.288.3313.14_tp/T16.3%9.5%4.3%1.5%0.15%00.50.60.7070.80.91.01.00.690.50.390.310.25KT特点：特点：（1）KT增大，阻尼比增大，阻尼比减小，超调量减小，超调量%变大，稳定性变差，变大，稳定性变差，调节时间调节时间ts减小，快速性变好。减小，快速性变好。（2）当）当K值过大时，调节时间值过大时，

17、调节时间ts反而增加，快速性变差。反而增加，快速性变差。（3）当）当KT=1/2或或=0.707时，稳定性和快速性都较好，常时，稳定性和快速性都较好，常称为称为“型系统工程最佳参数型系统工程最佳参数”。系统的开环传递函数：系统的开环传递函数：闭环传递函数：闭环传递函数：其跟随性能指标为：其跟随性能指标为：%=4.3%，ts=4.2T（5%）3、K与抗扰性能指标关系：系统的抗扰性能与系统的结构、扰与抗扰性能指标关系：系统的抗扰性能与系统的结构、扰动作用点、扰动作用点之前的传递函数动作用点、扰动作用点之前的传递函数W1有关。有关。（二）典型（二）典型型系统型系统 1 1、典、典系统的开环传递函数：

18、系统的开环传递函数：2 2、系统结构图和开环对数频率特性、系统结构图和开环对数频率特性 3 3、系统的相角稳定裕度为：、系统的相角稳定裕度为：由于由于比比T T大，大得越多，系统的稳定性越好。大，大得越多，系统的稳定性越好。在在=1=1时：时：典典II系系统统中中，时时间间常常数数T是是系系统统固固有有的的，但但典典系系统统有有两两个个参参数数 K和和 待待 选选 择择。为为 分分 析析 方方 便便，引引 入入 一一 个个 新新 变变 量量 h，令令 ，h称作称作“中频宽中频宽”，是一个关键的参数。，是一个关键的参数。从频率特性看：从频率特性看：1）在）在T一定时，改变一定时，改变也就改变了中

19、频宽也就改变了中频宽h，即，即h与与相关；相关；2）在）在确定后，改变确定后，改变K相当于使开环对数幅频特性上下平相当于使开环对数幅频特性上下平移，即改变了截止频率移，即改变了截止频率c，说明，说明c与与K相关。相关。因此，因此，选择了参数选择了参数h 和和c，就相当于选择了参数，就相当于选择了参数和和K。在闭环幅频特性谐振峰值在闭环幅频特性谐振峰值Mr最小准则下，可找到最小准则下，可找到h和和K两个两个参数之间的配合关系，使参数之间的配合关系，使K变为变为h的函数。则典型的函数。则典型型系统的型系统的设计就变为一个参数设计就变为一个参数的设计了。的设计了。对应的最小谐振峰值对应的最小谐振峰值

20、Mrmin为为：此时有：此时有：则则（1 1）稳态跟随性能指标）稳态跟随性能指标当阶跃、斜坡输入时，其稳态误差为：当阶跃、斜坡输入时，其稳态误差为：当单位加速度输入时当单位加速度输入时(R=1)，其稳态误差为：，其稳态误差为：有跟踪误差，其大小与开环放大系数成反比。有跟踪误差，其大小与开环放大系数成反比。4 4、典型、典型IIII型系统跟随性能指标与参数的关系型系统跟随性能指标与参数的关系（2）动态跟随性能指标）动态跟随性能指标方法：方法：（a）将）将 和和 代入典代入典II系统的开环传函中；系统的开环传函中；（b）求出系统的闭环传递函数；）求出系统的闭环传递函数；（c）求出单位阶跃输入）求出

21、单位阶跃输入R（s）=1/s下，系统的输出；下，系统的输出；（d）以以T为为时时间间基基准准，对对具具体体的的h值值，求求出出单单位位阶阶跃跃响响应应函函数数C（t/T），从从而而计计算算出出超超调调量量、上上升升时时间间tr/T调调节节时时间间ts/T和和振荡次数振荡次数k。表表2-5 2-5 典典系统阶跃输入跟随性能指标（按系统阶跃输入跟随性能指标（按MrMrmin准则）准则）h345678910%52.643.637.633.229.827.22523.3tr/T2.42.652.853.03.13.23.33.35ts(5%)/T12.1511.659.5510.4511.3012.2

