【正文】 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)如圖 218所示， 其中標(biāo)出了電流環(huán)節(jié)和直流電機(jī)環(huán)節(jié)， 與前面的。 P I 22112P I 2221 2 2( 1 )( ) ( ) ( )( 1 )( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 )K s KW s W s W ss T s T sK K s KsT s T s s T s??? ???? ? ??? ?????P I 21KKKT??第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 表 28 校正為典型 Ⅰ 型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器的選擇和參數(shù)關(guān)系 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 表 29 校正為典型 Ⅱ 型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器的選擇和參數(shù)關(guān)系 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì) 用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器的原則是： 先內(nèi)環(huán)后外環(huán)， 即從內(nèi)環(huán)開(kāi)始， 逐步向外擴(kuò)展。 實(shí)際中被控對(duì)象的傳遞函數(shù)是多種多樣的， 校正成典型系統(tǒng)的選擇也不同。 被控對(duì)象的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)近似為 近似條件為 ωc≥3/T1。 通過(guò)選擇 PI調(diào)節(jié)器， 把系統(tǒng)校正為典型 Ⅰ 型系統(tǒng)。 如果要把系統(tǒng)校正為典型Ⅰ 型系統(tǒng)， 則選擇 PI調(diào)節(jié)器， 其中積分器是典型 Ⅰ 型系統(tǒng)所必需的， 比例部分則用來(lái)對(duì)消被控對(duì)象中兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)中較大的一個(gè)， 以使校正后的系統(tǒng)響應(yīng)較快。 常用的控制器有 PI、 PID、 P、 I等形式。 因此， 選用時(shí)要根據(jù)具體情況綜合考慮。 典型 Ⅰ 型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)量小， 但是抗干擾能力差。 為此， 需要清楚地掌握兩類(lèi)典型系統(tǒng)的主要特征和它們?cè)谛阅苌系闹饕顒e。 該環(huán)節(jié)的存在， 使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)。 實(shí)際上， 把大慣性環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化為積分環(huán)節(jié)后， 相角滯后更大， 相當(dāng)于相角穩(wěn)定裕度更小， 因此按照近似環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)系統(tǒng)， 實(shí)際系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)更好。 而當(dāng) 時(shí)， 相角 arctan(ωT)=176。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 當(dāng)滿(mǎn)足條件 時(shí)， 可以把二階振蕩環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié) 同理， 假定系統(tǒng)中含有三階結(jié)構(gòu)的環(huán)節(jié)， （ 263） 2121Ts Ts???（ 264） c13T? ?2112 1 2 1Ts Ts Ts?? ?? ? ?（ 265） ? ?32 1KWsas bs c s? ? ? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 其中 a、 b、 c都是正數(shù)， 且系數(shù)關(guān)系滿(mǎn)足 bca， 即該系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng) , 則可以忽略高階項(xiàng)， 得到近似的一階 近似的條件是截止頻率 ωc （ 266） ? ?32 11KKWsa s b s c s c s??? ? ? ?（ 267） c 11m i n ,3 cba? ??? ????第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 3. 采用工程設(shè)計(jì)方法時(shí)， 為了按照典型系統(tǒng)選擇校正裝置， 時(shí)間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)可以近似為積分環(huán)節(jié)， 即 近似的條件是截止頻率 ωc （ 268） 111T s T s??（ 269） T3c ??第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 近似為慣性環(huán)節(jié)后， 相角 arctan(ωT)=90176。 設(shè)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳 （ 256） ? ? ? ?? ? ? ? ? ?1 2 311 1 1KsWss T s T s T s? ??? ? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 其中的小慣性環(huán)節(jié)為 (T2s+1)和 (T3s+1), T T3都小于 T1， 即 其中 TΣ=T2+T3， 近似的條件是截止頻率 ωc與慣性時(shí)間常數(shù)之 （ 257） （ 258） ? ? ? ? ? ?2 3 2 31 1 11 1 1 1T s T s T T s T s???? ? ? ? ?c2313 TT? