第3章直流调速系统总复习

I型系统设计的几个总结：
（2） 在设计动态抗扰性能指标时，要考虑控制对象 中小时间常数和大时间常数比值m的选择问题； 从表3-2的数据可知，当控制对象的两个时间常数 相距较大时，动态降落较小，但恢复时间却拖得很 长，反映的是动态稳定性和恢复时间这对矛盾的问 题
2.典型Ⅱ型系统

典型Ⅱ型系统的开环传函：
3.3.1 控制系统的动态性能指标

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。
图3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标 超调量σ
C max C 100 % C
上升时间
峰值时间
调节时间
动态降落
静差
图3-9 突加 扰动的动态 过程和抗扰 性能指标
h

3
4
5
6
7
8
9
10
52.6% 43.6% 37.6% 33.2% 29.8% 27.2% 25.0% 23.3% 2.4 12.15 3 2.65 11.65 2 2.85 9.55 2 3.0 10.45 1 3.1 11.30 1 3.2 12.25 1 3.3 13.25 1 3.35 14.20 1
该参数关系就是西门子“最佳整定”方法的 “模最佳系统”或称“二阶最佳系统”。
其实这只是折中参数的选择，无所谓最佳，真正 的最佳应依据工艺要求性能指标而定 最适合的就是最好的!
（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Ⅰ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；
hT
2 K 1c 1
(3-29) (3-30)
h 1 1 h 1 1 1 2 h 1 h 1 ( 2 )2 ( ) 2 h 2 h T 2 2h2T 2
因此，h的选取是二阶系统系能指标的关键！！！
表3-4 典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标
(按Mrmin准则确定参数Fra bibliotek系)1.0 0.5 16.3 % 2.4T 3.2T 51.8 ° 0.786/T
截止频率c
0.243/T 0.367/T 0.455/T
当要求动态响应快时，可取=0.5-0.6，把K选大些；当要求超调量小时， 可取=0.8-1.0，把K选小些；若要求无超调，则取=1;
一般可取折中值，即=0.707，K=0.5/T， 此时略有超调（ %=4.3%）
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用

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。
调节器作用总结
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。

τ比T大得越多，系统的稳定裕度就越大。
采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小 准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合。

2 2h c h 1
c h 1 1 2
(3-25)
最佳频比需满足：
(3-26)
ω1+ ω2=2 ωc
令ωc处于ω1和ω2的中心

在确定了h之后，可求得
Cmax/Cb 72.2% 77.5% 81.2% 84.0% 86.3% 88.1% 89.6% 90.8% tm / T tv / T
2.45 13.60 2.70 10.45 2.85 8.80 3.00 12.95 3.15 16.85 3.25 19.80 3.30 22.80 3.40 25.85

K (s 1) W ( s) 2 s (Ts 1)

=1点处在-40dB/dec特性段，可以看出

20lgK=40(lg1–lg1)+20(lgc-lg1)=20lg1c
K 1 c

(3-24)
系统相角稳定裕度为
180 180 arctanc arctancT arctanc arctancT
2. 电流调节器的作用



使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（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， 系统立即自动恢复正常。
3.3 转速、电流反馈控制直流调速系 统的设计
tr / T
ts / T k
h=5的调节时间最短，此外，h减小时，上升时间快，但h减小时，超调量 确增大，系统变得不稳定。把各项指标综合起来看，以h=5的动态跟随性 能比较适中。
Cb = 2FK2T 为输出ΔC在2T时间内的累加值
表3-5 典型Ⅱ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M r min 准则） h 3 4 5 6 7 8 9 10
参数关系KT 阻尼比 超调量 上升时间 tr 峰值时间 tp 相角稳定裕度
0.25 1.0 0% 76.3°
0.39 0.8 1.5% 6.6T 8.3T 69.9°
0.5 0.707 4.3 % 4.7T 6.2T 65.5°
0.69 0.6 9.5 % 3.3T 4.7T 59.2 ° 0.596/T
K (s 1) W ( s) 2 s (Ts 1) （3-22）
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： h 1T 2 1 T 1 (3-23) 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。
3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成及其静特性
起动电流呈矩形波，转速按 线性增长。这是在最大电流 （转矩）受限制时调速系统 所能获得的最快的起动（制 动）过程。

方案设想：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，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）。

表3-2 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
KT 0.5 开环系统稳态输出值作为最大动态降落的基准值Cb FK 2
T1 T m T2 T2
最大动 态降落
1 5
27.8%
2.8 14.7
1 10
12.6%
3.4 21.7
1 20
9.3%
3.8 28.7
1 30
6.5%
4.0 30.4
恢复时间
1．典型Ⅰ型系统

作为典型的I型系统，其开环传递函数选择为
K W ( s) s(Ts 1)
（3-10） 式中， T——系统的惯性时间常数； K——系统的开环增益。
(a)闭环系统结构图

典型Ⅰ型系统的对数幅频特性的幅值为
20 lg K 20(lg c lg 1) 20 lg c
（2）转速超调 当转速调节器ASR采用PI调节器时， 转速必然有超调。转速略有超调一般是允 许的，对于完全不允许超调的情况，应采 用别的控制措施来抑制超调。
双闭环直流调速系统的起动过程 有以下三个特点：
（3）准时间最优控制 对于调速系统，在电动机允许过载能 力限制下的恒流起动或制动，就是时间最 优控制。
双闭环直流调速系统的起动过程 有以下三个特点：
（1）饱和非线性控制 随着ASR的饱和与不饱和，整个系统 处于完全不同的两种状态，因此不能简单 地用线性控制理论来分析整个过程，也不 能简单地用线性控制理论来笼统地设计这 样的控制系统，只能用分段的方法分析；
双闭环直流调速系统的起动过程 有以下三个特点：
* U n U n n n0
U i* U i I d

n
* Un

n0
(3-1)
* U i* U im
I d I dm
处于AB段
（2）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，电枢电流将保持最大 值运行。
h值越小， C max / 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。 因此，h=5 是较好的选择，这与跟随性能中调节时间ts最短的条件一致。
图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 TG——测速发电机
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；
（1） 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。
2．动态抗扰性能分析

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。
（1）抗负载扰动
负载扰动
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用

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。
（2）抗电网电压扰动
电网电压扰动


K c 得到 相角裕度为