1、双闭环直流调速系统设计双闭环直流调速系统设计 江苏科技大学江苏科技大学电工电子实验中心电工电子实验中心适用专业：自适用专业：自 动动 化化 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 主要内容主要内容1.1.双闭环调速系统的组成及其静特性双闭环调速系统的组成及其静特性2.2.数学模型和动态性能分析数学模型和动态性能分析3.3.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法4.4.双闭环系统调节器的设计双闭环系统调节器的设计*一、双闭环调速系统及其静特性一、双闭环调速系统及其静特性 转速单闭环系统不能随意控制电流和转矩的动转速单闭环系统不能随意控制电流和转矩的动态过程。态过程。采用电流截止负反馈环节只能限制
2、电流采用电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。理想的快速起动过程理想的快速起动过程IdLntIdOIdm带电流截止负反馈的单闭环调速系统带电流截止负反馈的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrnn起动过程起动过程 希望能实现的控制希望能实现的控制在起动过程的主要阶段，只有在起动过程的主要阶段，只有 电流负反馈，没有转速负反馈。电流负反馈，没有转速负反馈。达到稳态后，只要转速负反馈，达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用。不让电流负反馈发挥主要作用。+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcT
3、AM+-UdIdUPE-MTG内环外 环ni 转速、电流双闭环直流调速系转速、电流双闭环直流调速系统统当当ASRASR不饱和时，不饱和时，ASRASR成为主导的调节器，成为主导的调节器，转速负反馈起主要作用。转速负反馈起主要作用。Ks 1/CeUcIdEnUd0+-IdR R ACR-UiUPE当当ASRASR饱和饱和时时，相当于电流单闭环系统，相当于电流单闭环系统,实现实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈只有电流负反馈，没有转速负反馈”*imU双闭环直流调速系统的稳态结构框图双闭环直流调速系统的稳态结构框图 转速反馈系数转速反馈系数 电流反馈系数电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEn
4、Ud0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE 稳态结构框图稳态结构框图 调节器输出限幅的作用调节器输出限幅的作用 转速调节器转速调节器ASRASR的输出限幅电压的输出限幅电压U U*imim决定决定 电流给定电压的最大值；电流给定电压的最大值；电流调节器电流调节器ACRACR的输出限幅电压的输出限幅电压U Ucmcm限制限制 了电力电子变换器的最大输出了电力电子变换器的最大输出电压电压U Udmdm。静特性静特性 设计时，使设计时，使ACRACR不会达到饱和状不会达到饱和状态。态。至于至于ASRASR，在，在CACA段未饱和，在段未饱和，在ABAB段饱和。段饱和。n0IdIdm
5、IdNOnABC（1 1）转速调节器不饱和）转速调节器不饱和0*nnUn（U*i U*im，Id Idm）（2 2）转速调节器饱和转速调节器饱和dm*imdIUI(n n0)各变量的稳态工作点和稳态参数计各变量的稳态工作点和稳态参数计算算稳态工作中，两个调节器都不饱和0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU PIPI调节器的特点调节器的特点 比例调节器的输出量总是正比于其输比例调节器的输出量总是正比于其输入量。入量。PIPI调节器未饱和时，其输出量的稳态调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，直到输入为零，才停值是输入的积分，直到输入为零
6、，才停止积分。这时，输出量与输入无关，而止积分。这时，输出量与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。是由它后面环节的需要决定的。反馈系数计算转速反馈系数 电流反馈系数 max*nmnUdm*imIUU*n Uc-IdLnUd0Un+-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E二、数学模型和动态性能分析二、数学模型和动态性能分析起动过程分析起动过程分析 n OOttIdm Id IIIIIIt4 t3 t2 t1*ndLI按转速调节器按转速调节器ASRASR不饱和、饱和、退不饱和、饱和、退饱和分成三个阶段：饱和分成三个阶段：I.电流上升阶段
7、电流上升阶段II.恒流升速阶段恒流升速阶段III.转速调节阶段转速调节阶段 双闭环直流调速系统起动过程的特双闭环直流调速系统起动过程的特点点（1）饱和非线性控制饱和非线性控制（2）转速超调转速超调（3）准时间最优控制准时间最优控制(有限制条件的有限制条件的最短时间控制最短时间控制)动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 调速系统的动态抗扰性能，调速系统的动态抗扰性能，主要是主要是抗负载扰动抗负载扰动和和抗电网抗电网 电压扰动电压扰动的性能的性能 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1.抗负载扰动IdL2.2.抗电网电压扰动抗电网电
8、压扰动-IdLUd 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E 转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用 1.1.转速调节器的作用转速调节器的作用 （1 1）转速调节器是调速系统的主导调节器，）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速它使转速 n n 很快地跟随给定电压变化，稳态很快地跟随给定电压变化，稳态 时可减小转速误差，如果采用时可减小转速误差，如果采用PIPI调节器，则调节器，则 可实现无静差。可实现无静差。（2 2）对负载变化起抗扰作用。）对负载变化起抗扰作用。（3 3）输出限幅值决定电机允许的最大电流。）
