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1、,We are coming,双闭环调速控制系统,1 双闭环问题的引入 2 转速、电流双闭环直流调速系统的 组成及其静特性 3 双闭环直流调速系统的动态数学模 型和动态性能分析 4 调节器的工程设计方法 5 双闭环调速系统的设计,考虑转速单闭环调速系统的局限性：仅考虑了静态性能，没考虑启动过程（动态性能）,*知识回顾*,转速闭环（P）,开环,加电流截至负反馈,转速无静差系统（PI）,特性太软,堵转电流过大,系统有静差,启动波形,启动波形,启动品质有谁决定？,电机轴上的动力学方程：,如何获得最佳启动波形？,充分利用电机过载能力：Id=Idm,总结：控制转速的本质是控制转矩，对于直流电机，就是控制
2、电枢电流。要实现电机的快速起动，必须在启动过程中保持电枢电流最大。单环系统中转速、电流共用一个调节器，无法保证Id=Idm。,转速、电流双闭环直流调速系统的 组成及其静特性,转速、电流双闭环的优势：将电流、转速调节器分开，分别用两个调节器；转速环为外环，转速环的输出作为电流环的给定。,ASR的输出电压Ui*是ACR的电流给定信号，其限幅值Uim为最大电流给定值，ASR的限幅值完全取决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速度的需要。ACR的输出电压限幅值Ucm，表示对最小角的限制，也表示对晶闸管整流输出电压的限制。,调节器输出限幅,当调节器ASR不饱和时，ASR、ACR均不饱和，其输入偏差电压
3、均为零。转速不变， 。满足：,双闭环调速系统的稳态结构框图,问题：如果nn0，ASR 如何变化？,对于静特性来说，有两种情况 (稳态时),当调节器ASR饱和时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，电流不变， ， 。,双闭环调速系统的静特性,ASR不饱和(CA段 )：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。ASR饱和(AB段)：当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出Uim*，这时，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。比较：电流截止负反馈。,ASR不饱和(CA段 ),ASR饱和(AB段),启动方向,
4、cf：带电流截至，转速负反馈无静差直流调速系统的静特性，Idcr和IdbL均小于Idm,稳态时 ：两个调节器均不饱和（输入偏差为零，偏差的积分使调节器 有恒定的电压输出，输出没有达到饱和值）,双环系统稳态参数计算,ASR饱和时 : U*i = U*im，,反馈系数：,PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。稳态时：,P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，最终使PI调节器输入为零，才停止积分。,ACR的输出：,ASR的输出：,双环系统PI调节器的特点：,双闭环调
5、速系统中已知数据为：电动机：UN=220v，IN=20A，nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=1。设Unm*=Uim*=Ucm=10V，电枢回路最大电流Idm=40A，Ks=40，ASR与ACR均采用PI调节器。试求：（1）电流反馈系数和转速反馈系数。（2）当电动机在最高转速发生堵转时的Ud，Ui*，Ui和Uc值。,双闭环调速系统中，转速调节器和电流调节器的输出限幅值分别应按什么要求整定？,2.2.1 双闭环直流调速系统的动态结构图,讨论：分析限幅输出的PI调节器的动态响应？,ASR、ACR：,2.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型和 动态性能分析,具有限幅输出的PI调节器的动态响应
6、,分三种情况分析PI调节器的动态响应。(1)偏差信号U是阶跃信号时(2)偏差信号U最初为突加，然后随着输出Uout的增长而缓慢降低时(3)偏差信号U 最初为突加，然后随着输出Uout的迅速增长而急剧下降时,采用一个PI调节器的调速系统动态结构图:,对调速系统而言，Uin为恒值。PI调节器输出Uc，由比例部分Ucp和积分部分Uci组成，即,图(a)：偏差信号U是阶跃信号图(b)：偏差信号U最初为突加，然后随着输出Uout的增长而缓慢降低时 被控对象的惯性时间常数远大于调节器的积分时间常数。 系统的输出Uout缓慢上升，U缓慢下降。Uc的比例部分Ucp随着U的下降而下降，Uc的积分部分Uci会因U
7、 衰减慢、积累时间长而不断增大，Uc在U衰减到零以前达限幅值。图(c)：偏差信号U 最初为突加，然后随着输出Uout的迅速增长而急剧下降时 被控对象的时间常数较小。 U因Uout的迅速增长而急剧下降，Ucp衰减很快。Uci仍使Uc增长，但U衰减过快， U下降至零时Uc未达限幅值Ucm。此时调节器不饱和，Uc=UciUcm。,结论,PI调节器一旦饱和，只有当U 极性变反，才有可能使调节器退出饱和而进人线性工作状态。因此，只要调节器饱和，系统的输出Uout就必然超调。若被控对象W(s)中含有积分环节，则不论调节器是否饱和，系统输出Uout也一定会超调。由于W(s)中含有积分环节，若Uc不等于零，则
