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2025-04-14
网课推荐如下↓↓↓：《电力拖动自动控制系统（中国石油大学（华东））》

第一章、闭环控制的直流调速系统

前言：运动控制系统的根本问题是转矩控制

1.1 直流调速系统的可控直流电源

电源选用：

旋转变流机组（GM系统）：设备多、体积大、噪声高、效率低、成本高、而且还需要至少三台电机运行（交流电动机、直流发电机、励磁发电机）。

晶闸管-电动机调速系统（VM系统）：采用相控整流法；晶闸管作为半控型器件具有单向导电性（不可逆系统）；元件对过电压过电流十分敏感（易损坏）；容易产生谐波电流，造成电压波形畸变，必须配置无功补偿装置和谐波滤波装置。

脉宽调制变换器-直流电动机调速系统（PWM系统）：采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式的调速系统；系统可逆，结构简单。

调速方案：

调压调速（常用）。机械特性曲线斜率不变，平行线。且是无级平滑调速，推荐。
调阻调速。机械特性变软。有级调速且热损耗大，不推荐。
调磁调速。平滑弱磁升速，调速不明显，机械特性变软。但是会导致负载转矩变小，也不推荐单独使用，一般作为小调速环节补充调速范围。

恒转矩调速：一般出现在额定功率之前，是一种调压调速。转矩不变。
恒功率调速：一般出现在超出额定功率之后，是一种调磁调速。机械特性呈现反比例函数特性。
泵类、风车负载调速：转矩和转速呈平方关系。

1.2 晶闸管-电动机系统 VM系统的主要问题

VM系统

VM系统的传递函数可以近似成一阶惯性环节

视频中：1.3、晶闸管-电动机系统 P3 - 03:36（重点：整流电压平均值计算）

自然换相角a在[0, pi/2]区间，VM装置位于整流状态（电功率从交流侧到直流侧）；[pi/2, αmax]区间，VM装置位于有源逆变状态（电功率反向传送）amax小于pi, 因为需要防止逆变颠覆。

电流脉动会增加点击发热，产生脉动中转矩，引起机械特性非线性。如何抑制？1、增设平波电抗器（电感L）；2、增加整流电路相数m；3、采用多重化技术。

失控时间与传递函数

VM系统可以近似为一个纯滞后环节，这是由于晶闸管 是半控型器件，一个周期中发生的改变，必须到下一个周期才能起作用。背表格1-2去。

传递函数也记一下。

VM系统机械特性

VM系统机械特性公式：

图像：

1.3 直流脉宽调制系统的主要问题

PWM等效输出电压公式：

脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。其优越性在于：
1、主电路简单、需要器件少
2、开关频率高、损耗和发热小
3、稳速精度高、调速范围宽
4、系统频带宽，动态响应快
5、导通损耗小，装置效率高
6、电网功率因数比相位整流高

PWM系统的传递函数可以近似成一阶惯性环节；同上面的VM系统。

有制动不可逆PWM变换器动态分析

看书，重点分析

1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计

对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：调速、稳速、（频繁）加减速（快准稳）。

静差率s和调速范围D统称为系统的稳态性能指标。调速系统的静差率指标应该以最低速时所能达到的数值为准。

静差率越大，转速相对稳定性越差。

一个系统的调速范围是指：在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。

闭环系统的静特性表示闭环系统的电动机转速和负载转矩（或电流）之间的稳态关系。静特性=机械特性。

闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，更小的静差率。或者在一定静差率的要求下，能够提高调速范围。而代价是需要增设电压放大器以及检测反馈装置形成闭环控制。

反馈控制规律：
1、只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量是存在静差的
2、反馈控制的作用是：抵抗扰动，服从给定
3、系统的精度依赖于给定和反馈的精度
4、反馈控制所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动
5、抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征之一

