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1、转速、电流双闭环直流调速系统 第 2 章 多环控制系统：按照一环套一环的嵌套按照一环套一环的嵌套 结构组成的具有两个或两个以上闭环的控结构组成的具有两个或两个以上闭环的控 制系统。制系统。 按控制系统闭环数目按控制系统闭环数目 单环控制系统单环控制系统 双环控制系统双环控制系统 多环控制系统多环控制系统 2.1 2.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成 及其静特性及其静特性 一、问题的提出 1、单闭环的缺陷 采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流 调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转 速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高 ，例如：要求快速起制动，突加
2、负载动态速降 小等等，单闭环系统就难以满足需要。其不能 随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。 单闭环直流调速系统中，电流截止单闭环直流调速系统中，电流截止 负反馈环节是专门用来控制电流的，但负反馈环节是专门用来控制电流的，但 它只能在超过临界电流值它只能在超过临界电流值 I Idcr dcr 以后，靠 以后，靠 强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并 不能很理想地控制不能很理想地控制电流的动态波形电流的动态波形。 直流调速系统起动过程的电流和转速波形 2 2、理想的起动过程、理想的起动过程 理想的快速起动过程 IdL n t Id O Idm n 带电流截止负反馈
3、的单闭环调速系统 IdL n t Id O Idm Idcr n 性能比较： 带电流截止负反馈的 单闭环直流调速系统 起动过程如图所示， 起动电流达到最大值 Idm后，受电流负反馈 的作用降低下来，电 机的电磁转矩也随之 减小，加速过程延长 带电流截止负反馈 的单闭环调速系统 IdL n t Id O Idm Idcr n 理想起动过程波形如 图所示，起动电流呈 方形波，转速按线性 增长。这是在最大电 流（转矩）受限制时 调速系统所能获得的 最快的起动过程。 理想的快速起动过程 IdL n t Id O Idm n 3 3、解决思路、解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动，关键 是要获得一段
4、使电流保持为最大值Idm的恒流过 程。 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，采用电 流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 起动过程，只有电流负反馈，没有转速 负反馈； 稳态时，只有转速负反馈，没有电流负 反馈。 希望能实现控制： + TG n ASR ACR U*n + - Un Ui U*i + -Uc TA M + - Ud Id UPE - M TG 转速、电流双闭环直流调速系统结构 1 1、系统的组成、系统的组成 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器 内环 外 环 n i 二、转速、电流双闭环直流调
5、速系统的组成 双闭环直流调速系统电路原理图 + + - - TG + - + - RP 2 U*n R0 R0 Uc Ui RiCi + + - R0 R0 RnCn ASR ACR LM RP 1 Un U*i LM + M TA Id Ud M TG UPE + - + - 2 2、系统电路结构、系统电路结构 1 1、系统稳态结构框图、系统稳态结构框图 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 Ks 1/Ce U*nUc Id E nUd0 Un + - ASR + U*i -IdR R ACR - Ui UPE 三、稳态结构图和静特性 2 2、限幅作用、限幅作用 饱和输出达到限幅值 调节器饱和时
6、，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；即相当于 使该调节环开环。 不饱和输出未达到限幅值 调节器不饱和时，PI作用使输入偏 差电压在稳态时总是零。 双闭环直流调速系统的静特性 n0 IdIdmIdN O n A B C 3 3、系统静特性、系统静特性 转速调节器不饱和 水平特性 转速调节器饱和 垂直特性 4 4、调节器作用、调节器作用 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时 表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作 用。 当负载电流达到Idm 后，转速调节器饱和，电 流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无 静差，得到过电流的自动保护。 四、各
7、变量的稳态工作点和稳态参数计算 1 1、稳态关系、稳态关系 转速 n由给定电压U*n决定； ASR的输出量U*i由负载电流IdL决定； 控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说 ，同时取决于U*n和IdL。 2 2、反馈系数计算、反馈系数计算 转速反馈系数： 电流反馈系数： 两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者 选定，设计原则如下： U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的 限制； U*im 为ASR的输出限幅值。 2.2 2.2 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环直流调速系统的数学模型 和动态性能分析和动态性能分析 本节提要 n n 双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环
8、直流调速系统的动态数学模型 n n 起动过程分析起动过程分析 n n 动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 n n 转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用 1 1、系统动态结构、系统动态结构 双闭环直流调速系统的动态结构框图 U*n Uc -IdL n Ud0 Un + - - - Ui WASR(s ) WACR(s) Ks Tss+1 1/R Tl s+1 R Tms U*i Id 1/Ce + E 一、动态数学模型 2 2、数学模型、数学模型 WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电 流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则 有： 双闭环直流调速系统起动时的转速和
