第九讲 电力拖动自动控制系统

点离被调量较远，调节作用受到多个环节 的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰 动的性能要差一些。 • 双闭环系统中，电压波动可以通过电流反 馈得到比较及时的调节，不必等它影响到 转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改 善。
• ②电网电压扰动的抑制 • 单闭环中，电压扰动得到转速环及时的调
节； • 电压扰动能够通过电流环得到及时的调节， 从而极大地改善性能。
K值成反比； • C.在加速度输入下稳态误差为 。 • 因此，I型系统不能用于具有加速度输入的 随动系统
• ②动态跟随性能指标 • 闭环传递函数 • 典型I型系统是一种二阶系统，在自控理论
中，已经给出二阶系统的动态跟随性能与 参数间准确的解析关系，不过这些关系都 是从系统的闭环传递函数推倒出来的，其 闭环传递函数的一般形式为：
• 结果分析：在双闭环系统中，由电网电压
波动引起的转速动态变化会比单闭环系统 小得多。
2.2.4 转速和电流两个调节器的作 用
• 根据前面所介绍的双闭环调速系统下不同
调节器的作用，我们可以将转速调节器和 电流调节器在双闭环直流调速系统中的作 用可以分别归纳如下：
• 1、转速调节器的作用 • ①主导调节器 • 转速调节器是调速系统的主导调节器，它
2.2.3 动态抗扰性能分析
• 一般来说，双闭环调速系统具有比较满意
的动态性能。 • 对于调速系统来说，最重要的动态性能是 抗扰性能，其中：
• 主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性
能，如图2－8。 • 1、抗负载扰动
• 无论是单闭环系统还是双闭环系统，由动
态结构图中可以看出，
± U d U* n
W cl ( s ) C (s) R (s)
n
2
2 2
s 2 n s n
• 式中 —无阻尼时的自然振荡角频率，或称
n
固有角频率； • — 阻尼比，或称衰减系数； • A.由典型I型系统的开环传递函数可以求出 其闭环传递函数为：
W cl ( s ) W (s) 1 W (s) K /T s 1 / Ts K / T
• 有了必要性和可能性，人们提出了多种工
程设计方法。
• • • •
3、设计方法的原则 (1) 概念清楚、易懂； (2) 计算公式简明、好记； (3) 不仅给出参数计算的公式，而且指明参 数调整的方向； • (4) 能考虑饱和非线性控制的情况，同样给 出简单的计算公式； • (5) 适用于各种可以简化成典型系统的反馈 控制系统。
• 2、可能性 • 大多数现代的电力拖动自动控制系统，除
电机外，经过合理的简化均可由低阶系统 近似而比例、积分、微分等可用运算放大 器或数字式微处理器来精确实现。若事先 深入研究低阶典型系统的特性并将参数与 系统性能指标关系制成图表，那么将实际 系统校正或简化成典型系统的形式再与图 表对照，设计过程就简便多了。这样，就 有了建立工程设计方法的可能性。
r j1 n m
( T s 1)
i i 1
• ①系统分类 • 上式中，分母中的 s 项表示该系统在原点处
r
1，2，……等不同数值，分别称 作0型、I型、Ⅱ型、……系统。 • ②特点 • 自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度 低，而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系统很难稳定。 因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度， 多选用I型和II型系统。
• 2、K与开环对数频率特性的关系 • ①特性图 如图2－13，箭头表示K值增大
时特性变化的方向。
图2-13在不同K值时典型I型系统的开环对数频率特性
• ②K与截止频率 的关系 • 当 1 时，特性以–20dB/dec斜率穿越零
c
c
分贝线，系统有较好的稳定性。
T
• 由图中的特性可知， • 20 lg K 20 (lg lg 1) 20 lg • ①所以K ，（当 1 / T 时）
为典型的跟随过程
• ③常用的阶跃响应跟随性能指标 • t — 上升时间。在跟随过程中，输出量从零
r
起上升到稳态值所经过的时间。 • — 超调量。在阶跃过程中，输出量在上升 时间后达到的最大值，通常用超过稳态值的 百分比表示。 • t p — 峰值时间。超调量对应的时间 • t s — 调节时间。
• ④性能特性 • 典型的I型系统结构简单，对数幅频特性的
中频段以–20dB/dec的斜率穿越0dB线，只 要参数的选择能保证足够的中频带宽度， 系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕 量；
• 即当选择参数满足
角稳定裕度：