限流保护：电流截止负反馈（截流反馈）。

视频中：1.7、转速闭环调速系统 P7 - 00:31（重点：系统介绍结构）

去最后面背公式吧。

系统结构图解释（公式左边是输出，右边是输入，分析题要用）：
第一个环节：电压比较环节：ΔUn=Un*-Un
第二个环节：电压放大器环节：Uc=KpΔUn
第三个环节：电力电子变换器环节：Ud=KsUc
第四个环节：直流电动机环节：n=(Ud-IdR)/Ce
第五个环节：测速反馈环节：Un=αn（Un去接第一个环节的输入Un）

带比例放大器的闭环直流调速系统可以近似看作一个三阶线性系统

1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计

去最后面背公式吧。

补充公式：Cm=30Ce/π

好的系统性能应该包括以下特征：
1、中频段以-20dB/dec斜率传过0dB线，且-20dB/dec斜率足够宽
2、截止频率wc越高，系统的快速性越好
3、低频段的斜率陡、增益高、说明系统的稳态精度高
4、高频段衰减越快，即高频段特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰能力越强。

比例控制的闭环直流调速系统中，稳态误差和稳定性是相互矛盾的。比如Kp，这玩意越大，稳态误差越小，但是如果太大，就会导致稳定条件不成立，导致系统不稳定。

1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统

采用比例积分调节器的闭环调速系统则是无静差调速系统

积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速

比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包括了输出偏差量的全部历史

比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短。比例部分能迅速响应控制作用，而积分控制则最终消除稳态误差。

1.7 电压反馈电流补偿控制的直流调速系统

电压负反馈直流调速系统这个玩意和上面的转速反馈系统的区别在于，转速反馈系统的反馈量是转速n，而电压反馈系统的反馈量是Ud。

电压负反馈系统的优点就是不需要测速电动机，成本上比转速反馈系统要低。但是其本身的稳态性能比转速反馈系统差一些。

注意：
1、电压负反馈调速系统不能弥补电枢电压降低导致的转速降落，为了减小稳态速降，电压负反馈信号引出线需要尽可能靠近电动机电枢两侧。
2、由于电力电子变换器的输出存在交流分量，所以电压反馈环节必须滤波。
3、由于1中，电压反馈信号采集自电枢两端，所以电压负反馈直流调速系统只适用于装机容量较小的调速系统。

为了弥补上面的缺点，人类又寻思出来了电流补偿控制。

电流正反馈作用又称电流补偿控制。
总体来说，由被调量负反馈构成的反馈控制和由扰动量正反馈构成的补偿控制，是性质不同的两种控制规律。在实际调速系统中，很少单独使用电流正反馈补偿控制，只是在电压或转速负反馈系统的基础上，加上电流正反馈补偿，作为减少静差的补充措施。

只有电流正反馈的调速系统的临界稳定条件正是其静特性的全补偿条件。过补偿系统是不稳定的。电流正反馈可以用来补偿一部分静差，以提高调速系统的稳态性能。但是，不能指望电流正反馈来实现无静差，因为此时系统已经达到稳定的边缘了。

第二章 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的组成及其静特性

为了实现在允许条件下的最快起动，关键是需要获得一段使电流保持最大值Idm的恒流过程。

电流环在里面俗称内环，转速环在外面俗称外环，形成了双闭环。
这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点，P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时输入为0，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面的环节的需要决定的。

一般来说，ASR（转速调节器）和ACR（电流调节器）都是PI调节器。UPE（电力电子变换器）不好说。

ASR和ACR这俩贵物有两个状态：饱和和不饱和。饱和状态下，系统的输入量不管有多少（除非有负信号量进入调节器，使其退饱和），都会被钳位在限幅值（过流保护）；不饱和状态下，调节器工作在线性状态，作用是实现无静差（输入偏差电压在稳态时保持为零）。

正常来说，ACR一般不会进入饱和状态，ASR可能进入饱和状态。

2.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析

+启动过程分析+：这里是重点，看书或看网课。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和饱和退饱和三种情况整个动态。过程包括从图中标明的I II III三个阶段。

