第二章-转速、电流反馈控制的直流调速系统
转速反馈控制直流调速系统
3
稳态分析
下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能 够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的 假定：
1）忽略各种非线性因素，假定系统中 各环节的输入输出关系都是线性的， 或者只取其线性工作段。 2）忽略控制电源和电位器的内阻。
4
稳态分析( Fig2-18)
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
2.3.1 ~数学模型 2.3.2 比例控制的直流调速系统 2.3.3 比例积分控制的无静差直流调速系统 2.3.4 直流调速系统的稳态误差分析
1
闭环系统应该以什么量作为反馈量？ ➢ 系统组成，调节原理 ➢ 稳态分析(静特性) ➢ 闭环系统的稳态结构框图
2
系统组成，调节原理
（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提 高调速范围。
如果电动机的最高转速都是nN，而对最低速
静差率的要求相同，那么：
开环时， 闭环时，
Dop
nNl(1s)
再考虑式（2-49），得
Dcl(1K)Dop
(2-50)
22
要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。
转速负反馈系统中各环节的稳态关系如下：
电压比较环节 放大器 电力电子变换器
调速系统开环机械特性 测速反馈环节
Un Un*Un
Uc KpUn
Ud0 KsUc
n Ud0 IdR Ce
Un n
以上各关系式中
Kp— 放大器的电压放大系数； Ks— UPE的电压放大系数；
— 转速反馈系数（V·min/r）；R— 电枢回路总电阻；
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大
器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的
运动控制系统考试简答题
绪论1、运动控制系统：以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
工作原理：通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。
2、分类（1）按被控量分：以转速为被控量的系统——调速系统以角位移或直线位移为被控量的系统——位置随动(伺服)系统。
（2）按驱动电机的类型分：直流电机带动生产机械——直流传动系统交流电机带动生产机械——交流传动系统（3）按控制器类型分：以模拟电路构成的控制器——模拟控制系统以数字电路构成的控制器——数字控制系统（4）按控制系统中闭环的多少分：单环、双环、多环控制系统3、运动控制系统的功率放大与变换装置：一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；4、反抗性恒转矩负载不是转矩作用方向和运动方向相反吗？那为什么n>0时T>0,n<0时T<0?答：n>0,T>0 和n<0,T<0意味着电机目前处于正转电动和反转电动状态，这个和负载转矩没有关系。
第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速调节转速方法Φ-=eKIRUn2、直流电动机点数两端的平均电压 三种改变输出平均电压的调制方法：（1）T 不变，变 ton —脉冲宽度调制(PWM)（2）ton 不变，变 T —脉冲频率调制(PFM)（3）ton 和 T 都可调，改变占空比—混合调制(两点式控制)。
当负载电流或电压低于某一最小值，开关器件导通，当高于某一最大值时，使开关器件关断。
3、UPE 是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。
UPE 变换器的器件选择：中、小容量系统,多采用IGBT 或P-MOSFET 构成较大容量系统,采用GTO 、IGCT 电力电子开关器件特大容量系统,则常用晶闸管触发与整流装置4、 系统稳态参数计算例： 用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，s s ond ρU U T t U ==5、PID调节器的类型和功能比例微分(PD)：由PD调节器构成的超前校正,可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性, 但稳态精度可能受到影响；比例积分(PI)：由PI调节器构成的滞后校正,可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；比例积分微分(PID)：PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点,可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。
电力拖动自动控制系统的重点复习,考试必过(优选.)
压Un
也相应下降，而转速给定电压
U
* n
不变，
∆U
n
=
U
* n
−U n
增加。转速调节器 ASR 输出 U c
增加，
使控制角α 减小，晶闸管整流装置输出电压 U d 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可
简述为：
TL ↑→ Id ↑→ Id (RΣ + Rd ) ↑→ n ↓→ U fn ↑→ ∆U ↑→ Uc ↑→
保产品质量。
3）加、减速-频繁起、制动的设备要求尽量快的加、减速以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则
要求起、制动尽量平稳。
6.解 释 反 馈 控 制 规 律 ？
答（1）被调量有静差（2）抵抗扰动与服从给定（3）系统精度依赖于给定和反馈检测精度
7.闭环空载转速 n0cl 比开环空载转速 n0op 小多少?
