调节器的工程设计方法
《电力拖动自动控制系统》课程综述
电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统简介电力拖动自动控制系统包括：直流调速系统和交流调速系统。
直流调速系统包括：直流调速方法、直流调速电源和直流调速控制。
交流调速系统包括：交流调速系统的主要类型、交流变压调速系统、交流变频调速系统、绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统和同步电动机变压变频调速系统。
电力拖动自动控制系统课程内容介绍第一篇直流调速系统闭环反馈直流调速系统1.1 直流调速系统用的可控直流电源根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。
常用的可控直流电源有以下三种:旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。
直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。
1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题本节讨论V-M系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制；（2）电流脉动及其波形的连续与断续；（3）抑制电流脉动的措施；（4）晶闸管-电动机系统的机械特性；（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。
1.3 直流脉宽调速系统的主要问题自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM 调速系统。
（1）PWM变换器的工作状态和波形；（2）直流PWM调速系统的机械特性；（3）PWM 控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。
1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计本节提要:转速控制的要求和调速指标；开环调速系统及其存在的问题；闭环调速系统的组成及其静特性；开环系统特性和闭环系统特性的关系；反馈控制规律；限流保护——电流截止负反馈1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型;反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件; 动态校正——PI调节器的设计;系统设计举例与参数计算转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法内容提要：转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。
电力拖动自动控制系统知识点答疑
按工程设计方法设计ASR和ACR
✓双环系统的动态结构图（理解即可） ✓双闭环系统的设计步骤：先内环、后外环
图2-22 双闭环调速系统的动态结构框图
电流环 U*n(s)
1
+
T0ns+1
ASR 1
-
T0is+1
Un
U*I(s)
作业：P51 1-16、1-17
第2章 转速电流双闭环直流调速系统和 调节器的工程设计方法
一、转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性
（1）转速、电流双闭环直流调速系统的组成：内环和外 环结构 （2）稳态结构图和静特性 （3）各变量稳态工作点和稳态参数计算（涉及的问题： 稳态运行时，ASR和ACR的输入和输出分别为多少？如 作业2-2）
当 K ≥ Kcr 时，系统将不稳定。 对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否 正常工作的首要条件，是必须保证的。 系统的稳定性与稳态性能指标要求可能矛盾
从稳态性能指标角度：K越大，稳态误差(速降) 越小
从稳定性角度：K越大，稳定性降低，甚至不 稳定
整理后得到系统 的稳定条件为：
KTm(Tl Ts)Ts2 （1-59）
二、反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计
（1）稳态调速性能指标（此处涉及的计算题要求同学们 掌握，必考内容，主要掌握书后作业题型）
调速范围D的定义 静差率s的定义，静差率与机械特性硬度的区别， 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
作业：P50，1-3、1-4、
（2）开环调速系统的原理图、机械特性及主要问题
（1）动态数学模型（理解即可） 用传递函数表示的双闭环直流调速系统的动态结构框图
调节器的工程设计方法
电力拖动自动控制系统第 5 章调节器的工程设计方法5.1 调节器的工程设计方法的基本思想和意义问题的提出必要性：用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、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。
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近似。
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。
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. 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。
5.2 典型系统一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示为(5-1)∏∏==++=n 1i ir m 1j j )1()1()(s T s s K s W τ)(s W R (s )C (s )上式中，分母中的s r项表示该系统在原点处有r 重极点，或者说，系统含有r 个积分环节。
根据r=0，1，2， 等不同数值，分别称作0型、I型、Ⅱ型、 系统。
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。
1. 典型I 型系统结构图与传递函数)1()(+=Ts s K s W )(s R )1(+Ts s K)(s C 式中T —系统的惯性时间常数；K —系统的开环增益。
（5-2）开环对数频率特性O性能特性典型的I 型系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以–20 dB/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，即选择参数满足T1c <ω1c <T ω或于是，相角稳定裕度45arctg 90arctg 90180c c >−=−−=T T ωωγ2. 典型Ⅱ型系统结构图和传递函数)1()1()(2++=Ts s s K s W τ开环对数频率特性O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。
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•R •Tms
•1/Ce •E
•n
i
•
•
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起动过程分析 •n
• •I
•I I
•II I
按转速调节器
ASR不饱和、饱和、
退饱和分成三个阶 •O
•t
段：
•I
•Idm
d
I.电流上升阶段
II.恒流升速阶段 •O •t
III.转速调节阶段
1
•t •t •t
2
3
4
•t
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（2）高阶系统的降阶近似处理
设三阶系统
a，b，c都是正数，且bc a，即系统是稳定的。
