第六章 闭环调速系统调节器的工程设计方法

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1、电气传动及控制基础第第6 6章章 闭环调速系统调节器的工程设计法闭环调速系统调节器的工程设计法（1 1）既便于分析计算，又有明确物理）既便于分析计算，又有明确物理概念的简便实用的方法概念的简便实用的方法工程设计法工程设计法（2 2）工程设计法思路）工程设计法思路（3 3）振荡指标法）振荡指标法调节器的工程设计法介绍调节器的工程设计法介绍 C(t)C0tr ts tCmax5%(或或2%)CCmax. .跟随性能指标跟随性能指标: :用阶跃响应来衡量用阶跃响应来衡量时域：上升时间时域：上升时间t tr r，超调量超调量 ，调节时间，调节时间t ts s调节器的工程设计法介绍调节器的工程设计法介绍

2、h1c 2 (a)频域频域：开环对数幅频特性开环对数幅频特性 中频宽中频宽h=h= 2 2/ / 1 1 稳定性稳定性交接频率交接频率 c c快速性快速性低频段放大倍数低频段放大倍数| |A(0)|A(0)|稳态精度稳态精度谐振幅值谐振幅值M Mp p：稳定性稳定性 超调量超调量截止频率截止频率 d d：快速性快速性 M()1/2Mp1b0p d调节器的工程设计法介绍调节器的工程设计法介绍 2CmaxN5%(或2%)Cbtmtv 用阶跃扰动恢用阶跃扰动恢 复过程来衡量复过程来衡量调节器的工程设计法介绍调节器的工程设计法介绍CmaxC100%max 2N5%(或2%)Cbtmtv5%(或2%)C

3、btv t t t 2CmaxNtm6.1 6.1 典型系统及性能分析典型系统及性能分析主要内容主要内容 开环传函开环传函 W(s) （K TT2 2TT3 3，且且 T T2 2，T T3 3都是小时间常数。都是小时间常数。 K(s+1)s(T1s+1)(T2s+1)(T3s+1)小惯性环节主要影响频率特性的高频段小惯性环节主要影响频率特性的高频段L/dB20406040201|T11|c1T2+T31|T2T31|06.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法 频率特性为频率特性为6.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法223232323111(1)(1)1()1()j

4、 Tj TT TTTjTT22232311,10T TT T 近似条件近似条件 允许频带允许频带 ,10=3.16，而且而且 c c 和和 b b 比较接近比较接近条件变为条件变为 c 在此条件下在此条件下(T2s+1)(T3s+1) (T2+T3)s+1 T2 T3T2 T31=16.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法(3)(3)推广结论推广结论 系统有多个小惯性环节时，在一定条件下，可以将系统有多个小惯性环节时，在一定条件下，可以将它们看成一个小惯性环节，其时间常数等于系统各个小它们看成一个小惯性环节，其时间常数等于系统各个小惯性环节小时间常数之和。惯性环节小时间常数之和。4

5、0 T1ab402040201|1|c1|T2 设大惯性环节系统的开环传函为设大惯性环节系统的开环传函为a(s)= 其中其中T T1 1 ，且且 c,即即 K( s)s(T1s+1)(T2s+1) T1s+1T111|6.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法分析大惯性环节的频率特性分析大惯性环节的频率特性 = tg 若将若将 近似成近似成则幅值近似为则幅值近似为j T+1T1 +11T1s+1T1s 条件T1 ， T110, c3/T1T1 +111 16.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法1分析近似前后的系统的相角裕量分析近似前后的系统的相角裕量设设a(s)= Wb

6、(s)= 相频特性相频特性a()=90arctg1+arctgarctg2 = 90(90arctg) +arctgarctg2K(s)s(T1s+1)(T2s+1)K(s)T1s(T2s+1)16.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法 a( c)=arctg +arctg c arctg c 2 b( c)=arctg c arctg c 2显然显然 a a( ( c c) b( c)a(s)为实际系统传函，为实际系统传函，W Wb b(s(s) )为等效系统传函。若按等效系为等效系统传函。若按等效系统设计的系统满足稳定性要求，实际系统的稳定性将更好。统设计的系统满足稳定性要求，

7、实际系统的稳定性将更好。结论结论：低频段大惯性环节在作动态性能分析和设计时，可以：低频段大惯性环节在作动态性能分析和设计时，可以近似看成积分环节，但考虑稳态精度时，仍应采用原来的传近似看成积分环节，但考虑稳态精度时，仍应采用原来的传函。函。c16.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法 通常将内环等效成一个惯性环节。通常将内环等效成一个惯性环节。 设内闭环为设内闭环为 a a(s(s)= )= 若若a a 1, 1, 即即 时时 as +bs+1as +bs+13abs+16.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法 (1) (1)要保证系统静态无差，在扰动作用点以前应该含有

8、积分环节要保证系统静态无差，在扰动作用点以前应该含有积分环节 (2) (2)典型典型型系统和典型型系统和典型型系统的性能各异，按照要求而选型系统的性能各异，按照要求而选 设设Wobj= (其中其中 且且 ) 典型典型型系统开环传函型系统开环传函: : 故选故选PIPI调节器调节器 Wpi(s)= K2(T1s+1)( s+2)Ks(Ts+1)Kpi(s+1)s6.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法T23TTT1213,TT TT则校正后系统的开环传函变成则校正后系统的开环传函变成W(s)=Wpi(s) Wobj(s)= 取取 )Kpi(s+1)s(T1s+1)(T s+2)K2则

9、W(s)= = 若已知若已知K2=1.25，T0.1s, T2=0.02s, 要求要求%5%, 则查表则查表 2.2 2.2得得 KT=0.5, 即即K= , 10sKpi= = = =21|2TKK2 2TK2 0.120.021.25 s(Ts+1)Ks(T2s+1)KpiK2/6.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法 取取R0=20K, 则则 R1=KpiR0=220=40K。C1=/R1=0.1/40 10=2.5 设设obj 典型典型型系统开环传函为型系统开环传函为比较后选比较后选PIPI调节器调节器K2s(Ts+1)K(s+1)s(Ts+1)6.2 6.2 调节器的工程

10、设计法调节器的工程设计法Wpi= 则则W(s)=WobjWpi(s)= 其中其中K=K2Kpi/若要求若要求h=5, h=5, 则则K= =hTR0= .R1= .C1= 。Kpi(s+1)sKpi(s+1)sK2s(Ts+1)K(s+1)s(Ts+1)h+12hT5+125T6.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法主要内容主要内容1 1. .考虑转速调节器考虑转速调节器( (ASR)ASR)饱和非线性时的跟随饱和非线性时的跟随性能性能(1)(1)分析启动过程，引出分析启动过程，引出“退饱和超调退饱和超调”概念概念6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计nI

11、dnn*Idl0IdmOtt0 t2t(2)(2)分段线性化方法分析启动过程分段线性化方法分析启动过程6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计ASRASR饱和时饱和时, , 电机基本按恒加速启动电机基本按恒加速启动, , 加速度为加速度为(IdmIdL) 推导推导(6.2) : TeTL= dndtRCeTmGD375dndtASRASR饱和时饱和时, , I Id dIIdmdm, , 则上式变为则上式变为6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计CmdmCmdL IdmIdl=Tm所以所以= (IdmIdl) 因为启动的第一阶段很短，忽略启动延