电力拖动自动控制系统第2章转速、电流双闭环直流调速系统与调节器工程设计方法
电力拖动自动控制系统实验报告
电⼒拖动⾃动控制系统实验报告电⼒拖动⾃动控制系统实验实验⼀转速反馈控制直流调速系统的仿真⼀、实验⽬的1、了解MATLAB下SIMULINK软件的操作环境和使⽤⽅法。
2、对转速反馈控制直流调速系统进⾏仿真和参数的调整。
⼆、转速反馈控制直流调速系统仿真根据课本的操作步骤可得到如下的仿真框图：图 1 仿真框图1、运⾏仿真模型结果如下：图2 电枢电流随时间变化的规律图3 电机转速随时间变化的规律2、调节参数Kp=0.25 1/τ=3 系统转速的响应⽆超调但调节时间长3、调节参数Kp=0.8 1/τ=15 系统转速的响应的超调较⼤，但快速性较好实验⼩结通过本次实验初步了解了MATLAB下SIMULINK的基本功能，对仿真图的建⽴了解了相关模块的作⽤和参数设置。
并可将其⽅法推⼴到其他类型控制系统的仿真中。
实验⼆转速、电流反馈控制直流调速系统仿真⼀、实验⽬的及内容了解使⽤调节器的⼯程设计⽅法，是设计⽅法规范化，⼤⼤减少⼯作计算量，但⼯程设计是在⼀定近似条件下得到的，⽤MATLAB仿真可根据仿真结果对设计参数进⾏必要的修正和调整。
转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应⽤最⼴泛的直流调速系统，对于需要快速正、反转运⾏的调速系统，缩短起动、制动过程的时间成为提⾼⽣产效率的关键。
为了使转速和电流两种负反馈分别起作⽤，可在系统⾥设置两个调节器，组成串级控制。
⼀、双闭环直流调速系统两个调节器的作⽤1)转速调节器的作⽤（1）使转速n跟随给定电压*mU变化，当偏差电压为零时，实现稳态⽆静差。
（2）对负载变化起抗扰作⽤。
（3）其输出限幅值决定允许的最⼤电流。
2)电流调节器的作⽤（1）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压*iU变化。
（2）对电⽹电压波动起及时抗扰作⽤。
（3）起动时保证获得允许的最⼤电流，使系统获得最⼤加速度起动。
（4）当电机过载甚⾄于堵转时，限制电枢电流的最⼤值，从⽽起⼤快速的安全保护作⽤。
当故障消失时，系统能够⾃动恢复正常。
《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
电力拖动自动控制系统课程设计
《运动控制系统设计》课程设计报告设计题目：转速、电流双闭环直流调速系统设计与实践班级：04 级自动化一班学号:姓名：指导教师：设计时间：2007.11.20 —2007.12.14目录摘要第一章概述第二章设计任务及要求2.1设计任务：2.2设计要求：2.3理论设计3.1方案论证3.2系统设计3.2.1电流调节器设计3.2.1.1确定时间常数3.2.1.2 选择电流调节器结构3.2.1.3计算电流调节器参数3.2.1.4 校验近似条件3.2.1.5 计算调节器电阻和电容3.2.2速度调节器设计3.2.2.1 确定时间常数3.2.2.2 选择转速调节器结构3.2.2.3 计算转速调节器参数3.2.2.4 校验近似条件3.2.2.5 计算调节器电阻和电容3.2.2.6 校核转速超调量第三章系统建模及仿真实验4.1MATLAB 仿真软件介绍4.2仿真建模及实验4.2.1单闭环仿真实验4.2.2双闭环仿真实验4.2.3仿真波形分析第四章实际系统设计及实验5.1 系统组成及工作原理5.2 设备及仪器5.3 实验过程5.3.1 实验内容5.3.2 实验步骤第五章总结与体会参考文献摘要从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。
双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等．给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。
由于其机械特性硬，调速范围宽，而且是无级调速，所以可对直流电动机进行调压调速。
动静态性能好，抗扰性能佳。
速度调节及抗负载和电网扰动，采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。
电流环校正成典型I型系统。
为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。
根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流补偿的电压负反馈直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。
#《电力拖动自动控制系统》习题答案1
第一章闭环控制的直流调速系统1－1 为什么PWM—电动机系统比晶闸管—电动机系统能够获得更好的动态性能？答：PWM—电动机系统在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少。
（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。
（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。
（4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。
（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。
（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
1－2 试分析有制动通路的不可逆PWM变换器进行制动时，两个VT是如何工作的。
答：在制动状态中，为负值，就发挥作用了。
这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。
这时，先减小控制电压，使di2VT1gU的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压降低。
但是，由于机电惯性，转速和反电动势还来不及变化，因而造成，很快使电流反向，截止，在dUdEU>di2VDont≤＜Ｔ时，2gU变正，于是导通，反向电流沿回路3流通，产生能耗制动作用。
在＜Ｔ+时，关断，2VTTt≤ont2VTdi.沿回路4经续流，向电源回馈制动，与此同时，两端压降钳住使它不能导通。
在制动状态中，和轮流导通，而始终是关断的。
