双闭环直流调速系统综述

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Udt
• •
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 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。
Id
* U im
ASR饱和 (AB段)

I dm
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。
* U d0 Ce n I d R CeU n / I dL R ACR的输出：U c Ks Ks Ks
双闭环调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=1Ω。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β和转速反馈系数α。 （2）当电动机在最高转速发生堵转时的Ud， Ui*，Ui和Uc值。
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
双环系统稳态参数计算
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）
* Un
n

n0
* Un Un n n0 ,
* U im
Ui* Ui I dL
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， I d
* U im

n n0 。
问题：如果n>n0， ASR 如何变化？
双闭环调速系统的静特性
ASR不饱和 (CA段 )
启动方向
* Un U n n n0
U i* U i I d * Un n n0
• 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。
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
ห้องสมุดไป่ตู้
第I阶段（0-t1）
• 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III阶段（t2以后）
• 第Ⅲ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。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，Id<IdL，直到稳定。
开 环
特性 太软
转速闭环 （ P）
堵转电 流过大
加电流截 至负反馈
系统有 静差
转速无静差 系统（PI）
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） 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： Te TL GD dn 375 dt
2
总结：控制转速
ASR饱和时 : U*i = U*im， I d
* U nm 反馈系数： nmax * U im I dm

I dm
• 双环系统PI调节器的特点：
• 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。 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： ASR的输出： U i* I d
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
U c K pi U
K pi
• 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
由静止状态开始启动时，转速和电流 随时间变化的波形
• 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
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。
*抗扰性能指标
（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。
动态特性 --启动过程分析
• 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
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（t1-t2）
• 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。
• 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=Uci<Ucm。
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。
的本质是控制转矩， 对于直流电机，就 是控制电枢电流。 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。
I d I dL
GD 2 dn 375C m dt
•如何获得最佳启动波形？
充分利用电机过载能力：Id=Idm
转速、电流双闭环直流调速系统的 组成及其静特性
双闭环调速系统的稳态结构框图
对于静特性来 说，有两种情 况 (稳态时)
当调节器ASR不饱和时，ASR、ACR均不饱和，其输入偏差电压 均为零。转速不变， I d I dm 。满足：
* Un U n n n0
U i* U i I d
I dm ，
* n Un n0
• 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。