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1、电 力 拖 动 自 动 控 制 系 统,第2章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法,双闭环调速系统的结构稳态参数启动性能分析调节器工程设计设计案例,第二章多环控制的直流调速系统,一、理想的全给定起动过程,带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动电流达到最大值Idm 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，电机的电磁转矩也随之减小，加速起动过程较长。,系统突加最大给定不理想的起动过程 理想的起动过程,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。,2-1 基于转速、电流的
2、双闭环直流调速系统,为了实现在允许条件下的最快起动，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：,怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？,双闭环调速系统的构成,二、转速、电流双闭环调速系统的构成,3-1 基于转速、电流的双闭环直流调速系统,速度环,电流环,-,+,ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器,结
3、构特点,1.结构特点,3-1 基于转速、电流的双闭环直流调速系统,双独立无差调节器串联调节 ASR 转速调节 ACR 电流调节器 其中，系统给定为ASR的输入，ASR 的输出为ACR的给定双线性反馈回路（系统电路示意图）,2。系统电路结构,电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm,转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；,1.系统稳态结构图,三 稳态结构图和静特性,2.带限幅作用 PI调节器 稳态特性,+,-,-,饱和调节器输出达到限幅值.不管输入偏差电压如何变化，输出恒为限幅值，相当于使该调节环开环。此时必须有反向偏差电压出现才能
4、使其退出饱和,不饱和输出未达到限幅值 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。注意:此时PI调节器的输出量与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。,（U*i U*im，Id Idm）,（2）转速调节器ASR饱和,ACR不饱和,(n n0),ASR不饱和,ACR不饱和-静特性的运行(平直）段，它是水平的特性。n=n0,ASR饱和,ACR不饱和-静特性的垂直特性,3.系统静特性,（1）转速调节器ASR不饱和,ACR不饱和,4.两个调节器的作用,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，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
5、，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.各变量的稳态工作点和稳态参数计算,双闭环调速系统在稳态工作中，两个调节器都不饱和时,上述关系表明，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 IdL 决定的；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。,原因:对PI调节器,不饱和时,稳态时无静差.由于积分作用存在,调节器的输出可以保持在任何需要的值上,具体的值由后面的环节决定,.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
6、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。,思考题,1.双闭环调速系统中,给定信号U*n未变,增加转速反馈系数,系统进入稳态后,转速反馈电压Un是增加,减小还是不变?转速增大还是减小?,2.双闭环调速系统静特性的平直段与下垂段,ASR和ACR分别工作在线形还是限幅状态?,3。采用PI调节器的不可逆双闭环调速系统中，当稳态运行（且U*n 0）时可能出现:A Ui 0 Uct 0 B Ui=0 Uct 0 C Ui 0 Uct=0 D Ui=0 Uct=0,4。采用PI调节器的不可逆双闭环调速系统中，当稳态运行（且n 0）时可能出现:A Un 0 Uct
7、 0 B Un=0 Uct 0 C Un 0 U*i=0 D Un=0 U*i=0,2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,一、双闭环调速系统的动态结构图,启动波形分析,二、双闭环调速系统的突加转速给定电压起动过程,2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,第1阶段,由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。,ASR由不饱和到饱和,ACR不饱和转速缓慢增大,电流快速增大,2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,第2阶段,ASR饱和,ACR不饱和,转速线性增长直至给定,电流恒定略小于
8、最大电流,为什么IdIdm?Uct,Ud0怎样变化?,2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,第 阶段：恒加速（t1 t2）,第3阶段,ASR退饱和,ACR不饱和,电流Id跟随Ui*变化,2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,思考题：第一阶段电流上升为什么不是阶跃响应？其斜率主要与什么有关？第二阶段的恒值电流调节能否达到或超过Idm？为什么？系统的最大输出电源电压出现在什么时候？有多大？,2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,单输入系统静态结构(1),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：饱和非线性控制 转速超调 准时间最优控制,根据AS
9、R的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：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，而电流内环表现为电流随动系统。,2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,系统静态结构,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。采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必有超调。,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
10、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。,2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,本质,双闭环系统,单闭环系统,三、双闭环调速系统的抗扰能力,2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,由动态结构框图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗衡负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。,双闭环系统中，由于增设了电流内环，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，抗电网扰性能大有改善。,注意:双闭环系统由于有电流内环的存在,改善了控制对
11、象特性,加快了电流跟随作用.,2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,1.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）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。,三.转速和电流两个调节器的作用,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其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（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。,思考,系统稳定运行于恒转矩负载:电流反馈突然断开，分析系统运行状态的变化，最后的Ui*、Uct、n、Id的大小分别为原来的多少倍（R值很小，忽略Id R）？,思考,
