电力拖动自动控制系统第二章.ppt
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电力拖动自动控制系统第二章第二章主讲教师:
解小华学时:
主讲教师:
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6464第二章多环控制的直流调速系统本章提要本章提要转速、电流双闭环直流调速系统及其静转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性特性双闭环直流调速系统的动态特性双闭环直流调速系统的动态特性调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法按工程设计方法设计双闭环调速系统按工程设计方法设计双闭环调速系统转速超调的抑制转速超调的抑制转速微分负反馈转速微分负反馈弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统第二章多环控制的直流调速系统多环系统是指有内环、外环,按一环套多环系统是指有内环、外环,按一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或两个以上一环的嵌套结构组成的具有两个或两个以上闭环的控制系统,又称串级系统。
闭环的控制系统,又称串级系统。
转速、电流双闭环控制的直流调速系统转速、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。
本章是应用最广性能很好的直流调速系统。
本章此调速系统为重点着重阐明其控制规律、性此调速系统为重点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。
动自动控制系统的重要基础。
第二章多环控制的直流调速系统2-12-1转速转速、电流双闭环直流调速、电流双闭环直流调速系统及其静系统及其静特性特性本本节提要节提要问题问题的的提出提出转速转速、电流双闭环直流调速系统的组成、电流双闭环直流调速系统的组成双闭环调速系统双闭环调速系统的稳态结构图和静特性的稳态结构图和静特性各各变量的稳态工作点和稳态参数计算变量的稳态工作点和稳态参数计算2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性一、问题的提出一、问题的提出1.1.采用采用PIPI调节器的单闭环直流调速系统,既保证调节器的单闭环直流调速系统,既保证系统的动态稳定性,又能做到转速无静差,解决了系统的动态稳定性,又能做到转速无静差,解决了动、静态的矛盾。
动、静态的矛盾。
2.2.系统的动态特性要求较高时,不能满足要求。
系统的动态特性要求较高时,不能满足要求。
例如:
要求快速起制动、突加负载动态速降小例如:
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。
等等,单闭环系统就难以满足需要。
主要原因主要原因:
单闭环系统中不能直接控制电流和:
单闭环系统中不能直接控制电流和转矩的动态过程。
一切扰动均要等到转速发生变化转矩的动态过程。
一切扰动均要等到转速发生变化后再进行调整。
存在调节时间长、超调大等问题。
后再进行调整。
存在调节时间长、超调大等问题。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性单闭环调速系统的缺点单闭环调速系统的缺点设计的调节器的动态参数,难以保证两种调节设计的调节器的动态参数,难以保证两种调节过程都具有良好的动态品质。
用过程都具有良好的动态品质。
用一个调节器综一个调节器综合了多种信号,各参数间相互影响。
完成两种任合了多种信号,各参数间相互影响。
完成两种任务:
正常负载时实现转速调节;电流超过临界值务:
正常负载时实现转速调节;电流超过临界值时,进行电流调节。
时,进行电流调节。
对扰动的抑制能力差:
环内的任何扰动,只有对扰动的抑制能力差:
环内的任何扰动,只有等到转速出现偏差才能进行调节,因而转速动态等到转速出现偏差才能进行调节,因而转速动态降落降落nn大。
大。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性电流截止负反馈环节来限制起动电流,不能充分电流截止负反馈环节来限制起动电流,不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应。
起动利用电动机的过载能力获得最快的动态响应。
起动过程中要等到电枢电流上升到过程中要等到电枢电流上升到时,截流负反馈起时,截流负反馈起作用又把电流压了下来,仅靠强烈的负反馈作用限作用又把电流压了下来,仅靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击,其性能还不很令人满意(起动过程制电流的冲击,其性能还不很令人满意(起动过程长)。
长)。
