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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双闭环调速系统的结构 稳态参数稳态参数 启动性能分析启动性能分析调节器工程设计调节器工程设计设计案例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一、理想的全给定起动过程id，nIdL0 tid，nIdL0 tt1 t2带带电电流流截截止止负负反反馈馈的的单单闭闭环环直直流流调调速速系系统统起起动动电电流流达达到到最最大大值值I Idm dm 后后，靠靠强强烈烈的的负负反反馈馈作作用用限限制制电电流流的的冲冲击击，并并不不能能很很理理想想地地控控制制电电流流的的动动
2、态态波波形形，电电机机的的电电磁磁转转矩矩也也随随之之减减小小，加加速速起起动动过程较长。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。得的最快的起动过程。2-1 2-1 基于转速、电流的双闭环直流调速系统基于转速、电流的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
3、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；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。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。希望能实现控制：希望能实现控制：怎样才能做到这种既存在转速和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？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二、转速、电流双闭环调速系统的构成3-1 3-1 基于转速、电流的双闭环直流调速系统基于转速、电流的双闭
4、环直流调速系统速度环电流环ASRACR MU*n U*i Uct Ui+Ud_L+_UnTG-+ASR转速调节器转速调节器 ACR电流调节器电流调节器 TG测速发电机测速发电机TA电流互感器电流互感器结构特点1.结构特点 3-1 3-1 基于转速、电流的双闭环直流调速系统基于转速、电流的双闭环直流调速系统u双独立无差调节器串联调节双独立无差调节器串联调节 ASR ASR 转速调节转速调节 ACR ACR 电流调节器电流调节器 其中，其中，系统给定为系统给定为ASRASR的输入，的输入，ASR ASR 的输出为的输出为ACRACR的给定的给定u双线性反馈回路双线性反馈回路 （系统电路示意图）系统
5、电路示意图）图2-3 双闭环直流调速系统电路原理图+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE2。系统电路结构。系统电路结构电流调节器电流调节器ACR的输出限幅电压的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最限制了电力电子变换器的最大输出电压大输出电压Udmn转速调节器转速调节器ASR的输出限的输出限幅电压幅电压U*im决定了电流给决定了电流给定电压的最大值；定电压的最大值；1.系统稳态结构图系统稳态结构图三三 稳态结构图和静特性稳态结构图和静特性 U*n U*i Uct Udo E Ui+
6、_Un KsIdIdRn ASR ACRR 2.带限幅作用带限幅作用 PI调节器调节器 稳态特性稳态特性+-饱和饱和调节器输出达到限幅值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，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使其退出饱和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使其退出饱和不饱和不饱和输出未达到限幅值输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，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。注意作用使输入偏差电压在稳态时总是零。注意:此时此时PI调节器的调节器的输出量与输入无关，而是由它后面环节的
7、需要决定的。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 2）转速调节器转速调节器ASRASR饱和饱和,ACR,ACR不饱和不饱和(n n0)双闭环直流调速系统的静特性双闭环直流调速系统的静特性 n0IdIdmIdnomOnABCASR不饱和不饱和,ACR不饱和不饱和-静特性的运静特性的运行行(平直）段，它是水平的特性。平直）段，它是水平的特性。n=n0ASR饱和饱和,ACR不不饱和饱和-静特性的垂静特性的垂直特性直特性3.系统静特性系统静特性 （1 1）转速调节器转速调节器ASRASR不饱和不饱和,ACR,ACR不饱和不饱和4.两个调节器的作用两个调
8、节器的作用双闭环调速系统的静特性在负载电流小于双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表时表现为现为转速无静差转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节，这时，转速负反馈起主要调节作用。作用。当负载电流达到当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，电流无静差，得到过电流的自动保护。得到过电流的自动保护。四四.各变量的稳态工作点和稳态参数计算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，两个调节器都不双闭环调速系统在稳态工作中，两个调节器都不饱和时饱和时 上述关系表明，在稳态
9、工作点上，上述关系表明，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 的大小则同时取决于的大小则同时取决于 n 和和 Id，或者说，同时取决于，或者说，同时取决于U*n 和和 IdL。原因原因:对对PI调节器调节器,不饱和时不饱和时,稳态时无静差稳态时无静差.由于积分作用存在由于积分作用存在,调节器的输出调节器的输出可以保持在任何需要的值上可以保持在任何需要的值上,具体的值由后面的环节决定具体的值由后面的环节决定n.反馈系数计算转速反馈系数 电流反馈系数 两个给定
10、电压的最大值两个给定电压的最大值U*nm和和U*im由设计者选定，由设计者选定，设计原则如下：设计原则如下：U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；U*im 为为ASR的输出限幅值。的输出限幅值。思考题 1.双闭环调速系统中双闭环调速系统中,给定信号给定信号U*n未变未变,增加转速反馈系数增加转速反馈系数,系统进入稳态后系统进入稳态后,转速反转速反馈电压馈电压Un是增加是增加,减小还是不变减小还是不变?转速增大还是减小转速增大还是减小?2.双闭环调速系统静特性的平直段与下垂段双闭环调速系统静特性的平直段与下垂段,ASR和和ACR分别工作在线形
11、还是分别工作在线形还是限幅状态限幅状态?3。采用PI调节器的不可逆双闭环调速系统中，当稳态运行稳态运行（且U*n 0）时可能可能出现: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，当稳态运行稳态运行（且n 0）时可能可能出现:A Un 0 Uct 0 B Un=0 Uct 0 C Un 0 U*i=0 D Un=0 U*i=0 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId-IdL2-2 2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能