9、输出限幅值决定电机允许的最大电流。2.2.电流调节器的作用电流调节器的作用（1 1）作为内环的调节器，在外环转速的）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化。外环调节器的输出量变化。（2 2）对电网电压波动起及时抗扰作用。）对电网电压波动起及时抗扰作用。（3 3）在转速动态过程中，保证获得电机）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。允许的最大电流，从而加快动态过程。（4 4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢）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。电流的最大值，
10、起快速的自动保护作用。三、调节器的工程设计方法三、调节器的工程设计方法（1 1）概念清楚、易懂；）概念清楚、易懂；（2 2）计算公式简明、好记；）计算公式简明、好记；（3 3）不仅给出参数计算的公式，而且指明）不仅给出参数计算的公式，而且指明 调整参数的方向；调整参数的方向；（4 4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；给出简单的计算公式；（5 5）适用于各种可以简化成典型系统的反）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。馈控制系统。工程设计方法的基本思路工程设计方法的基本思路 设计工作分两步走：设计工作分两步走：1.1.选择调节器的结构，
11、使系统典型化，以确选择调节器的结构，使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。2.2.再选择调节器的参数，以满足动态性能指再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求标的要求。调节器结构的选择调节器结构的选择系统校正控制对象 调节器 输入输出典型系统 输入输出选择调节器，选择调节器，将控制对象校正成为典型系统。将控制对象校正成为典型系统。典型典型I型系统型系统)(sR)1(TssK)(sC T 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。T1c1cT选择参数，保证选择参数，保证 或或 ，使系统足够，使系统足够
12、稳定。稳定。典型典型型系统型系统 保证系统足够稳定保证系统足够稳定T11cT或控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标 1.1.跟随性能指标跟随性能指标 2.2.抗扰性能指标抗扰性能指标 调速系统的动态指标以抗扰性调速系统的动态指标以抗扰性能能，而随动系统的动态指标，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。则以跟随性能为主。系统典型的阶跃响应曲线系统典型的阶跃响应曲线5%（或2%）)(tCCCCmaxmaxCC0 tOtrts阶跃响应阶跃响应跟随性能指标跟随性能指标 t tr r 上升时间上升时间 超调量超调量 t ts s 调节时间调节时间突加扰动的动态过程和抗扰性能指突加扰动的动态过程和
13、抗扰性能指标标maxC1C2C5%（或2%）CFFO ttmtvCb 抗扰性能指标 C Cmaxmax 动态降落动态降落 t tv v 恢复时间恢复时间 I型型和和型系统型系统在稳态误差上的区别。在稳态误差上的区别。典型典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，小，但抗扰性能稍差，典型典型型系统的超调量相对较大，抗扰性型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。能却比较好。典型典型I I型系统和典型型系统和典型型系统的型系统的比较比较典型I型系统跟随性能指标与参数的关系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
14、态误差 0v0/K0)(RtRtvtR0)(2)(20tatR（1）稳态跟随性能指标：不同输入信号 作用下的稳态误差 稳态跟随性能指标稳态跟随性能指标在阶跃输入下的在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无差的；型系统稳态时是无差的；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；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型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。的随动系统。（2）动态跟随性能指标参数关系参数关系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 t
15、r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 1.0 0%76.30.243/T 0.8 1.5%6.6T8.3T 69.90.367/T 0.707 4.3%4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5%3.3T4.7T 59.2 0.596/T 0.5 16.3%2.4T3.2T 51.8 0.786/T典型典型I I型系统的抗扰性能指标型系统的抗扰性能指标0)(sR)(2sW)(1sW)(sF)()(sCsC)(sN)(11sW)(sW)(sC典型I型系统)(sF扰动作用下的典型扰动作用下的典型I I型系统型系统 只讨论抗扰性能时，输入作用只讨论抗
