运动控制系统期末复习.pptx

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1、华中科技大学武昌分校华中科技大学武昌分校运动控制系统运动控制系统第 2 章双闭环直流调速自动控制系统与调节器的工程设计方法第1页/共117页学习内容：2.1 双闭环调速自动控制系统的组成2.2 双闭环直流调速自动控制系统的静特性和稳态参数计算2.3双闭环直流调速自动控制系统的动态特性2.4 直流调速自动控制系统的工程设计方法2.5 双闭环直流调速自动控制系统的工程设计方法第2页/共117页2.1 双闭环调速自动控制系统的组成问题的提出问题的提出 采用转速负反馈和采用转速负反馈和PIPI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下

2、实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，单闭环系统要求快速起制动，单闭环系统就难以满足需要。就难以满足需要。第3页/共117页 1.主要原因主要原因 在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值超过临界电流值Idcr以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制以后，靠强烈的

3、负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。电流的动态波形。第4页/共117页带电流截止负反馈的单带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动闭环直流调速系统起动过程如图所示，起动电过程如图所示，起动电流达到最大值流达到最大值Idm 后，后，受电流负反馈的作用降受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过矩也随之减小，加速过程延长。程延长。ILntIdOIdmIdcr2.起动过程性能比较性能比较第5页/共117页性能比较（续）性能比较（续）理想起动过程波形理想起动过程波形如图，这时，起动如图，这时，起动电流呈方形波，转电流呈方形波，转速按线性增长

4、。这速按线性增长。这是在最大电流（转是在最大电流（转矩）受限制时调速矩）受限制时调速系统所能获得的最系统所能获得的最快的起动过程。快的起动过程。IdLntIdOIdm第6页/共117页 3.解决思路解决思路u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Idm的的恒流过程。恒流过程。u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基本不变，那么，采按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用用电流负反馈电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该能够得到近似的恒流过程。第7

5、页/共117页 系统希望能实现：系统希望能实现：起动过程，电流反馈起主要作用，维持起动过程，电流反馈起主要作用，维持恒定电流。恒定电流。稳态时，转速反馈起主要作用，维持恒稳态时，转速反馈起主要作用，维持恒定速度。定速度。转速，电流双闭环控制第8页/共117页2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图

6、所示。（或称串级）联接如下图所示。第9页/共117页TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPE-+转速、电流双闭环直流调速系统结构 1.系统的组成ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器内环 外 环第10页/共117页 2.系统电路结构 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用调节器一般都采用PIPI调节器，以下以控制电压调节器，以下以控制电压U Uc c为为正电压正电压的情况考虑，分析时还需考虑到运算放大器的情况考虑，分析时还需考虑到运算放大器的倒相作用

7、。的倒相作用。第11页/共117页系统原理图双闭环直流调速系统电路原理图+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLM第12页/共117页1.系统稳态结构图双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数;电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-R ACR-UiUPE2.2 双闭环直流调速自动控制系统的静特性和稳态参数计算第13页/共117页2.限幅作用限幅作用PIPI调节器两种状况：调节器两种状况：饱和饱和输出达到限幅值输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变

8、化不再影响输出，除非有反向的输入信当调节器饱和时，输出为恒值，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；即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，号使调节器退出饱和；即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当相当于使该调节环开环于使该调节环开环。不饱和输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。第14页/共117页 3.3.限幅的电路实现（外限幅）限幅的电路实现（外限幅）第15页/共117页4.系统静特性系统静特性一般，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。双闭环直流

9、调速系统的静特性如图所示，双闭环直流调速系统的静特性 n0IdIdmIdnomOnABC第16页/共117页 5 各稳态参数计算各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 第17页/共117页n反馈系数计算反馈系数计算双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数 电流反馈系数 第18页/共117页n两个给定电压的最大值两个给定电压的最大值U*nm和和U*im由设计者选定，设计原则如下：由设计者选定，设计原则如下：U*nm受运算放大器允许输入电压和稳