之比，称作静差率 s ，即 s
=
∆n N n0
或用百分比表示
s=
∆nN n0
× 100%
在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速 N n
则
s
=
∆nN n0
=
∆nN nmin + ∆nN
∴ nmin
=
∆nN s
− ∆nN
=
(1 −
s)∆nN s
D
=
nmax nmin
=
nN s ∆nN (1 −
（2）改变给定电压会改变电动机的转速，因为反馈控制系统完全服从给定作用。 （3）如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比或测速发电机的励磁发生了变化，它不能得到反 馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。反馈控制系统所能抑制的只是 被反馈环包围的前向通道上的扰动。 （ 2-13） 为 什 么 用 积 分 控 制 的 调 速 系 统 是 无 静 差 的 ？ 在 转 速 单 闭 环 调 速 系 统 中 ， 当 积 分 调 节 器 的 输入偏差电压 ∆U = 0 时，调节器的输出电压是多少？它取决于那些因素？
实验二转速电流双闭环直流调速系统
实验二 转速、电流双闭环直流调速系统一、实验目的1．了解转速、电流双闭环直流调速系统的组成。
2．掌握双闭环直流调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。
3．测定双闭环直流调速系统的静态和动态性能及其指标。
4．了解调节器参数对系统动态性能的影响。
二、实验系统组成及工作原理双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制，由于调速系统调节的主要参量是转速，故转速环作为主环放在外面，而电流环作为副环放在里面，可以及时抑制电网电压扰动对转速的影响。
实际系统的组成如实验图2-1所示。
实验图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统主电路采用三相桥式全控整流电路供电。
系统工作时，首先给电动机加上额定励磁，改变转速给定电压*n U 可方便地调节电动机的转速。
速度调节器ASR 、电流调节器ACR 均设有限幅电路，ASR 的输出*i U 作为ACR 的给定，利用ASR 的输出限幅*im U 起限制起动电流的作用；ACR 的输出c U 作为触发器TG 的移相控制电压，利用ACR 的输出限幅cm U 起限制αmin 的作用。
当突加给定电压*n U 时，ASR 立即达到饱和输出*im U ，使电动机以限定的最大电流I dm 加速起动，直到电动机转速达到给定转速(即*n n U U )并出现超调，使ASR 退出饱和，最后稳定运行在给定转速（或略低于给定转速）上。
三、实验设备及仪器1.主控制屏NMCL-322.直流电动机-负载直流发电机-测速发电机组3. NMCL －18挂箱、NMCL-333挂箱及电阻箱4.双踪示波器5.万用表四、实验内容1.调整触发单元并确定其起始移相控制角，检查和调整ASR 、ACR ，整定其输出正负限幅值。
2.测定电流反馈系数β和转速反馈系数α，整定过电流保护动作值。
3.研究电流环和转速环的动态特性，将系统调整到可能的最佳状态，画出)(t f I d =和)(t f n =的波形，并估算系统的动态性能指标（包括跟随性能和抗扰性能）。
电力拖动自动控制系统考纲及试题
电力拖动自动控制系统考纲及试题直流调速系统一判断题5串级调速系统的容量随着调速范围的增大而下降。
（Ⅹ）6交流调压调速系统属于转差功率回馈型交流调速系统。
（Ⅹ）7普通串级调速系统是一类高功率因数低效率的仅具有限调速范围的转子变频调速系统。
（√）9交流调压调速系统属于转差功率不变型交流调速系统。
（Ⅹ）13转差频率矢量控制系统没有转子磁链闭环。
（Ⅹ）计算转子磁链的电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。
9逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况。
（Ⅹ）10可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。
（√）与开环系统相比，单闭环调速系统的稳态速降减小了。
（Ⅹ）16闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，即静特性，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同。
二选择题2绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（B）A0S1，输出功率低于输入功率BS0，输出功率高于输入功率C0S1，输出功率高于输入功率DS0，输出功率低于输入功率4绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（C）Ａnn1，输出功率低于输入功率Bnn1，输出功率高于输入功率Cnn1，输出功率高于输入功率Dnn1，输出功率低于输入功率5与矢量控制相比，直接转矩控制（D）A调速范围宽B控制性能受转子参数影响大C计算复杂D控制结构简单7异步电动机VVVF调速系统中低频电压补偿的目的是A补偿定子电阻压降B补偿定子电阻和漏抗压降C补偿转子电阻压降D补偿转子电阻和漏抗压降8异步电动机VVVF调速系统的机械特性最好的是（D）A恒压频比控制B恒定子磁通控制C恒气隙磁通控制D恒转子磁通控制9电流跟踪PWM控制时，当环宽选得较大时，A开关频率高，B电流波形失真小C电流谐波分量高D电流跟踪精度高4系统的静态速降△ned一定时，静差率S越小，则（）。
(完整版)转速负反馈单闭环直流调速系统.