第一阶段是电流上升阶段，转速n波动。电机在Id大于Idl的情况下才开始转动，Id在超过Idm后ACR开始抑制电流继续增长，标志着这一阶段结束。ΔU较大。

第二阶段是恒流升速阶段，转速呈线性增长，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定U下的电流调节系统，基本上保持电流id恒定。因而系统的加速度恒定转速呈线性增长。ΔU维持一定恒值。

第三阶段以后是转速调节阶段，ΔU减小到零，电流降至Idl，转速保持恒值n0。当转速上升到给定值n0时转速。调节器ASR的输入偏差减小到0，但其输出由于积分作用还为是在。现幅值Uim，所以电动机仍在加速使转速超调，转速超调后asr收入偏差，电压变幅使它开始退出饱和状态。Ui和id。很快下降，但是只要id仍大于负载电流idL转速就继续上升，直到id等于 idl是转矩t1=t3转速n才到达峰值，此后电动机开始在负载的阻力下结束。与此相应在t3到t4时间内id小于id l直到稳定。

在这一过程中，asr和acr都不饱和，asr起主导的转速调节作用。也就是说电流内环是一个电流随动子系统。

综上所述，双闭环直流调速系统的启动过程有以下三个特点：饱和非线性控制、转速超调、准时间最优控制。对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的启动性能，而不能产生回馈制动。

转速和电流两个调节器的作用
1.转速调节器的作用：
1-1作为主导调节器，使转速很快地跟随给定电压变化，稳态时可以减小转速误差，如果采用PI调节器，则可以实现无静差。
1-2对负载变化起抗扰作用。
1-3其输出限幅值决定了电动机允许通过的最大电流。
2.电流调节器的作用：
2-1作为内环调节器，在转速变化的调节过程中，使电流紧紧跟随给定电压变化。对电网电压波动起抗扰作用。
2-2在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。
2-3当电动机过载或堵转时，限制电枢电流最大值，起快速的自动保护作用，一旦故障消失，系统自动恢复正常，保证系统可靠性。

2.3 调节器的工程设计方法

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。

控制系统的动态性能指标。

给定输入信号对应：跟随性能指标：上升时间tr、超调量σ、调节时间ts（自控第三章牢九门那一大堆动态变量自己查）

扰动输入信号对应：抗扰性能指标：动态降落ΔC%、回复时间tv.

典型I型系统性能指标和参数的关系

典型II型系统性能指标和参数的关系

小时间常数公式：

调节器结构的选择和传递函数的近似处理：非典型系统的典型化

2.4 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器

非典型系统的典型化

自动控制原理已经证明了，零型系统稳态精度低（因为不存在积分环节导致静差大），而III型及以上系统难稳定难分析，所以一般为了保证稳定性，多采用I型和II型系统。

I型和II型典型传递函数需要知道，用来设计调节器结构。

现实中，控制对象大多不符合典型系统控制要求，所以需要设计调节器来将系统矫正成典型系统，方便分析和控制。

控制对象传递函数的近似处理

没啥意思，全是自动控制原理的公式推导过程，食之无味弃之可惜。

电流调节器的设计

视频中：2.6、电流调节器的设计 P16 - 00:27（重点：系统结构图）

视频中：2.6、电流调节器的设计 P16 - 08:44（重点：ACR调节器结构）

知道系统结构图和调节器结构图，之后背公式就行了。其它的不用多想，容易脑袋爆炸。

转速调节器的设计

2.7、转速调节器的设计 P17 - 09:51（重点：ASR调节器结构）

知道系统结构图和调节器结构图，之后背公式就行了。其它的不用多想，容易脑袋爆炸。

公式大全

习题：

第一章习题：

内容：1-1、1-2、1-3、1-10、1-13、1-14、1-15、1-16
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。

第二章习题：