理想起动过程理想起动过程应该在过渡过程中始终保持电流应该在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统尽可能(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,达到稳态转速后,又让电流用最大的加速度起动,达到稳态转速后,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载相平衡,立即转立即降低下来,使转矩马上与负载相平衡,立即转入稳态运行入稳态运行。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性性能比较性能比较带电流截止负反馈的带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起单闭环直流调速系统起动过程如右图动过程如右图所示,起所示,起动电流达到最大值动电流达到最大值IIdmdm后,电流截止负反馈起后,电流截止负反馈起作用,靠强烈的负反馈作用,靠强烈的负反馈限制电流,限制电流,IIdd下降下降,电,电机的电磁转矩也随之减机的电磁转矩也随之减小,加速过程延长。
小,加速过程延长。
带电流截止负反馈的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrn2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性理想起动过程波形如理想起动过程波形如右图所示。
根据电力拖动右图所示。
根据电力拖动系统的运动方程:
系统的运动方程:
JdJd/dt=T/dt=Tee-T-Tll=C=Cmm(I(Idd-I-Ill),动态时要控制动态时要控制nn,就必须,就必须控制控制TT,也即,也即IdId。
这时,起。
这时,起动电流呈方形波,转速按动电流呈方形波,转速按线性增长。
这是在最大电线性增长。
这是在最大电流(转矩)受限制时调速流(转矩)受限制时调速系统所能获得的最快的起系统所能获得的最快的起动过程。
动过程。
理想的快速起动过程IdLntIdOIdmn电机允许的最大值充分利用电机最大电流能力,维持Idm不变,Jd/dt恒定。
M以最大加速度n线性起动。
也可通过调整Idm实现慢速起动。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性3.3.解决思路解决思路为了实现在最大电流允许条件下的最快起为了实现在最大电流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动,关键是要获得一段使电流保持为最大值IIdmdm的恒流过程,即对电流进行控制。
的恒流过程,即对电流进行控制。
按照反馈控制规律,采用某个物理量的按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用电流负反馈电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
应该能够得到近似的恒流过程。
当系统进入稳态时,有当系统进入稳态时,有TTee=TTll,即即IIdd=IIll,这时,这时,JdJd/dtdt=0=0,电机稳速。
,电机稳速。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性对控制系统的要求:
对控制系统的要求:
(11)起动过程中,只有电流负反馈,实现最大电流起动过程中,只有电流负反馈,实现最大电流起动,没有转速负反起动,没有转速负反馈。
馈。
(22)达到稳态转速时,电流立即降为稳态运行值。
达到稳态转速时,电流立即降为稳态运行值。
这时转速负反馈起作用。
这时转速负反馈起作用。
怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈,又使它们只能分别在不同的阶段里起作用?
反馈,又使它们只能分别在不同的阶段里起作用?
只用一个调节器时不可能的,必须用两个调节器分只用一个调节器时不可能的,必须用两个调节器分别调节别调节nn和和II,构成转速电流双闭环调节系统。
,构成转速电流双闭环调节系统。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性二、转速、电流双闭环直流调速系统的组成二、转速、电流双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电可在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
二者流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
二者之间实行串级联接,即以转速调节器的输出作为之间实行串级联接,即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再用电流调节器的输出晶闸电流调节器的输入,再用电流调节器的输出晶闸管触发装置的控制电压,这样两种调节作用就互管触发装置的控制电压,这样两种调节作用就互相配合,相辅相成了,如下图所示。
相配合,相辅相成了,如下图所示。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性系统组成系统组成ASRASR转速调节器转速调节器ACRACR电流调节器电流调节器TGTG测速发电机测速发电机TATA电流互感器电流互感器VV、GTGT晶闸管整流、触发装置晶闸管整流、触发装置电流检测采用三相交流电流互感器+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE双闭环直流调速系统电路原理图2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性1.1.动态(动态(nn增、减速过程,要求电流控制)增、减速过程,要求电流控制)电电流负反馈流负反馈PIPI调节器,以获得良好的静、动调节器,以获得良好的静、动态性能。