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ks
Ud0 + _ E
1/Ce
n
Un
n
开环机械特性
闭环静特性
B
C
A
A’
D
Ud4 Ud3 Ud2 Ud1
O
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
图2.19 闭环系统静特性和开环机械特性的关系
由此看来，闭环系统能够减少稳态速 降的实质在于它的自动调节作用，在于它 能随着负载的变化而相应地改变电枢电压， 以补偿电枢回路电阻压降。
运动控制系统
第2 章
直流调速系统
2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统
2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性 2.3.2 单闭环调速系统的动态分析 2.3.3 无静差调速系统的积分控制规律 2.3.4 单闭环调速系统的限流保护
2.3.1 单闭环调速系统的组网 功率驱动装置 电动机
3. 开环系统机械特性 和闭环系统静特性的关系
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静 特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如
果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为
n Ud0 IdR Ce
《运动控制系统》期末复习资料
第1章 绪论1. 什么是运动控制? 电力传动又称电力拖动，是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。
运动控制系统是将电能转变为机械能的装置，用以实现生产机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其它应用的要求。
2. 运动控制系统的组成：现代运动控制技术是以电动机为控制对象，以计算机和其它电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿真或计算机辅助设计为研究和开发的工具。
3. 运动控制系统的基本运动方程式：第2章 转速反馈控制的直流调速系统1. 晶闸管-电动机（ V-M ）系统的组成：纯滞后环节，一阶惯性环节。
2. V-M 系统的主要问题：由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。
3. 稳态性能指标：调速范围D 和静差率s 。
D =n N s∆n N (1−s) ，额定速降 ∆n N ，D =n maxn min ，s =∆n N n 04. 闭环控制系统的动态特性；静态特性、结构图？5. 反馈控制规律和闭环调速系统的几个实际问题，积分控制规律和比例积分控制规律。
积分控制规律：⎰∆=t0n c d 1t U U τ 比例积分控制规律：稳态精度高，动态响应快6. 有静差、无静差的主要区别：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。
比例积分放大器的结构：PI 调节器7. 数字测速方法：M 法测速、T 法测速、M/T 法测速。
8. 电流截止负反馈的原理：采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。
电流截止负反馈的实现方法：引入比较电压，构成电流截止负反馈环节9. 脉宽调制：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。
10. 直流蓄电池供电的电流可反向的两象限直流斩波调速系统,已知:电源电压Us=300V,斩波器占空比为30%,电动机反电动势E=100V,在电机侧看,回路的总电阻R=1Ω。
运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真双闭环直流调速系统仿真对例题3.8设计的双闭环系统进行设计和仿真分析,仿真时间10s 。
具体要求如下： 在一个由三相零式晶闸管供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：60=N P kW , 220=N U V , 308=N I A , 1000=N n r/min , 电动势系数e C =0.196 V·min/r , 主回路总电阻R =0.18Ω,变换器的放大倍数s K =35。
电磁时间常数l T =0.012s,机电时间常数m T =0.12s,电流反馈滤波时间常数i T 0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数n T 0=0.015s 。
额定转速时的给定电压(U n *)N =10V,调节器ASR ，ACR 饱和输出电压U im *=8V,U cm =7.2V 。
系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量i σ≤5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量n σ≤10%。
试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.3N I 以内)和转速反馈系数α。
（2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR 。
（3）在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。
给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。
（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn 。
并与仿真结果进行对比分析。
（5）估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。
（6）在5s 突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。
（一）实验参数某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： • 直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，C e=0.132Vmin/r ，允许过载倍数λ=1.5； • 晶闸管装置放大系数：K s=40； • 电枢回路总电阻：R =0.5Ω ； • 时间常数：T i=0.03s ， T m=0.18s ；• 电流反馈系数：β=0.05V/A （≈10V/1.5I N ）。
转速﹑电流双闭环直流调速系统
引言目前，转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。
我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。