降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统
近似条件 ：
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稳态跟随性能指标
在阶跃输入下的 I 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
K 值成反比； 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。
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（2）动态跟随性能指标
参数关系KT
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三、调节器的工程设计方法
（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
调整参数的方向； （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。
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电气传动控制系统调节器的工程设计方法(2)
三阶最佳系统在一种扰动作用下的动态结构框图
三阶最佳系统在单位阶跃扰动作用下的过 度过程见p482中图17-9-9
扰动恢复时间 tv ：
结论：
tv 在正负之间振荡
三阶最佳系统恢复时间tv 最大值与二阶
最佳相差不大，但恢复时间大为缩短
4、典型I型系统与典型Ⅱ型系统比较
比较分析的结果可以看出，典型I型系统 和典型Ⅱ型系统除了在稳态误差上的区别 以外，在动态性能中， • 典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调 小，但抗扰性能稍差， • 典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性 能却比较好。
❖加速度输入下稳态误差与开环增益K成 反比。
（2）动态跟随性能指标
上升时间 tr 峰值时间 ts 超调量
tr=7.6Tt ts =16.4Tt =8.1%
3.4 三阶最佳系统抗扰性能指标和参数的关系
• 抗扰系统结构
0
W1 (s)
+ F(s)
Kp(dls 1) -
dls
W2 (s) 1 Tis
C(s)
在给定作用下输出响应希望值 R(s) 与实际
值 C(s)之差
即：
Er(s) R(s) C (s) R(s) W 1(s)W 2(s) R(s)
1 W 1(s)W 2(s)
R(s)
W1 (s)
F(s) 0
C(s)
W2 (s)
注意：跟踪稳态误差与开环增益 K及输入信号形式与大小有关
1.2.3 扰动稳态误差：
穿越零分贝线，系统有较好的稳定性。由 图中的特性可知
20lg K 20(lg c lg 1) 20lg c
所以
K = c
（当
c
1 T
时）
运动控制系统习题集解(直流部分)
习题二转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法2-1 在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,应调节什么参数改变转速调节器的放大倍数Kn行不行改变电力电子变换器的放大倍数Ks行不行改变转速反馈系数α行不行若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的哪些参数答：①在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,应调节的参数有：转速给定电压U*n，因为转速反馈系统的转速输出服从给定。
②改变转速调节器的放大倍数Kn，只是加快过渡过程，但转速调节器的放大倍数Kn的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。
因此，不能通过改变转速调节器的放大倍数Kn，来改变转速③改变改变电力电子变换器的放大倍数Ks，只是加快过渡过程，但转电力电子变换器的放大倍数Ks的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。
因此，不能通过改变电力电子变换器的放大倍数Ks，来改变转速④改变转速反馈系数α，能改变转速。
转速反馈系数α的影响不在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统没有调节和抑制能力。
因此，可以通过改变转速反馈系数α来改变转速，但在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行最终的转速还是服从给定。
⑤若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的参数有：转速的给定U*n、转速调节器的放大倍数Kn、转速调节器的限幅值、转速反馈系数α等，因为它们都在电流环之外。
2-2 在转速、电流双闭环调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差电压和输出电压各是多少为什么答：在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，转速调节器退饱和，PI的作用使得转速调节器的输入偏差电压为0，转速调节器的输出电压由于维持在U*im（n*）。
在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，电流调节器不饱和，PI的作用使得电流调节器的输入偏差电压为0，形成一个电流随动子系统，力图使I d尽快跟随其给定U*i. 电流调节器的输出电压U C又后面的环节决定。
101123调节器的工程设计方法典1典2
第2章 双闭环直流调速系统
2.3 调节器的工程设计方法
---主要内容---
▪ 典I系统和典Ⅱ系统除了在稳态误差上的区别以外，在动态 性能中，一般来说，典I系统在跟随性能上可以做到超调小， 但抗扰性能稍差；而典Ⅱ系统的超调量相对较大，抗扰性 能却比较好。这是设计时选择典型系统的重要依据。
▪ 最佳Mrmin系统和三阶“最佳”系统动态性能比较（表2.9 ）
➢ 最佳 Mrmin 系统： h=5的Mrmin系统（最优）
（2）恢复时间tf 定义：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，且与新的稳态值 C∞之差进入某基准量Cb的±5％或±2％范围内所需的时间，其中Cb称为抗 扰指标中输出量的基准值，视具体情况选定。 一般反馈控制系统的抗扰性能与跟随性能之间存在一定矛盾，若超调量 小，则调整时间大，恢复时间长，反之亦然。
三、控制系统的动态性能指标
▪ 跟随性能指标:上升时间、超调量、调节时间
▪ 抗扰性能指标 ▪ 通常，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统
的动态指标以跟随性能为主。
2、抗扰性能指标
（1）动态降落△Cmax％ • 系统稳定运行时，由阶跃扰动所引起的输出量最大降落值△Cmax。 • 用输出量原稳态值C∞的百分数来表示。 • 调速系统突加额定负载扰动时的动态转速降落称为动态速降△nmax％
•控制系统的开环传递函数可表示：
m
K ( j s 1)
W (s)
j 1 n
电力拖动自动控制系统考试复习资料
1、 直流电动机的稳态转速可以表示为：n=U-IR/K e Φ2、 调节电动机转速的方法：三种（1）调节电枢供电电压U ；（2）减弱励磁磁通Φ；（3）改变电枢回路电阻R 。
三种方法的优缺点：对于要求在一定范围内无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。
3、调速范围和静差率，这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。
（1）调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比叫做调速范围，用字母D 表示，即：D=n max /n min 。
