第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统

（2）跟随过程的输出量的动态响应称作阶 跃响应。 （3）常用的阶跃响应跟随性能指标：有上升时间 tr、超调量σ和调节时间ts。
超调量σ
调节时间 上升时间
峰值时间 图3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标
C max C 100% C

I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差
阶跃输入 输入信号
* Un U n n * Un n
n
* Un

n0
(3-1)

U i* I d
Id
U i*

I d I dm
* U d 0 Ce n I d R CeU n / I dL R Uc Ks Ks Ks
改变Un*可改变Uc，即可改变转速n
（2）调节器饱和

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。
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。
图3-1 时间最优的理想过渡过程
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）。
n
* Un

1、阶跃给定起动过程分析

电流Id从零增长到Idm，然后在一段 时间内维持其值等于Idm不变，以后 又下降并经调节后到达稳态值IdL。 转速波形先是缓慢升速，然后以恒 加速上升，产生超调后，到达给定 值n*。

起动过程分为电流上升、恒流升速 和转速调节三个阶段，

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。

第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）


特点：1、电流保持为最大值
2、电动机转速迅速上升为给定 值n* 3、ASR为饱和状态，不起作用。 ACR为不饱和状态，起作用
第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）
（1）上升到了给定值n*，ΔUn=0。因为Id>IdL，电动机仍处于加速过程， 使n>n* ，称之为起动过程的转速超调。 (2)转速的超调造成了Un>Un*→ΔUn<0，ASR退出饱和状态，→ Ui* ↓ → △Ui<0 → Uc ↓ →Ud0 ↓ → Id ↓很快下降。但只要Id>IdL转速就仍上升， 直到t=t3时，Id= Idl ，转速到达峰值。
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。

负载扰动
（1）抗负载扰动
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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。

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。

控制系统的开环传递函数都可以表示成
W (s) K ( i s 1) s r (T j s 1)
j 1 i 1 n m
（3-9）
。

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。
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
1.中频段以-20db/dec的斜 率穿越0db线，而且这一斜 率能覆盖足够的频带宽度， 则系统的稳定性越好。 2.截止频率ωc越高，则系 统的快速性越好 3.低频段的斜率陡、增益 高，则系统的稳态精度好。 4.高频段衰减越快，说明 系统抗高频噪声干扰的能 力越强
第Ⅰ阶段：电流上升阶段（0~t1） 电流从0到达最大允 许值 I dm
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 。
3.2 转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型 与动态过程分析
3.2.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型
图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图
3.2.2转速、电流反馈控制直流调速系统的动 态过程分析

对调速系统而言，被控制的对象是转速。 跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。 能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式 达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要 的追求目标。
（3）双闭环直流调速系统的静特性



AB段是两个调节 器都不饱和时的 静特性，Id<Idm, n=n0。 BC段是ASR调节 器饱和时的静特 性，Id=Idm, n<n0 在C点为堵转状态。
图3-4 双闭环直流调速系统的静特性
3.1.3电流环的作用
（1）电流的快速跟随。
当Ui*为阶跃信号时，由于 ACR的比例积分特性，Uc很快 上升，Ud快速上升，Id快速上升， Ui快速上升，一旦上升到使 Ui≥Ui*时，使Uc回落，使Id最 终等于Id=Ui*/β。Id对Ui*的响应 时间小于10ms。 （2）限流 由于ACR为PI调节器，在稳态 时Ui=Ui*，Id=Ui*/ β,只要限制 了Uim*，就限制了Idm

3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性


对于经常正、反转运行的调速系统要求：(1).缩短起、制 动过程的时间是提高生产效率的重要因素。 在(2).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(3)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。
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第3章 转速、电流反馈控制 的直流调速系统
作业
思考题 3-4, 3-7, 3-10, 习题 3-1，3-11

内 容 提 要
转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 及其静特性 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态 数学模型 转速、电流反馈控制直流调速系统调节器 的工程设计方法
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 控制系统的动态性能指标： （1）对给定输入信号的跟随性能指标 （2）对扰动输入信号的抗扰性能指标。
1、动态跟随性能指标