故需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统，本文着重阐明其控制规律﹑性能特点和设计方法，是各种交﹑直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成及其静特性，接着说明该系统的动态数学模型，并从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用。
在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。
电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。
因此，调速技术一直是研究的热点。
长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。
直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。
采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。
在现代化的工业生产中，几乎无处不使用电力拖动装置。
轧钢机、电铲、提升机、运输机等各类生产机械都要采用电动机来传动。
随着对生产工艺，产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械能实现自动调速。
从20世纪60年代以来，现代工业电力拖动系统达到了全新的发展阶段。
这种发展是以采用电力电子技术为基础的，在世界各国的工业部门中，直流电力拖动系统至今仍广泛的应用着。
直流拖动的突出优点在于：容易控制，能在很宽的范围内平滑而精确的调速，以及快速响应等。
在一定时期以内，直流拖动仍将具有强大的生命力。
电力拖动复习题(1)(1)(1)
1、不属于电力拖动自动控制系统构成单元的是（）。
CA、电动机B、功率放大与变换装置C、柴油机D、传感器2、电动机转速与转角控制的根本是（）控制，但同时也需要做好（）控制。
BA、磁链、转矩B、转矩、磁链C、手动、自动D、自动、手动3、直流电力拖动控制系统和交流电力拖动控制系统比较，（）流电力拖动控制系统的数学模型简单；（）流电力拖动控制系统调节器的设计简单。
CA、直、交B、交、直C、直、直D、交、交4、船舶电力推进是通过（）拖动螺旋桨的系统。
DA、柴油机B、汽轮机C、燃气轮机D、电动机5、（）电动机的转速与电源频率保持严格对应关系，机械特性硬。
CA、直流B、异步C、同步D、永磁6、典型机械负载中，起重机提升重物属于（）负载。
BA、反抗性恒转矩B、位能性恒转矩负载C、通风机类D、恒功率负载7、典型机械负载中，船舶螺旋桨属于（）负载。
CA、反抗性恒转矩B、位能性恒转矩负载C、通风机类D、恒功率负载8、根据转速-转矩四象限，电动机在第四象限为（）状态。
DA、正向电动B、反向电动C、正向制动D、反向制动9、转速-转矩四象限中的第三象限，电动机电磁转矩与转速方向相（），为（）性质。
AA、同、驱动B、反、驱动C、同、制动D、反、制动10、根据运动方程式，转速变化是因为（）。
DA、电磁转矩为驱动转矩B、电磁转矩为制动转矩C、电磁转矩等于阻转矩D、电磁转矩不等于阻转矩11、吊车电动机提升下放重物时，电动机所承担的机械负载属于典型机械负载中的（）负载。
BA、反抗性恒转矩B、位能性恒转矩C、通风机类D、恒功率负载第二章转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统测验1、直流调速系统要求一定范围内无级平滑调速，以（）调速方式为最好。
BA、电枢回路串电阻B、降低电枢电压C、降低励磁电压D、励磁回路串电阻2、V-M直流调速系统中采用了平波电抗器来抑制电流脉动，改善（）问题。
AA、轻载时电流断续B、低速时的高次谐波C、堵转时电流过大D、功率因数3、在V-M系统主电路的等效电路图中，不属于整流装置电阻的是（）。
转速负反馈单闭环直流调速系统
为负载电流。
传递函数
在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得 电压与电流间的传递函数
Id(s) 1/ R Ud0 (s) E(s) Tls 1
电流与电动势间的传递函数
E(s) R Id (s) IdL (s) Tms
动态结构图
Ud0
+
- E(s)
1/R Tl s+1
Id (s)
Id (s)
检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制 系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出 精度。
2.3.2 单闭环调速系统的动态分析
通过稳态性能的研究可知：引入转速负 反馈并使放大倍数 K 足够大，就可以减少稳 态速降，满足系统的稳态要求。但是放大系 数过大，会使闭环系统动态性能变差，甚至 造成不稳定，因此有必要对系统进行动态性 能的分析。
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
失控时间Ts的分析
u
2
O
ud
Ud01
t Ud02
O
Uc
Uc1
O
1
1
Ts
Uc2
t
2
2 t
O
t
图2.23 晶闸管触发与整流装置的失控时间
最大失控时间Tsmax的计算
显然，失控制时间是随机的，它的大小随发 生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是 两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频 率和整流电路形式有关，由下式确定
第二章 闭环控制直流调速系统的稳态分析与计算
带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系 统稳态分析（续）
U com
将电流截止负反馈环节画 在方框中，再和系统的其它部
- + Rs
Id
分连接起来，便得到带电流截
止负反馈的转速负反馈单闭环
R
调速系统的静态结构图
U
* n
- Ui ASR
+
+
PI
U ct
Ud0 -
Ks
+
E
n
1/Ce
图中 U i I d U com
图2-1 不同转速下的静差率
根据式(2-2)的定义，由于n0a n0b ，所以sa sb 。 对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差
率越大，转速的相对稳定度也就越差。例如：当理
想空载转速为1000r/min时，额定速降为10r/min， 静差率为1%；当理想空载转速为100r/min时，额 定速降同样为10r/min，则静差率却为10%。
的转速是无静差的，静
特性是平直的。
2、当 I d I dcr 时，A-B段 的静特性则很陡，静态 速降很大。
0
I dcr
B
I dbl
Id
图2-8 带电流截止负反馈的转速 负反馈单闭环调速系统的静特性
例题
带有电流截止负反馈的转速负反馈单闭环直流 调速系统如图所示：
图1-24 电流截止负反馈闭环直流调速系统的原理框图
要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范
围也越小。
例题2-1
某直流调速系统电动机额定转速为 nN 1430 r / min 额定速降 nN 115 r / min，当要求静差率 s 30% 时，允许多大的调速范围？如果要求静差率 s 20% ，试求最低运行速度及调速范围。
