闭环系统调节器的设计

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第三章 双闭环直流调速系统调节器设计

3.1 按工程设计方法设计双闭环系统调节器

3.1.1 系统设计对象

双闭环调速系统的实际动态结构图如下图3-1，它与前述的图2-9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

T0i — 电流反馈滤波时间常数 T0n — 转速反馈滤波时间常数

图3-1双闭环直流调速系统的动态结构图

3.1.2 系统设计原则

系统设计的一般原则：―先内环后外环‖，即从内环开始，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。

3.2转速-电流调节器结构确定

一般说来典型Ⅰ型系统在动态跟随性能上可以做到超调小，但抗忧性能差。 而典型Ⅱ型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却比较好。基于此，在转速-电流双闭环调速系统中，电流环一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，即能否抑制超调是设计电流环首先考虑的问题，所以一般电流环多设计为Ⅰ型系统，电流调节器的设计应以此为限定条件，设计为PI调节器。至于转速环，稳态无静差是最根本的要求，所以转速环通常设计为Ⅱ型系统。在双闭环调速系统中，整流装置滞后时间常数Ts和电流滤波时间常数Toi一般都比电枢回路电磁时间常数Tl小很多，可将前两者近似为一个惯性环节，取Ti=Ts+Toi。这样，经过小惯性环节的近似处理后，电流

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环的控制对象是一个双惯性环节，要将其设计成典型Ⅰ型系统，同理，经过小惯性环节的近似处理后，转速环的被控对象形式为W（s）=K/s(Ts+1)如前所述，转速环应设计成Ⅱ型系统，所以转速调节器也就设计成PI型调节器。

3.3 电流调节器设计

3.3.1 电流环结构图简化

在设计电流调节器时反电动势与电流反馈的作用相互交叉，给设计工作带来一定难度。转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，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，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是

13 （3-1） ? ci ?

TmTl

式中ωci—电流环开环频率特性的截止频率

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，电流环如图3-2（a）所示。

若把给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，再把给定信号改成Ui*(s)/β,则电流环等效成单位负反馈系统,如下图3-2（b）所示。

而Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以近似为一个惯性环节，其时间常数为 T∑i = Ts + Toi （3-2） 简化的近似条件为 11??ci （3-3） 3TsToi

则最后可将电流环结构图小惯性环节近似处理，如下图3-2（c）所示。

U*i(s)1T0is+1+-Ui(s)ACRUc(s)KsUd0(s)1/RTl s+1Tss+1T0is+1Id(s)?图3-2（a）电流环的动态结构图及其化简 14

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U*i(s)?+?-T0is+1ACRUc(s)Ks/R(Tss+1)(Tl s+1)Id(s)图3-2(b)电流环的动态结构图及其化简 U*i(s)?+-ACRUc(s)?Ks/R(Tls+1)(T?is+1)Id(s)图3-2(c)电流环的动态结构图及其化简 3.3.2 电流调节器结构的选择

从稳态上看，要求电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图3-2（c）可以看出，采用I型系统即可。

从动态上看，要求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。

图3-2（c）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

Ki(?is?1)W(s)? ACR （3-4）

?is

式中 Ki-电流调节器的比例系数；

?i -电流调节器的超前时间常数。

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

?i?Tl （3-5）

则电流环的动态结构图便成为图3-3所示的典型形式，其中

KiKs?K? I （3-6）

?iR

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校正后电流环动态结构如图3-3所示，

U*i(s)?+-ACRUc(s)?Ks/R(Tls+1)(T?is+1)Id(s)图3-3校正后电流环动态结构图 校正后电流环开环对数幅频特性如图3-4所示。

图3-4 校正后电流环开环对数幅频特性

3.3.3 电流调节器的参数计算

其中式（3-4）给出，电流调节器的参数有：Ki和 ?i， 其中?i 已选定，见式（3-5），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。

在一般情况下，希望电流超调量?i<5%，由附录表3-2，可选? =0.707，KI T∑i=0.5，则

1 K I ? ? ci ? （3-7）

2T?i

再利用式（3-4）和式（3-5）得到

TlRTlRK??( i ) （3-8）

2Ks?T?i2Ks?T?i3.3.4 电流调节器的实现

模拟式电流调节器电路如图3-5所示。

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