22、513.2514.20振荡次数振荡次数K32211111与表与表2-2比较，超调量比典比较，超调量比典系统大。工程上常选系统大。工程上常选h=5为最佳参数为最佳参数 5、典型、典型II型系统抗扰性能指标与参数的关系型系统抗扰性能指标与参数的关系（1）稳态抗扰性能）稳态抗扰性能 若要使阶跃扰动作用下系统的稳态误差为零，则在扰动作若要使阶跃扰动作用下系统的稳态误差为零，则在扰动作用点之前必须含有积分环节。用点之前必须含有积分环节。（2）动态抗扰性能）动态抗扰性能 系统的动态抗扰性能因系统结构、扰动作用点和作用函数系统的动态抗扰性能因系统结构、扰动作用点和作用函数而异的。各项动态抗扰性能指标列于表而

23、异的。各项动态抗扰性能指标列于表2-6中。中。为输出量的基准值（参照书为输出量的基准值（参照书p105图图2-20，K2为扰动点到误差为扰动点到误差输出输出点之间前向通道上的增益，点之间前向通道上的增益，T T为反馈通道函数的固有为反馈通道函数的固有参数，参数，N N为阶跃扰动系数）。为阶跃扰动系数）。表表2-6 典典系统动态抗扰性能指标与参数的关系系统动态抗扰性能指标与参数的关系（系统结构和扰动作用点如图（系统结构和扰动作用点如图2-20，在，在Mrmin.准则下）准则下）h34567891072.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tS/T 2.452

24、.702.853.003.153.253.303.40tv(5%)/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85从表从表2-4和表和表2-3可以看出：可以看出：（a）随）随h的增加，超调量的增加，超调量减小（表减小（表2-5），调节时间），调节时间ts增加，而最大动态降落增加，而最大动态降落Cmax/Cb增大，恢复时间增大，恢复时间tv/T增增加（表加（表2-6）。）。（b）在）在ha或或b，且有，且有b ca，则系统是稳定的。，则系统是稳定的。若忽略高次项，则若忽略高次项，则 近似条件可写成：近似条件可写成：四、多环调速系统的工程设计方法四、多环调速系统的

25、工程设计方法（一）单闭环调速系统的设计方法（一）单闭环调速系统的设计方法一般有下列步骤：一般有下列步骤：1、实际系统的单位化反馈变换与化简、实际系统的单位化反馈变换与化简典典和和典典系系统统的的闭闭环环控控制制要要求求是是单单位位反反馈馈，而而实实际际系系统统由由于于有有检检测测元元件件和和反反馈馈环环节节，属属于于非非单单位位反反馈馈，为为此此必必须须进进行行结结构构图变换，将其化简成单位反馈的系统。图变换，将其化简成单位反馈的系统。2、确确定定将将实实际际系系统统校校正正成成哪哪一一类类典典型型系系统统及及对对实实际际系系统统进进行必要的近似处理行必要的近似处理 应应先先根根据据控控制制系

26、系统统的的要要求求，确确定定要要将将实实际际系系统统校校正正成成哪哪一一类类典典型型系系统统。一一般般的的调调速速系系统统经经过过近近似似处处理理，采采用用适适当当的的调调节节器进行串联校正后，都可以化成典型系统。器进行串联校正后，都可以化成典型系统。例：将下图的非单位反馈系统变为单位反馈系统。例：将下图的非单位反馈系统变为单位反馈系统。3、调速系统的串联校正、调速系统的串联校正调节器的类型和参数选择调节器的类型和参数选择 当将实际系统校正成不同类型的典型系统时，采用的调当将实际系统校正成不同类型的典型系统时，采用的调节器类型和参数也不同。下面分别进行讨论。节器类型和参数也不同。下面分别进行讨

27、论。（1）校正成典型）校正成典型型系统型系统表表2-7 校正成典型校正成典型型系统的调节器类型型系统的调节器类型（2）校正成典型）校正成典型型系统型系统 4、调节器参数的选择、调节器参数的选择 串联校正的作用是将被控对象改造成典型系统。串联校正的作用是将被控对象改造成典型系统。因因为为系系统统的的性性能能指指标标确确定定后后典典型型系系统统的的参参数数就就已已知知了了，另另外外被被控控对对象象的的参参数数是是已已知知的的，根根据据“调调节节器器的的传传递递函函数数乘乘被被控控对对象象的的传传递递函函数数等等于于典典型型系系统统的的传传递递函函数数”的的关关系系，就就可可求求出调节器的参数。出调

