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第六章 多环控制的直流调速系统
• 转速、电流双闭环调速系统及其静特性 • 双闭环调速系统的动态性能 • 调节器的工程设计方法 • 双闭环系统中转速、电流调节器的设计 • 转速微分负反馈 • 三环调速系统 • 弱磁控制的直流调速系统
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§6—1转速、电流双闭环调速系统及其静特性
➢ 多环系统：指一环套一环的嵌套结构组成的具有两个
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（三）转速超调 转速退出饱和，要求必须转速超调，ASR退出饱和
三、动态性能和两个调节器的作用 动态跟随性能
起动和升速过程，很好的跟随性能；减速过程，由 于电路的不可逆性，跟随性变差 动态抗扰性能
单闭环调速系统中，就静特性而言，对两种扰动的 抗扰效果是一样的。但对双闭环系统而言就有很大不同 了，抗负载扰动：在电流环之后只能靠ASR来抗扰（ASR 有好的抗扰性能，ACR有好的跟随性能）；抗电网电压扰 动：被包围在电流环内，有电流环及时调节。所以双闭 环调速系统中，电网电压波动引起的速降比单闭环系统 中小得多。
节需要决定的，后面的PI调节器需要多大值，它就能提
供多少，直到饱和为止。
参数
转速反馈系数
U
nm
nmax
电流反馈系数
U
im
I dm
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§6—2双闭环调速系统的动态性能
一、动态数学模型
WASR
WACR
Ks Ts s 1
β
1
RTLs 1
α
R1 Tm s Ce
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二、动态过程分析 Ⅰ区：0—t1区，电流上升。突加给定电压Un*，Uct↑ Ud
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四、各变量的稳态工作点和稳态参数计算 当稳态工作中，两个调节器均不饱和
U
n
Un
n
n0
U
i
Ui
Id
I dL
U ct
Ud0 Ks
Cen Id R Ks
C
e
U
n
I dL R
Ks
比例调节器输出与输入成正比，而PI调节器的输出量
的稳态值与输入无关，Βιβλιοθήκη Baidu里PI调节器的输出值由后面环
•
理想起动过程
带电流截止负反馈
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• 当电流从最大值降下来以后，电机转矩也随之减少， 因而加速过程拖长目的，缩短起制动时间。
• 方法：在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的 最大值，使电力拖动系统尽可能用最大加速度起动， 到稳态转速后，电流下降，使转矩与负载相平衡，从 而转入稳态运行。起动时，保持电流为最大值（电流 负反馈）近似恒流，稳态转速后为转速负反馈。
数足够大，则电流负反馈扰动作用受到抑制。只有转速
调节器饱和与不饱和两种情况。
转速调节器不饱和
两调节器均不饱和，稳态时输入偏差电压都是零。
U
n
Un
n
n
U
n
n0
静特性的n。—A段
U
i
Ui
I d
由于ASR不饱和 , Ui*<Uim*→Id<Idm
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T
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• （二）转速调节器饱和
转速调节器饱和时，n<n。，Ui*=Uim*，转速环呈开环
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二、转速、电流双闭环调速系统的组成 两个调节器的输出都是带限幅的，ASR输出的限幅值Uim* 决定ACR输入的最大值，ACR的输出限幅电压Uctm限制晶 闸管整流电压的最大值。
ASR
ACR
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M
TG
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三、静、动态品质 • 静特性上看：饱和—输出为恒值（不随输入变）；不
或两个以上的闭环的控制系统，又称串级调速。相当于过程
控制中的串级控制系统。本章以转速、电流双闭环调速系统
为主。
一、问题的提出：
采用PI调节器的单闭环调速系统，即保证动态稳定性，又能
做到无静差很好解决动、静态矛盾，系统只有靠电流截止环
节限制起动电流，不能充分利用电机过载的条件下获得最快
的动态响应，进一步解决方法对电流进行反馈控制。
