第二章多環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

第二章多環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日第2章轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)\穩(wěn)態(tài)參數(shù)\啟動性能分析

調(diào)節(jié)器工程設(shè)計

設(shè)計案例第二章多環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日一、理想的全給定起動過程id，nIdL0tid，nIdL0tt1t2帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動電流達到最大值Idm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，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速起動過程較長。系統(tǒng)突加最大給定不理想的起動過程理想的起動過程理想起動過程波形如圖所示，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。2-1基于轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

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。第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日起動過程，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋；穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負反饋，沒有電流負反饋。

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？第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成二、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成3-1基于轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)速度環(huán)電流環(huán)ASRACR

MU*nU*iUctUi+Ud_L+_UnTG~-+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—電流互感器第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)特點1.結(jié)構(gòu)特點

3-1基于轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙獨立無差調(diào)節(jié)器串聯(lián)調(diào)節(jié)

ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

ACR電流調(diào)節(jié)器其中，系統(tǒng)給定為ASR的輸入，ASR的輸出為ACR的給定雙線性反饋回路（系統(tǒng)電路示意圖）第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日圖2-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE2。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)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；第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖三穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性

U*nU*iUctUdoEUi+_UnKsIdIdRnASRACRR

2.帶限幅作用PI調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)特性+--飽和——調(diào)節(jié)器輸出達到限幅值.不管輸入偏差電壓如何變化，輸出恒為限幅值，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。此時必須有反向偏差電壓出現(xiàn)才能使其退出飽和不飽和——輸出未達到限幅值當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。注意:此時PI調(diào)節(jié)器的輸出量與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日（U*i<U*im，Id<Idm）（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和,ACR不飽和(n<n0

)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

n0IdIdmIdnomOnABCASR不飽和,ACR不飽和-靜特性的運行(平直）段，它是水平的特性。n=n0ASR飽和,ACR不飽和-靜特性的垂直特性3.系統(tǒng)靜特性

（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR不飽和,ACR不飽和第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日4.兩個調(diào)節(jié)器的作用雙閉環(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。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。第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日四.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，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時

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。原因:對PI調(diào)節(jié)器,不飽和時,穩(wěn)態(tài)時無靜差.由于積分作用存在,調(diào)節(jié)器的輸出可以保持在任何需要的值上,具體的值由后面的環(huán)節(jié)決定第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日.反饋系數(shù)計算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

電流反饋系數(shù)

兩個給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計者選定，設(shè)計原則如下：U*nm受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制；U*im為ASR的輸出限幅值。第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日—思考題

—1.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,給定信號U*n未變,增加轉(zhuǎn)速反饋系數(shù),系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后,轉(zhuǎn)速反饋電壓Un是增加,減小還是不變?轉(zhuǎn)速增大還是減小?2.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的平直段與下垂段,ASR和ACR分別工作在線形還是限幅狀態(tài)?3。采用PI調(diào)節(jié)器的不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，當穩(wěn)態(tài)運行（且U*n0）時可能出現(xiàn):AUi0Uct0

BUi=0Uct0

CUi0Uct=0DUi=0Uct=04。采用PI調(diào)節(jié)器的不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，當穩(wěn)態(tài)運行（且n0）時可能出現(xiàn):AUn0Uct0

BUn=0Uct0

CUn0U*i=0DUn=0U*i=0第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId-IdL2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析一、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日啟動波形分析二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的突加轉(zhuǎn)速給定電壓起動過程2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析t1t2t3t4t

Id,nn*IdmIdL0

ⅠⅡⅢⅣ等效負載電流啟動電流給定穩(wěn)態(tài)速度給定第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日第1階段

由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。第I階段：電流上升

（0~t1）

ttIdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1ASR由不飽和到飽和,ACR不飽和轉(zhuǎn)速緩慢增大,電流快速增大2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId-IdL第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日第2階段第Ⅱ階段：恒流加速

（t1~t2）

n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

ttASR飽和,ACR不飽和,轉(zhuǎn)速線性增長直至給定,電流恒定略小于最大電流為什么Id<Idm?Uct,Ud0怎樣變化?2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId-IdL第Ⅱ階段：恒加速

（t1~t2）第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第Ⅲ階段：轉(zhuǎn)速退飽和（t2

~t3）

第3階段ASR退飽和,,ACR不飽和,電流Id跟隨Ui*變化2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日思考題：第一階段電流上升為什么不是階躍響應(yīng)？其斜率主要與什么有關(guān)？第二階段的恒值電流調(diào)節(jié)能否達到或超過Idm？為什么？系統(tǒng)的最大輸出電源電壓出現(xiàn)在什么時候？有多大？第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日t1t2t3t4t

Id,nn*IdmIdL0等效負載電流啟動電流給定穩(wěn)態(tài)速度給定2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日單輸入系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)(1)綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：

飽和非線性控制

轉(zhuǎn)速超調(diào)

準時間最優(yōu)控制

根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：

當ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)。

當ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。

飽和非線性控制特點(1)2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)

由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓△Un為負值，才能使ASR退出飽和。采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必有超調(diào)。

轉(zhuǎn)速超調(diào)特點(2)

準時間最優(yōu)特點(3)

起動過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動機允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能最快。

這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準時間最優(yōu)控制。2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日本質(zhì)-IdL

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E±?Ud雙閉環(huán)系統(tǒng)±?UdU*n-IdLUn+-ASR

1/CenUd01/RTls+1RTmsIdKsTss+1-E單閉環(huán)系統(tǒng)三、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾能力2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日

負載擾動抗擾性能(1)由動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗衡負載擾動的作用。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標。

電網(wǎng)擾動抗擾性能(2)

雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗電網(wǎng)擾性能大有改善。注意:雙閉環(huán)系統(tǒng)由于有電流內(nèi)環(huán)的存在,改善了控制對象特性,