态性能。
2.2.静态(稳速)静态(稳速)转速负反馈转速负反馈PIPI调节器,以调节器,以获得良好的静、动态性能。
获得良好的静、动态性能。
3.3.结构结构电流环电流环内环内环转速环转速环外环外环4.4.ASRASR设置输出限幅设置输出限幅限制最大电流。
限制最大电流。
ACRACR设置输出限幅设置输出限幅Uctm限制晶闸管整流限制晶闸管整流电压最大值电压最大值UUdodomm。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性限幅电路限幅电路二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD22-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性电流检测电路电流检测电路TATA电流互感器2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性为了为了分析双闭环调速系统的静特性,必须分析双闭环调速系统的静特性,必须先绘出它的稳态结构图,如下图。
它可以很方先绘出它的稳态结构图,如下图。
它可以很方便地根据上图的原理图画出来,只要注意用带便地根据上图的原理图画出来,只要注意用带限幅的输出特性表示限幅的输出特性表示PIPI调节器就可以了。
分析调节器就可以了。
分析静特性的关键是掌握这样的静特性的关键是掌握这样的PIPI调节器的稳态特调节器的稳态特征。
征。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性三、稳态结构图和静特性三、稳态结构图和静特性1.1.系统稳态结构框图系统稳态结构框图限幅电路2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性分析静特性的关键是掌握的分析静特性的关键是掌握的PIPI调节器的稳态特征。
调节器的稳态特征。
PIPI调节器的稳态特性(存在两种状况):
调节器的稳态特性(存在两种状况):
饱和饱和输出达到限幅值输出达到限幅值此时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输此时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输出,除非有反向的输入信号使调节器退出饱和,否出,除非有反向的输入信号使调节器退出饱和,否则,饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系,则,饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系,相当于使该调节环开环相当于使该调节环开环。
非饱和非饱和输出未达到限幅值输出未达到限幅值此时,反馈信号紧紧跟随给定信号,稳态时,此时,反馈信号紧紧跟随给定信号,稳态时,UU00。
正常运行时,正常运行时,ACRACR不会达到饱和的。
对于静特不会达到饱和的。
对于静特性来说,只要性来说,只要ASRASR有饱和非饱和两种情况。
有饱和非饱和两种情况。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性2.2.系统静特性系统静特性ASRASR不饱和不饱和这是这是ACRACR也不饱和,稳态时两个调节器的输入也不饱和,稳态时两个调节器的输入UU00。
UUnn00(转速无静差),(转速无静差),UUii00(电(电流无静差)。
即流无静差)。
即ASRASR不饱和不饱和,运行段为一水平的直线,运行段为一水平的直线,直线为,直线为即静特性的即静特性的nn00-A-A段段(水平段水平段)段段,nn00为理想空载转速为理想空载转速2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性静特性静特性水平段:
ASR、ACR均起调节作用。
ASR采用的是PI调节器,所以特性为无静差(一条水平线),起主导作用。
下垂段:
ASR饱和,ACR起调节作用。
电流环起主导作用,转速环相当于开环。
实际静特性(由于放大器的放大倍数不是)Idm都是大于额定电流IdN的2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性ASRASR饱和饱和ASRASR饱和饱和:
a.a.U*U*nn起动,起动,n=0n=0b.b.U*U*nn=0=0,ASRASR输入只剩输入只剩UUnn(负饱和)(负饱和)c.c.nn=00堵转堵转ASRASR饱和,转速外环开环。
稳态时,饱和,转速外环开环。
稳态时,ASRASR输出:
输出:
U*U*imim=IIdmdm,此时系统变成一个电流无静差单闭环调速系统。
此时系统变成一个电流无静差单闭环调速系统。
这一特性正好适合理想快速起动过程对这一特性正好适合理想快速起动过程对IIdd的要求。