《电力拖动自动控制系统》-第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
《电力拖动自动控制系统》-第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法内容提要：转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。
本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
我们将重点学习：●转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性●双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析●调节器的工程设计方法●按工程设计方法设计双闭环系统的调节器●弱磁控制的直流调速系统2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性问题的提出：第1章中表明，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。
1. 主要原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。
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。
2．理想的启动过程a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统b) 理想的快速起动过程 2-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形性能比较：带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图所示，起动电流达到最大值Idm 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。
理想起动过程波形如图所示，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。
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。
3. 解决思路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。
按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
转速电流反馈控制的直流调速系统课件
IdL
0
t1
转速电流反馈控制的直流调速系统
t2 t3 t4 课件t
在A快于St上负=R0和升载时A，转，C在矩R系，两 Id统上转个突升速P加I到调为阶I节d零l跃之器。给前的定，作信电用号动下U机，n*转，Id矩在很小
当性作Id用≥ I，dL 后转，速电不机会开很始快起增动长，，由AS于R输机入电偏惯 差电压仍较大， ASR很快进入饱和状态， 而U*AimC。R一般不饱和。直到Id = Idm ， Ui =
转速电流反馈控制的直流调速系统 课件
图3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标
超调量σ
Cm ax C 100%
C
上升时间
峰值转时速间电流反馈控课制件的直调流调节速系时统间
2．抗扰性能指标
当调速系统在稳定运行中，突加一个使输 出量降低（或上升）的扰动量F之后，输出 量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过 渡过程就是一个抗扰过程。
个阶段， 转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和
以及退饱和三种情况。
转速电流反馈控制的直流调速系统 课件
转速电流反馈控制的直流调速系统 课件
图3-6 双闭环 直流调速系统 起动过程的转 速和电流波形
第Ⅰ阶段：电流上升阶段（0~t1）
n
Ⅰ n*
Ⅱ
Ⅲ
电流从0到达最
。
大允许值 I dm
0
t
Id Idm
3.1.2 稳态结构图与参数计算
图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 T转G速—电流—反馈测控课速制件的发直流电调速机系统
1. 稳态结构图和静特性
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定 的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制 了电力电子变换器的最大输出电压，
第2章 转速反馈控制的直流调速系统(第三周)
1. 被调量有静差
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大
器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳 态性能越好。然而，Kp =常数，稳态速差就只能减 小，却不可能消除。因为闭环系统的稳态速降为
ncl
RI d Ce (I
K)
只有 K = ，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。
因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际
式中: K KpKs 闭环系统的开环放大系数
Ce
系统的静特性方程式
n
K
p
KsU
* n
RId
Ce (1 K ) Ce (1 K )
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
2.3.2 比例控制的直流调速系统
闭环系统静特性和开环系统机械特性
n op
n cl
n
K
p
KsU
* n
RId
(静特性方程)
n
K
p
K
sU
✓nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速
✓一般取nN≈nmax
2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性
2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标
稳态性能指标：
调速范围 静差率
D= nmax n min
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加
到额定值所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比：
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特 性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果 断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为
n Ud0 IdR Ce
K
p
KsU
* n
Ce
RId Ce
n0op
第二章转速、电流双闭环直流调速系统
