转速、电流双闭环控制的直流调速系统动态分析

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三、教学时间2学时1初步了解双闭环调速系统的动态数学模型2定性分析双闭环调速系统起动过程分析3具备分析转速、电流双环系统的动态性能的能力4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四、教学思路流程五、教学过程

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2.4.1双闭环直流调速系统的动态数学模型一、系统动态结构双闭环直流调速系统的动态结构图U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E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。看图说话——参数意义二、

数学模型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。U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E如果采用PI调节器，则有2.4.2起动过程分析

双闭环直流调速系统突加给定电压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。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

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

一、起动过程分析由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。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。双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形

n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt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。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。2、第II阶段恒流升速阶段（t1~t2）

IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt

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

恒定因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。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？恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段！！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）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。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt看图说话？？（

t2以后）控制的物理过程：直到Id

=IdL时，转矩Te=TL

，则dn/dt

=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。什么时候（条件），转速n才到达最大的峰值？看图说话：IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

ttIdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt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下减速，直到稳定Id=IdL

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。在（t3~t4

）时间段内，如图所示，电动机开始减速，为什么呢？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。第Ⅲ阶段（t3~t4

）工作波形分析二、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！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。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？问题：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）！2、

转速超调问题3、准时间最优控制但是，通过分析我们知道：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”。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”！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！n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

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。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。

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tl

s+1R

TmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId直流调速系统的动态抗负载扰作用一、抗负载扰动过程分析±∆IdL1、负载扰动分析

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。因而，在设计ASR时，应要求有较好的抗负载扰动性能指标。

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tl

s+1R

TmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId直流调速系统的动态抗负载扰作用2、负载扰动的抑制±∆IdL二、

抗电网电压扰动直流调速系统的动态抗扰作用（单闭环系统）U*n-IdLUn+-ASR

1/CenUd01/R

Tl

s+1R

TmsIdKsTss+1-E±∆Ud1、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。2、双闭环系统电网电压扰动分析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

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tl

s+1R

TmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E±∆Ud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。-IdL2.4.4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：一、