1、第二章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法,2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性； 2.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析； 2.3 调节器的工程设计方法； 2.4 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器,2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性,采用带PI调节器的转速负反馈单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起动、制动，突加负载动态速降小等要求时，由转速负反馈构成的单闭环系统还能否满足上述要求？,视频1 （突加负载）,思考？,（1）在单个转速闭环系统中，我们能不能随心所欲地控制
2、电流和转矩的动态过程？ （2）在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它也只是当电枢电流超过截止电流值Idcr以后，靠强烈的负反馈作用来限制电流的冲击，也并不能很理想地控制电流的动态波形。,2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性,1）几种情形探讨,2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性,b) 理想的快速起动过程,IdL,n,Idm,图2-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形,2） 起动过程对比分析,IdL,n,Idm,Idcr,2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性,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
3、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。,待解决的问题：我们希望能实现如下控制： 起动过程中，希望只有电流负反馈，而没有转速负反馈。 达到稳态后，希望只有转速负反馈，而没有电流负反馈。 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？采用一个调节器（控制器）还行吗？,2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性,2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性,+,图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构,1. 系统的组成,内环,外 环,转速调节器,电流调节器,电流互感器,电
4、力电子变换器,测速发电机,2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性,转速调节器的输出当作电流调节器的输入,电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE,内环,外 环,2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性,2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性,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,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,n,2.1.2 稳态结构图和静特性,2.1.2 稳态结构图和静特性,2. 限幅作用（ 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,2.1.2 稳态结构图和静特性,3. 系统静
5、特性,双闭环直流调速系统的静特性如图2-5所示，,图2-5 双闭环直流调速系统的静特性,（1）转速调节器不饱和,式中， 转速和电流反馈系数。 由第一个关系式可得,(2-1),2.1.2 稳态结构图和静特性,静特性的水平特性,与此同时，由于ASR不饱和，U*i U*im，从上述第二个关系式可知: Id Idm。这就是说， CA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，它是水平的特性。,2.1.2 稳态结构图和静特性,（2） 转速调节器饱和,这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈开环状态，转速
6、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电流闭环调节系统。稳态时,式中，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。从而得到上图静特性的AB段。,(2-2),2.1.2 稳态结构图和静特性,这样的下垂特性只适合于 n n0 ，则Un U*n ，ASR将退出饱和状态。,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，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。,2.1.2 稳态结构图和静特性,2
7、.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,本节提要 双闭环直流调速系统的动态数学模型 起动过程分析 动态抗扰性能分析 转速和电流两个调节器的作用,2.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型,在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。,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： 单闭环动态结构图是怎样的呢？,2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,2. 数学模型,图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有,2.2双闭环直流调速系统的数
8、学模型和动态性能分析,2.2.2 起动过程分析,双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速、电流、转速调节器的输出电压的动态过程可通过动画演示。,2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,动画演示1,图2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形,1 . 起动过程,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。,2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,第I阶段电流上升的阶段（0 t1）,突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。 当
9、Id IdL 后，电机开始起动，其输出电压保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速上升。,在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。,第 II 阶段恒流升速阶段（t1 t2）,在这个阶段中，系统的加速度恒定，转速呈线性增长。,2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,恒流升速阶段（二）是起动过程中的主要阶段。为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中 ACR是不应饱和的，电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。,2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,第 阶段转速调节阶段（ t2 以后）,2.2双闭环直流调速系统的数
10、学模型和动态性能分析,直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t = t3时）。,IdL,Id,n,n*,Idm,O,O,I,II,III,t4,t3,t2,t1,t,t,2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使 Id 尽快地跟随其给定值 U*i ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。,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；（2） 转速超调；（3） 准时间最优控制。,2.2双闭环直流调速系统
11、的数学模型和动态性能分析,（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： 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,（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。,2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,（3）准时间最
12、优控制,起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速.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,2.2.3 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能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。,2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,1/Ce,U*n,n,Ud0,Un,+,-,ASR,1/R,Tl s+1,R,Tms,Ks,Tss+1,ACR,U*i,Ui,-,-,E,Id,1. 抗负载扰动,直流调速系统的动态抗负载扰作用,2.2
13、双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,图2-8 直流调速系统的动态抗扰作用 a)单闭环系统,2. 抗电网电压扰动,U*n,-IdL,Un,+,-,ASR,1/Ce,n,Ud0,1/R,Tl s+1,R,Tms,Id,Ks,Tss+1,-,E,2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,-IdL,Ud,b)双闭环系统 Ud电网电压波动在整流电压上的反映,1/Ce,U*n,n,Ud0,Un,+,-,ASR,1/R,Tl s+1,R,Tms,Id,Ks,Tss+1,ACR,U*i,Ui,-,-,E,2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,3. 对比分析,在单闭环调速系统中，调节
14、作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，抗扰性能大有改善。,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。,2.2.4 转速和电流两个调节器的作用,2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,2. 电流调节器的作用,（1）作为内环的调节器，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。,2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,作业,习题： p. 94： 2-2(s3-7)，2-3(s3-8), 要求：1. 按时交作业，过期不改；2. 书写认真，文字整齐，抄题目；3. 数据精确到小数点后两位；4. 不会做可以空着，不需要抄袭；5. 可以几人讨论后一起答题，作业本上注明。,