10、压电源的限制；受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；U*im为为ASR的输出限幅值。的输出限幅值。第19页/共117页讨论:1 在双闭环调速系统中,若要调节电机的转速可以调什么参数?若要调节堵转电流需要调节什么参数?2 转速,电流双闭环系统稳态运行时,两个调节器的输入偏差和输出电压各是多少?3 双闭环调速系统中,均用PI调节器,当ASR输出Ui*达到8V时,电流达到最大电流80A,问:当负载电流由40A增加到70A时,Ui*如何变化?第20页/共117页双闭环直流调速系统的动态数学模双闭环直流调速系统的动态数学模型型起动过程分析起动过程分析动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析2.3 双闭环直流

11、调速自动控制系统的动态特性第21页/共117页2.3.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构图 U*n Uc-IdLnUd0Un+-+-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E第22页/共117页 图中图中W WASRASR(s)(s)和和W WACRACR(s)(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PIPI调节调节器，则有：器，则有：注意区分形式的不同。注意区分形式的不同。第23页/共117页双闭环系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm

12、 IdL Id n*IIIIIIt4 t3 t2 t1 2.3.2 起动过程分析 由于在起动由于在起动过程中转速调过程中转速调节器节器ASR经历经历了不饱和、饱了不饱和、饱和、退饱和三和、退饱和三种情况，整个种情况，整个动态过程就分动态过程就分成图中标明的成图中标明的I、II、III三三个阶段。个阶段。第24页/共117页第第I阶段电流上升的阶段（阶段电流上升的阶段（0 0 t t1 1）q突加给定电压 U U*n n 后，I Id d 上升，当 I Id d 小于负载电流 I IdL dL 时，电机还不能转动。IdL Id n n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttq当 I

13、d IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速上升。q直到，Id=Idm，Ui=U*im 电流调节器很快就压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。1.1.起动过程起动过程第25页/共117页第第II阶段恒流升速阶段阶段恒流升速阶段（t1-t2）q在这个阶段中，ASR始终是饱和的，系统成为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。但Id略低于Idm。n IdL Id n*I

14、dm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第26页/共117页第第阶段转速调节阶段（阶段转速调节阶段（t2 以后）以后）q当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im，所以电机仍在加速，使转速超调。q转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL，转速就继续上升。IdL Id n n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttq直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。q此后，电动机开始在负载的阻

15、力下减速，与此相应，在一小段时间内（t3 t4），Id 45 第48页/共117页二、典型I型系统性能指标和参数的关系 典型I型系统的开环传递函数:时间常数 T 在实际系统中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，也就是说，K 是唯一的待定参数。设计时，需要按照性能指标选择参数 K 的大小。第49页/共117页 K 与开环对数频率特性的关系K=K=c c 表明，表明，K K 值越大，截止频率值越大，截止频率 c c 也越大，系统响应越快，也越大，系统响应越快，但相角稳定裕度但相角稳定裕度 =90=90 arctg arctg c cT T 越小，这也说明快速性与越小，这也

16、说明快速性与稳定性之间的矛盾。在具体选择参数稳定性之间的矛盾。在具体选择参数K K时，须在二者之间取折时，须在二者之间取折中。中。K=c)1()(+=TssKsW第50页/共117页表表1 I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差型系统在不同输入信号作用下的稳态误差输入信号输入信号阶跃输入阶跃输入斜坡输入斜坡输入加速度输入加速度输入稳态误差稳态误差0v0/K 1.1.典型典型I I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（1）与稳态跟随性能指标的关系：系统的稳态跟随性能指标可用不同输入信号作用下的稳态误差来表示。第51页/共117页 结论：结论：l在阶跃输入下的在阶跃输入下的

17、 I 型系统稳态时是无差的；型系统稳态时是无差的；l但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与 K 值成反比；值成反比；l在加速度输入下稳态误差为在加速度输入下稳态误差为 。因此，因此，I型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。第52页/共117页（2）与动态跟随性能指标的关系n闭环传递函数：典型闭环传递函数：典型I型系统是一种二阶系统，二阶系统标准形式：型系统是一种二阶系统，二阶系统标准形式：l当 1 时，系统动态响应是欠阻尼的振荡特性，l当 1 时，系统动态响应是过阻尼的单调特性；l当 =1 时，系统动态响应是临界阻尼。