如采用自适应控制、鲁棒控制等策略，提 高系统对负载扰动的抵抗能力。
加入滤波器
优化系统结构
在系统中加入适当的滤波器，以滤除高频 噪声和干扰信号，提高系统稳定性。
通过改进系统结构或采用先进的控制算法 ，提高系统的稳定性和动态性能。
05
双闭环直流调速系统动态性能分 析
动态性能指标评价
跟随性
系统输出跟随输入指令变化的快速性和准确性，通常由上升时间、 超调量和调节时间等指标来评价。
工程整定法
基于经验公式或实验数据，通过 试凑法调整参数，使系统满足性 能指标要求。
解析法
02
03
仿真法
通过建立系统数学模型，利用控 制理论求解满足性能指标的参数 值。
利用计算机仿真技术，模拟系统 实际运行情况，通过调整参数优 化系统性能。
性能指标评价
稳态误差
反映系统稳态精度，要求稳态误差小 于允许值。
为企业带来了显著的经济效益和 市场竞争力提升。
THANKS
感谢观看
解析法
02
通过建立系统数学模型，利用优化算法求解最优参数。
智能优化算法
03
如遗传算法、粒子群算法等，可自动寻优得到最佳参数组合。
性能指标评价
稳态误差
反映系统稳态精度，越小越好。
调节时间
反映系统从扰动发生到重新达到稳态所需的 时间，应尽可能短。
超调量
反映系统动态过程中的最大偏离量，应尽可 能小。
鲁棒性
传统调速系统存在的问题
传统单闭环调速系统存在调速精度低、动态响应慢等问题， 无法满足现代工业生产的需要。
系统设计方案及实施过程
设计方案：采用转速 、电流双闭环控制策 略，其中转速环为外 环，电流环为内环， 通过PI调节器实现对 电机转速和电流的高 精度控制。
闭环-转速电流双闭环直流调速系统
§2.2 转速、电流双闭环直流调速系统
一、双闭环调速系统的控制规律
转速单闭环系统被调节的是n，检测的误差是n， 要消除的也是扰动对n的影响。故不能控制电流（转 矩）的动态过程。
电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，不 能控制电流保持为某一所需值。
经常正、反转运行的调速系统，希望尽量缩短 启动、制动和反转过渡过程的时间，即要求系统动 态性能好，单闭环就不能满足要求了。
整个系统的本质由外环速度调节器来决定。即： 当ASR不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的 速降完全被ASR的积分作用所抵消了；一旦ASR饱 和，当负载电流过大，系统实现保护作用使n下降 过大时，转速环即失去作用，只剩下电流环起作用， 这时系统表现为恒流调节系统，静特性便会呈现出 很陡的下垂特性。
各变量的稳态工作点和稳态参数计算:
C
IdN
Idm
Id
BC段：描述ASR饱和后（ACR不饱和）的电流单闭环
系统的静特性，转速外环呈开环状态，表现为电流
无静差。
Id
U
* im
Idm
(n < n0 )
ASR的限幅值Uim由设计者选定——限定了最大电 流值Idm。
2、稳态参数：
转速调节器输出：
U
* i
Ui
Id
I dL
电流调节器输出：Uc
加快动态过程。 （4）电机过载/堵转时，限制Idlmax，起快速自动保护作用。
调节器的输出限幅作用
转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定
电流给定电压的最大值Idm；
电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制 了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
当ASR饱和时，相当于电流单闭环系统,实现 “只有电流负反馈，没有转速负反馈”
《电力拖动自动控制系统》复习要点
阮毅、陈伯时《电力拖动自动控制系统（第4版）》复习要点第一章绪论1、运动控制系统的组成2、运动控制系统的基本运动方程式me L d JT T dt ω=-mm d dtθω=3、转矩控制是运动控制的根本问题。
4、负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载。
a ）位能性恒转矩负载b)反抗性恒转矩负载。
5、负载转矩与转速成反比，而功率为常数，称作恒功率负载。
6、负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、泵类负载。
直流调速系统第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速：e U IR n K -=Φ2、调节直流电动机转速的方法：（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。
3、V-M系统原理图4、触发装置GT 的作用就是把控制电压U c 转换成触发脉冲的触发延迟角α。
改变触发延迟角α可得到不同的U d0，相应的机械特性为一族平行的直线。
5、脉宽调制变换器的作用：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。
6、调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比。
7、静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落Δn N 与理想空载转速n 0之比。
8、调速范围、静差率和额定速降之间的关系：(1)N N n s D n s =∆-N N ND n s n D n ∆=+∆(1)N N n s n D s ∆=-9、转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图10、直流电动机的动态结构11、开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系：（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多；（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多；（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。
12、当负载转矩增大，闭环调速系统转速自动调节的过程：TL ↑→I d ↑→n ↓→U n ↓→∆U n ↑→U c ↑→U d0↑→n ↑13、比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。
实验四 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
实验四转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真一、实验目的熟练使用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真。
学会用MATLAB下的SIMULINK软件建立转速、电流反馈控制的直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。
二、实验器材PC机一台，MATLAB软件三、实验参数采用转速、电流反馈控制的直流调速系统，按照要求分别进行仿真实验，输出直流电动机的电枢电流I d和转速n的响应数据，绘制出它们的响应曲线，并对实验数据进行分析，给出相应的结论。
