表2-8 校正成典型I型系统的几种调节器选择
2. 传递函数近似处理
（1）高频段小惯性环节的近似处理
实际系统中往往有若干个小时间常数的惯性环节，这些小时间常数所对应的频率都处于频率特性的高频段，形成一组小惯性群。例如，系统的开环传递函数为
当系统有一组小惯性群时，在一定的条件下，可以将它们近似地看成是一个小惯性环节，其时间常数等于小惯性群中各时间常数之和。 （2）高阶系统的降阶近似处理
上述小惯性群的近似处理实际上是高阶系统降阶处理的一种特例，它把多阶小惯性环节降为一阶小惯性环节。下面讨论更一般的情况，即如何能忽略特征方程的高次项。以三阶系统为例，设
其中，a，b，c都是正系数，且bc ?a，即系统是稳定的。
?降阶处理
若能忽略高次项，可得近似的一阶系统的传递函数为
?近似条件
（3）低频段大惯性环节的近似处理
表2-9中已经指出，当系统中存在一个时间常数特别大的惯性环节时，可以近似地将它看成是积分环节，即
?近似条件
?对频率特性的影响
2.4 按工程设计方法设计双闭环系统的 调节器
本节将应用前述的工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。主要内容为
?系统设计对象 ?系统设计原则 ?系统设计步骤
1. 系统设计对象
双闭环调速系统的实际动态结构图绘于图2-22，它与前述的图2-6不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中 ?Toi — 电流反馈滤波时间常数 ?Ton — 转速反馈滤波时间常数 2. 系统设计原则
?系统设计的一般原则
“先内环后外环”
从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转
速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
设计分为以下几个步骤： 1.电流环结构图的简化 2.电流调节器结构的选择 3.电流调节器的参数计算 4.电流调节器的实现 1. 电流环结构图的简化 简化内容
?忽略反电动势的动态影响 ?等效成单位负反馈系统 ?小惯性环节近似处理
?忽略反电动势的动态影响
在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即?E≈0 。 这时，电流环如下图所示。
?等效成单位负反馈系统
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /? ，则电流环便等效成单位负反馈系统（图2-23b）。
?小惯性环节近似处理
最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为
T∑i = Ts + Toi
电流环结构图最终简化成图2-23c。 2.电流调节器结构的选择 ?典型系统的选择
?从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-23c可以看出，采用 I 型系统就够了。
?从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。
?电流调节器选择
图2-23c表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成
为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择
则电流环的动态结构图便成为图2-24a所示的典型形式，其中
3. 电流调节器的参数计算
式（2-57）给出，电流调节器的参数有：Ki 和 ?i， 其中 ?i 已选定，见式（2-58），剩下的只有比例系数 Ki， 可根据所需要的动态性能指标选取。
?参数选择
在一般情况下，希望电流超调量?i ≤ 5%，由表2-2，可选 ? =0.707，KI T?i =0.5，则
?注意
如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式（2-60）和式（2-61）当然应作相应的改变。 此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。
4. 电流调节器的实现 ?模拟式电流调节器电路
?电流调节器电路参数的计算公式
设计分为以下几个步骤： 1.电流环的等效闭环传递函数 2.转速调节器结构的选择 3.转速调节器参数的选择 4.转速调节器的实现
1. 电流环的等效闭环传递函数 ?电流环闭环传递函数
电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图2-24a可知
?传递函数化简
忽略高次项，上式可降阶近似为
?电流环等效传递函数
接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为
?物理意义
这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。 2. 转速调节器结构的选择 ?转速环的动态结构