18、一般常把系统设计成欠阻尼状态，即0 1第53页/共117页n n典型典型 I I 型系统闭环传递函数为：型系统闭环传递函数为：比较比较由于在典型I系统中 KT 1，设计时应使：第54页/共117页n性能指标和系统参数之间的关系 超调量 上升时间 峰值时间 调节时间 ts=3/n 第55页/共117页 表2 典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系 具体选择参数时，应根据系统工艺要求选择参数以满足性能指标。（eg1:53 例题2-2)参数关系参数关系KT0.250.39 0.50.69 1.0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

19、止频率截止频率 c 1.0 0%76.30.243/T 0.8 1.5%6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3%4.7T6.2T65.50.455/T 0.6 9.5%3.3T4.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3%2.4T3.2T 51.8 0.786/T第56页/共117页2.典型I型系统抗扰性能指标与参数的关系 下图是在扰动下图是在扰动 F（任意设定）（任意设定）作用下的典型作用下的典型I型系型系统，统，第57页/共117页只讨论抗扰性能时，令输入作用 R=0，得到下图所示的等效结构图。F F（s s）第58页/共117页 由于抗扰性能与由于抗扰性能与 W

20、 W1 1(s s)有关，因此抗扰性能指标也不定，随着扰动点的变化而变化。有关，因此抗扰性能指标也不定，随着扰动点的变化而变化。在此，针对常用的形式，分析书在此，针对常用的形式，分析书p47p47中图中图2-162-16的一种情况，经过计算推导可得到表的一种情况，经过计算推导可得到表2-32-3所所示的数据。示的数据。第59页/共117页55.5%33.2%18.5%12.9%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4表3 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系结论：当控制对象的两个时间常数相距较大时，动态降落减小，但恢复时间却拖得较长。第60页/共117页三、

21、典型型系统结构图和传递函数 第61页/共117页开环对数频率特性O1/第62页/共117页 性能特性 典型的II型系统也是以 20dB/dec 的斜率穿越零分贝线。以保证系统稳定，即应选择参数满足 或 且 比 T 大得越多，系统的稳定性越好。第63页/共117页四、典型II型系统性能指标和参数的关系 典型典型II型系统的开环传递函数型系统的开环传递函数待定的参数为K和,为研究的方便，引进一参数h:第64页/共117页典型典型型系统的开环对数幅频特性型系统的开环对数幅频特性0-20 40-40 /s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec典型型系统的开环对数幅频特性和中频宽中频

22、宽度1 C 第65页/共117页表4 II型系统在不同输入信号作用下的稳态误差输入信号输入信号阶跃输入阶跃输入斜坡输入斜坡输入加速度输入加速度输入稳态误差稳态误差00 a0/K（1）稳态跟随性能指标1.1.典型典型IIII型系统跟随性能指标和参数的关系型系统跟随性能指标和参数的关系 第66页/共117页在“振荡指标法”中，有：1 h/(h+1)c/1=(h+1)/21 C前已有：所以：(h+1)/2h2T2第67页/共117页表5 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mrmin准则确定关系时）h 3 4 56 7 8 9 10 tr/Tts/T k 52.6%2.412.15 3 43.6%

23、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（2）动态跟随性能指标 第68页/共117页 h 3 4 56 7 8 9 10 tr/Tts/T k 52.6%2.412.15 3 43.6%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 1h减小时，

24、上升时间快，h增大时，超调量小一般取h为折中状态。表表5 5 典型典型II II型系统阶跃输入跟随性能指标型系统阶跃输入跟随性能指标（按（按MrminMrmin准则确定关系时）准则确定关系时）第69页/共117页抗扰系统结构2.2.典型典型型系统抗扰性能指标和参数的关系型系统抗扰性能指标和参数的关系典型II型系统在一种扰动作用下的动态结构图+-第70页/共117页表6 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（参数关系符合最小Mr准则）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