c

1 T
或 c T 1，就有相

180 90 arctg c T 90 arctg c T 45
算和量化后可以表达为动态性能指标，自 动控制系统的动态性能指标包括：
• ①跟随性能指标
• ②抗扰性能指标
• 2、 跟随性能指标 • ①广义定义 • 在给定信号或参考输入信号的作用下，系
统输出量的变化情况可用跟随性能指标来 描述。
• 当给定信号变化方式不同时，输出响应也
不同。
• ②具体定义 • 通常以零初始值的阶跃响应的过渡过程作
• ④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。由于分母中 s 2 项对应的相频特 性是–180°，后面还有一个惯性环节，在 分子添上一个比例微分环节（ s 1），是为 了把相频特性抬到–180°线以上，以保证 系统稳定
• 即应选择参数满足： • 而相角稳定裕度
c c c c
• ②关系式表明，K值越大，截止频率 也越
c
大，系统响应越快； • 但相角稳定裕度 90 arctg cT • 越小，这也说明快速性与稳定性之间的矛 盾。 • ③在具体选择参数时，须在二者之间取折 衷。
• 下面将用数字定量地表示值与各项性能指
标之间的关系。 • 3、典型I型系统跟随性能指标与参数的关系 • ①稳态跟随性能指标
• 1、典型I型系统
• ①结构图
R(s)
K s ( T s 1)
C (s)
图2－9 典型I型系统（a）闭环系统结构框图
• ②传递函数
W (s) K s (Ts 1)
• 式中T — 系统的惯性时间常数；K — 系统
的开环增益。
• ③开环对数频率特性
O
图2－9 典型I型系统（b）开环对数频率特性
• 1、典型I型系统的参数 • 典型I型系统的开环传递函数为
W (s) K s (Ts 1)
• 它包含两个参数：开环增益K和时间常数T。
• 其中， • ①时间常数T在实际系统中往往是控制对象
本身所固有 • ②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。
• ④自动保护作用 • 当电机过载甚至堵转时，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。 • 这个作用对系统的可靠运行来说是十分重 要的
2.3 调节器的工程设计方法
2.3.0 问题的提出
• 1、必要性 • 在双闭环直流调速系统的调节器的设计中，
其结构选择和参数设计需从动态校正的需 要来解决，前面经典的动态校正方法也适 用于双闭环系统，但这种设计调节器方法 须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面 相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设 计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验， 而初学者则不易掌握，于是有必要建立实 用的设计方法。
• 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，自控理论中 已经给出关系，如表2－1。
表2-1 I型系统在不同输入信号作用下的稳 态误差
阶跃输入 输入信号
R (t ) R 0
斜坡输入
R (t ) v0t
加速度输入
R (t ) a0t 2
2
稳态误差
0
v0 / K

• 结论 • A.在阶跃输入下的I型系统稳态时是无差的； • B.但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与
第九讲
要求：1.了解动态抗扰的原因； 2.了解转速和电流调节器的作用； 3.了解工程设计方法的过程； 4.掌握典型I型、Ⅱ型系统的特点； 5.掌握控制系统的动态性能指标； 6.掌握典型I型系统跟随性能指标和参 数的关系
提醒
•下一讲将有一节课考试
• 双闭环调速系统除具有单闭环的优点外，
还有获得快速的起制动以及动态速降小的 优点，除此外，双闭环最重要的优点就是 抗扰性能，下面就是对此的分析。
2
• B.K、T与标准形式中的参数的换算关系
n

1 2 K T 1 KT
1 2T
（2-16）
且有
n
• C.二阶系统的性质 • 当 <1 时，系统动态响应是欠阻尼的振荡特
性， • 当 >1 时，系统动态响应是过阻尼的单调特 性； • 当 =1时，系统动态响应是临界阻尼。
C (t )
Cm a x C
C m ax
± 5 % （ 或± 2 % ）
C
C
O0
tr
ts
t
图2－11 典型阶跃响应曲线和跟随 性能指标
• 2、抗扰性能指标 • ①抗扰过程 • 控制系统稳定运行时，突加一个使输出量
降低的扰动量F以后，输出量由降低到恢复 的过渡过程是系统典型的抗扰过程 • ②抗扰性能指标 • 标志着控制系统抵抗扰动的能力
2.3.1 工程设计方法的基本思路
• 1.选择调节器结构，使系统典型化并满足稳
定和稳态精度。 • 2.设计调节器的参数，以满足动态性能指标 的要求。
2.3.2 典型系统
• 1、控制系统的开环传递函数 • 一般来说，许多控制系统的开环传递函数