的要求。
即静特性的即静特性的A-BA-B段,段,系统获得一很好的系统获得一很好的下垂特性下垂特性。
(与(与nn无关)无关)2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性说明:
说明:
最大电流最大电流选定:
选定:
IIdmdm=(1.521.52)IIdnomdnoma.a.取决于电机的过载能力取决于电机的过载能力b.b.拖动系统允许的加速度(冲击力矩)。
拖动系统允许的加速度(冲击力矩)。
静特性只适用于静特性只适用于情况,情况,时,时,ASRASR将退出饱和。
将退出饱和。
结论:
结论:
IIddUUim*im*UUi=i=反号反号UUctctUUdodoIIddIIdmdm(IIdd略低于略低于IIdmdm)且维持)且维持nn(直线直线)。
UUdodo=iiddRR+CCeenn+LLddiidd/d/dttUUctctnUdoUctnUdoUctUi=Uim*-Ui=Ui=Uim*-Ui=常数,以维持常数,以维持UctUct保持不变=02-2双闭环直流调速系统的动态特性2-2双闭环直流调速系统的动态特性本阶段说明:
本阶段说明:
由于由于nn的线性增长,使的线性增长,使EE为一个线性渐增的干扰为一个线性渐增的干扰量,量,ACRACR起调节作用,使起调节作用,使UUctct和和UUd0d0基本上线性增基本上线性增长;长;调整过程中,调整过程中,IIdd略低于略低于IIdmdm,保证,保证UUi0i0,UUctct线性上升。
线性上升。
恒恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。
流升速阶段是起动过程中的主要阶段。
为了为了保证电流环的主要调节作用,在起动过程中保证电流环的主要调节作用,在起动过程中ACRACR是不应饱和的,电力电子装置是不应饱和的,电力电子装置UPEUPE的最大输出的最大输出电压也须留有余地,这些都是设计时必须注意的。
电压也须留有余地,这些都是设计时必须注意的。
2-2双闭环直流调速系统的动态特性(33)第)第阶段阶段ASRASR退饱和退饱和(t2t2t4t4)当当t=t2t=t2,UUnn00(nnn*n*)ASR)ASR仍饱和仍饱和UUiiUUim*im*IIddIIdmdmIIdLdLnnn*n*(超调)(超调)UUn=n=反号反号UUi*i*IIdLdL,nn。
IdLIdnn*IdmOOt4t3t2t1ttt2t3之间Id不立即减少的原因是主电路中有L存在2-2双闭环直流调速系统的动态特性第第阶段阶段(续)(续)当当t=t3t=t3,IIdd=IIdLdLTTe=e=TTLLddnn/d/dtt=0=0,转速,转速nn才到达峰值。
才到达峰值。
此后,电动机开始在负此后,电动机开始在负载的阻力下(载的阻力下(t3t4t3t4)IIddIIdLdLnn2-2双闭环直流调速系统的动态特性第第阶段阶段(续)(续)当当t=t4t=t4,nnnn*进入稳态(如果调节器进入稳态(如果调节器参数整定得不够好,转参数整定得不够好,转速速nn可能可能会经过几次振会经过几次振荡,但转速环会进行调荡,但转速环会进行调节节)。
)。
UUn=n=n*n*=UUn*n*UUii*=*=UUI=I=IIdLdL2-2双闭环直流调速系统的动态特性本阶段说明:
本阶段说明:
ASRASR和和ACRACR都不饱和,都不饱和,ASRASR起主导的转速调起主导的转速调节作用,而节作用,而ACRACR则力图使则力图使IIdd尽快地跟随其给定尽快地跟随其给定值值U*U*ii,或者说,电流内环是一个电流随动子,或者说,电流内环是一个电流随动子系统系统。
ASRASR和和ACRACR同时参与调节;同时参与调节;ACRACR的调节受的调节受ASRASR输出的支配。
输出的支配。
2-2双闭环直流调速系统的动态特性2.2.双闭环调速系统双闭环调速系统的起动的起动过程过程的的特点特点(11)饱和非线性控制(或称变结构控制)饱和非线性控制(或称变结构控制)根据根据ASRASR的饱和与不饱和,整个系统处于完全的饱和与不饱和,整个系统处于完全不同的两种状态:
不同的两种状态:
当当ASRASR饱和时,转速环开环,系统表现为恒值饱和时,转速环开环,系统表现为恒值电流调节的单闭环系统,电流调节的单闭环系统,ASRASR输出的限幅值,使输出的限幅值,使起动过程中电流不超过允许的最大电流,且恒定;起动过程中电流不超过允许的最大电流,且恒定;当当ASRASR不饱和时,转速环闭环,整个系统是一不饱和时,转速环闭环,整个系统是一个无静差调速系统,而电流内环表现为电流随动个无静差调速系统,而电流内环表现为电流随动系统。
系统。
2-2双闭环直流调速系统的动态特性(22)转速)转速超调超调由于采用由于采用PIPI调节器作为调节器作为ASRASR(转速调(转速调节器)实现了饱和非线性控制,起动过程节器)实现了饱和非线性控制,起动过程结束进入转速调节阶段后,必须使转速超结束进入转速调节阶段后,必须使转速超调,调,ASRASR的输入偏差电压的输入偏差电压UUnn为负值,为负值,才能使才能使ASRASR退出饱和,从而真正发挥线性调退出饱和,从而真正发挥线性调节作用。
节作用。
这样,采用这样,采用PIPI调节器的双闭环调速系调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。