28、节器的参数。5、调节器的电路参数计算、调节器的电路参数计算 根据调节器参数与调节器电路参数的关系，可计算出与调根据调节器参数与调节器电路参数的关系，可计算出与调节器参数对应的电路参数。节器参数对应的电路参数。6、设计校验、设计校验 设计中，很多地方作了近似，需要进行近似条件的校验。设计中，很多地方作了近似，需要进行近似条件的校验。进行必要的结构图变换和实际系统的近似处理；进行必要的结构图变换和实际系统的近似处理；确确定定将将实实际际系系统统校校正正成成哪哪一一类类典典型型系系统统及及进进行行调调节节器器类类型型的选择；的选择；选择调节器的参数；选择调节器的参数；计算调节器的电路参数；计算调节器

29、的电路参数；设计校验。设计校验。（二）多环调速系统的设计（二）多环调速系统的设计一般步骤是：一般步骤是：（1）先设计内环后设计外环，然后将设计好的内环等效）先设计内环后设计外环，然后将设计好的内环等效成一个环节；在设计外环时，将等效内环作为外环的一个成一个环节；在设计外环时，将等效内环作为外环的一个环节来处理，直到设计完整个系统。环节来处理，直到设计完整个系统。（2）在具体设计某个单闭环时，可按下列步骤进行：）在具体设计某个单闭环时，可按下列步骤进行：第四节第四节 工程设计方法在双环调速系统中的应用工程设计方法在双环调速系统中的应用 ACR的被控对象包括：电枢回路的电磁惯性环节，晶闸管变的被控

30、对象包括：电枢回路的电磁惯性环节，晶闸管变流装置、电流反馈滤波等环节形成的一些小惯性环节。流装置、电流反馈滤波等环节形成的一些小惯性环节。1、电流环动态结构图的化简、电流环动态结构图的化简 化简方法：化简方法：（1）因因TL远远小小于于Tm，电电流流调调节节比比转转速速快快得得多多，对对电电流流环环来来说说，可认为可认为E基本不变，忽略基本不变，忽略E的变化对电流环的影响。的变化对电流环的影响。（2）将电流给定滤波和反馈滤波两个环节等效地置于环内，使）将电流给定滤波和反馈滤波两个环节等效地置于环内，使电流环变为单位反馈系统。电流环变为单位反馈系统。（3）将反馈滤波和晶闸管变流装置形成的小惯性环

31、节作近似）将反馈滤波和晶闸管变流装置形成的小惯性环节作近似处理，并取处理，并取 ,则电流环的结构图被简化。则电流环的结构图被简化。一、电流环的设计一、电流环的设计图图2-26 电流环的动态结构图及其化简电流环的动态结构图及其化简 2、电流环既可设计成典型、电流环既可设计成典型型也可设计成典型型也可设计成典型II型型3、电流调节器类型选择及参数计算、电流调节器类型选择及参数计算（1）按典）按典系统设计电流环：系统设计电流环：1）已知电流环的开环传递函数为已知电流环的开环传递函数为：近似后近似后 2）将电流环校正成典）将电流环校正成典系统时，调节器应选系统时，调节器应选PI调节器；调节器；（2）按

32、典）按典系统设计电流环：系统设计电流环：1 1）电流环开环传函）电流环开环传函 3）调节器参数：调节器参数：而而 可按下法选择：可按下法选择：电流环电流环开环传函：开环传函：式中式中 当电流环取典当电流环取典系统时，一般取系统时，一般取 即即 可得：可得：所以所以ACR的参数：的参数：2）按典）按典设计电流环，应先将大惯性环节近似为设计电流环，应先将大惯性环节近似为 积分环节积分环节 即即而而ACR仍可选仍可选PI调节器：调节器：3）调节器参数：）调节器参数：电流环的开环放大系数电流环的开环放大系数 电流调节器的参数：电流调节器的参数：4、电流调节器的电路实现、电流调节器的电路实现 含给定滤波

33、和反馈滤波的含给定滤波和反馈滤波的PI调节器原理图。调节器原理图。5、校验、校验 具体计算时，必须校验以下条件：具体计算时，必须校验以下条件：图图2-27中中A点虚地的电流平衡方程为点虚地的电流平衡方程为 式中：式中：ACR电路参数为：电路参数为：二、转速环的设计二、转速环的设计1、转速环动态结构图的变换与化简、转速环动态结构图的变换与化简（1）电流环的等效闭环传函（按典）电流环的等效闭环传函（按典设计的电流环）设计的电流环）近似为近似为 因因 故故 近似条件：近似条件：电流环结构图变换后的输入信号为电流环结构图变换后的输入信号为 电流环的等效闭环传函为电流环的等效闭环传函为（2）转速环动态结