（1）以输出量的初始值为零，在给定信号为阶跃变 化下的过渡过程作为典型的跟随过程。

（1）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）到恢复稳态值的过渡过程就是 一个抗扰过程。 （2）常用的抗扰性能指标为：动态降落△Cmax 和恢复时间tv。

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
（3）抗干扰
若电网电压波动， 如U2↓→Ud↓→Id ↓ → Ui ↓ → △Ui↑ →Uc↑→ Ud↑，从而使Id回升，保持 Id=Ui*/ β。此扰动调节过 程很快，对转速的影响很小 ， 因此抗扰性能很好。在Id稳 定后，Uc、Ud均为稳定值，
3.1.4转速调节器的作用
(1)转速跟随作用，（可 实现无静差）。 （2）抗扰作用（对负载 变化起抗扰作用）。 （3）限流作用（其输出 限幅值决定电动机允 许的最大电流）。
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
(3)在t3~t4时间内， Id <Idl，转速由加速变为减速 直到稳定n=Un*/α。 (4)在第Ⅲ阶段中， ASR和ACR都不饱和.
t
0 Id Idm
△Un
△Ui
IdL 0 t1 t2 t3 t4 t

第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）


特点：1、转速上升超过了给定转
速，称为超调 2、ASR退出饱和，对转速进行调节 3、电流下降直至等于负载电流 4、转速调节至等于给定转速
第Ⅰ阶段：电流上升阶段（0~t1）
特点：1、ASR很快进入饱和状态
2、转速环不起作用，呈开路状态，即对转速不起调 节作用， 3、电流迅速上升为最大值
Id基本保持在Idm,
第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2
*。 电动机加速到了给定值 n ）
(1)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， (2)Un<Un* , Ui=Uim*，Id = Idm (3)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。
△Un △Ui
2。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态， 即输出由输入决定。输入偏差电压在系统到达稳态时为零。 3。对于静特性来说，转速调节器只有饱和与不饱和两种 情况，电流调节器不进入饱和状态 。
二、双闭环调速系统的静特性
（1） 调节器不饱和（即工作在线性状态）

两个调节器ASR、ACR都不饱和，稳态时，它们的输 入偏差电压都是零。
△Un △Ui
I 2 0.816I d I 2 0.577I d
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
•系统原理图
电流检测电路
A
B
C
TA
Ui
U0
I 2 0.816I d
电流检测电路 TA——电流互感器
I 2 0.577I d
限幅电路
R R 11
C1C1 M
VD VD1 Rlim R VD2 VD 2
+ RP1 Uex RP2 -
R0 Uin R 0
0
+
+
0 0
0
0
N
二极管钳位的外限幅电路
3.1.2 稳态结构图和静特性 一、稳态结构图
△Un
△Ui
Ui Id
—电流反馈系数
1.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；

ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态， 转速的变化对转速环不再产生影响。
U U im I dm
* im
Id
* U im

I dm
* U im I dm
—电流反馈系数
即 Idm为最大的过载电流，限定了U*im也就限定了电流最
大值。此时 ASR为非线性状态，对转速偏差再无调节 作用，为过载状态。
在稳态时，若负载突增即 IdL↑→n↓→△Un↑→Ui*↑→△Ui↑→Uc↑→Ud↑→Id↑→n ↑

在新的负载电流下，Id=IdL=Ui*/β，n=Un*/α,转速只 与Un*有关，与负载大小无关，但会引起转速的短 暂波动。
（2）抗电网电压扰动
电网电压扰动

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。
R(t ) R0
斜坡输入
R(t ) v0t
加速度输入
a0 t 2 R(t ) 2
稳态误差
0
v0 / K

Ⅱ型系统在不同输入信号作用下的稳态误差 输入信号 阶跃输入 斜坡输入 加速度输入 a0 t 2 R(t ) 2
R(t ) R0
稳态误差
R(t ) v0t
0
0
a0 / K
2．抗扰性能指标