双闭环调速系统

习题 • 2.1 在转速、电流双闭环调速系统中，转速调节 器有哪些作用？其输出限幅值应按什么要求来整 定？电流调节器有哪些作用？其输出限幅值应如 何整定？ • 2.2 转速、电流双闭环调速系统稳态运行时，两 个调节器的输入偏差（给定与反馈之差）是多少？ 它们的输出电压是多少？为什么？ • 2.3 如果转速、电流双闭环调速系统的转速调节 器不是PI调节器，而是比例调节器，对系统的静、 动态性能会有什么影响？
三、双闭环调速系统的静特性
• PI调节器限幅特征：一旦PI调节器限幅（即 饱和），其输出量为恒值，输入量的变化 不再影响输出，除非有反极性的输入信号 使调节器退出饱和；即饱和的调节器暂时 隔断了输入和输出间的关系，相当于使该 调节器处于断开。而输出未达限幅时，调 节器才起调节作用，使输入偏差电压在调 节过程中趋于零，而在稳态时为零。
起动过程可简述如下： 起动过程可简述如下：
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由上分析可以看出，转速，电流双闭环调速系 统，在突加节跃给定的起动过程中，巧妙地利用 了转速调节器ASR的饱和非线性，使系统成为一 个恒流调节系统，ASR退饱和后，系统达到稳定 运行，又表现为一个转速无静差调速系统。转速 和电流两个调节器各负其责，避免了单环系统中 的两种控制作用互相牵制的矛盾。
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§2-2 双闭环调速系统动态特性
• 一、 双闭环调速系统突加给定起动过程 设置双闭环控制的一个主要的目的就是要获 得接近于理想的起动过程。 • 双闭环调速系统突加给定电压 由静止状态起 动时，由于在起动过程中转速调节器ASR经历了 不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程 也就分成三个阶段，在图中分别标以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。
第Ⅱ阶段调节过程：
• 随着转速不断上升，ACR便不断重复上述恒流调
节过程以维持电流恒定，保证转速线性上升，同 时，由上述调节过程可以看出该调节过程总能保 证电流调节器ACR输入存在 ，使Ud按线性上升， 所以Id略低于Idm。
•
⑶第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2~ t3）。 在这阶段开始时，转速已经达到给定值， ，ASR的给定与反馈 电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持 在限幅值，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。 转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状 态，其输出电压即ACR的给定电压 立即从限幅值降下来，主电 流Id随之从Idm迅速降下来。但是由于Id仍大于负载电流IdL，在 一段时间内，转速仍继续上升。到t =t3阶段，Id = IdL时，转速 达到峰值(t =t3时)，此后Id<IdL，电动机才开始在负载的阻力下 减速，与此相应，电流也出现一段小于IdL的过程，直到稳定， 在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调 节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，它使转速 迅速趋于给定转速。而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随 ASR的输出量，电流内环的调节过程是由速度外环所支配，故 电流环处从属地位，成为电流随动子系统。
• 设起动前系统处于停车状态，此时 ，晶闸管的触 发脉冲初始相位角 ，电机转速n=0。当输入一阶 跃信号时，系统进入起动的动态过程。
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⑴第Ⅰ阶段（0~t1）：强迫电流上升的阶段突加给 定电压 后，通过两个调节器的控制作用，使n、 Id都 上升，当Id> Il后，电动机开始转动。由于机电惯性的 作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的 输入偏差电压数值 较大，其输出很快达到限幅值 ，强 迫电流Id迅速上升。电机开始启动。 因电流反馈信号随着电流上升迅速增大，使ACR的输 入偏差衰减很快，因此ACR的输出电压还达不到饱和 值，当电流上升到 Idm 时， ASR 饱和，ACR的作用使 Id不再增加，保持动态平衡。 • 第一阶段结束，此时 在这一阶段中，ASR由不饱和很 快达到饱和，而ACR在此阶段应不能饱和，以保证电 流环的调节器的调节作用。这些都是在系统设计时必 须考虑和给予保证的。
• 第I阶段过程可简述如下： 阶段过程可简述如下： 阶段过程可简述如下 此时ASR饱和，维持其输出 ，ASR相当于开环， 饱和， 相当于开环， 此时 饱和 相当于开环 对转速不起调节作用， 设计不能饱和， 对转速不起调节作用，但ACR设计不能饱和，实 设计不能饱和 现电流调节作用,让电流迅速跟随 现电流调节作用 让电流迅速跟随Idm 让电流迅速跟随
双闭环系统的静特性