转速、电流反馈控制的直流调速系统中各环节的参数如下：直流电动机：额定电压U N = 220 V，额定电流I dN =136 A，额定转速n N = 1460r/min，电动机电势系数C e= 0.132 V·min/r，允许过载倍数λ=1.5。
晶闸管整流装置的放大系数K s = 40。
电枢回路总电阻R =0.5Ω，电枢回路电磁时间常数T l = 0.03s，电力拖动系统机电时间常数T m = 0.18 s，整流装置滞后时间常数T s=0.0017s,电流滤波时间常数T oi=0.002s。
电流反馈系数β=0.05V/A（≈10V/1.5I N)。
四、实验内容1、电流环的仿真。
参考教材P90中相关内容建立采用比例积分控制的带限幅的电流环仿真模型，设置好各环节的参数。
图1电流环的仿真模型2、按照表1中的数据分别改变电流环中比例积分控制器的比例系数K p 和积分系数K i ，观察电流环输出电枢电流I d 的响应曲线，记录电枢电流I d 的超调量、响应时间、稳态值等参数，是否存在静差？分析原因。
表1 比例积分系数t/sI d /A不同比例系数Kp 和积分系数Ki 时的电枢电流曲线表1不同比例系数K p 和积分系数K i 的电枢电流数据对比分析：由表1可知，不同的比例系数K p 和积分系数K i 会影响系统的电枢电流且系统存在静差，原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，电动机反电动势是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差。
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2．各变量的稳态工作点和 稳态参数计算
பைடு நூலகம்
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
* Un U n n n0
(3-3)
U U i I d I dL
* i
* U d 0 Ce n I d R CeU n / I dL R Uc Ks Ks Ks
图3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标 超调量σ
C max C 100% C
上升时间
峰值时间
调节时间
2．抗扰性能指标
当调速系统在稳定运行中，突加一个使输 出量降低（或上升）的扰动量F之后，输出 量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过 渡过程就是一个抗扰过程。 常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时 间。
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 使转速很快地跟随给定电压变化, 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动机允许的最大电流。
2. 电流调节器的作用
在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随 其给定电压（即外环调节器的输出量）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。 当电动机过载甚至堵转时，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。
图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数
（1） 转速调节器不饱和
两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输 入偏差电压都是零。
* Un U n n n0
U i* U i I d
n
* Un
n0
(3-1)
I d I dm
（2）转速调节器饱和
3.1.2 稳态结构图与参数计算
图3-2 转速、电流反馈控制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
1. 稳态结构图和静特性
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定 的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制 了电力电子变换器的最大输出电压， 当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变 化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节 器退出饱和； 当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状 态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。 对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和 两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。
图3-4 双闭环直流调速系统的静特性
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。 当负载电流达到Idm时，转速调节器为饱和输出 U*im，电流调节器起主要调节作用，系统表现为 电流无静差。 采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。 当ASR处于饱和状态时，Id=Idm，若负载电流减 小，Id<Idm，使转速上升，n>n0，Δn<0，ASR反 向积分，使ASR调节器退出饱和。
图3-10 典型Ⅰ型系统 (a)闭环系统结构图 (b)开环对数频率特性
典型Ⅰ型系统的对数幅频特性的幅值为
20lg K 20(lg c lg1) 20lg c
得到 K c 相角裕度为
（当 c
1 时） T
(3-11)
180 90 arctgcT 90 arctgcT
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，须在快速性与稳定性之间取折 衷。
图3-6 双闭环 直流调速系统 起动过程的转 速和电流波形
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 I dm
t
0 Id Idm
IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
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 。
3.3 转速、电流反馈控制 直流调速系统的设计
3.3.1 控制系统的动态性能指标 在控制系统中设置调节器是为了改善系统 的静、动态性能。 控制系统的动态性能指标包括对给定输入 信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的 抗扰性能指标。
1、跟随性能指标
