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1、转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法,电力拖动自动控制系统,第 2 章,主要内容,1.双闭环调速系统的组成及其静特性 2.数学模型和动态性能分析 3.调节器的工程设计方法 4.双闭环系统调节器的设计 *5.转速超调的抑制 *6.弱磁控制的直流调速系统,一、双闭环调速系统及其静特性,转速单闭环系统不能随意控制电流和转 矩的动态过程。 采用电流截止负反馈环节只能限制电流 的冲击，并不能很好地控制电流的动态 波形。,理想的快速起动过程,IdL,n,Idm,带电流截止负反馈的单闭环调速系统,IdL,n,Idm,Idcr,n,n,起动过程,+,TG,n,ASR,ACR,U*n,+,-,Un
2、,Ui,U*i,+,-,Uc,TA,M,+,-,Ud,Id,UPE,-,n,i,转速、电流双闭环直流调速系统,当ASR不饱和时，ASR成为主导的调节器， 转速负反馈起主要作用。,当ASR饱和时，相当于电流单闭环系统,实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈”,双闭环直流调速系统的稳态结构框图 转速反馈系数 电流反馈系数,Ks,1/Ce,U*n,Uc,Id,E,n,Ud0,Un,+,+,-,ASR,+,U*i,-IdR,R,ACR,-,Ui,UPE,稳态结构框图,调节器输出限幅的作用,转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定 电流给定电压的最大值； 电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制 了电力
3、电子变换器的最大输出电压Udm。,静特性,设计时，使ACR不会达到饱和状态。 至于ASR，在CA段未饱和，在AB段饱和。,（1）转速调节器不饱和,（U*i U*im， Id Idm）,（2） 转速调节器饱和,(n n0 ),各变量的稳态工作点和稳态参数计算,稳态工作中，两个调节器都不饱和,PI调节器的特点,比例调节器的输出量总是正比于其输入量。 PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，直到输入为零，才停止积分。这时，输出量与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。,反馈系数计算,转速反馈系数,电流反馈系数,二、数学模型和动态性能分析,起动过程分析,按转速调节器ASR不饱和、饱和、退饱
4、和分成三个阶段： I.电流上升阶段 II.恒流升速阶段 III.转速调节阶段,双闭环直流调速系统起动过程的特点,（1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制(有限制条件的最短时间控制),动态抗扰性能分析,调速系统的动态抗扰性能， 主要是抗负载扰动和抗电网 电压扰动的性能,1. 抗负载扰动,2. 抗电网电压扰动,-IdL,Ud,转速和电流两个调节器的作用,转速调节器的作用 （1）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。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）输出限幅值决定电机允许的最大电流
5、。,2. 电流调节器的作用,（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化。 （2）对电网电压波动起及时抗扰作用。 （3）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。 （4）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。,三、调节器的工程设计方法,（1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记； （3）不仅给出参数计算的公式，而且指明 调整参数的方向； （4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； （5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。,工程设计方法的基本思路,设计工作分两步走：
6、 1.选择调节器的结构，使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。 2.再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。,调节器结构的选择,选择调节器，将控制对象校正成为典型系统。,典型I型系统,T 系统的惯性时间常数； K 系统的开环增益。,选择参数，保证 或 ，使系统足够稳定。,典型型系统,保证系统足够稳定,或,控制系统的动态性能指标,1.跟随性能指标 2.抗扰性能指标 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。,系统典型的阶跃响应曲线,阶跃响应跟随性能指标,tr 上升时间 超调量 ts 调节时间,突加扰动的动态过程和抗扰性能指标,5%（或2%）
7、,O,tm,tv,Cb,抗扰性能指标,Cmax 动态降落 tv 恢复时间,典型I型系统和典型型系统除了在稳态误差上的区别以外，在动态性能中， 典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差， 典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。 这是设计时选择典型系统的重要依据。,I型和型系统在稳态误差上的区别。 典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差， 典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。,典型I型系统和典型型系统的比较,典型I型系统跟随性能指标与参数的关系,（1）稳态跟随性能指标：不同输入信号 作用下的稳态误差,稳态跟随性能指标,在阶跃输入下的 I 型系
