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1、在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态 .&模块名称常见机床电气线路原理及检修模块级别技师（二级）模块代码模块简介讲解了双闭环直流调速系统的相关知识以及系统调试步骤和方法模块目标了解双闭环的基本知识；掌握转速、电流双闭环调速系统的组成；了解 PI调节器的稳态特征；掌握启动过程；掌握动态性能和两个调节器的作用；了解调节器的设计问题；掌握带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置调试过程。项目内容1、 双闭环的概述。2、 转速、电流双闭环调速系统的组成。3、 PI调节器的稳态特征。4、
2、 启动过程分析。5、 动态性能和两个调节器的作用。6、 调节器的设计问题。7、 带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置调试过程。评价标准1、是否掌握了转速、电流双闭环调速系统的组成；2、是否掌握启动过程和动态性能和两个调节器的作用。3、是否了解了PI调节器的稳态特征。4、是否掌握了带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置调试过程。5、是否了解调节器的设计问题。6、是否了解了双闭环的基本知识。评价方法1、采用问答形式考察学生对双闭环的基本知识、转速、电流双闭环调速系统的组成和PI调节器的稳态特征的了解和掌握程度。2、培训对象根据操作说明，考察学生对带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置调试过程对掌
3、握程度。3、采用模拟考试的形式，考察学生对带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置调试过程对掌握程度。1转速、电流双闭环调速系统一、概述采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而
4、加速过程必然拖长。对于象龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是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用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，起动电流呈方形波，而转速是线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流
5、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就应该能得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输人端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢?双闭环调速系统正是用来解决这个问题的。二、转速、电流双闭环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，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图一所示。图一这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的
6、输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速 调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理图示于图二。图二在图上标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照触发装置GT的控制电压Ur,为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示出，两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅(饱和)电压是U*im，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电
7、压的最大值。 三、PI调节器的稳态特征一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向信号使调节器退出饱和；换句话说，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。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1转速调节器不饱和。这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此 U*n=Un=n U*i=Ui=Id。ASR不饱和，U*i U*im， 2转速调节器饱和。这时，ASR输出达
8、到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。因为如果，nno，则UnU*n，ASR将退出饱和状态。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，这时，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。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷
9、大、特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”。在稳态工作点上，转速n是由给定电压U*n决定的，ASR的输出量U*i是由负载电流ldL决定的，而控制电压Uct的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于U*n和ldL。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定亨反馈值计算有关的反馈系数： 转速反馈系数 = U*nm/nmax 电流反馈系数 = U*im/Idm四
10、、起动过程分析1过程分析。设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程。因此有必要探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压；由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程示于图三。图三由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图中分别标以I、和III。 第1阶段0一t1是电流上升的阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输人偏差电压数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流Id迅速上升。当IdIdm时，UiUim，电流调节器的作用使Id不再迅猛增长
11、，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。 第阶段t1t2是恒流升速阶段。从电流升到最大值Imd开始，到转速升到给定值为止，属于恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中， ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定U*im作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定(电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数)，因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势正也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，Ud0和
12、Ud也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。由于电流调节器ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电压Ud0m也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这些都是在设计中必须注意的。第III阶段t2以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退
13、出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压立即从限幅值降下来，主电流Id也因而下降。但是，由于Id仍大于负载电流IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。到Id=IdL时，转速n达到峰值。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流Id也出现一段小于IdL的过程，直到稳定(设调节器参数已调整好)。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。2双闭环调速系统的起动过程三个特点：（1）饱和非线性控制。随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不
14、同的两种状态。当ASR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；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征。决不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这样的系统，可以采用分段线性化的方法来处理。分析过渡过程时，还必须注意初始状态，前一阶段的终了状态就是后一阶段的初始状态。如果初始状态不同，即使控制系统的结构和参数都不变，过渡过程还是不一样的。（2）准时间最优控制。起动过程中主要的阶段是第阶段，即恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电
15、机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这个阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制，或称“时间最优控制”。但整个起动过程与理想快速起动过程相比还有一些差距，主要表现在第I、III两段电流不是突变。不过这两段的时间只占全部起动时间中很小的成份，已无伤大局，所以双闭环调速系统的起动过程可以称为“准时间最优控制”过程。如果一定要追求严格最优控制，控制结构要复杂得多，所取得的效果则有限，并不值得。 采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍地得到应用。（3）转速超调。由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入第段即转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输人偏差电压为负值，才能使ASR退出饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。在一般情况下，转速略有超调对实际运行影响不大。如果工艺上不允许超调，就必须采取另外的控制措施。最后，应该指出，晶闸管整流器的输出电流是单方向的，不可能在制动时产生负的回馈制动转矩。因此，不可逆的双闭环调速系统虽然有很快的起动过程，但在制动时，当电流下降到零以后，就只好自由停车。如果必须加快制动，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。同样，减速时也有这种情况。类似的问题还可能在空载起动时出现。这时，在起