34、构图的变换与化简）转速环动态结构图的变换与化简电流环用等效传函代替后，转速环如图（电流环用等效传函代替后，转速环如图（a）。将其单位反）。将其单位反馈，且近似处理为小惯性环节，则转速环可简化成图（馈，且近似处理为小惯性环节，则转速环可简化成图（b）2、确定将转速环校正成哪一类典型系统、确定将转速环校正成哪一类典型系统 转速环一般按典转速环一般按典系统设计，而实际系统的系统设计，而实际系统的ASR饱和特性会饱和特性会抑制典型抑制典型型系统的阶跃响应超调量大的问题。型系统的阶跃响应超调量大的问题。3、转速调节器类型选择和参数计算、转速调节器类型选择和参数计算（1）选用）选用PI转速调节器可把转速环

35、校正成典型转速调节器可把转速环校正成典型型系统；型系统；开环传函为：开环传函为：式中式中（2）将系统设计成典）将系统设计成典且按且按Mrmin准则选择参数时，准则选择参数时，ASR的参数的参数一般以选择一般以选择h=5为最好为最好 4、转速调节器的电路实现、转速调节器的电路实现 含给定滤波和反馈滤波的含给定滤波和反馈滤波的PI转速调节器电路如下图。转速调节器电路如下图。转速调节器电路参数与电阻、电容值的关系为：转速调节器电路参数与电阻、电容值的关系为：5、校验、校验 上述结果应校验以下条件：上述结果应校验以下条件：转速调节器电路图转速调节器电路图三、转速调节器退饱和时转速三、转速调节器退饱和时

36、转速超调量超调量的计算的计算ASR饱和情况下双环系统启动时的转速和电流波形如下图饱和情况下双环系统启动时的转速和电流波形如下图图中，恒流加速阶段的加速度为图中，恒流加速阶段的加速度为 恒流加速到恒流加速到 （）时刻的时间为：）时刻的时间为：计算退饱和超调量的简便方法。计算退饱和超调量的简便方法。（1）将图中的坐标从点）将图中的坐标从点 移到点移到点 ，即假定系统是在，即假定系统是在 负载下运行于转速负载下运行于转速 ；（2）在在 点点突突将将负负载载由由 降降到到 ，则则n会会产产生生一一个个动动态态速速升升，而而突减负载的速升过程与退饱和超调过程是完全相同的。突减负载的速升过程与退饱和超调过

37、程是完全相同的。（3）系系统统突突减减负负载载的的动动态态速速升升过过程程与与突突加加负负载载的的速速降降过过程程所所引引起起的的转转速速变变化化 的的大大小小是是相相同同的的，只只是是符符号号相相反反。而而突突加加负负载的速降过程就是载的速降过程就是抗扰动态性能指标的定义。抗扰动态性能指标的定义。可用典可用典IIII系统抗扰动态性能指标，直接查出相应的动态速度系统抗扰动态性能指标，直接查出相应的动态速度降大小，从而计算出退饱和超调量。但按定义，超调量的基降大小，从而计算出退饱和超调量。但按定义，超调量的基准值是稳态转速准值是稳态转速 ，而动态速降的基准值是，而动态速降的基准值是 。退饱和超调

38、过程的扰动量退饱和超调过程的扰动量 。在这里。在这里 其动态速升的基准值为其动态速升的基准值为 若若令令 允允许许过过载载倍倍数数，；电电动动机机额额定定电电流流；负负载载系系数数 ，调速系统开环特性的额定速降调速系统开环特性的额定速降 则则 再经过超调量基准值再经过超调量基准值 和动态速降基准值的换算后，和动态速降基准值的换算后，可求出退饱和超调的计算式为可求出退饱和超调的计算式为例：某调速系统，机电时间常数例：某调速系统，机电时间常数 =0.034s，转速环小时间常，转速环小时间常数数 0.0124s，额定负载时的开环速降，额定负载时的开环速降=380r/min，空载起动电流，空载起动电流