n max 和n min 一般都指电动机在额定负载时的最高转速和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高转速和最低转速。
（2）静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时，所对应的转速降落∆n N 与理想空载转速n 0之比，称为系统的静差率s,即：s=∆n N / n 0或用百分数表示s=∆n N / n 0×100%。
4、例题2-1：某直流调速系统电动机额定转速n N =1430r/min ，额定速降∆n N =115r/min ，当要求静差率s ≤30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s ≤20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？解：D=n N s/∆n N （1-s ）=)3.01(1153.01430-⨯⨯≈5.3 若要求s ≤20%，则允许的调速范围只有：D=n N s/∆n N （1-s ）=)2.01(1152.01430-⨯⨯≈3.1 若调速范围达到10，则静差率只能是s=D ∆n N /n N + D ∆n N =11510143011510⨯+⨯≈44.6%5、反馈控制的基本作用：根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或者不变，这就是反馈控制的基本作用。
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R(s)
C(s)
W (s)
m
K ( js 1)
W (s)
j 1 n
sr (Tis 1)
i 1
(4-1)
上式中，分母中的 sr 项表示该系统在原点处有 r 重极点，或者说，系统含有 r 个积分环节。根 据 r=0，1，2，…等不同数值，分别称作0型、I 型、Ⅱ型、…系统。
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。
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
1
c
1 T
或
T
且 比 T 大得越多，系统的稳定裕度越大。
3 控制系统的动态性能指标 自动控制系统的动态性能指标包括：
跟随性能指标 抗扰性能指标
• 系统典型的阶跃响应曲线
C(t)
• K 与开环对数频率特性的关系
图4-5绘出了在不同 K 值时典型 I 型系统的开环 对数频率特性，箭头表示K值增大时特性变化的 方向。
• K 与截止频率 c 的关系
当c < 1 / T时，特性以–20dB/dec斜率穿
越零分贝线，系统有较好的稳定性。由图 中的特性可知
20 lg K 20(lg c lg1) 20 lg c
2. 典型Ⅱ型系统
结构图和传递函数
K (s 1) s2 (Ts 1)
K (s 1)
W (s) s 2 (Ts 1)
（4-3）
开环对数频率特性
dB/dec dB/dec
O
dB/dec
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 s2 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
典型的I型系统结构简单，其对数幅频特性的 中频段以 –20 dB/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，即选择参数满
足
c
1 T
或
cT 1
于是，相角稳定裕度
180 90 arctgcT 90 arctgcT 45
• 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标
C
N
C 1
±5%（或±2%）Cb
N
Cmax C2
O
tm
t
tv
图4-4 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标
2. 抗扰性能指标
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
Cmax — 动态降落
tv — 恢复时间 一般来说，调速系统的动态指标以抗扰
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。
第一节 调节器的工程设计方法
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. 典型系统
一般来说，许多控制系统的开环传递函数都 可表示为
性能为主，而随动系统的动态指标则以跟 随性能为主。
4 典型I型系统性能指标和参数的关系
典型I型系统的开环传递函数包含两个参数： 开环增益 K 和时间常数 T 。其中，时间常数 T 在实际系统中往往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 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。
由表可见：
在阶跃输入下的 I 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 K 值成反比；
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，其闭环传递函数的一般形式为
Wcl (s)
1. 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：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。
表4-1 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) R0
稳态误差
0
பைடு நூலகம்
斜坡输入
R(t) v0t
v0 / K
加速度输入
R(t) a0t 2 2
问题的提出（续）
可能性 大多数现代的电力拖动自动控制系统均
可由低阶系统近似。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。
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
C
Cmax C
Cmax
±5%（或±2%）
C
O0
tr
ts
t
图4-3 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标
1. 跟随性能指标：
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。常用的阶跃响应跟随性能指标有
tr — 上升时间
— 超调量
ts — 调节时间
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。
1. 典型I型系统
结构图与传递函数
R(s)
K
C(s)
s(Ts 1)
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。
（4-2）
开环对数频率特性
dB/dec O
dB/dec
性能特性
自动控制系统
第四章 调节器的工程设计方法
本章提要
问题的提出 调节器的工程设计方法 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器
问题的提出
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、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。
所以
K = c
（当
c
1 T
时）
(4-5)
式（4-5）表明，K 值越大，截止频率c
也越大，系统响应越快，但相角稳定裕度 = 90°– arctgcT 越小，这也说明快速性与 稳定性之间的矛盾。在具体选择参数 K时， 须在二者之间取折衷。
下面将用数字定量地表示 K 值与各项性 能指标之间的关系。
C(s) R(s)
s2
n2 2n s