1VD1VD1VT2VT1VT1VT在轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有达到周期Ｔ，电流已经衰减到零，这时两端电压也降为零，便提前导通了，使电流反向，产生局部时间的制动作用。
1VTdi2VD2VD2VT１－３调速范围和静差率的定义是什么？调速范围、静差速降和最小静差率之间有什么关系？为什么说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了”？答：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母Ｄ表示，即maxminnDn= 其中，和一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，可以用实际负载时的最高和最低转速。
典型Ⅱ型系统ppt课件
II.恒流升速阶段 III.转速调节阶段
I dL O t1
t2 t3 t4
t
典型Ⅱ型系统
双闭环直流调速系统起动过程的特点 （1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制(有限制条件的 最短时间控制)
典型Ⅱ型系统
动态抗扰性能分析
调速系统的动态抗扰性能， 主要是抗负载扰动和抗电网 电压扰动的性能
稳定，同时满足所需的稳态精度。 2.再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要
求。
典型Ⅱ型系统
调节器结构的选择
选择调节器，将控制对象校正成为典型系统。
输入
调节器
控制对象
输出
系统校正
输入
典型系统
输出
典型Ⅱ型系统
典型I型系统
R(s)
K
C(s)
s(Ts 1)
T — 系统的惯性时间常数； K — 系统的开环增益。
选择参数，保证 稳定。
c
1 T
或
cT 1，使系统足够
典型Ⅱ型系统
典型Ⅱ型系统
R(s)
K (s 1) C (s)
s 2 (Ts 1)
1
c
1 T
或
T
保证系统足够稳定
典型Ⅱ型系统
控制系统的动态性能指标
1.跟随性能指标 2.抗扰性能指标 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。
n
Tms
1/Ce
典型Ⅱ型系统
转速和电流两个调节器的作用
1. 转速调节器的作用
（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，
它使转速 n 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PI调节器，则 可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）输出限幅值决定电机允许的最大电流。
转速、电流双闭环直流调速系统
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2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性采用PI 调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。
电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，并不能很理想地控制电流的动态波形,图2-1a)。
在起动过程中，始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这样的理想起动过程波形示于图2-1b 。
为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dm I 的恒流过程。
按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。
2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，如图2-2所示。
把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器，图2-3。
两个调节器的输出都是带限幅+TG nASRACRU*n+ -U nU iU*i+-U cTAM+-U dI dUPE-MT图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构ASR —转速调节器 ACR —电流调节器 TG —测速发电机TA —电流互感器 UPE —电力电子变换器内外ni2作用的，转速调节器ASR 的输出限幅电压*im U 决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR 的输出限幅电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。
转速﹑电流双闭环直流调速系统
引言目前，转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。
我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。
故需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统，本文着重阐明其控制规律﹑性能特点和设计方法，是各种交﹑直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成及其静特性，接着说明该系统的动态数学模型，并从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用。
在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。
电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。
因此，调速技术一直是研究的热点。
长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。
直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。
采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。
在现代化的工业生产中，几乎无处不使用电力拖动装置。
轧钢机、电铲、提升机、运输机等各类生产机械都要采用电动机来传动。
