直流调速系统课件(教师)22

1、2.2 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环直流调速系统的数学模型 和动态性能分析和动态性能分析本节提要本节提要n双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态数学模型n起动过程分析起动过程分析n动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析n转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用2.2.1 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统 的动态数学模型的动态数学模型 在单闭环直流调速系统动态数学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结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构框图，如统的动态结构框图，如2-6图所示。

2、图所示。1. 系统动态结构系统动态结构图图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构框图双闭环直流调速系统的动态结构框图 U*n Uc-IdLnUdUn+- -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E其中，其中， dtdECGDdtdnGDTTeLe37537522则则 )()(3752dLdmdLdmeIITRRIIRGDCCdtdE即即 )()(dLdmIIsTRsE 系统动态结构系统动态结构2. 数学模型数学模型 图中图中WASR(s)和和WACR(s)分别表示转速分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果调节器和电流调节器的传递函数

3、。如果采用采用PI调节器，则有调节器，则有ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)( 前已指出，设置双闭环控前已指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得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时，有必要首先探讨它的起动过程。过程。 双闭环直流调速系统突加双闭环直流调速系统突加给定电压给定电压U*n由静止状态起动时，由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于右转速和电流的动态过程示于右图。图。2.2.2 起动过程分析起动过程分析 1. 起动过程起动过程 由于在起动

4、过程中转速调由于在起动过程中转速调节器节器ASR经历了不饱和、饱和、经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。三个阶段。第第I阶段强迫电流上升的阶段强迫电流上升的阶段（阶段（0 t1）：）： 第第I阶段强迫电流上阶段强迫电流上升的阶段（升的阶段（0 t1）：）： n n 突加给定电压突加给定电压 U*n 后，通过两后，通过两个个PI调节器的调节作用，使调节器的调节作用，使Uc、Ud 、Id 都上升，当都上升，当 Id 小于负载电小于负载电流流 IdL 时，电机还不能转动。时，电机还不能转动。n当当 Id

5、 IdL 后，后，电机开始起动，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值的输入偏差电压的数值n仍较大，仍较大，ASR很快饱和，其输很快饱和，其输出电压保持限幅值出电压保持限幅值 U*im，强迫强迫电流电流 Id 迅速上升。这时，迅速上升。这时，ACR一般设计的不饱和，但这一阶一般设计的不饱和，但这一阶段段Id虽在上升，但离虽在上升，但离Idm差得远，差得远，所以所以Ui较小，则较小，则Ui较大较大UcUd较大。较大。第第 I 阶段（续）阶段（续）因为因为 dtdiLRiEUddd所以所以IdUi

6、。而而Ui由由大逐渐减大逐渐减小。小。直到直到Id = Idm ， Ui = U*im ，电电流调节器很快就压制流调节器很快就压制 Id 的增长，的增长，标志着这一阶段的结束。这标志着这一阶段的结束。这段时间很短，转速上升很少。段时间很短，转速上升很少。 在这一阶段中，在这一阶段中，ASR很快进入并很快进入并保持饱和状态，而保持饱和状态，而ACR一般不饱和。一般不饱和。第第 I 阶段（续）阶段（续）第第 II 阶段恒流升速阶段恒流升速阶段（阶段（t1 t2） n在这一阶段中，在这一阶段中，ASR始终是饱始终是饱和的，转速环相当于开环，系和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定统成为在恒值

7、电流给定U*im 下下的电流调节系统，基本上保持的电流调节系统，基本上保持电流电流Id = Idm 恒定，恒定，Ui U*im，Uc不大且企图不变。但转速线不大且企图不变。但转速线性增长性增长E也线性增长，所以也线性增长，所以 Id企图减小，但企图减小，但ACR的调节作的调节作n用最终使得用最终使得Ud与与E保持同步增保持同步增长，以使长，以使Id保持恒定，这就要保持恒定，这就要求求Ui为一恒定值，即为一恒定值，即Ui略小略小于于U*im，则则Id 也略小于也略小于Idm。因因此此ACR不能饱和，同时由于不能饱和，同时由于Ud线性增长，所以线性增长，所以Udm要留有余要留有余地。地。第第 II