8、统稳态时是无差的； 但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与 K 值成反比； 在加速度输入下稳态误差为 。 因此，I型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。,（2）动态跟随性能指标,典型I型系统的抗扰性能指标,典型I型系统,扰动作用下的典型I型系统,只讨论抗扰性能时，输入作用 R = 0。,取,，,则,阶跃扰动作用下的输出变化量,阶跃扰动：,输出变化量：,当 时,典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（KT=0.5,Cb=FK2/2),典型II型系统性能指标和参数的关系,时间常数T是控制对象固有的，而待定的参数有两个： K 和 。 定义中频宽：,典型型系统的开环对数幅频特性,0,-20,40,-
9、40, / s-1,c,=1,20dB/dec,40dB/dec,40dB/dec,中频宽,参数之间的一种最佳配合,采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合，,则,（1）稳态跟随性能指标 不同输入信号作用下的稳态误差,典型II型系统跟随性能指标和参数的关系,在阶跃和斜坡输入下，II型系统稳态时均无差； 加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比。,（2）动态跟随性能指标,按Mrmin准则确定参数关系时,典型型系统抗扰性能指标和参数的关系,在阶跃扰动下，,阶跃扰动的输出响应,Cb = 2FK2T,取输出量基准值为,典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
10、,（参数关系符合最小Mr准则）,校正成典型I型系统的几种调节器选择,T1、T2 T3,T1 T2,传递函数近似处理,（1）高频段小惯性环节的近似处理,近似条件,（2）高阶系统的降阶近似处理,设三阶系统 a，b，c都是正数，且bc a，即系统是稳定的。 降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统 近似条件 ：,（3）低频段大惯性环节的近似处理,时间常数特别大的惯性环节，可以近似为积分环节，即,近似条件：,四、双闭环系统调节器的设计,用工程设计方法设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环，即从内环开始，逐步向外扩展。 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
11、设计转速调节器。,电流环,转速、电流双闭环调速系统,E(s),（增加了滤波环节）,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,电流调节器的设计,简化后的电流环结构图,按典型I型系统设计，ACR选PI调节器。,，,动态结构框图,开环对数幅频特性:,校正后电流环的结构和特性,设计步骤： 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,转速调节器的设计,电流环等效传递函数,原来双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。,
12、电流闭环控制的意义,电流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。,转速调节器结构的选择,简化后的转速环结构,转速调节器选择,ASR采用PI调节器,令,则,n (s),校正后的调速系统,转速调节器的参数计算,按照典型型系统的参数关系，,因此,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。,例题21 电流调节器设计,例题22 转速调节器设计 按典型II型系统设计的ASR使转速超调量过大，难以满足设计要求。 典型系统是线性的，
13、不符合起动时 ASR饱和的非线性条件，必须按实际条件重新计算转速超调量。,转速调节器退饱和超调,起动时，转速调节系统不服从典型系统的线性规律，超调量不等于典型II型系统跟随性能指标中的数值,而是经历了饱和非线性过程后的超调，称作“退饱和超调”。 分析表明，可以利用典型II型系统抗扰性能指标中负载由 突降到 的动态速升与恢复过程来计算退饱和超调量。,退饱和转速超调 n的基准值,在典型II型系统抗扰性能指标中， C的基准值：,换算到退饱和转速超调 n的基准值： 由于 ， ，,则,其中 ， ，,退饱和超调量,转速超调量 的基准值应该是,经基准值换算后得,例题2-3 计算后表明，转速退饱和的超调量满足
14、设计要求。,五、转速超调的抑制,在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈后，可提早ASR的退饱和时间和退饱和转速，从而抑制了退饱和超调。 教材中给出了转速微分负反馈参数的工程设计方法，以及带转速微分负反馈双闭环调速系统的抗扰性能。 可以证明，带微分负反馈的转速PI调节器在结构上符合“全状态反馈最优控制”。,*六、 弱磁控制的直流调速系统,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,Te,N,nN,nmax,UN,U,P,P,Te,U,n,O,调压与弱磁的配合控制,励磁控制的调速系统,在基速以下调压调速时，保持磁通为额定值不变； 在基速
15、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Un也随着升高，因此必须同时提高转速给定电压Un*，否则转速不能上升。,TVD,AE,TG,n,ASR,ACR,U*n,RPn,-,Un,Ui,U*i,-,Uc,TA,V,M,-,Ud,Id,UPE,-,AFR,+,Uif,+,UPEF,U*if,+,RPe,AER,Ui,-,U*e,Ue,TAF,Uv,+,Ucf,-,非独立控制励磁的调速系统,工作原理,E = Ke n ，若能使E不变，则n上升时， 减小。 引入电动势调节器 AER，利用电动势反馈，使励磁系统在弱磁调速过程中保持电动势 E 基本不变。,电动势的计算与给定,直接检测电动势比较困难，采用间接计算的方法 E = Ud RId + LdId / dt 由电动势运算器 AE ，算出电动势 E 的反馈信号 Ue 。 由RP2