以输出量的初始值为零，给定信号阶跃 变化下的过渡过程作为典型的跟随过程， 此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃 响应。 常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时 间、超调量和调节时间。
1．典型Ⅰ型系统
作为典型的I型系统，其开环传递函数选择为
K W ( s) s(Ts 1)
（3-10） 式中， T——系统的惯性时间常数； K——系统的开环增益。 对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线， 只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳 定的。 只包含开环增益K和时间常数T两个参数，时间常数T往往是 控制对象本身固有的，唯一可变的只有开环增益K 。设计时， 需要按照性能指标选择参数K的大小。
控制系统的开环传递函数都可以表示成 m K ( i s 1 ) 1 W ( s ) i （3-9） n r s ( T j s 1 ) j 1 分母中的sr项表示该系统在s= 0处有r重极点，或者说，系 统含有r个积分环节，称作r型系统。 为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统 （ r =0），至少是Ⅰ型系统（ r =1）；当给定是斜坡输 入时，则要求是Ⅱ型系统（ r =2）才能实现稳态无差。 选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。由 于Ⅲ型（ r =3）和Ⅲ型以上的系统很难稳定，而0型系统 的稳态精度低。因此常把Ⅰ型和Ⅱ型系统作为系统设计 的目标。
对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制 动过程的时间是提高生产率的重要因素。 在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电 流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以 最大的加（减）速度运行。 当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使 电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态 运行。
图3-1 时间最优的理想过渡过程
双闭环直流调速系统的起动过程有以下三 个特点： （1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制
2．动态抗扰性能分析
双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了 一个电流反馈环和电流调节器。 调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载 扰动和抗电网电压扰动性能， 闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有 关。
起动电流呈矩形波，转速按 线性增长。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（制 动）过程。
3.1.1 转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成
应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负 反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反 馈，不再让电流负反馈发挥作用。 在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈 和电流负反馈以调节转速和电流， 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再 用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转 速环在外边，称作外环。形成了转速、电流反馈 控制直流调速系统（简称双闭环系统）。
动态降落
图3-9 突加 扰动的动态 过程和抗扰 性能指标
恢复时间
3.3.2 调节器的工程设计方法
工程设计方法： 在设计时，把实际系统校正或简化成典型系统，可以利用 现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程简便得多。 调节器工程设计方法所遵循的原则是： （1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记； （3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； （4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； （5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。 在典型系统设计的基础上，利用MATLAB/SIMULINK进行计算 机辅助分析和设计，可设计出实用有效的控制系统。
第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Id基本保持在 Idm,
0 Id Idm t
电动机加速 到了给定值 n*。
IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
ASR调节器始终保持在饱和状态，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ASR调节器的饱和 值U*im，基本上保持电流Id = Idm不变， 电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势， 它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不 到无静差，而是Id略低于Idm。
（1）抗负载扰动
负载扰动
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用
负载扰动作用在电流环之后，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，要求有较好的抗扰性能指标。
（2）抗电网电压扰动
电网电压扰动
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用
电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节， 使抗扰性能得到改善。 在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变 化会比单闭环系统小得多。
第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
0 Id Idm
t
起始时刻是 n上升到了 给定值n*。