随着对生产工艺，产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械能实现自动调速。
从20世纪60年代以来，现代工业电力拖动系统达到了全新的发展阶段。
这种发展是以采用电力电子技术为基础的，在世界各国的工业部门中，直流电力拖动系统至今仍广泛的应用着。
直流拖动的突出优点在于：容易控制，能在很宽的范围内平滑而精确的调速，以及快速响应等。
在一定时期以内，直流拖动仍将具有强大的生命力。
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典型Ⅰ系统的参数和性能指标的关系； 非典型系统的近似。
2.3 调节器的工程设计方法
2.3.0 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。于是便需
要一种简单实用的方法→工程设计方法。
►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
恢复时间
O
tm
t
tv
图2-13 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标
2.3.4 典型I型系统性能指标和参数的关系
典型I型系统包含两个参数：开环增益 K 和时 间常数 T 。
T 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 ，即，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。
满足
c
1 T
或
cT 1
于是，相角稳定裕度
1 8 9 0 0 arc T c 9 t g 0 arc T c 4 tg 5
2. 典型Ⅱ型系统 结构图和传递函数
R(s)
K (s 1) C (s)
O
s 2 (Ts 1)
K(s 1)
W(s) s2(Ts1)
（2-10）
性能特性
典型的Ⅱ型系统也是以 –20dB/dec 的斜率
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。
2.3.1 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。
3. 调节器结构的选择
只采用少量 典型系统
O
R(s)
K
C(s)
s(Ts 1)
W(s) K s(Ts1)
（2-9）
式中 T — 系统的惯性时间常数； K — 系统的开环增益。
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
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
1
c
1 T
或
T
且 比 T 大得越多，系统的稳定裕度越大。
2.3.3 控制系统的动态性能指标
1. 跟随性能指标：
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性能 为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能 为主。
• 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标
C
N
C 1
动态降落 ±5%（或±2%） Cb
N Cmax C 2
所以
K = c
（当 c
1 时）
T
(2-12)
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。
K 值越大，截止频
率c 也越大，系统
响应越快，
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。
基本思路:事先将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I型系 统或 II型系统，根据图表选择调节器参数。
输入 调节器
输出 控制对象
系统校正
输入
典型系统
输出
2分.3母自.中2动的控典制s型r理项系论表统已示经该证系明统，在0原型点系处
统有稳r 态重精极度点低，，或而者Ⅲ说型，和系Ⅲ统型含以有上r 的 系个统积很分难环稳节定。。根据 r=0，1，
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
C (t )
C
CmaxC
超调量
C max
±5%（或±2%）
C
上升时间 调节时间
O0
tr
ts
t
图2-12 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标
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
阶跃输入 R(t) R0
斜坡输入
R(t) v0t
稳态误差
0
v0 / K
加速度输入
R(t) a0t 2 2
由表可见：
在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无静差的；
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 。
• K 与开环对数频率特性的关系
图2-13绘出了在不同 K 值时典型 I 型系统的开
环对数频率特性。
• 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
2l0 K g 2 (0 lc g l1 g ) 2l0 g c
2，因…此…，等一为不般了同来保说数证，值稳许，定多分性控别和制称系较作统好0的型的开、环传递函数都 稳I型态、精可Ⅱ度表型，示、多为…选…用系I型统和II型系统
R(s)
C(s)
W (s)
m
K ( js 1)
W (s)
j1 n
(2-8)
s r (Ti s 1)
i 1
1பைடு நூலகம் 典型I型系统
结构图与传递函数
电力拖动自动控制系统
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
主要内容
1.双闭环调速系统的组成及其静特性
2.数学模型和动态性能分析
√3.调节器的工程设计方法
*
*
4.双闭环系统调节器的设计
*5.转速超调的抑制
*6.弱磁控制的直流调速系统
本节要点：
1. 介绍一般调节器的工程设计方法； 2. 介绍典型环节; 3. 典型Ⅰ、Ⅱ系统的参数和性能指标的关系; 4. 小惯性环节近似处理； 5. 高阶系统的降阶处理； 6. 大惯性环节的近似处理。
因此，I型系统不能用于具有加速度输入的随 动系统。