25、 84.0%3.00 12.9586.3%3.15 16.8588.1%3.25 19.8089.6%3.30 22.80 90.8%3.40 25.85h 值越小，Cmax/Cb 也越小，tm 和 tv 都短，因而抗扰性能越好，但是，当 h 5 时，由于振荡次数的增加，h 再小，恢复时间 tv 反而拖长了。把典型型系统跟随和抗扰的各项性能指标综合起来看，h=5应该是一个很好的选择。第71页/共117页eg2：Wobj（s）=18/S（0.25S+1）；将；将系统校正成典型系统校正成典型型系统，选择调节器并型系统，选择调节器并计算参数。计算参数。第72页/共117页两种系统比较总结：典型典型I

26、 I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差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典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。以上是设计时选择典型系统的重要依据。以上是设计时选择典型系统的重要依据。第73页/共117页1.传递函数近似处理传递函数近似处理（1 1）高频段小惯性环节的近似处理）高频段小惯性环节的近似处理 实际系统中往往有若干个小时间常数的惯性环节，这些小时间常数所对应的实际系统中往往有若干个小时间常数的惯性环节，这些小时间常数所对应的频率都处于频率特性的高频段，形成一组小惯性群。例如，系统的开环传递函数频率都处于频率

27、特性的高频段，形成一组小惯性群。例如，系统的开环传递函数为为 小惯性环节可以合并2 2.4 4.3 3 调节器结构的选择和传递函数的近调节器结构的选择和传递函数的近 似处理似处理非典型系统的典型化非典型系统的典型化第74页/共117页 当系统有一组小惯性群时，在一定的条件下，可以将它们近似地看成是一当系统有一组小惯性群时，在一定的条件下，可以将它们近似地看成是一个小惯性环节，其时间常数等于小惯性群中各时间常数之和。个小惯性环节，其时间常数等于小惯性群中各时间常数之和。例如：近似条件注意：Wc为校正后的系统的截止频率。第75页/共117页（2 2）高阶系统的降阶近似处理）高阶系统的降阶近似处理

28、上述小惯性群的近似处理实际上是高阶系统降阶处理的一种特例，它把多阶上述小惯性群的近似处理实际上是高阶系统降阶处理的一种特例，它把多阶小惯性环节降为一阶小惯性环节。下面讨论更一般的情况，即如何能忽略特征小惯性环节降为一阶小惯性环节。下面讨论更一般的情况，即如何能忽略特征方程的高次项。以三阶系统为例，设方程的高次项。以三阶系统为例，设 其中其中 a a，b b，c c都是正系数，且都是正系数，且bc bc a a，即系，即系统是稳定的。统是稳定的。第76页/共117页降阶处理：降阶处理：若能忽略高次项，可得近似的一阶系统的若能忽略高次项，可得近似的一阶系统的传递函数为传递函数为近似条件近似条件 第

29、77页/共117页（3 3）低频段大惯性环节的近似处理）低频段大惯性环节的近似处理当系统中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当系统中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，即环节，即 第78页/共117页近似条件近似条件 例如：第79页/共117页表1 校正成典型I型系统的几种调节器选择控制控制对象对象调节调节器器参数参数配合配合T1、T2 T3T1 T22.2.调节器结构的选择调节器结构的选择第80页/共117页表2 校正成典型II型系统的几种调节器选择控控制制对对象象调调节节器器参参数数配配合合Eg3Eg3：将：将P53P53例题例题2-

30、32-3中的系统校正成中的系统校正成型系统。型系统。第81页/共117页l理解和掌握设计思路；l掌握典型环节的参数与指标的关系并记忆一般折中参数；l掌握系统的典型化；l会运用公式，会查表设计。工程设计方法重点总结：当堂作业：当堂作业：P67,2-10 P67,2-10 第第2 2问问第82页/共117页 2.5 双闭环直流调速自动控制系统的工程设计方法 本节将应用前述的工程设计方法来设计本节将应用前述的工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。主要内容为：主要内容为：系统设计对象系统设计对象系统设计原则系统设计原则系统设计方法系统设计方法第8