9、电流波形 n O O t t Idm IdL Id n* III III t4 t3 t2 t1 返回 二、起动过程分析 1 1、起动过程、起动过程 由于在起动过程中由于在起动过程中转速调节器转速调节器ASRASR经经 历了历了不饱和不饱和、饱和饱和、退饱和退饱和三种情况，整三种情况，整 个动态过程就分成图中标明的个动态过程就分成图中标明的I I、IIII、IIIIII 三个阶段。三个阶段。 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第I阶段：电流上升阶段（0 t1） A A、本阶段结束标志本阶段结束标志：I Id d = = I Idm dm，
10、，U U i i = = U U * * imim 电流调节器很快压制电流调节器很快压制 I I d d 的增长。的增长。 B B、本阶段特点本阶段特点：ASRASR很快进入并保持饱很快进入并保持饱 和状态，而和状态，而ACRACR一般一般不饱和。不饱和。 n IdL Id n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第II阶段：恒流升速阶段（t1 t2） 本阶段特点本阶段特点： ASRASR始终饱和，转速环始终饱和，转速环 相当于开环，基本上保持电流相当于开环，基本上保持电流 I I d d 恒定。恒定。 恒流升速阶段恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段是起动过程中的
11、主要阶段 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第阶段：转速调节阶段（ t2 以后） 本阶段特点本阶段特点： ASRASR和和ACRACR都不饱和都不饱和 ，ASRASR起主导的转速调节作用，而起主导的转速调节作用，而ACRACR 则力图使则力图使 I I d d 尽快地跟随其给定值尽快地跟随其给定值 U U * * i i 。 2 2、起动过程特点、起动过程特点 饱和非线性控制 根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于 完全不同的两种状态： nASR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。 nASR不饱和时，转速环闭环，整个系
12、统是一 个无静差调速系统，而电流内环表现为电流 随动系统。 转速超调 由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过 程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调 ，ASR 的输入偏差电压Un 为负值，才能使 ASR退出饱和。因而采用PI调节器的双闭环调 速系统的转速响应必然有超调。 准时间最优控制 起动过程中的主要阶段是第II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，以便充分发挥电动机 的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段 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个准时间最优控制。 三、动态抗扰性能分析 对于调速系统，最重要的动态性能 是抗扰性
13、能。主要包括抗负载扰动和抗 电网电压扰动的性能。 1/Ce U*n n Ud0 Un + - ASR 1/R Tl s+1 R Tms Ks Tss+1 ACR U*i Ui - E Id 1 1、抗负载扰动、抗负载扰动 IdL 直流调速系统的动态抗负载扰动作用 直流调速系统的动态抗扰作用 单闭环系统 2 2、抗电网电压扰动、抗电网电压扰动 Ud U*n -IdL Un + - ASR 1/Ce n Ud0 1/R Tl s+1 R Tms Id Ks Tss+1 - E -IdLUd 双闭环系统 1/Ce U*n n Ud0 Un + - ASR 1/R Tl s+1 R Tms Id Ks
14、 Tss+1 ACR U*i Ui - E 四、转速和电流两个调节器的作用 1、转速调节器的作用 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使 转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减 小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现 无静差。 对负载变化起抗扰作用。 其输出限幅值决定电机允许的最大电流。 在外环转速调节过程中，使电流紧紧跟随其 给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 在转速动态过程中，保证获得电机允许的最 大电流，从而加快动态过程。 当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最 大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消 失，系统立即自动恢复正常。 2 2、电流调
15、节器的作用、电流调节器的作用 先设计内环、后设计外环 五、调节器的设计问题 2.3 2.3 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法 一、问题的提出 1 1、必要性、必要性 用经典的动态校正方法设计调节器须同时 解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾 的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理 论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌 握，于是有必要建立实用的设计方法。 大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由 低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的 特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成 典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便 多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性 。 2 2
16、、可能性、可能性 概念清楚、易懂； 计算公式简明、好记； 给出参数计算公式，指明参数调整方向； 考虑饱和非线性控制的情况，给出简单的计算 公式； 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系 统。 3 3、设计方法的原则、设计方法的原则 二、工程设计方法的基本思路 1、选择调节器的结构，使系统典型化并 满足稳定和稳态精度。 2、设计调节器的参数，以满足动态性能 指标的要求。 典型跟随过程：输出量初始值为零时给定信号 阶跃变化下的过渡过程。 常用的阶跃响应跟随性能指标： n n t t r r 上升时间上升时间（快速性）（快速性） n n 超调量超调量（相对稳定性）（相对稳定性） n n t t s s 调节时间调节时间 1 1、跟随性能指标、跟随性能指标 三、控制系统的动态性能指标
