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1、第第3章章 转速、电流反馈控制转速、电流反馈控制的直流调速系统的直流调速系统 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统内 容 提 要n转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性n转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型n转速、电流反馈控制直流调速系统调节器的工程设计方法（略）nMATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制的直流调速系统的仿真3.1 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性及其静特性开环调速系统:特性软。比例调节转速单闭环系统：有静差,堵转电流大;即使加电流截止负反馈环节,运行时仍有静差。采用PI调节器的转速负反馈单闭环直流
2、调速系统，可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。1.问题的提出问题的提出如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等。转速单闭环调速系统的转速单闭环调速系统的局限性局限性:检测实际转速的变化来调控系统l主要原因主要原因在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节（2.4节）是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值Idcr 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并不能很理想地控制电流的动态波形流的动态波形。a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统图2-1直流调速
3、系统起动过程的电流和转速波形IdLntIdOIdmIdcrn对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。如何提高快速性？如何提高快速性？ 看:速度控制与电流控制的关系.2. 速度控制与电流控制速度控制与电流控制的关系的关系 所以所以: 为提高快速性，需在充分利用电机过载为提高快速性，需在充分利用电机过载能力（能力（Id=Idm）的情况下）的情况下, 使电机以最大加速度，升使电机以最大加速度，升速或减速。速或减速。, 所以:起动电流呈矩形波，转速按线性增长。可在最大允许电流限制的条件下，充分利用电机的过载能力。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快
4、的起动（制动）过程。图3-1时间最优的理想过渡过程v在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。v当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。3. 时间最优的理想的过渡过程时间最优的理想的过渡过程4. 解决思路电流不能突变，为了实现在允许条件下的最快起最快起动动，关键是要获得一段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采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变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。同时，希望能实现同
5、时，希望能实现：起动过程中:只有电流负反馈只有电流负反馈,没有转速负反馈。达到稳态后:转速负反馈起主导作用转速负反馈起主导作用; 电流负反馈仅为电流随动子系统。 在原（转速）单闭环直流调速系统中再添加在原（转速）单闭环直流调速系统中再添加“电电流流”负反馈，就构成负反馈，就构成转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统。 +TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG图3-2转速、电流双闭环直流调速系统结构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ni i
6、图中：1）把转速调节器的输出作电流调节器的输入；2）再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看：电流环为内环；电流环为内环；电流环为内环；电流环为内环； 转速环为外环转速环为外环转速环为外环转速环为外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。3.1.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成电流反馈（电流反馈（V-M）u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)dduVT1,41.系统稳态结构框图图2-4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/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPEl 限幅作用饱和
7、饱和输出达到限幅值输出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,除非有反向的输入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相当于使该调节环开环相当于使该调节环开环相当于使该调节环开环。不饱和不饱和输出未达到限幅值输出未达到限幅值n 当调节器不饱和时, PI PI 的作用使输入的作用使输入的作用使输入的作用使输入偏差电压在稳态时总是零偏差电压在稳态时总是零偏差电压在稳态时总是零偏差电压在稳态时总是零。分析静特性的关键是掌握带输出限幅PI调节器的稳态特征。存在两种状况：n转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，
8、电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，n当调节器饱和时，输出达到限幅值，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；图2-4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/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPEn当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。n为保证电流跟随，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。图2-4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/CeU*nUcIdEnUd0Un+
9、-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE（1）转速调节器不饱和n两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。n抗负载扰动 (3-1)由于ASR不饱和,U*iU*im,可知:IdIdm。就是说,AB段静特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm（而Idm一般都是大于额定电流IdN的）。这就是静特性的运行段，具有水平特性静特性的运行段，具有水平特性。（2）转速调节器饱和nUn偏差过大，ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。n双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时(3-2)垂直的特性垂直的特性。这样的下垂特性只适合于n
10、n0,则UnU*n,ASR将退出饱和状态。nAB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm,n=n0。nBC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm,nn0。图3-4双闭环直流调速系统的静特性n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。n当负载电流达到Idm时，转速调节器为饱和输出U*im，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差。n采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。n反向分析：当ASR处于饱和状态时，Id=Idm，若负载电流减小，Idn0，n0，ASR反向积分，使ASR调节器退出饱和。2各变量的稳态工作点和稳态参数计算n双闭环调速系统在稳态工作