39、，当，当h=5时，空载起动时，空载起动到额定转速到额定转速 =1000r/min，问退饱和超调量为多少？，问退饱和超调量为多少？设理想空载设理想空载Z=0Z=0，而电动机允许过载倍数，而电动机允许过载倍数 =1.5=1.5，查表查表2-6，当，当h=5时，得时，得 则：则：81.2%0.04158=3.37%退退饱饱和和超超调调要要比比线线性性系系统统的的超超调调量量小小得得多多。退退饱饱和和超超调调与与线线性性系系统统的的超超调调有有本本质质上上的的不不同同，由由于于退退饱饱和和超超调调量量的的大大小小与与动动态态速速降降大大小小是是一一致致的的，所所以以确确定定转转速速调调节节器器结结构构

40、和和参参数数时时，完完全全可可以以按按抗抗扰扰性性能能指指标标来来设设计计，即即按按典典型型II型型系系统来校正，并选择中频统来校正，并选择中频h=5为宜。为宜。设计举例见书设计举例见书109，自学。，自学。第五节第五节 多环调速系统的内模控制设计方法多环调速系统的内模控制设计方法一、内模控制（一、内模控制（IMC）概述）概述 为为克克服服系系统统性性能能高高度度依依赖赖于于被被控控对对象象准准确确数数学学模模型型的的不不足足，必须寻求一些对模型精度要求不高的控制策略必须寻求一些对模型精度要求不高的控制策略.内内模模控控制制（Internal Model ControlIMC）是是一一种种实实

41、用用性性很很强强的的控控制制方方法法。内内模模控控制制不不过过分分依依赖赖于于被被控控对对象象的的准准确确数数学学模模型型，对对模模型型精精度度要要求求低低，系系统统跟跟踪踪调调节节性性能能好好，鲁鲁棒棒性性强强，能能消消除除不不可可测测干干扰扰的的影影响响；所所设设计计的的控控制制器器结结构构简简单单、参参数数单单一一、调调整整方方向向明明确确、在在线线计计算算方方便便，工工程程上上容容易易实实现现，是一种先进控制技术。是一种先进控制技术。内内模模控控制制最最初初用用于于多多变变量量、非非线线性性、强强耦耦合合、大大时时滞滞的的工工业业过过程程控控制制，这这方方面面已已经经有有不不少少成成功

42、功的的例例子子。近近年年来来，内内模模控制在电力拖动领域的应用正日益广泛。控制在电力拖动领域的应用正日益广泛。二、内模控制（二、内模控制（IMC）基本原理）基本原理常用的反馈控制系统结构，如下图常用的反馈控制系统结构，如下图为反馈控制器，为反馈控制器，为被控对象，为被控对象，为不可测干扰。为不可测干扰。图图2-35 等效内模控制结构框图等效内模控制结构框图 图图2-37 等效反馈控制结构图等效反馈控制结构图图图2-36 内模控制结构图内模控制结构图（二）多环调速系统的内模控制设计步骤（二）多环调速系统的内模控制设计步骤 仿仿照照“工工程程设设计计方方法法”的的思思想想，对对转转速速电电流流双双

43、闭闭环环这这样样的多环系统，提出了按如下步骤进行内模控制器设计的方法。的多环系统，提出了按如下步骤进行内模控制器设计的方法。1）按按先先内内环环后后外外环环的的顺顺序序，先先设设计计电电流流环环再再设设计计转转速速环环。即即用用“内内模模控控制制器器设设计计步步骤骤”的的方方法法先先设设计计电电流流环环，然然后后将将设设计计好好的的电电流流环环等等效效成成转转速速环环内内的的一一个个环环节节；再再用用“内内模模控控制器设计步骤制器设计步骤”的方法设计转速环。的方法设计转速环。2）就就单单个个控控制制环环而而言言，可可按按“内内模模控控制制器器设设计计步步骤骤”的的方法进行控制器的设计。方法进行控制器的设计。五、内模控制在转速电流双闭环调速系统中的应用五、内模控制在转速电流双闭环调速系统中的应用1、电流调节器的内模控制设计、电流调节器的内模控制设计图图2-38 电流环动态结构图电流环动态结构图2、转速调节器的内模控制设计、转速调节器的内模控制设计将设计好的电流环进行等效，其等效传函为：将设计好的电流环进行等效，其等效传函为：等效后的转速环动态结构如图等效后的转速环动态结构如图2-39所示。所示。图图2-39 转速环的动态结构图转速环的动态结构图其中，其中，