转速、电流双闭环直流调速系统解读.pptx

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运动控制系统,第2章直流调速系统,2.5转速、电流双闭环直流调速系统,双闭环调速系统的组成及静特性限幅输出的PI调节器的动态响应双闭环调速系统的启动过程双闭环调速系统的动态抗扰性能,2.5.1双闭环调速系统的组成及静特性,1.问题的提出为什么研究双闭环调速系统？

为了实现直流电动机在允许条件下的最快启动。

最快启动过程应该是什么样的？

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。

前面研究的“电流截止负反馈单闭环调速系统”能否实现这样的启动过程？

调速系统理想的启动过程,IdL,t,O图2.43调速系统理想起动过程,IdnIdmnnom,+,-+,+,-,n,U*,n,R,0,R,0,Rbal,Uc,Ui,TA,L,I,d,R1,C1,Ud,MM,带电流截止负反馈的调速系统,+,-,Un,TG,R0,VST+,-RP1,两个反馈作用在同一个点！

转速和电流控制相互影响！

起动电流达到,dm,最大值I后，受,电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减,小，加速过程延长。

（参考P57相关内容）,IdL,n,t,Id,O,Idm,Idcr,图2.44带电流截止负反馈单闭环调速系统的启动过程,带电流截止负反馈调速系统的启动过程,nIdL,t,I,d,O,Idm,Idcr,启动过程比较,理想起动过程,IdL,t,O,Idm,Idn,nnom,单闭环调速系统起动过程,原因分析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流的动态波形。

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。

为此，我们希望能够实现如下的控制过程：

解决思路,1.起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；,2.稳态时，只有转速负反馈，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？

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如下图所示：

2.转速、电流双闭环调速系统的组成,图2.45转速、电流双闭环调速系统结构,+,+,-,RP2,n,U*,0,U,ct,UiRR0,TA,L,Id,i,RC,i,Ud,+,-+,nR0,R,0,n,RC,n,ASR,ACR,LMR,GT,V,Un,U*,i,LM,M,TTTTGGGG,V,-+,+,-,系统结构图,n,ASR,ACR,U*,n,+,-Un,U,i,*,Ui+,-,Uct,TA,V,+,-,U,d,I,d,UPE,L,-,MM,+,TTTTGG转速、电流双闭环直流调速系统原理图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,系统原理图,图中两个调节器的输出都是带限幅作用的：

im,决定,转速调节器ASR的输出限幅电压U*了电流给定电压的最大值；,电流调节器ACR的输出限幅电压Uctm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

注意,3转速、电流双闭环调速系统的静特性,Ks,a图2.46双闭环直流调速系统的稳态结构图a转速反馈系数;b电流反馈系数,1/Ce,U*,n,ct,E,n,U,d0,+,+,-Un,ASRU*,i+,-,IdbR,ACRU,Ui-,静特性分析的关键调节器输出是否饱和调节器饱和时，输入输出之间的联系被暂时隔断，相当于使该调节器所在的回路成为开环；双闭环调速系统在正常运行时，电流调节器ACR一般是不会达到饱和状态的，对于静特性的研究，只关心转速调节器ASR饱和与不饱和两种情况。

（1）转速调节器不饱和,Ks,a,1/Ce,U*,n,ct,Id,E,n,U,d0,+,+,-Un,ASRU*,i+,-,bR,ACRU,Ui-,*,n,n,U,U,an,*,i,i,d,U,U,I,b,n,0,U,U*,n,a,n,外回路（转速环）是定值系统，转速始终维持在给定值；内回路（电流环）是随动系统，电流随转速调节器ASR输出的变化而变化。

（1）转速调节器不饱和,图2.47双闭环调速系统的静特性,n0,Id,InomIdm,O,n,A,静特性的正常运行段水平特性,由于ASR不饱和，U*iUim所以IdIdm。

n0-A段静特性范围Id0，Idm,0,U*,na,n,n0,

（2）转速调节器饱和,Ks,a,1/Ce,U*,n,ct,Id,E,n,U,d0,+,+,-Un,ASRU*,i+,-,bR,ACRU,Ui-,*,*,i,im,U,U,im,U*,b,Iddmm,外回路（转速环）呈开环状态，转速调节器ASR输出达到限幅值U*im不再变化；内回路（电流环）变为定值系统，电流维持,在,。

im,dm,U*,I,b,

（2）转速调节器饱和,图2.47双闭环调速系统的静特性,n,0,Id,O,n,A,静特性的垂直特性,由于ASR饱和，U*i=U*im,所以Id=Idm。

AB段静特性为垂直特性。

im,U*,b,Idm,BInomIdm,双闭环调速系统的特点双闭环调速系统的静特性在IdIdm时表现为转速无静差，这时，ASR起主要调节作用。

当负载电流达到Idm后，ASR饱和，ACR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。

这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。

这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。

Id,O,nn0,A,BIdcrIdbl,Id,O,nn0,A,BInomIdm,电流截止负反馈调速系统静特性,双闭环调速系统静特性,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，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系,0,n,n,U,U,anan,*,dL,d,i,*,i,I,U,U,bI,b,*,d0,en,dL,ct,s,s,s,/,IR,U,K,K,K,a,UCenIdRCU,根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：

