电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt2-3转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法.ppt

1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统1转速、电流双闭环直转速、电流双闭环直流调速系统和调节器流调速系统和调节器的工程设计方法的工程设计方法 电力拖动自动控制系统第第 2 2 章章1电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统2 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 *5.5.转速超调的抑制转速超调的抑制 *6.6.弱磁控制的直流调速系

2、统弱磁控制的直流调速系统2电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统3本节要点：本节要点：1.1.介绍一般调节器的工程设计方法；介绍一般调节器的工程设计方法；2.2.介绍典型环节介绍典型环节;3.3.典型典型、系统的参数和性能指标的关系系统的参数和性能指标的关系;4.4.小惯性环节近似处理；小惯性环节近似处理；5.5.高阶系统的降阶处理；高阶系统的降阶处理；6.6.大惯性环节的近似处理。大惯性环节的近似处理。重点、难点：重点、难点：典型典型系统的参数和性能指标的关系；系统的参数和性能指标的关系；非典型系统的近似。非典型系统的近似。3电力拖动自动控制系统电力拖动自动

3、控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统42.3 2.3 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法2.3.0 2.3.0 问题的提出问题的提出 必要性：必要性：用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、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。于是便需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验。于是便需要一种简单实用的方法要一种简单实用的方法工程设计方法。工程设计方法。可能性：可能性：大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统大多数现代的电

4、力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，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照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。法的可能性。4电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统5l设计方法的原则设计方法的原则 ：（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

5、指明参数）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；调整的方向；（4 4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；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馈控）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。制系统。5电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统62.3.1 2.3.1 工程设计方法的基本思路工程设计方法的基本思路 1.1.选择调节器结构选择调节器结构,使系统典型化并满足使系统典型化并满足稳定和稳态精度稳定和稳态精度。2.2.设计调节器的参数，以满足动态性能设计调节器的参数，以满足

6、动态性能指标的要求指标的要求。6电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统73.调节器结构的选择调节器结构的选择l基本思路基本思路:事先将事先将典型系统的各项性能指标典型系统的各项性能指标列出图表。将控制对象校正成为典型列出图表。将控制对象校正成为典型I型系型系统或统或 II型系统，根据图表选择调节器参数型系统，根据图表选择调节器参数。系统校正系统校正控制对象控制对象 调节器调节器 输入输入输出输出典型系统典型系统 输入输入输出输出只采用少量只采用少量典型系统典型系统7电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统82.3.2 2.3.2

7、 典型系统典型系统 一般来说，许多控制系统的开环传递函数都一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示可表示为为 (2-8)R(s)C(s)分母中的分母中的 sr 项表示该系统在原点处项表示该系统在原点处有有 r 重极点，或者说，系统含有重极点，或者说，系统含有 r 个积分环节。根据个积分环节。根据 r=0，1，2，等不同数值，分别称作等不同数值，分别称作0型、型、I型、型、型、型、系统系统 自动控制理论已经证明，自动控制理论已经证明，0型系型系统稳态精度低，而统稳态精度低，而型和型和型以上的型以上的系统很难稳定。系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和较好的因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，

8、多选用稳态精度，多选用I型和型和II型系统型系统8电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统91 1.典型典型I I型系统型系统l结构图与传递函数结构图与传递函数式中式中 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。（2-9）O9电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统10l性能特性性能特性 典型的典型的I I型系统结构简单，其对数幅频特性的型系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以中频段以 20 dB/20 dB/decdec 的斜率穿越的斜率穿越 0dB 0dB 线，线，只要只要参数的选

9、择能保证足够的中频带宽度，系统就一参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的定是稳定的，且有足够的稳定裕量，即选择参数，且有足够的稳定裕量，即选择参数满足满足 或 于是，相角稳定裕度于是，相角稳定裕度 10电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统112 2.典型典型型系统型系统l结构图和传递函数结构图和传递函数（2-10）O11电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统12l 性能特性性能特性 典型的典型的型系统也是以型系统也是以 20dB/dec 20dB/dec 的斜率穿的斜率穿越零分贝线。由于分母中越零分贝线。由于分

10、母中s s 2 2 项对应的相频特性是项对应的相频特性是 180180，后面还有一个惯性环节，后面还有一个惯性环节，在分子添上一在分子添上一个比例微分环节（个比例微分环节（s s+1+1），），是为了把相频特性是为了把相频特性抬到抬到 180180线以上，以保证系统稳定线以上，以保证系统稳定，即应选择，即应选择参数满足参数满足 或 且且 比比 T T 大得越多，系统的稳定裕度越大大得越多，系统的稳定裕度越大。12电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统131.1.跟随性能指标：跟随性能指标：在给定信号或参考输入信号的作用在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出

11、量的变化情况可用跟随性下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有能指标有:lt tr r 上升时间上升时间l 超调量超调量lt ts s 调节时间调节时间2.3.3 控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标13电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统145%（或2%）0 Otrts图2-12 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标上升时间上升时间超调量超调量调节时间调节时间14电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统152.2.抗扰性能指标抗扰性能指标 抗扰性能指标标

12、志着控制系统抵抗扰动的抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标有能力。常用的抗扰性能指标有l C Cmaxmax 动态降落动态降落lt tv v 恢复时间恢复时间 一般来说，一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。为主。15电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统16 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标突加扰动的动态过程和抗扰性能指标图2-13 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标5%（或2%）O tmtvCb动态降落动态降落恢复时间恢复时间

13、16电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统172.3.4 2.3.4 典型典型I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 典型典型I型系统包含两个参数：开环增益型系统包含两个参数：开环增益 K K 和时和时间常数间常数 T T 。T T 是控制对象本身固有的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能够由调节器改变的只有开环增益 K K ，即，即，K K 是唯一的待定参数是唯一的待定参数。设计时，需要设计时，需要按照性能指标选择参数按照性能指标选择参数 K K 的大小的大小。17电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力

14、传动控制系统18 K K 与开环对数频率特性的关系与开环对数频率特性的关系 图图2-132-13绘出了在不同绘出了在不同 K K 值时典型值时典型 I I 型系统的开型系统的开环对数频率特性。环对数频率特性。18电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统19 K K 与截止频率与截止频率 c c 的关系的关系 当当 c c1/1/T T 时，特性以时，特性以 20dB/dec20dB/dec斜率穿斜率穿越零分贝线，系统有较好的稳定性。由图中越零分贝线，系统有较好的稳定性。由图中的特性可知的特性可知所以 K=c（当 c 时）(2-12)19电力拖动自动控制系统电力拖

15、动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统20K K 值越大，截止频值越大，截止频率率 c c 也越大，系统也越大，系统响应越快，响应越快，但相角稳定裕度但相角稳定裕度 =9090 arctgarctg c cT T 越小，越小，这也说明快速性与稳定这也说明快速性与稳定性之间的矛盾。性之间的矛盾。20电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统21表2-1 I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 0 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

16、标与参数的关系（1）稳态跟随性能指标稳态跟随性能指标：系统的稳态跟随性能指标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可用不同输入信号作用下的稳态误差来表示。21电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统22 由表可见：由表可见：l在阶跃输入下的在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无静差的；型系统稳态时是无静差的；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 K 值成反值成反比；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 I型系统不能用于具有加速度输入的随型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。动系统。22电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统23（2 2）动态跟随性能指标）动态跟随性能指标l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，型系统是一种二阶系统，其闭环传递函数的一般形式为其闭环传递函数的一般形式为 （2-13）式中式中 n n 无阻尼时的自然振荡角频率，或称无阻尼时的自然振荡角频率，或称固有角频率；固有角频率；阻