11、中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系表明表明, 用双用双PI调节器时调节器时在稳态工作点上在稳态工作点上:转速转速 n 是由给定电压是由给定电压U*n决定的决定的; ASR的输出量的输出量U*i是由负载电流是由负载电流 IdL 决定的决定的; 控制电压控制电压Uc的大小的大小, 同时取决于同时取决于n和和IdL, 或取决于或取决于U*n 和和 IdL。n根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：n转速反馈系数(3-6)n电流反馈系数(3-7)n两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。3.2转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析3.2.1转速、电流反馈
12、控制直流调速系统的动态数学模型图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图3.2.2转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析n对调速系统而言，被控制的对象是转速。n跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。1.起动过程分析起动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理想起动过程。分析双闭环调速系统的动态性能时,首先探讨它的起动过程。恒定负载下，转速变化过程受电磁转矩（电流）影响。图2-7双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIII
13、t4 t3 t2 t1 1. 起动过程起动过程图：双闭环直流调速系统带有负载IdL的情况下，突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程。整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段：电流上升时间、转速上升时间、转速调整阶段。在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和不饱和、饱和饱和、退饱和退饱和三种情况，整个动态过程就分为对应的三个阶段三个阶段。第第 I 阶段阶段:电流上升的阶电流上升的阶段段 突加给定电压突加给定电压U*n后：后：Id上升。当IdIdL时,电机还不能转动。当当IdIdL后后:电机开始起动。由于机电惯性,转速不会很快增长,因而转速调节器ASR的输入偏差电压的
14、数值仍较大,其输出电压达到并保持限幅值U*im,强迫电流Id迅速上升。直到直到Id=Idm,Ui=U*im：电流调节器很快就压制了Id的增长。这一阶段的结束。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3t2 t1tt第第 II 阶段恒流升速阶段阶段恒流升速阶段这阶段,ASR始终饱和始终饱和,转速环相当于开环;系统成为在恒值电流U*im给定下的电流调节系统,电流电流Id恒定恒定, 加速加速度恒定度恒定, 转速线性增长转速线性增长。n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt同时,电机反电动势电机反电动势E线性增线性增长长。对电流调节系统,E是一个线性
15、渐增的扰动量。ACR采用采用PI调节器时调节器时,对斜坡输入有静差。感应电势斜坡形式变化，因此 Id略低于略低于Idm。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段电机在最大电机在最大电流下以恒加速度升速。电流下以恒加速度升速。第阶段转速调节阶段当转速上升到给定值时当转速上升到给定值时,转速调节器ASR的输入偏差减少到零,但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im,所以电机仍在加速电机仍在加速, 使使转速超调。转速超调。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt直到直到Id=IdL时时, 转矩转矩Te=TL, 则则 dn/dt=0，转速，转速 n 才到才到达峰值（达峰
16、值（t =t3时）。时）。转速超调后转速超调后:ASR输入偏差电压变负,使它开始退出饱开始退出饱和状态和状态,U*i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。转速就继续上升。第阶段转速调节阶段此后此后, 电动机开始在负载电动机开始在负载的阻力下减速的阻力下减速,相应(t3t4)小段时间内,IdIdL,直到稳定。如果调节器参数整定得不够好,会有些振荡过程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt在这最后的转速调节阶段内:ASR和和ACR都不饱和都不饱和, ASR起主导的转速调节作起主导的转速调节作用用, 而而ACR则力图使则力图使 I
17、d 尽尽快地跟随其给定值快地跟随其给定值U*i,或者说,电流内环是一个电电流内环是一个电流随动子系统流随动子系统。2.分析结果综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制饱和非线性控制（2）转速超调转速超调（3）准时间最优控制准时间最优控制（1）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,不同状态下表现为不同结构的线性系统: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,而电流内环表现为电流随动系统。（2）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
18、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。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。（3）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，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动使起动过程尽可能最快过程尽可能最快。但由于在起动过程在起动过程、两个阶段中电流不能突变，两个阶段中电流不能突变，导致实际起动过程和理想过程相比有些差距，但这两导致实际起动过程和理想过程相比有些差距，但这两阶段占的时间很短阶段占的时间很短。因此，整
19、个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。2.2.3 动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性抗扰性能能。主要是抗负载扰动抗负载扰动 和抗电网电压扰动抗电网电压扰动的性能。 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId抗负载扰动IdL直流调速系统的动态抗负载扰作用由动态结构框图中可以看出:负载扰动在转速反馈环内、电流反馈环外。因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。单闭环调速系统中：电网电压扰动的作用点离
20、被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞。抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中：电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节（不必等它影响到转速以后才能反馈回来）。抗扰性能大有改善。 因此因此, 在双闭环系统中在双闭环系统中, 由电网电压波动引起的转由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。速动态变化会比单闭环系统小得多。单、双环抗电网电压扰动性能对比分析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综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下： 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（抗负载挠动）。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2.电流调节器的作用作为内环的调节器,在外环转速调节过程中, 其作用是“使电流紧紧跟随其电流给定信号”(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（起动、升降速）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。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。 转速和电流两个调节器的作用（续）转速和电流两个调节器的作用（续）