8、Uout将一直积累下去，只有当Uc=0时，Uout才可能达稳态值。U改变极性，才能把调节器输出Uc拉回到零，因此，即使调节器不饱和，系统输出Uout也会超调。,设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想启动过程，因此首先讨论双闭环调速系统突加给定电压U时的启动过程。在启动过程中，转速调节器ASR将经历不饱和、饱和、退饱和三个阶段，因此整个启动过程分为三个阶段。,由静止状态开始启动时，转速和电流随时间变化的波形,对比：理想的起动过程，带电流截止负反馈的单闭环无静差调速系统起动过程和双闭环调速系统起动过程,动态特性-启动过程分析,第I阶段（0-t1）,由静止状态开始启动时，转速和电流随时间变
9、化的波形,第I阶段是电流上升阶段,由于转速变化慢，转速调节器很快饱和饱和时转速环相当于开环，ASR输出限幅值。突加给定电压Un*后，Uc、Udo、Id都上升，在Id没有达到负载电流IdL以前，电机还不能转动。当Id=IdL后，电机开始起动。ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电流Id迅速上升。直到Id=Idm，Ui=Ui*，电流调节器很快就压制了Id的增长，这一阶段结束。在这一阶段，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR不饱和，以确保电流环的调节作用。,由静止状态开始启动时，转速和电流随时间变化的波形,第II阶段是恒流升速阶段，电机在最大电流Uin*下的电流调节系统，基
10、本上保持电流恒定，加速度恒定，转速呈线性增长。电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Udo和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。ACR采用PI调节器，Id应略低于Idm。ASR饱和，转速环相当于开环。ACR不能饱和，保证电流环的恒流调节作用。恒流调节过程一直伴随着对反电势扰动的调节过程。,第II阶段（t1-t2）,第III阶段（t2以后）,由静止状态开始启动时，转速和电流随时间变化的波形,第阶段是转速调节阶段，当电机转速上升到 大于给定转速时，ASR退饱和。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和状态，Ui*和Id很快下降。
11、只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，IdIdL，直到稳定。ASR、ACR都不饱和，同时起调节作用。ASR处于主导地位，它使转速迅速趋于给定值，并使系统稳定；ACR的作用是使Id尽快地跟随ASR的输出Ui变化，是一个电流随动子系统。,(1)启动过程具有三个特点,饱和非线性控制 不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这种系统，可以用分段线性化方法来处理。同时，分析过渡过程时，还应注意初始状态转速一定有超调只有转速超调，才能使ASR退出饱和。若工艺上不允许转速超调，则应在ASR中引入转
12、速微分负反馈，这样，不仅可以抑制或消灭转速超调，而且可以大大降低动态速降。准时间最优控制,2.2.4 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。2. 电流调节器的作用：在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压变化。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
13、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。,控制系统的动态性能指标,跟随性能指标:上升时间、超调量、调节时间 抗扰性能指标通常，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以跟随性能为主。,（1）动态降落Cmax 系统稳定运行时，由阶跃扰动所引起的输出量最大降落值Cmax。用输出量原稳态值C的百分数来表示。调速系统突加额定负载扰动时的动态转速降落称为动态速降nmax（2）恢复时间tf 定义：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，且与新的稳态值C之差进入某基准量Cb的5或2范围内所需的时间，其中Cb称为抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况选定。一般反馈控制系统的抗扰性能与跟随性能之间存在一定矛盾，若超调量小，则调整时间大，恢复时间长，反之亦然。,*抗扰性能指标,thank you,