转速反馈系数,电流反馈系数,*,nm,U,nmax,a,*,im,Idm,U,b,由设计者选定,2.5.3双闭环调速系统的启动过程,图2.50,双闭环直流调速系统的动态结构图,U*,n,U,ct,-IdL,n,Ud0,+,-,-Un,ba,+,ASR,W（s）,ACR,W（s）-Ui,Ks,s,Ts+1,RTms,U*,i,1/C,e,1/RIdTls+1+,E,直流电动机动态结构图,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,s,n,n,t,tns1,WASR（s）K,i,i,ACR,ts,tis1,W（s）K,调节器形式,启动过程分析,图2.51双闭环直流调速系统起动过程,t,t,Idm,IdL,0Id,nn*,I,II,III,t,4,t1t2t3,0,由于在起动过程中转速调节器ASR经历不饱和、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I阶段：

电流上升阶段（0t1）,IdL,nn*,I,dm,0Id,0,I,II,III,t4,t3,t2,t1,t,t,突加给定电压U*,ndd,后，I上升，当I小,于负载电流IdL时，电机还不能转动。

当IdIdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，强迫U*Id迅速上升。

i（）,第I阶段：

电流上升阶段（0t1）,dmiim,直到，IdIdm，UiU*电流调节器很,快就抑制了Id的增长，标志着这一阶段的结束。

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I阶段：

电流上升阶段（0t1）,U*,n,a双闭环直流调速系统的动态结构图,U,ct,-IdL,n,Ud0,+,-,-Un,b,+,-Ui,ASR,W（s）,ACR,W（s）,Ks,s,Ts+1,RTms,U*,i,1/C,e,1/RIdTls+1+,E,不饱和,不饱和,第I阶段：

电流上升阶段（0t1）,电流随动子系统,第II阶段：

恒流升速阶段（t1t2）,IdL,nn*,I,dm,0Id,0,I,II,III,t4,t3,t2,t1,t,t,在这个阶段中，ASR始终是饱和的，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，基本上保,Id,持电流恒定，因而系统的加速度恒,定，转速呈线性增长。

第II阶段：

恒流升速阶段（t1t2）,当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。

恒流升速阶段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应是不饱和的。

第II阶段：

恒流升速阶段（t1t2）,U*,n,a双闭环直流调速系统的动态结构图,U,ct,-I,dL,n,Ud0,+,-,-Un,b,+,-Ui,ASR,W（s）,ACR,W（s）,Ks,s,Ts+1,RTms,U*,i,1/C,e,1/RIdTls+1+,E,饱和,不饱和,第II阶段：

恒流升速阶段（t1t2）,电流定值子系统,IdL,nn*,I,dm,0Id,0,I,II,III,t4,t3,t2,t1,t,t,第III阶段：

转速调节阶段（t2以后）,当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，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，使转速超调；转速超调后，ASR输入偏差电压变负，,id,使它开始退出饱和状态，U*和I很快,下降。

但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。

第III阶段：

转速调节阶段（t2以后）,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,nn*,Idm,0,0,I,II,III,t4,t3,t2,t1,t,t,第III阶段：

转速调节阶段（t2以后）,此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（t3t4），IdIdL，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。

IdL,Id,nn*,I,dm,0,0,I,II,III,t4,t3,t2,t1,t,t,第III阶段：

转速调节阶段（t2以后）,U*,n,U,ct,-I,dL,n,Ud0,+,-,-Un,ba双闭环直流调速系统的动态结构图,+,-Ui,ASR,W（s）,ACR,W（s）,Ks,s,Ts+1,RTms,U*,i,1/C,e,1/RIdTls+1+,E,退饱和,不饱和,第III阶段：

转速调节阶段（t2t4）,调速系统理想起动过程,t,分析结果Idn,Idmnnom,Id,I,dm,0,0,t1t双闭环系统实际起动过程,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：

饱和非线性控制时间准最优控制转速超调,

（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）时间准最优控制,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。

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时间准最优控制。

（3）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。

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，下面主要研究的是抗负载扰动和抗电网电压扰动性能。

2.5.4双闭环调速系统的动态抗扰性能,1/Ce,U*,n,n,U,d0,+,ASR-Un,1/R,l,Ts+1,R,m,Ts,Ks,s,Ts+1,U*,i,ACR-Ui,-,E,I,d,1.抗负载扰动,IdL,ba直流调速系统的负载扰动,由动态结构图中可以看出，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。

1/Ce,U*,n,n,U,d0,+,ASR-Un,1/R,l,Ts+1,R,m,Ts,Ks,s,Ts+1,U*,i,ACR-Ui,-,E,I,d,2.抗电网电压扰动,IdL,ba双闭环调速系统的电网电压扰动,Ud,Ud,U*,n,-IdL,Un,+,-,ASR,a,1/Ce,n,Ud0d0,1/R,l,Ts+1,R,m,Ts,d,Id,Ks,s,Ts+1,-,E,单闭环调速系统的电网电压扰动,对比分析在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节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，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，抗扰性能大有改善。

分析结果因此，在双闭环系统中，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。

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；,对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。

（1）在转速调节过程中，使电流Id紧紧,跟随外环调节器的输出量U*变化；,i对电网电压波动起及时抗扰作用；启动时保证获得恒定的最大电流；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。

电流调节器的作用,转速、电流双闭环调速系统是应用最,广、性能很好的直流调速系统；同时，它,又是研究各种交、直流运动控制系统的重要基础。

思考题2-5,：

P207,习题2.16,