16、扰性能时，输入作用 R R=0=0。)1()()()(21TssKsWsWsW)1()1()(211TsssTKsW)1()(222sTKsW取取，则则阶跃扰动作用下的输出变化量阶跃扰动阶跃扰动：sFsF)()(1()1()(222KsTssTTsFKsC输出变化量：输出变化量：TtmeTtememmmmFKtCTtTtTt2sin2cos)1()1(1222)()2/()2/(/2225.0KT当当 时时221TTTTm51101201301%100maxbCC 55.5%33.2%18.5%12.9%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4典型典型I型系统动
17、态抗扰性能指标与型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（参数的关系（KT=0.5,Cb=FK2/2)典型典型II型系统性能指标和参数的关系型系统性能指标和参数的关系 时间常数时间常数T T是控制对象固有的，而是控制对象固有的，而待定的参数有两个：待定的参数有两个：K K 和和 。定义定义中频宽中频宽：12Th)1()1()(2TsssKsW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dB/L0 11T12hKlg20-20 40-40 /s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec中频宽参数之间的一种最佳配合参数之间的一种最佳配合采用采用“振荡指标法振荡指标法”中的闭环
18、幅频特性中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合，之间的一种最佳配合，122hhc211hc则则 hT2222112121)1(21ThhhhThKc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 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatRKa/0（1 1）稳态跟随性能指标）稳态跟随性能指标 不同输入信号作用下的稳态误差不同输入信号作用下的稳态误差 典型典型II II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 在阶跃和斜坡输入下，在阶跃和斜坡输入下，II II型系统稳型系统稳
19、态时均无差；态时均无差；加速度输入下稳态误差与开环增益加速度输入下稳态误差与开环增益K K成反比成反比。（2 2）动态跟随性能指标）动态跟随性能指标 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 1按Mrmin准则确定参数关系时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+)1()1(1TsshTsK
20、sK2)(sF)(sC0)(1sW)(2sW 在阶跃扰动下，在阶跃扰动下，11212)1(12)(222332222hTssThhsThhTsTFKhhsC 阶跃扰动的输出响应阶跃扰动的输出响应Cb=2FK2TsFsF/)(取输出量基准值为取输出量基准值为 典型典型II II型系统动态抗扰性能指标与参数的型系统动态抗扰性能指标与参数的关系关系 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 84.0%3.00 12.9586.3%3.15 16.8588.1%3.25 19.8089
21、.6%3.30 22.80 90.8%3.40 25.85（参数关系符合最小（参数关系符合最小MMr r准则）准则）校正成典型I型系统的几种调节器选择控制对象调节器参数配合)1)(1)(1(3212sTsTsTK)1)(1(212sTsTKT1、T2 T312TsK)1(2TssK)1)(1)(1(3212sTsTsTK321,TTT ssK11pi)1(sKipKsss)1)(1(21ssK11pi)1(11T2211,TT3211,TTTTT1 T2 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 )1)(1)(1()1()(321sTsT
22、sTssKsW小惯性环节可以合并1)(1)1)(1(13232sTTsTsT近似条件近似条件32c31TT（2 2）高阶系统的降阶近似处理）高阶系统的降阶近似处理设三阶系统设三阶系统a a，b b，c c都是正数，且都是正数，且bcbc a a，即系统是稳定的。，即系统是稳定的。降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统近似条件近似条件 ：1)(23csbsasKsW1)(csKsW),1min(31cacb（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 时间常数特别大的惯性环节，可以近似时间常数特别大的惯性环节，可以近似为积分环节，即为积分
23、环节，即 11TsTs1近似条件：近似条件：T3c四、双闭环系统调节器的设计四、双闭环系统调节器的设计 用工程设计方法设计转速、电流双闭环用工程设计方法设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环，调速系统的两个调节器，先内环后外环，即从内环开始，逐步向外扩展。即从内环开始，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，环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。再设计转速调节器。-IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+E
24、Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 Tons+1U*n(s)n(s)电流环 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统E(s)（增加了滤波环节）（增加了滤波环节）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电流调节器的设计+-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)简化