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 如果開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)包含了三個(gè)小慣性環(huán)節(jié) (T2s+1)、 (T3s+1)和 (T4s+1)， 若滿(mǎn)足 T T T4小于 T1， 則這些小慣性環(huán)節(jié)同樣可以近 （ 260） （ 259） ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?1 2 3 411 1 1 1KsWss T s T s T s T s? ??? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?2 3 4 2 3 41 1 11 1 1 1 1T s T s T s T T T s T s???? ? ? ? ? ? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 其中 TΣ=T2+T3+T4， 近似的條件是截止頻率 ωc與慣性時(shí)間常數(shù)之間滿(mǎn)足 當(dāng)同時(shí)存在多個(gè)小慣性環(huán)節(jié) T2, T3, T4, T5, ? 時(shí)， 只要這些小慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)小于 T1， 就可以把它們等效為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)， 其時(shí)間常數(shù)等于各個(gè)小慣性時(shí)間常數(shù)之和， 即 （ 261） c2 3 3 4 2 413 T T T T T T? ???（ 262） 2345T T T T T? ? ? ? ? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 2. 對(duì)于具有局部反饋內(nèi)環(huán)的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)， 其前向通道中局部反饋等效環(huán)節(jié)往往是二階振蕩環(huán)節(jié)或者是具有振蕩響應(yīng)的三階結(jié)構(gòu)， 相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)很小， 使得高階項(xiàng)的系數(shù)都很小。 通常工程近似處理有以下幾種方法： 高頻段小慣性 環(huán)節(jié)的近似處理， 低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理， 滯后環(huán)節(jié)的近似處理等。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 表 27 典型 Ⅱ 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 實(shí)際的控制系統(tǒng)是多種多樣的， 它們中的大多數(shù)不具有典型系統(tǒng)的形式。 當(dāng) h5時(shí)， 由于振蕩加劇， 系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間tv/T隨著 h的減小反而增加了， 因此就抗干擾性能指標(biāo)中的恢復(fù)時(shí)間 tv/T而言， 以 h=5最好， 這和跟隨性能指標(biāo)中的縮短 調(diào)節(jié)時(shí)間 ts是一致的。 上式的 Cb與典型 Ⅰ 型系統(tǒng)中的Cb表達(dá)式不同， 這是因?yàn)閮商幍?K2具有不同的量綱， 同時(shí)也是為了讓各項(xiàng)指標(biāo)都落在合理的范圍內(nèi)。? ?222223 3 2 22( 1 )() 122111hTK TsCs hhhFsT s T s h Tshh?? ??? ? ???第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 對(duì)階躍擾動(dòng)下 F(s)=F/s， （ 254） 222223 3 2 2 22( 1 )1()2211hF K T T shCshhT s T s h T s shh????? ? ???第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 對(duì)于階躍擾動(dòng)， 可以在不同的中頻寬度 h條件下， 計(jì)算出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾過(guò)程曲線 ΔC(t)， 得到各項(xiàng)動(dòng)態(tài)抗干擾性能指標(biāo)。 針對(duì)典型 Ⅱ 型系統(tǒng)， 選擇其擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖 217所示， 該擾動(dòng)作用點(diǎn)與拖動(dòng)系統(tǒng)中常見(jiàn)的負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)相同。 其中 k為振蕩次數(shù)。 典型 Ⅱ 型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)之間沒(méi)有明確的解析關(guān)系。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 表 25 Ⅱ 型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 在階躍和斜坡輸入下， 典型 Ⅱ 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)均無(wú)靜差。 （ 249） （ 248） 1 11hT hT?? ?? ? ? ?221 c 1 221 1 1 1()2 2 2h h hKhT h T? ? ?? ? ?? ? ? ? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 3. 典型 Ⅱ 典型 Ⅱ 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)可以用不同輸入信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示， 穩(wěn)態(tài)誤差的數(shù)值與傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)和輸入信號(hào)的形式密切相關(guān)。 