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(jì)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(dòng)性能分析

調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(dòng)過程id，nIdL0tid，nIdL0tt1t2帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)電流達(dá)到最大值Idm后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速起動(dòng)過程較長。系統(tǒng)突加最大給定不理想的起動(dòng)過程理想的起動(dòng)過程理想起動(dòng)過程波形如圖所示，起動(dòng)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(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)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(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，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(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)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(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。

希望能實(shí)現(xiàn)控制：怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)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(cè)速發(fā)電機(jī)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(diǎn)1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3-1基于轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙獨(dú)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?qǐng)D2-3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(dá)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(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。此時(shí)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(dá)到限幅值當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。注意:此時(shí)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(yùn)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(gè)調(diào)節(jié)器的作用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)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(dòng)保護(hù)。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(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)

上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)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(fù)載電流IdL決定的；控制電壓Uc

的大小則同時(shí)取決于n和Id，或者說，同時(shí)取決于U*n

和IdL。原因:對(duì)PI調(diào)節(jié)器,不飽和時(shí),穩(wěn)態(tài)時(shí)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(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

電流反饋系數(shù)

兩個(gè)給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則如下：U*nm受運(yùn)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(hào)U*n未變,增加轉(zhuǎn)速反饋系數(shù),系統(tǒng)進(jìn)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(dāng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行（且U*n0）時(shí)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(dāng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行（且n0）時(shí)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(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析一、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日啟動(dòng)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(dòng)過程2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析t1t2t3t4t

Id,nn*IdmIdL0

ⅠⅡⅢⅣ等效負(fù)載電流啟動(dòng)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(dòng)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(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)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(xué)模型和動(dòng)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(xué)模型和動(dòng)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(xué)模型和動(dòng)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(dá)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(shí)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(fù)載電流啟動(dòng)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(xué)模型和動(dòng)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(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：

飽和非線性控制

轉(zhuǎn)速超調(diào)

準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制

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

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

飽和非線性控制特點(diǎn)(1)2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)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(dòng)過程結(jié)束進(jìn)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(fù)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(diǎn)(2)

準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)特點(diǎn)(3)

起動(dòng)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(dòng)機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，使起動(dòng)過程盡可能最快。

這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制。因此，整個(gè)起動(dòng)過程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)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(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日

負(fù)載擾動(dòng)抗擾性能(1)由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中可以看出，負(fù)載擾動(dòng)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(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。

電網(wǎng)擾動(dòng)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(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)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(duì)象特性,