↑Id↑，当Id>Idl后，电机开始转动。因开始时△Un很 大，其输出很快达到限幅值Uim*，Id↑到Id=Idm时， Ui=Uim*，ASR由不饱和变成饱和。而电流调节器不饱和，保 证电流恒定。 Ⅱ区：t1_t2 恒流升速。此时ASR一直饱和，转速环开环 状态，电流调节器作用使Id保持恒定，转速呈线性增长，n↑
饱和—输出末达到限幅值。 • 饱和时：除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，
饱和调节器隔断了输入和输出间的联系，使调节器开 环。调节器不饱和，PI作用使输入偏差在稳态时为零。 • 稳态结构图如下：
β
R
Ks
1
Ce
α
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正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态。电流
负反馈相当于一种扰动作用，只要转速调节器的放大倍
E ↑Udo↑Uct↑ Uct线性 增长。要求△Un必须维持 一定的恒值， I d 应略小于Idm。
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Ⅲ区：t2 以后， 转速调节阶段。 n=n*时，△Un=0， 此时输出仍为Uim*，在最大电流上加速，使转速超调， △Un<0，使ASR退出饱和，Ui*下降，电流也下降，当 Id>Idl时转速仍然是上升的，到Id=Idl时则转速不在上 升极最高值，T3以后Id<Idl，转速下降，ASR和ACR均不 饱和，ASR外环处于主导作用；ACR内环作用是使Id尽快 地跟随ASR的输出量Ui*，是一个电流随动子系统 小结：起动过程三个特点 （一）饱和非线性控制 不同情况下为不同结构的线性系统 —— 分段线性化的 处理方法：ASR饱和，转速环开环，恒值电流调节的单 闭环系统；ASR不饱和，转速环闭环，整个系统为无静 差调速系统，电流内环表现为电流随动系统。 （二）准时间最优控制 恒流升速阶段，电流恒定为最大，使起动过程尽可能最 快——时间最优控制
状态，转速变化时对系统不产生影响，变成一个电流
无静差调速系统，稳态时 特性的A—B段。
Id
U
* im
I dm 静
Id<Idm时转速无静差；Id=Idm时电流无静差。
• 从动态响应看：突加给定电压，转速反馈n=0来不及 作用，转速调节器很快饱和输出Uim*，经ACR电动机 起动，反馈电压上升，但由于ASR的作用，Un<Un*， 转速调节器输出维持限幅值不变，直到转速超过给定 值，Un>Un*时，输入△Un<0,才开始使ASR输出电压降 低下来，在整个升速过程中，ASR开环，只有恒流环 起作用，在最大的电流下起动，直到超调后，转速环 才能起作用，使转速稳定。
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• 转速、电流双闭环调速系统及其静特性 • 双闭环调速系统的动态性能 • 调节器的工程设计方法 • 双闭环系统中转速、电流调节器的设计 • 转速微分负反馈 • 三环调速系统 • 弱磁控制的直流调速系统
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§6—1转速、电流双闭环调速系统及其静特性
➢ 多环系统：指一环套一环的嵌套结构组成的具有两个
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（三）转速超调 转速退出饱和，要求必须转速超调，ASR退出饱和
三、动态性能和两个调节器的作用 动态跟随性能
起动和升速过程，很好的跟随性能；减速过程，由 于电路的不可逆性，跟随性变差 动态抗扰性能
单闭环调速系统中，就静特性而言，对两种扰动的 抗扰效果是一样的。但对双闭环系统而言就有很大不同 了，抗负载扰动：在电流环之后只能靠ASR来抗扰（ASR 有好的抗扰性能，ACR有好的跟随性能）；抗电网电压扰 动：被包围在电流环内，有电流环及时调节。所以双闭 环调速系统中，电网电压波动引起的速降比单闭环系统 中小得多。
节需要决定的，后面的PI调节器需要多大值，它就能提
供多少，直到饱和为止。
参数
转速反馈系数
U
nm
nmax
电流反馈系数
U
im
I dm
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§6—2双闭环调速系统的动态性能
一、动态数学模型
WASR
WACR
Ks Ts s 1
β
1
RTLs 1
α
R1 Tm s Ce
2021/2/1
9
二、动态过程分析 Ⅰ区：0—t1区，电流上升。突加给定电压Un*，Uct↑ Ud
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四、各变量的稳态工作点和稳态参数计算 当稳态工作中，两个调节器均不饱和
U
n
Un
n
n0
U
i
Ui
Id
I dL
U ct
Ud0 Ks
Cen Id R Ks
C
e
U
n
I dL R
Ks
比例调节器输出与输入成正比，而PI调节器的输出量
的稳态值与输入无关，Βιβλιοθήκη Baidu里PI调节器的输出值由后面环