據(jù)表 ， 在 Mr min最小原則下， 選擇h， 隨之截止頻率 ωc也就確定了。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 可以證明， 對(duì)于一定的 h， 只要有一個(gè)確定的 ωc， 就可以得到最小閉環(huán)幅頻特性峰值 Mr min， 這時(shí) ωc與 ω ω2 （ 244） （ 245） c112h????2c21hh?? ? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 而 （ 246） cc1 2 c22 211hhh??? ? ?? ? ? ???12c1 1 122 T????? ??? ? ?????第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 對(duì)應(yīng)的最小諧振峰值 Mr min 根據(jù)上述關(guān)系， 取不同的 h值， 計(jì)算諧振峰值 Mr min和頻率變化， 結(jié)果列于表 24中。 目前工程上有兩種方法選擇 h和 ωc， 即最大相角裕度 γmax準(zhǔn)則和最小閉環(huán)幅頻特性峰值 Mr min準(zhǔn)則。 21h T ?? ???第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 2. 典型 Ⅱ 型系統(tǒng)參數(shù)選擇的 Mr min 由上述分析可知， 典型 Ⅱ 型系統(tǒng)中有兩個(gè)參數(shù) h和 ωc。 當(dāng)中頻寬度 h一定時(shí)， 改變開(kāi)環(huán)增益 K， 使開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線平移， 從而改變截止頻率 ωc。 定義兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率 (ω1=1/τ, ω2=1/T)的比值為h， h是斜率為－ 20 dB/dec的中頻段的寬度， 且 （ 240） 21h T ?? ???第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 由于中頻的狀況對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用， 因而中頻寬度 h是一個(gè)很重要的參數(shù)。 為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定， 使其中頻段以－ 20 dB/dec的斜率穿越零線， 其截止頻率 ωc （ 239） T11c ?? ??第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 216 典型 Ⅱ 型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 其中時(shí)間常數(shù) T是控制對(duì)象所固有的， 而待定的參數(shù)有兩個(gè)： 開(kāi)環(huán)增益 K和一階微分時(shí)間常數(shù) τ。 開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)有三個(gè)特征參數(shù) : 開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的放大倍數(shù) K、 慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) T、 一階微分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) τ。 在計(jì)算中， 為了使 和 、 都處于合理的范圍內(nèi)， 把基準(zhǔn)值 Cb （ 237） 121Tm T??maxbCC?vtTmtTb212C K F?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 表 23 典型 Ⅰ 型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)參數(shù)的關(guān)系 （ KT=， Cb=KF2/2） 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 表 23表明， 當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)， 動(dòng)態(tài)降落減小， 但是恢復(fù)時(shí)間卻比較長(zhǎng)。 取不同的 m值， 可以計(jì)算出相應(yīng)的ΔC(t)=f(t)曲線， 從而可以求出最大的動(dòng)態(tài)降落 ΔCmax（用基準(zhǔn)值 Cb的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示）和對(duì)應(yīng)的峰值時(shí)間 tm（用 T的倍數(shù)來(lái)表示）， 以及允許誤差帶為 177。 設(shè)階躍擾動(dòng)輸入為 ， 輸出變化量 ΔC(s) 121( 1 )( ) 。 令輸入作用 R(t)=0。 系統(tǒng)抗擾性能與其結(jié)構(gòu)及擾動(dòng)作用點(diǎn)都有關(guān)系， 圖 214是在擾動(dòng) F(s)作用下典型 Ⅰ 型系統(tǒng)的原理框圖。 控制系統(tǒng)除了承受輸入信號(hào)作用之外， 還經(jīng)常受到各種擾動(dòng)的作用， 比如負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化、 電源電壓波動(dòng)等。 在加速度輸入下 , 穩(wěn)態(tài)誤差為 ∞。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 表 22 典型 Ⅰ 型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 從表 22可以看到， Ⅰ 型系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下是無(wú)差的 。 常用典型的輸入信號(hào)有階躍信號(hào)、 斜坡信號(hào)和加速度信號(hào)。 在初選的基礎(chǔ)上， 掌握參數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)性能的變化趨勢(shì)， 在