31、3页/共117页-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+E T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn电流 内环 双闭环调速系统的动态结构图 转速、电流双闭环调速系统。1.系统设计对象第84页/共117页2.系统设计原则系统设计的一般原则：系统设计的一般原则：“先内环后外环先内环后外环”从内环开始，逐步向外扩展。首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速从内环开始，逐步向外扩展。首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。调节系统中的一个环节，再设计转速调节器

32、。第85页/共117页 设计分为以下几个步骤：设计分为以下几个步骤：（1 1）电流环结构图的简化）电流环结构图的简化（2 2）电流调节器结构的选择）电流调节器结构的选择（3 3）电流调节器的参数计算）电流调节器的参数计算（4 4）电流调节器的实现）电流调节器的实现 电流调节器的设计3 3 系统设计方法系统设计方法 第86页/共117页n忽略反电动势的动态影响忽略反电动势的动态影响 （1）电流环结构图的简化-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+E T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn第87页/共11

33、7页Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc(s)Ks Tss+1Id(s)T0is+11 T0is+1 忽略反电动势的电流环 n n等效成单位负反馈系统等效成单位负反馈系统+-ACRUc(s)Ks/R(Tss+1)(Tl s+1)Id(s)U*i(s)T0is+1第88页/共117页小惯性环节近似处理小惯性环节近似处理简化的近似条件为:+-ACRUc(s)Ks/R(Tss+1)(Tl s+1)Id(s)U*i(s)T0is+1T Tii=T Ts+s+T Toioi第89页/共117页电流环结构图最终简化成下图。电流环结构图最终简化成下图。+-ACRUc(s)Ks/

34、R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)第90页/共117页（2）电流调节器结构的选择典型系统的选择：典型系统的选择：l从稳态要求上看，希望电流无静差，由上图可以看出，从稳态要求上看，希望电流无静差，由上图可以看出，采采用用 I I 型系统就够了。型系统就够了。l从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因

35、素，值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型应选用典型I I型系统。型系统。+-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)第91页/共117页电流调节器选择电流调节器选择-PI-PI调节器调节器 式中 Ki 电流调节器的比例系数；i 电流调节器的超前时间常数。第92页/共117页 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择：为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择：则电流环的动态结构图

36、便成为典型则电流环的动态结构图便成为典型I I型。型。K I s(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)令：令：第93页/共117页（3）电流调节器的参数计算 电流调节器需要确定的参数有：电流调节器需要确定的参数有：Ki 和和 i，其中其中 i=Tl已选定，剩下的只有比例系数已选定，剩下的只有比例系数 Ki，可可根据所需要的动态性能指标选取。根据所需要的动态性能指标选取。第94页/共117页参数选择参数选择 在一般情况下，希望电流超调量在一般情况下，希望电流超调量 i 5%，由，由表表2-2，可选，可选 =0.707，KI T i=0.5，则，则注意：对电流环的抗扰性能应该做出校验。注意：对电

37、流环的抗扰性能应该做出校验。第95页/共117页（4）电流调节器的实现模拟式电流调节器电路模拟式电流调节器电路含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 第96页/共117页电流调节器电路参数的计算公式电流调节器电路参数的计算公式请见教材例题请见教材例题2-52-5第97页/共117页设计分为以下几个步骤：设计分为以下几个步骤：（1 1）电流环的等效闭环传递函数）电流环的等效闭环传递函数（2 2）转速调节器结构的选择）转速调节器结构的选择（3 3）转速调节器参数的选择）转速调节器参数的选择（4 4）转速调节器的实现）转速调节器的实现 转速调节器的设计第98页/共117页（1）电流环的等效闭环传递函

38、数电流环闭环传递函数电流环闭环传递函数 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。函数。K I s(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)第99页/共117页传递函数化简：传递函数化简：近似条件可由式（2-52）求出 式中 cn 转速环开环频率特性的截止频率。第100页/共117页电流环等效传递函数电流环等效传递函数 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为，因此电流环在转速环中应等效为 这样，原来是双惯性环节的电流环控制

