自動控制系統(tǒng)第二章2-11

1、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第第 2 章章內(nèi)容提要內(nèi)容提要 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。本章著重闡明其控制規(guī)律、性能特點，是直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。1.介紹轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及介紹轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性；其靜特性；2.2.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其靜特性；闡述動態(tài)數(shù)學穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其靜特性；闡述動態(tài)數(shù)學模型，并就起動和抗擾兩個方面分析轉(zhuǎn)速調(diào)模型，并就起動和抗擾兩個方面分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器節(jié)器ASRASR、電流調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器ACRACR的作用。的作用。 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能隨意控制電流單閉環(huán)系統(tǒng)不

2、能隨意控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。 采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)只能限制采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)只能限制電流的沖擊，并不能很好地控制電流的電流的沖擊，并不能很好地控制電流的動態(tài)波形。動態(tài)波形。n把轉(zhuǎn)速、電流分開控制，設(shè)置了轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié)器，并以外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器的輸入，形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。n優(yōu)點：動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強。2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性n問題的提出 第1章中表明，采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較

3、高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。1. 主要原因 是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 Idcr 以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。b) 理想的快速起動過程IdLntIdOIdma) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖 直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形2. 理想的起動過程IdLntIdOIdmIdcr最佳的過渡過程：就是在極限轉(zhuǎn)矩下，以最大的加減速度和最短的時間完成的過渡過程。 性能比較n帶電流截

4、止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程如圖 所示，起動電流達到最大值 Idm 后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。 IdLntIdOIdmIdcr圖 a) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)性能比較（續(xù)）n理想起動過程波形如圖，這時，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。IdLntIdOIdm圖 b) 理想的快速起動過程為了達到最佳過渡過程：過渡過程中，盡可能使電樞電流為最大值；過渡過程結(jié)束時，盡可能快地使電樞電流達到穩(wěn)態(tài)值；為了使電樞電流由動態(tài)到穩(wěn)態(tài)和由穩(wěn)態(tài)到動態(tài)迅速變化，要使Udo突變到最大值，待電

5、樞電流達到要求值后，再突變到需要值。3. 解決思路 為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。 按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。 現(xiàn)在的問題是，我們希望能實現(xiàn)控制： 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？n在起動過程的主要階段，只有電流在起動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋。負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋。n達到穩(wěn)態(tài)后，只要轉(zhuǎn)速負反饋，不達到穩(wěn)態(tài)后，只要轉(zhuǎn)速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用。讓電流負反饋發(fā)揮主要作用。 2

6、.1.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。1. 系統(tǒng)的組成TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器BI 電流變換器內(nèi)環(huán)外 環(huán)BI 圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從

7、閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2. 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 P I 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。系統(tǒng)原理圖圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPEBI 圖中表出，兩個調(diào)節(jié)器的

8、輸出都是帶限幅作用的。n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；n電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。2.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); 電流反饋系數(shù) Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE

9、2. 限幅作用 存在兩種狀況：n飽和輸出達到限幅值 當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。n不飽和輸出未達到限幅值 當調(diào)節(jié)器不飽和時，正如第一章中所闡明的那樣，PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。 3. 系統(tǒng)靜特性實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖所示。圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 ngdIdIdmIdnomOnABC（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和di*in*n

10、IUUnnUUgd式中， 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。由第一個關(guān)系式可得 gdnUn*n從而得到上圖靜特性的CA段。 當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，PI調(diào)節(jié)器的輸入信號為0，則有：n 靜特性的水平特性 與此同時，由于ASR不飽和，U*i U*im，從上述第二個關(guān)系式可知: Id Idm。 這就是說， CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id = 0 一直延續(xù)到 Id = Idm ，而 Idm 一般都是大于額定電流 IdN 的。這就是靜特性的運行段，它是水平的特性。 （2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時，ASR輸出達到限幅值U*im ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的電流單閉環(huán)調(diào)節(jié)

11、系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 dm*imdIUI式中，最大電流 Idm 是由設(shè)計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。n 靜特性的垂直特性 上式所描述的靜特性是上圖中的AB段，它是垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，則Un U*n（U0） ，ASR將退出飽和狀態(tài)。 dm*imdIUI4. 兩個調(diào)節(jié)器的作用n雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。n當負載電流達到 Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。 這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這

12、樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點飄移而采用 “準PI調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。 2.1.3 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān)系 nUUn*ndLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上， 轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓U*n決定的； ASR的輸出量U*i是由負載電流 IdL 決定的； 控制電壓 Uc 的大小則同時取決于 n 和 Id，或者說，同時取決于U*n 和 IdL。 這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)。n 反饋系