8、 阶段恒流升速阶段恒流升速阶段（阶段（t1 t2） 第第 II 阶段（续）阶段（续） 恒流升速阶段是起动过程中的主恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。要阶段。 为了保证电流环的主要调节作用，为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中在起动过程中 ACR是不应饱和的，电是不应饱和的，电力电子装置力电子装置 UPE 的最大输出电压也须的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意留有余地，这些都是设计时必须注意的。的。第第 阶段转速调节阶段转速调节阶段（阶段（ t2 以后）以后） n当转速上升到给定值时，转速当转速上升到给定值时，转速调节器调节器ASR的输入偏差减少到的输入偏差减少到零，但其输

9、出却由于积分作用零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值还维持在限幅值U*im ，所以电所以电机仍在加速，使转速超调。机仍在加速，使转速超调。n转速超调后，转速超调后，ASR输入偏差电输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状压变负，使它开始退出饱和状态，态， U*i 和和 Id 很快下降。很快下降。第第 阶段转速调节阶段转速调节阶段（阶段（ t2 以后）以后） n但是，只要但是，只要 Id 仍大于负载电仍大于负载电流流 IdL ，转速就继续上升。转速就继续上升。n直到直到Id = IdL时，转矩时，转矩Te= TL ，则则dn/dt = 0，转速转速n才到达峰才到达峰值（值（t = t3时）。时）

10、。n此后，电动机开始在负载的阻此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小力下减速，与此相应，在一小段时间内段时间内( t3 t4)， Id IdL ，第第 阶段（续）阶段（续）n直到稳定，如果调节器参数整直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡定得不够好，也会有一些振荡过程。过程。n在这最后的转速调节阶段内，在这最后的转速调节阶段内，ASR和和ACR都不饱和，都不饱和，ASR起起主导的转速调节作用，而主导的转速调节作用，而ACR则力图使则力图使 Id 尽快地跟随其给定尽快地跟随其给定值值 U*i ，或者说，电流内环是或者说，电流内环是一个电流随动子系统。一个电流随动子系统

11、。 2. 分析结果分析结果 综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：有以下三个特点： （1）饱和非线性控制）饱和非线性控制 根据根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：两种状态：n当当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统。的单闭环系统。n当当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差不饱和时，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调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（2）转速超调）

12、转速超调 由于由于ASR采用了饱和非线性控制，起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，必须使动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，转速超调， ASR 的输入偏差电压的输入偏差电压 Un 为为负值，才能使负值，才能使ASR退出饱和。退出饱和。 这样，采用这样，采用PI调节器的双闭环调速系调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。统的转速响应必然有超调。（3）准时间最优控制）准时间最优控制 起动过程中的主要阶段是第起动过程中的主要阶段是第II阶段的阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以一般选择为电动机允

13、许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。过程尽可能最快。 这阶段属于有限制条件的最短时间控这阶段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制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。个准时间最优控制。 最后，应该指出，对于不可逆的电最后，应该指出，对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用自由停车。必须

14、加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。电阻能耗制动或电磁抱闸。起动过程分析起动过程分析 2.2.3 动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有比一般来说，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。负载扰动和抗电网电压扰动的性能。1. 抗负载扰动抗负载扰动直流调速系统的动态抗负载扰动作用直流调速系统的动态抗负载扰动作用 1/CeU*nnUdUn+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EIdId

15、L抗负载扰动（续）抗负载扰动（续） 由动态结构框图中可以看出，负载扰由动态结构框图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设来产生抗负载扰动的作用。在设计计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。时，应要求有较好的抗扰性能指标。图图2-8 直流调速系统的动态抗扰作用直流调速系统的动态抗扰作用a)单闭环系统单闭环系统2. 抗电网电压扰动抗电网电压扰动UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E抗电网电压扰动（续）抗电网电压扰动（续）-IdLUdb)双闭环

16、系统双闭环系统 Ud电网电压波动在整流电压上的反映电网电压波动在整流电压上的反映 1/CeU*nnUdUn+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E3. 对比分析对比分析n在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因被调量较远，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。此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。n双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动双闭环系统中，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，不必等可以通

17、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，抗扰性能大有它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。改善。4. 分析结果分析结果 因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。的转速动态变化会比单闭环系统小得多。2.2.4 转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用 1. 转速调节器的作用转速调节器的作用 1)转速调节器是调速系统的主导调节器，它转速调节器是调速系统的主导调节器，它 使转速使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态很快地跟随给定电压变化，稳态 时可减小转速误差，如果采用时可减小转速误差，如果采用PI调节器，调节器， 则可实现无静差。则可实现无静差。 2)对负载变化起抗扰作用。对负载变化起抗扰作用。 3)其输出限幅值决定电机允许的最大电流。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用电流调节器的作用1)作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中， 它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压