39、对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。电流的闭环控制改造了控制对象，加电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用。快了电流的跟随作用。第101页/共117页（2）转速调节器结构的选择转速环的动态结构转速环的动态结构 用电流环的等效环节代替电流环后，整个用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如下图。转速控制系统的动态结构图便如下图。n(s)+Un(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)T0ns+11 T0ns+1U*i(s)-IdL(s)电流环第102页/共117页系统等效和小惯性的近似处理系统等效和小惯性的近似处理 和电流

40、环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给和电流环中一样，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定信号改成 U*n(s)/，再把时间常数为，再把时间常数为 1/KI 和和 T0n 的两个小惯的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中第103页/共117页转速环结构简化转速环结构简化 n(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)/Tns+1U*n(s)+-IdL(s)l 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节。个积分环

41、节。l 调速系统在总体上应以抗扰性能为主。调速系统在总体上应以抗扰性能为主。转速环应该设计成典型转速环应该设计成典型型系统型系统第104页/共117页因此，因此，ASR也应该采用也应该采用PI调节器，其传递函数为调节器，其传递函数为式中 Kn 转速调节器的比例系数；n 转速调节器的超前时间常数。第105页/共117页调速系统的开环传递函数调速系统的开环传递函数令转速环开环增益为则 n(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)/Tns+1U*n(s)+-IdL(s)第106页/共117页校正后的系统结构校正后的系统结构 n(s)+-U*n(s)校正后成为典型 II 型系统 第107页/共

42、117页（3）转速调节器的参数计算 转速调节器的参数包括转速调节器的参数包括 Kn 和和 n。按照典型。按照典型型型系统的参数关系系统的参数关系.因此 第108页/共117页（4）转速调节器的实现模拟式转速调节器电路模拟式转速调节器电路第109页/共117页转速调节器参数计算转速调节器参数计算请见教材例题请见教材例题2-62-6。第110页/共117页（4）转速调节器退饱和时转速超调量的计算IdL Id n n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt初始条件初始条件n=nn=n,I,Id d=I=Idmdm第111页/共117页退饱和时转速超调量 n n=2(=2(C Cmaxm

43、ax/C/Cb b)()(-Z)(-Z)(n nNNT T n n)/(n)/(nT Tmm)根据h值查表3-5得到的动态降落电机过载倍数(1.52）负载系数Ton+(1/K)开环速降=INR/Ce 请见教材例请见教材例2-72-7第112页/共117页1 1 n n与转速的稳态值密切相关，与转速的稳态值密切相关，n n不一样，不一样，n n也会不一样。也会不一样。2 2 电动势的影响对于电流环而言可以忽略，但对转速环不能忽略，电动势的影响对于电流环而言可以忽略，但对转速环不能忽略，EE，I Id d，n n会减小。会减小。3 3 外环的响应比内环慢，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定

44、的，对系统的外环的响应比内环慢，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作有利组成和调试工作有利。l l 注意点：注意点：第113页/共117页 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId作业：将例题中的双闭环系统进行仿真作业：将例题中的双闭环系统进行仿真第114页/共117页第第2 2章章 重要知识点总结重要知识点总结双闭环调速系统系统双闭环调速系统系统1 1 双闭环系统的电气结构。双闭环系统的电气结构。2 2 双闭环系统的稳态结构图及稳态参双闭环系统的稳态结构图及

45、稳态参数计算。数计算。4 4 双闭环系统的限幅。双闭环系统的限幅。5 5 双闭环较之单闭环的优势。双闭环较之单闭环的优势。6 6 突发情况下，双闭环的调节。突发情况下，双闭环的调节。3 3 双闭环系统的动态结构图及起动过程。双闭环系统的动态结构图及起动过程。第115页/共117页工程设计方法工程设计方法1 1 工程设计方法的思想及设计步骤。工程设计方法的思想及设计步骤。2 2 典型典型型和型和型系统性能。型系统性能。4 4 会用工程设计法设计会用工程设计法设计ACR,ASRACR,ASR。5 5 会进行双闭环系统的仿真。会进行双闭环系统的仿真。3 3 型和型和型系统参数与性能指标的关系型系统参数与性能指标的关系并计算应用。并计算应用。完完 第116页/共117页感谢您的观看！第117页/共117页