统的转速响应必然有超调。
2-2双闭环直流调速系统的动态特性(33)准)准时间最优控制时间最优控制起动过程中能以所允许最大电流起动,主起动过程中能以所允许最大电流起动,主要表现在第要表现在第IIII阶段的恒流升速,它的特征是电阶段的恒流升速,它的特征是电流保持恒定。
一般选择为电动机允许的最大电流保持恒定。
一般选择为电动机允许的最大电流,以便充分发挥电动机的过载能力,使起动流,以便充分发挥电动机的过载能力,使起动过程尽可能最快。
过程尽可能最快。
起动过程的第起动过程的第IIII阶段属于有限制条件的最短阶段属于有限制条件的最短时间控制。
因此,整个起动过程可看作为是一时间控制。
因此,整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制(与时间最优控制有区别,个准时间最优控制(与时间最优控制有区别,如第如第阶段)。
阶段)。
2-2双闭环直流调速系统的动态特性最后最后,应该指出,对于不可逆的电,应该指出,对于不可逆的电力电子变换器,双闭环控制只能保证良力电子变换器,双闭环控制只能保证良好的起动性能,却不能产生回馈制动,好的起动性能,却不能产生回馈制动,在制动时,当电流下降到零以后,只好在制动时,当电流下降到零以后,只好自由停车。
必须加快制动时,只能采用自由停车。
必须加快制动时,只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。
电阻能耗制动或电磁抱闸。
2-2双闭环直流调速系统的动态特性三、动态抗扰性能三、动态抗扰性能分析分析一般来说,双闭环调速系统具有比较满一般来说,双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。
对于调速系统,最重要的动意的动态性能。
对于调速系统,最重要的动态性能是抗扰性能。
主要是抗负载扰动和抗态性能是抗扰性能。
主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。
电网电压扰动的性能。
2-2双闭环直流调速系统的动态特性1.1.动态跟随性能动态跟随性能在起动、升在起动、升速速时时,由于电流环具有由于电流环具有很快的动态很快的动态跟随性能,因此,动态跟随性能双闭环调速系统比跟随性能,因此,动态跟随性能双闭环调速系统比单闭环强得多(电流环保证最大电流起动)。
单闭环强得多(电流环保证最大电流起动)。
在停车、减速时,由于是不在停车、减速时,由于是不可逆的电力电子变可逆的电力电子变换器换器,不能,不能产生回馈制动,在制动时,当电流下降产生回馈制动,在制动时,当电流下降到零以后,只好自由到零以后,只好自由停车(靠负载阻力停车),因停车(靠负载阻力停车),因此动态跟随性能变差。
此动态跟随性能变差。
设计双闭环调速系统,要求电流内环应具有良设计双闭环调速系统,要求电流内环应具有良好的跟随性能。
好的跟随性能。
2-2双闭环直流调速系统的动态特性22.动态抗扰性能动态抗扰性能抗负载扰动抗负载扰动1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACRU*iUi-EIdIdL直流调速系统的动态抗负载扰作用Uct2-2双闭环直流调速系统的动态特性由由双闭环调速系统的动态结构图可以看出,双闭环调速系统的动态结构图可以看出,负载扰动作用在负载扰动作用在电流环之外电流环之外,转速环之内转速环之内,所以,所以双闭环调速系统在抗负载扰动方面和单闭环双闭环调速系统在抗负载扰动方面和单闭环调速调速系统一样,只能系统一样,只能依靠转速环来进行抗扰调节依靠转速环来进行抗扰调节。
IIdLdLnnUUnnUUnnUUi*i*IIddnn因此,因此,由由转速转速环来克服负载扰动环来克服负载扰动。
在设计。
在设计ASRASR时,应要求有较好的抗扰性能指标。
时,应要求有较好的抗扰性能指标。
2-2双闭环直流调速系统的动态特性抗抗电网电压扰动电网电压扰动直流调速系统的动态抗扰作用a)单闭环系统Uct2-2双闭环直流调速系统的动态特性UUdd电网电压波动在整流电压上的反映电网电压波动在整流电压上的反映-IdLUdb)双闭环系统1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACRU*iUi-EUct2-2双闭环直流调速系统的动态特性由由动态结构图知:
电网电压扰动在动态结构图知:
电网电压扰动在电流环之电流环之内内,电压扰动尚未影响到转速前就已经为电流环,电压扰动尚未影响到转速前就已经为电流环所抑制。
因而双环系统中电网电压扰动引起的动所抑制。
因而双环系统中电网电压扰动引起的动态速降(升)比单环小得多态速降(升)比单环小得多。
uu(UUctct不变不变)UUd0d0=iiddRR+CeCennUUiiUUctctUUd0d0因此,电网电压扰动由电流环起调节作用。
因此,电网电压扰动由电流环起调节作用。
不变(双闭环的另一个特点)首先引起id变化2-2双闭环直流调速系统的动态特性对比分析对比分析在单闭环调速系统中,电网电压扰动的作用点在单闭环调速系统中,电网电压扰动的作用点离被调量较远,调节
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- 电力 拖动 自动控制系统 第二