•
理想起动过程
带电流截止负反馈
2021/2/1
2
• 当电流从最大值降下来以后，电机转矩也随之减少， 因而加速过程拖长目的，缩短起制动时间。
• 方法：在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的 最大值，使电力拖动系统尽可能用最大加速度起动， 到稳态转速后，电流下降，使转矩与负载相平衡，从 而转入稳态运行。起动时，保持电流为最大值（电流 负反馈）近似恒流，稳态转速后为转速负反馈。
数足够大，则电流负反馈扰动作用受到抑制。只有转速
调节器饱和与不饱和两种情况。
转速调节器不饱和
两调节器均不饱和，稳态时输入偏差电压都是零。
U
n
Un
n
n
U
n
n0
静特性的n。—A段
U
i
Ui
I d
由于ASR不饱和 , Ui*<Uim*→Id<Idm
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T
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• （二）转速调节器饱和
转速调节器饱和时，n<n。，Ui*=Uim*，转速环呈开环
2021/2/1
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二、转速、电流双闭环调速系统的组成 两个调节器的输出都是带限幅的，ASR输出的限幅值Uim* 决定ACR输入的最大值，ACR的输出限幅电压Uctm限制晶 闸管整流电压的最大值。
ASR
ACR
2021/2/1
M
TG
4
三、静、动态品质 • 静特性上看：饱和—输出为恒值（不随输入变）；不
或两个以上的闭环的控制系统，又称串级调速。相当于过程
控制中的串级控制系统。本章以转速、电流双闭环调速系统
为主。
一、问题的提出：
采用PI调节器的单闭环调速系统，即保证动态稳定性，又能
做到无静差很好解决动、静态矛盾，系统只有靠电流截止环
节限制起动电流，不能充分利用电机过载的条件下获得最快
的动态响应，进一步解决方法对电流进行反馈控制。
↑Id↑，当Id>Idl后，电机开始转动。因开始时△Un很 大，其输出很快达到限幅值Uim*，Id↑到Id=Idm时， Ui=Uim*，ASR由不饱和变成饱和。而电流调节器不饱和，保 证电流恒定。 Ⅱ区：t1_t2 恒流升速。此时ASR一直饱和，转速环开环 状态，电流调节器作用使Id保持恒定，转速呈线性增长，n↑
饱和—输出末达到限幅值。 • 饱和时：除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，
饱和调节器隔断了输入和输出间的联系，使调节器开 环。调节器不饱和，PI作用使输入偏差在稳态时为零。 • 稳态结构图如下：
β
R
Ks
1
Ce
α
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正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态。电流
负反馈相当于一种扰动作用，只要转速调节器的放大倍
E ↑Udo↑Uct↑ Uct线性 增长。要求△Un必须维持 一定的恒值， I d 应略小于Idm。
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Ⅲ区：t2 以后， 转速调节阶段。 n=n*时，△Un=0， 此时输出仍为Uim*，在最大电流上加速，使转速超调， △Un<0，使ASR退出饱和，Ui*下降，电流也下降，当 Id>Idl时转速仍然是上升的，到Id=Idl时则转速不在上 升极最高值，T3以后Id<Idl，转速下降，ASR和ACR均不 饱和，ASR外环处于主导作用；ACR内环作用是使Id尽快 地跟随ASR的输出量Ui*，是一个电流随动子系统 小结：起动过程三个特点 （一）饱和非线性控制 不同情况下为不同结构的线性系统 —— 分段线性化的 处理方法：ASR饱和，转速环开环，恒值电流调节的单 闭环系统；ASR不饱和，转速环闭环，整个系统为无静 差调速系统，电流内环表现为电流随动系统。 （二）准时间最优控制 恒流升速阶段，电流恒定为最大，使起动过程尽可能最 快——时间最优控制
状态，转速变化时对系统不产生影响，变成一个电流
无静差调速系统，稳态时 特性的A—B段。
Id
U
* im
I dm 静
Id<Idm时转速无静差；Id=Idm时电流无静差。
• 从动态响应看：突加给定电压，转速反馈n=0来不及 作用，转速调节器很快饱和输出Uim*，经ACR电动机 起动，反馈电压上升，但由于ASR的作用，Un<Un*， 转速调节器输出维持限幅值不变，直到转速超过给定 值，Un>Un*时，输入△Un<0,才开始使ASR输出电压降 低下来，在整个升速过程中，ASR开环，只有恒流环 起作用，在最大的电流下起动，直到超调后，转速环 才能起作用，使转速稳定。
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