用电流环的等效环节代替图2-22 中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-26a所示。
?系统等效和小惯性的近似处理
和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/?，再把时间常数为 1 / KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中
?转速环结构简化
?转速调节器选择
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中（见图 2-26b），现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开
环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为
?调速系统的开环传递函数
这样，调速系统的开环传递函数为
?校正后的系统结构
3. 转速调节器的参数计算
转速调节器的参数包括 Kn 和 ?n。按照典型Ⅱ型系统的参数关系，由式(2-38)
?参数选择
至于中频宽 h 应选择多少，要看动态性能的要求决定。 无特殊要求时，一般可选择 4. 转速调节器的实现 ?模拟式转速调节器电路
?转速调节器参数计算
?转速环与电流环的关系
外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。
?设计举例
请见教材例题2-1和例题2-2。
*2.6 弱磁控制的直流调速系统 本节提要
?调压与弱磁的配合控制
?非独立控制励磁的调速系统
?弱磁过程的直流电机数学模型和弱磁控制系统转速调节器的设计 *2.6.1 调压与弱磁的配合控制 ?概 述
在他励直流电动机的调速方法中，前面讨论的调电压方法是从基速（即额定转速 nN ）向下调速。
如果需要从基速向上调速，则要采用弱磁调速的方法，通过降低励磁电流，以减弱磁通来提高转速。
? 两种调速方式
1. 恒转矩调速方式
按照电力拖动原理，在不同转速下长期运行时，为了充分利用电机，都应使电枢电流达到其额定值 IN。于是，由于电磁转矩 Te = Km? I ，在调压调速范围内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也不变，称作?°恒转矩调速方式?±。
2. 恒功率调速方式
而在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘
积则不变，即容许功率不变，是为?°恒功率调速方式?±。
由此可见，所谓“恒转矩”和“恒功率”调速方式，是指在不同运行条件下，当电枢电流达到其额定值 IN 时，所容许的转矩或功率不变，是电机能长期承受的限度。实际的转矩和功率究竟有多少，还要由其具体的负载来决定。
恒转矩类型的负载适合于采用恒转矩调速方式，而恒功率类型的负载更适合于恒功率的调速方式。但是，直流电机允许的弱磁调速范围有限，一般电机不超过 1:2 ，专用的?°调速电机?±也不过是 1:3 或 1:4 。
?调压和弱磁配合控制
当负载要求的调速范围更大时，就不得不采用调压和弱磁配合控制的办法，即在基速以下保持磁通为额定值不变，只调节电枢电压，而在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通升速，这样的配合控制特性示于下图。
从图中可知：调压与弱磁配合控制只能在基速以上满足恒功率调速的要求，在基速以下，输出功率不得不有所降低。
*2.6.2 非独立控制励磁的调速系统 1. 系统设计要点：
?在基速以下调压调速时，保持磁通为额定值不变； ?在基速以上弱磁升速时，保持电压为额定值不变；
?弱磁升速时，由于转速升高，使转速反馈电压也随着升高Un，因此必须同时提高转速给定电压Un*，否则转速不能上升。 2. 独立控制励磁的调速系统
? 系统部件说明
图中
?RP2 —给定电位器 ?AFR—励磁电流调节器
?VFC—励磁电流可控整流装置
? 工作原理
?在基速以下调压调速时， RP2不变保持磁通为额定值，用RP1调节转速，此时，转速、电流双闭环系统起控制作用。 ?在基速以上弱磁升速时， 通过RP2减少励磁电流给定电压，从而减少励磁磁通，以提高转速；为保持电枢电压为额定值不变，同时需要调节RP1 ，以提高电压。
由于需要分别调节RP1和RP2 ，因此称为独立控制励磁的调速系统。
3. 非独立控制励磁的调速系统
在调压调速系统的基础上进行弱磁控制，调压与调磁的给定装置不应该完全独立，而是要互相关联的。从上图可以看出，在基速以下，应该在满磁的条件下调节电压，在基速以上，应该在额定电压下调节励磁，因此存在恒转矩的调压调速和恒功率的弱磁调速两个不同的区段。
实际运行中，需要选择一种合适的控制方法，可以在这两个区段中交替工作，也应该能从一个区段平滑地过渡到另一个区段中去，下图便是一种已在实践中证明很方便有效的控制
电力拖动第二章ppt课件
