双闭环控制的直流调速系统

K W ( s) s(Ts 1)
由幅频特性： K 20 lg 0
c 得到：K c
相角稳定裕度： 1 （ c 或 c T 1） T 180 90 arctgcT
90 arctgcT 45 时间常数T在实际系统中往往是控制对象本身固有的，能够由调节器 改变的只有开环增益K，K是唯一的待定参数。 K值越大，截止频率 c 也越大，系统响应越快，相角稳定裕度 越小， 快速性与稳定性之间存在矛盾，在选择参数 K时，须在二者之间取折衷。
。
0 Id Idm
t百度文库

IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Id基本保持在Idm,电动机加速
到了给定值n*。
ASR调节器始终保持在饱和
0 Id Idm
t
状态，转速环仍相当于开环工 作。系统表现为使用PI调节器 的电流闭环控制
电流调节器的给定值就是
3、典型I型系统跟随性能指标与参数的关系
（1）稳态跟随性能指标 讨论：不同输入信号作用 下的稳态误差? （2）动态跟随性能指标 典I系统是一种二阶系统，闭环传递函数的标准形式：
•
C F
± 5%(或± 2%)C∞
C∞ ΔCmax
F
0
tm tv
t
用输出量原稳态值C∞的百 分数Cmax /C∞*100%来表示。
•
（2）恢复时间tv 由阶跃扰动作用开始，到输出 量恢复到稳态值±5％或±2％范围内 所需要的时间。
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。

转速一定有超调



准时间最优控制 (有限制条件的最短时间控制)
3、双闭环调速系统的动态抗扰性能


原则：抑制反馈环内前向通道上的扰动。 两种类型的扰动：

负载扰动――在转速反馈环内、电流反馈环外，靠转速环来抑 制。在设计ASR时，必须要求系统具有较好的抗负载扰性能力。 电网电压波动――在电流环内，可通过电流环对该扰动抑制更 及时。ACR的时间常数比ASR小，所以双闭环系统抗电网电压扰 动的能力较强。
2.2 转速、电流双闭环直流调速系统
双闭环问题的引入 双闭环调速系统的稳态结构与稳态
参数计算 双闭环直流调速系统的动态数学模 型与动态性能分析
* 知 识 回 顾 *
n
堵转电 流过大
* K p K s (U n U com )
Ce (1 K )

( R K p K s Rs ) I d Ce (1 K )
时间最优的理想过渡过程
2
总结：控制转速的本质
是控制转矩，对于恒磁通 GD dn 的直流电机，就是控制电 Te TL 电机轴上的动力学方程： 375 dt 枢电流。单环系统中转速、 2 GD dn 电流共用一个调节器，无 I d I dL 法保证Id=Idm。 375 C dt
m
一、双闭环调速系统的稳态结构 与稳态参数计算

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。
* U n U n n n0
U i* U i I d
* U im
* n U n n0
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

I dm ， n
n0 。
问题：如果n>n0， ASR 如何变化？
n n0 A B
2.3 转速、电流双闭环直流 调速系统的数字实现
数字控制系统是采用了数字给定、数字测 速装置，把给定信号和反馈信号都用数字 脉冲的形式加以实现。 微型计算机的数字运算功能替代了原先由 运算放大器所组成的调节器。 与模拟控制系统相比较，数字控制系统的 调速精度大大提高。

2.4 调节器的设计方法
II.恒流升速阶段
III.转速调节阶段
由静止状态开始启动时，转速和电流 随时间变化的波形
第Ⅰ阶段：电流上升阶段（0 ~ t1 ）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ

电流从0到达最大允许值Idm 在t=0时，系统突加阶跃给 定信号Un*，在ASR和ACR 两个PI调节器的作用下， Id 很快上升，在Id上升到Idl之 前，电动机转矩小于负载转 矩，转速为零。 当 Id ≥ IdL 后，电机开始起 动，由于机电惯性作用，转 速不会很快增长，ASR输入 偏差电压仍较大， ASR很 快进入饱和状态，而ACR一 般不饱和。直到Id = Idm ， Ui = U*im 。
工程设计方法的基本思路
•调节器的设计过程分作两步：
（I）先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。 （II）再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。
•控制系统的开环传递函数可表示：
W (s) K ( j s 1)
j 1 n m
s
r
(T s 1)
i i 1
1、 原理图
I 内环 Un* Un n 外环 n
TG
~
TA
Ui* ASR
Ui ACR Uc UPE Ud
Id
M
ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TA-电流互感器
转速、电流双闭环的优势： 将电流、转速调节器分开，分别用两个调节器； 转速环为外环，转速环的输出作为电流环的给定。
2、 稳态结构
必要性
设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有 矛盾的静、动态性能要求。