特点: 特点: • 1）n0-A • ①系统处正常负载运行，ASR不饱和，起调节作用，达 到转速无静差，保证系统具有很硬的静特性; • ②电流调节器起辅助调节作用，负载电流大小与电流给 定值 成正比，两调节器输入偏差电压都为零，所以无 静差 • 式中， n0---理想空载转速。 • 说明：此时转速n与负载电流IdL无关，完全由给定电压 所决定。
特点: 特点 2） A—B段 电机在起动或堵转时，ASR饱和，电流达 到 ，此时转速外环呈开环状态，系统成为恒电流无静 差调节系统，在最大电流给定作用下，依靠电流环的 自动调节，从而获得很好的下垂特性（A--B段），起 到了过流保护作用，稳态时有 3） 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。 在起动或堵转时，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器作用，系统表现为电流 无静差，得到过电流的自动保护。
运动控制技术 第二部分 第二章 双闭环直流调速系统
第二章
• 教学重点： 教学重点：
双闭环直流调速系统
• 1. 转速、电流双闭环调速系统电路的特点； • 2. 启动的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段，ASR、ACR的作用； • 3. 在第Ⅱ阶段，为什么可以恒加速启动？ • 4. 双闭环调速静特性有什么特点？
转速、 §2-1 转速、电流双闭环调速系统及其静特性 • 一、 单闭环调速系统存在的问题
最佳起动过程: 最佳起动过程: • 在电机最大电流（转矩）受限制条件下， 希望充分利用电机的允许过载能力，最好 是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为 允许的最大值。
转速、 二、 转速、电流双闭环调速系统的组成
1、双闭环调速系统电路原理图 、
2、双闭环调速系统稳态结构图 、
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电路特点： （1） 两个调节器，一环嵌套一环； （2） 两个PI调节器均设置有限幅 ； （3） 电流检测采用三相交流电流互感器； （4） 电流、转速均实现无静差。
• 原理图中标出了转速调节器和电流调节器输入输 出电压的实际极性，这些极性既要考虑到信号从 反向端输入时调节器的倒相作用，又应该使触发 又应该使触发 器GT的输入得到正极性的控制电压。 GT的输入得到正极性的控制电压。 的输入得到正极性的控制电压 • 由于转速与电流调节器采用PI调节器，所以系统 处于稳态时，转速和电流均为无静差，即电流调 节器ACR的输入偏差，实现电流无静差。转速调节 器ASR输入偏差，实现转速无静差。
• ⑵第Ⅱ阶段：恒流升速阶段（t1~t2），即电动机 保持最大电流作等加速起动阶段 从电流升到最大值Idm开始，到转速升到给定值为 止，属于恒流升速阶段，是起动过程的主要阶段。 此时ASR一直是处于饱和状态的，转速环相当于 开环状态，系统表现为在恒值电流给定作用下的 电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，电动机 以恒定的加速度上升，转速呈线性增长。与此同 时，电动机的反动势也按线性增长。对电流调节 系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动 量，ACR起调节作用，使Ucl和Ud0基本上按线性 增长，保持Id恒定，以克服这个扰动。
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三、双闭环调速系统的抗扰性能 1）抗负载的扰动 2）抗电网电压的扰动 综上所述，转速和电流两个闭环的作用以及双闭环调速 系统在起动过程的特点可归纳如下： 转速和电流两个闭环的作用： （1）电流环的作用：在转速调节过程中，当负载变化时， Id 电动机电流Id跟随给定电压 变化。在起动过程中，电流环 又可限制起动电流，保证在允许最大电流下起动，实现准 时间最优控制，对于电网电压的扰动起到及时抗扰作用； 当电动机过载，甚至堵转时，限制电枢电流为Idm，并获 得理想下垂特性，从而起到快速安全保护作用。 （2）转速环的作用：在稳态运行时，转速n跟随给定值 变化，由于ASR的积分作用，使系统达到转速无静差；对 负载变化起抗扰作用；ASR一旦限幅，对电流环进行饱和 非线性控制，系统进入恒流调节。
总结: 总结 由以上各关系可以看出，在稳态工作点上，电机转 速是由给定电压 决定，ASR的输出量由负载电流IdL决 定，而与转速给定值无关，ACR的输出量则同时取决于n 和IdL的大小。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器 IdL PI P 的特点。 比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则 不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环 节的需要所决定的。
①在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种 信号，各参数间相互影响，难于进行调节器参数的 调整，系统的动态性能不够好。 ②环内的任何扰动，只有等到转速出现偏差才 能进行调节，因而转速动态降落大。 ③系统中采用电流截止负反馈环节来限制起动 电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的 动态响应，即最佳过渡过程。