12、分析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二、双闭环调速系统的突加转速给定电压起动过程2-2 2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 t1 t2 t3 t4 t Id,nn*IdmIdL 0 等效等效负载负载电流电流启动启动电流电流给定给定稳态稳态速度速度给定给定第第1阶段阶段 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。第第 I I 阶段：电流
13、上升阶段：电流上升（0 0 t t1 1）ttIdL Id n n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ASR由不饱和到饱和由不饱和到饱和,ACR不饱和不饱和转速缓慢增大转速缓慢增大,电流快速增大电流快速增大2-2 2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId-IdL第第2阶段阶段第第 阶段：恒流加速阶段：恒流加速（t t1 1 t t2 2）n IdL Id n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttASR饱和饱
14、和,ACR不饱和不饱和,转速线性增长直至给定转速线性增长直至给定,电流恒定略小于最大电流电流恒定略小于最大电流为什么为什么IdIdm?Uct,Ud0怎样变化怎样变化?2-2 2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId-IdL第第 阶段：恒加速阶段：恒加速（t1 t2）n IdL Id n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 阶段：转速退饱和阶段：转速退饱和（t t2 2 t t3 3）第第3阶段阶段ASR退饱和退饱和
15、,ACR不饱和不饱和,电流电流Id跟随跟随Ui*变化变化2-2 2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析思考题：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？有关？第二阶段的恒值电流调节能否达到或超过第二阶段的恒值电流调节能否达到或超过Idm？为什么？为什么？系统的最大输出电源电压出现在什么时候？有多大？系统的最大输出电源电压出现在什么时候？有多大？t1 t2 t3 t4 t Id,nn*IdmIdL 0等效等效负载负载电流电流启动启动电流电流给定给定稳态稳态速度速度给定
16、给定2-2 2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析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：u 饱和非线性控制饱和非线性控制u 转速超调转速超调u 准时间最优控制准时间最优控制 根据根据ASRASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：当当ASRASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统闭环系统。当当ASRASR不不饱饱和和时时，转转速速环环闭闭环环，整整个个系系统统是是一一个个无无静
17、静差差调调速速系系统统，而而电电流流内内环环表表现为现为电流随动系统电流随动系统。饱和非线性控制特点特点(1)2-2 2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析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 由由于于ASRASR采采用用了了饱饱和和非非线线性性控控制制，起起动动过过程程结结束束进进入入转转速速调调节节阶阶段段后后，必必须须使使转转速速超超调调，ASRASR的的输输入入偏偏差差电电压压 UnUn为为负负值值，才才能能使使ASRASR退出饱和。退出饱和。采用采用PIPI调节器的双闭环调速系统的转速响应必有超调。调节器的双闭环调速系统的转速响应必有超调。转速超调特点特
18、点(2)准时间最优特点特点(3)起起动动过过程程中中的的主主要要阶阶段段是是第第IIII阶阶段段的的恒恒流流升升速速，它它的的特特征征是是电电流流保保持持恒恒定定。一一般般选选择择为为电电动动机机允允许许的的最最大大电电流流，以以便便充充分分发发挥挥电电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。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。程可看作为是一个准时间最优控制。2-2 2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析本
19、质-IdL 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-EUd双闭环系统UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E单闭环系统三、双闭环调速系统的抗扰能力三、双闭环调速系统的抗扰能力2-2 2-2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 负载扰动抗扰性能抗扰性能(1)由由动动态态结结构构框框图图中中可可以以看看出出，负负载载扰扰动动作作用用在在电电流流环环之之后后，因因此此只只能能靠靠转转速速调调节节器器ASRASR来来产产生生抗抗
20、衡衡负负载载扰扰动动的的作作用用。在在设设计计ASRASR时时，应应要要求求有较好的抗扰性能指标。有较好的抗扰性能指标。电网扰动抗扰性能抗扰性能(2)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。性能大有改善。注意注意:双闭环系统由于有电流内环的存在双闭环系统由于有电流内环的存在,改善了控制对象特性改善了控制对象特性,加快了电加快了电流跟随作用流跟随作用.2-2 2-2 双闭环直流调速
21、系统的数学模型和动态性能分析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）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，如果采用果采用PI调节器，则可实现无静差。调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。）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。）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。三三.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 2.电流调节器的作用电流调节器的作用（1）
22、作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，）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。输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。）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）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。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，）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。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）？思考思考 速度环电流环ASRACR MU*n U*i Uct Ui+Ud_L+_UnTG