可能性:
电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似，事先研究低阶典 型系统的特性，将实际系统校正成典型系统，设计过程就简 便多了。


建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：
概念清楚、易懂 计算公式简明、好记 不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向 能考虑饱和非线性控制的情况，给出简单的计算公式 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统
反馈系数计算
转速反馈系数
* U nm nmax
电流反馈系数
* U im I dm
二、双闭环直流调速系统的 动态数学模型与动态性能分析
IdL
R Tm s
Un
*
Ui*
WASR(s) WACR(s)
Uc Ui
Ks Tss+1
Ud0
1/R Tls+1
Id
E
1 Ce
n
Un
β
α
图2-25 双闭环直流调速系统的动态结构框图
讨论：系统型别&稳定性、 稳态精度的关系。
•典型系统的开环传递函数：
典I：W ( s)
典II：W ( s)
K s(Ts 1)
K (s 1) s 2 (Ts 1)
在选择调节器结构时，采用少量 的典型系统，它的参数与系统性 能指标的关系都已事先找到，使 设计方法规范化，大大减少了设 计工作量。
转速无静差 系统（PI）
开 环
特性 太软
转速闭环 （P）
加电流截 至负反馈
系统有 静差
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、制动过程（动态性能） 未考虑对负载扰动的电流控制问题
启、制动波形
•理想的启、制动波形
Id n Idm n
IdL 0 t
-Idm
时间最优的理想过渡过程： 在过渡过程中始终保持转 矩为允许的最大值，使直 流电动机以最大的加速度 加、减速，缩短启、制动 过程的时间。 到达给定转速时，立即让 电磁转矩与负载转矩相平 衡，从而转入稳态运行。

IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
2、启动过程的三个特点：

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 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，不仅可以抑制或消除转速超调，而且可以大大降低动态 速降。
WASR(s) ——转速调节器的传递函数 WACR(s)——电流调节器的传递函数
1、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 Un*时的启动过程。

按转速调节器ASR不饱和、饱 和、退饱和分成三个阶段：
I.电流上升阶段
2.4.1 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：动态降落和恢复时间 通常，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而伺服系统 的动态指标以跟随性能为主。
抗扰性能指标
（1）动态降落Cmax 稳定运行时，突加一个约定 的标准负载扰动量，所引起的 输出量最大降落值Cmax称作动 态降落；

在启、制动过程中，电流闭环起作用，保持电流恒定，缩小系统的过 渡过程时间。 一旦到达给定转速，转速闭环起主导作用，而电流内环起跟随作用， 使实际电流快速跟随给定值（转速调节器的输出），以保持转速恒定。
3、 双闭环调速系统的静特性
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：

AB段是两个调节器都
不饱和时的静特性， Id<Idm , n=n0。

C 0 IdN Idm Id
双闭环直流调速系统的静特性

BC段是ASR调节器饱 和时的静特性，Id=Idm , n <n 0 。

ASR不饱和(AB段 )：表现出来的静特性是转速双闭环系统的静特性，表 现为转速无静差； ASR饱和(BC段 )：表现出来的静特性是电流单闭环系统的静特性，表现 为电流无静差，电流给定值是转速调节器的限幅值，得到过电流的自动 保护。 退饱和的条件: 若负载电流减小 ，使得转速上 I dL I dm n ， 0 n 升， ，ASR反向积分，使得ASR调节器退出饱和又回 n 0 到线性调节状态。
β R ACR Ui Un
*
Id
Ui Un* ASR Uc Ks Ud0
IdR E
1 Ce
n
α
带限幅的PI调节器： ASR调节器的输 出限幅电压决定 了电流给定的最 大值Uim*； ACR调节器的输 出电压Ucm限制 了电子电力变换 器的最大输出电 压Udm。
图2-23 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数
± d ΔU IdL 1/R Tls+1 Id R Tms E 1 Ce n Ui
WASR(s)
*
U n* Un
Uc
WACR(s)
Ks Tss+1
Ud0
Ui β
α
直流调速系统的动态抗扰作用
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。

0 Id Idm
t

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。 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。
ASR调节器的饱和值U*im，基 本上保持电流Id = Idm不变
电流环的闭环系统是Ⅰ型系
IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
统。电流调节系统的扰动是电 动机的反电动势，它是一个线 性渐增的扰动量，所以系统做 不到无静差，而是略低于Idm 。
第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ

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。
2.4.2 典型系统性能指标与参数间的关系

为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0 型系统，至少是Ⅰ型系统；
当给定是斜坡输入时，则要求是Ⅱ型系统才能实 现无稳态误差。 Ⅲ型和Ⅲ型以上的系统很难稳定 常把Ⅰ型和Ⅱ型系统作为系统设计的目标。


一、典型I型系统及其性能指标
1、典型I型系统开环传递函数 2、典型I型系统开环对数频率特性