转速、电流双闭环控制的直流调速系统动态分析

一、 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
二、 电流调节器的作用 1、作为内环的调节器，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（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。
±∆IdL U*n
+
U*i Un
ASR
Ks
Ud0 -
1/R
Id
R Tms
E
1/Ce
n
ACR
Ui
Tss+1
Tl s+1


直流调速系统的动态抗负载扰作用
因而，在设计ASR时，应要求有较好的抗负载扰动性能指标。
二、 抗电网电压扰动
1、单闭环系统电网电压扰动分析 在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量n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。
n
控制的物理过程：
n*
I
II
III
O
Id Idm
t
当转速上升到给定值 时，转速调节器ASR的 输入偏差减少到零，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，使它 开始退出饱和状态， U*i 和 Id 很快下降。但是， 只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。
2、 转速超调问题
问题：
采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应一定有有超调么？
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。 即采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应 必须有超调（尽管超调不是我们所希望的）！
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。
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
看图说话：
什么时候（条 件），转速n才到达 最大的峰值？ 直到Id = IdL时，转 矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值 （t = t3时）。
n n* I II
III
O
Id Idm
t
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
第 Ⅲ 阶段（ t3 ~ t4 ）工作波形分析 n 在（ t3 ~ t4 ）时间段内，如 n* I 图所示，电动机开始减速， 为什么呢？
±∆Ud U*n
+ ASR Ks Tss+1
-IdL Id E R 1/Ce Tms n
Ud0 -
1/R
-U n
Tl s+1

直流调速系统的动态抗扰作用（单闭环系统）
2、双闭环系统电网电压扰动分析 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。
+
Un
WASR(s) U*i
U
i
WACR(s) Uc
Ks Tss+1 Ud0
-
1/R Tl s+1
Id
+
-IdL
R Tms 1/Ce E
n


如果采用PI调节器，则有
n s 1 WASR ( s) K n ns
is 1 WACR ( s) Ki is
2.4.2 起动过程分析
3、准时间最优控制
时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控 制称为“时间最优控制”！ 电动机在允许过载能力下的恒流起动，就是“时间最 优控制”！ 但是，通过分析我们知道： 起动过程中包括电流建立、恒流 升速和速度调整等三个阶段，其中 电流最大化的控制仅仅体现在第II阶 段的恒流升速，而其它两个阶段中， 电流是非“最大化”的！
t4
t
2、第 II 阶段恒流升速阶段（t1 ~ t2）
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 上保持电流 Id 恒定
n I
II
III n
*
Id
O Idm IdL
t
因而系统的加速度恒 定，转速呈线性增长。
O
t1
t2
t3
t4
t
三 、教学时间
2 学时
四 、教学思路流程
动态数学模型 转速电流双闭环调速系统起动过程分析
动态抗扰性能分析 两个调节器的作用
五、 教学过程
2.4.1 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。
±∆Ud U*n
+
-IdL
1/R
U*i
Un
ASR
Ui
ACR
Ks Tss+1
Ud0
Id
-
Tl s+1
E R 1/Ce Tms
n

直流调速系统的动态抗扰作用（ 双闭环系统）
△Ud—电网电压波动在整流电压上的反映
2.4.4 转速和电流两个调节器的作用 综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环 直流调速系统中的作用可以分别归纳如下：
n
I
II
III
n*
Id
O
Idm
t
IdL t t2 t3 t4 t1 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形
O
n I
II
III
n
*
• 直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流 调节器很快就压制 Id 了的增长，标 志着这一阶段的结束。
Id
O
Idm IdL t1 t2 t3
t
源自文库
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。 O
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，在起动过程中电流
调节器ACR能否进入饱和？
ACR是不应饱和的！
另外，电力电子装置 UPE （V系统或PWM系统） 的最大输出电压也须留有余地，设计时必须注意的！！
3、第 Ⅲ 阶段 转速调节阶段（ t2 以后）
看图说话？？（ t2 以后）
2.4 转速、电流双闭环控制的直流调速系统动态分析
一 、教学目的与教学要求
1 2 3 4 初步了解双闭环调速系统的动态数学模型 定性分析双闭环调速系统起动过程分析 具备分析转速、电流双环系统的动态性能的能力 了解ASR、ACR两个调节器的作用
二、 教学内容
2.4转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型和动态特性分析
二、起动过程的特点分析
1、 饱和非线性控制
起动过程中，可根据速度调节器ASR的饱和与不饱和，整个系 统处于完全不同的两种状态： （1）当ASR饱和时，转速环开环（恒值输出），系统表现为恒电流值 控制的单闭环系统； （2）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。 也就是说，该系统在不同的控制阶段，呈现不同的控制结构，产 生的原因又是ASR饱和造成的，因而，称该系统为饱和非线性！
II
III
在（ t3 ~ t4 ）时间段内， 由于此时 Id < IdL ， Te<TL， 所以电动机在负载的阻力 O 下减速，直到稳定Id = IdL I d Te=TL 系统进入速度恒定控制！
如果调节器参数整定得不够 好，也会有一些振荡过程。
t
Idm
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
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。
因而，我们在此主要分析该系统在抗负载扰 动、 抗电网电压扰动的性能。
一、 抗负载扰动过程分析
1、负载扰动分析
±∆IdL U*n
+
U*i
Ks ACR
Ud0
1/R
Id
R Tms
E
1/Ce
n
Un
ASR
Ui
Tss+1
-
Tl s+1


直流调速系统的动态抗负载扰作用
2、负载扰动的抑制
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 ACR对此扰动是无能为力的，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载 扰动的作用。
n I II III n*
O
t
Id
Idm
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
可以认为该过程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”。
2.4.3 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。
一、系统动态结构
看图说话——参数意义
U*n
+
+
Un
WASR(s)
U*i Ui
WACR(s) Uc
Ks Tss+1 Ud0
-
1/R Tl s+1
Id
+
-IdL
R Tms
n
1/Ce E


双闭环直流调速系统的动态结构图
二、 数学模型
U*n
+
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。
设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程， 因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起 动过程。 n III II 双闭环直流调速系统 n* I 突加给定电压U*n由静止状 态起动时，转速和电流的 动态过程示于右图所示。
一、起动过程分析
由于在起动过程中转
O
Idm t
速调节器ASR经历了不饱 Id 和、饱和、退饱和三种情 况，整个动态过程就分成 IdL 图中标明的I、II、III三个 O 阶段。
t
t
t
t
t
1、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 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，因而转速调节器ASR的输入偏 差电压的数值仍较大，其输出电压 保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速 上升。