25、后的电流环结构图简化后的电流环结构图按典型按典型I型系统设计，型系统设计，ACRACR选选PIPI调节器。调节器。liTRKKKisiI，K I s(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)动态结构框图动态结构框图 开环对数幅频特性开环对数幅频特性:1OL/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decTi校正后电流环的结构和特性校正后电流环的结构和特性设计步骤：设计步骤：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 转速调节器的设计转速调节器
26、的设计111)()()(Icli*idsKsWsUsI 电流环等效传递函数 原来双惯性环节的电流环控制对象，经原来双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。时间常数的一阶惯性环节。电流闭环控制的意义电流闭环控制的意义 电流闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。简化后的转速环结构n(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)/Tns+1+-IdL(s)转速调节器选择ASR采用采用PI调节器调节器ssKsWnnnASR)1()(mennNTCRKK令令则则)1(
27、)1()(n2nNnsTssKsWn(s)+-U*n(s)1()1(n2nNsTssK校正后的调速系统转速调节器的参数计算 按照典型按照典型型系统的参数关系型系统的参数关系，nn hT2n2N21ThhKnmen2)1(RThTChK因此因此 转速环与电流环的关系转速环与电流环的关系 外环的响应比内环慢，这是按上 述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，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非常有利。转速调节器退饱和超调转速调节器退饱和超调 起动时，转速调节系统不服从典型系统起动时，转速调节系统不服从典型系统的线性规律的线性规律，超调量不等于典型超调量不等于
28、典型II型系统型系统跟随性能指标中的数值跟随性能指标中的数值,而是经历了饱和非而是经历了饱和非线性过程后的超调，称作线性过程后的超调，称作“退饱和超调退饱和超调”。分析表明，可以利用典型分析表明，可以利用典型II型系统抗扰型系统抗扰性能指标中负载由性能指标中负载由 突降到突降到 的动态速升的动态速升与恢复过程来计算退饱和超调量。与恢复过程来计算退饱和超调量。dmIdLIn OOttIdm Id IIIIIIt4 t3 t2 t1*ndLI退饱和转速超调退饱和转速超调 n n的基准值的基准值 在典型在典型II II型系统抗扰性能指标中，型系统抗扰性能指标中，C C的基准值：的基准值：medLdm
29、nbTCIIRTn)(2换算到退饱和转速超调换算到退饱和转速超调 n n的基准值：的基准值：由于由于 ，TFKCb22mnNTTnz)(2dLdmIIFmeTCRK 2nTT则则其中其中 ，dNdmIIdNdLzIIedNCRIn 退饱和超调量退饱和超调量 转速超调量转速超调量 的基准值应该是的基准值应该是 mnNbbbnTTnnzCCnnCC*max*max)(2)(*n经基准值换算后得经基准值换算后得 n一、目的：一、目的：1联系实际，对可控硅直流调整系统进行综合性研究，联系实际，对可控硅直流调整系统进行综合性研究，加深对所学加深对所学自动控制系统自动控制系统课程的认识和理解，并掌课程的认
30、识和理解，并掌握分析系统的方法。握分析系统的方法。2熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的测定和计熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的测定和计算方法。算方法。3掌握可控硅直流调整系统中各单元部件和控制系统掌握可控硅直流调整系统中各单元部件和控制系统的调试步骤和方法。的调试步骤和方法。4培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题的能力。统中出现的各种问题的能力。5设计出符合要求的双闭环直流调整系统，并通过设设计出符合要求的双闭环直流调整系统，并通过设计正确掌握工程设计方法。计正确掌握工程设计方法。二、要求：二、要求：1分析系统的工作原
31、理，进行系统总体设计。分析系统的工作原理，进行系统总体设计。2选择系统主电路各元部件。选择系统主电路各元部件。3进行触发电路、电流环电路、速度环电路的设计，并完成其进行触发电路、电流环电路、速度环电路的设计，并完成其单元调试。单元调试。4构成开环系统，并测其机械特性。构成开环系统，并测其机械特性。5测出各环节的放大倍数及其时间常数。测出各环节的放大倍数及其时间常数。6构成采用速度反馈的单闭环无差系统，并测其静特性，要求构成采用速度反馈的单闭环无差系统，并测其静特性，要求静差率小于静差率小于2%。7分析单闭环无差系统的动态性能。分析单闭环无差系统的动态性能。*8如调整范围如调整范围D=4时，比较开环时和单闭环时的动态响应。时，比较开环时和单闭环时的动态响应。*9构成速度电流双闭环无静差系统，并测其动态性能指标和提构成速度电流双闭环无静差系统，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足%10%，0.1秒和秒和N1。10对本课程设计提出新设想和新建议。对本课程设计提出新设想和新建议。三、地点及时间安排三、地点及时间安排 地点：电机实验室1、布置设计任务 1天2、确定设计方案 2天3、调节器设计 3天4、实验及系统调试 2天5、写设计报告6、交设计报告和答辩 1天
