电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt2-1,2转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

1、11转速、电流双闭环直流转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工调速系统和调节器的工程设计方法程设计方法 第第 2 2 章章22主要内容主要内容1. 1.双闭环调速系统的组成及其静特性双闭环调速系统的组成及其静特性2.2.数学模型和动态性能分析数学模型和动态性能分析3.3.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法4.4.双闭环系统调节器的设计双闭环系统调节器的设计* *5.5.转速超调的抑制转速超调的抑制* *6.6.弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统*33本节要点：本节要点： 1.介绍转速、电流双闭环调速系统的组成及介绍转速、电流双闭环调速系统的组成及其静特性；其静特性；2.2.稳

2、态结构框图及其静特性；阐述动态数学稳态结构框图及其静特性；阐述动态数学模型，并就起动和抗扰两个方面分析转速调模型，并就起动和抗扰两个方面分析转速调节器节器ASRASR、电流调节器、电流调节器ACRACR的作用。的作用。重点、难点重点、难点: : 双闭环调速系统的基本组成、稳态结构框双闭环调速系统的基本组成、稳态结构框图及其参数计算。图及其参数计算。 442.1 2.1 转速、电流双闭环直流调速系转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性统及其静特性 转速转速单闭环系统不能随意控制电流和单闭环系统不能随意控制电流和转矩的动态过程。转矩的动态过程。 采用电流截止负反馈环节只能限制电采用电流截止负反馈环

3、节只能限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。波形。55起动性能起动性能l带电流截止负反馈带电流截止负反馈的单闭环直流调速的单闭环直流调速系统起动过程如图系统起动过程如图 所示，起动电流达所示，起动电流达到最大值到最大值 I Idmdm 后，后，受电流负反馈的作受电流负反馈的作用降低下来，电机用降低下来，电机的电磁转矩也随之的电磁转矩也随之减小，加速过程延减小，加速过程延长。长。 IdLntIdOIdmIdcr图图2-1 a) 带电流截止负反馈带电流截止负反馈的单闭环调速系统的单闭环调速系统66起动性能起动性能（续）（续）l理想起动过程波形理想起动过

4、程波形如图，这时，起动如图，这时，起动电流呈方形波，转电流呈方形波，转速按线性增长。这速按线性增长。这是在最大电流（转是在最大电流（转矩）受限制时调速矩）受限制时调速系统所能获得的最系统所能获得的最快的起动过程。快的起动过程。IdLntIdOIdm图图2-1 b) 理想的快速起动过程理想的快速起动过程77 希望能实现的控制希望能实现的控制l在起动过程的主要阶段，只有电流负在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。反馈，没有转速负反馈。l达到稳态后，只要转速负反馈，不让达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用。电流负反馈发挥主要作用。 882.1.1 2.1.1 转速、

5、电流双闭环直流调速系转速、电流双闭环直流调速系统的组成统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入分别调节转速和电流，即分别引入转速转速负反馈负反馈和和电流负反馈电流负反馈。 二者之间实行嵌套（或称串级）联接二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。如下图所示。99TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+图图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR转速调节器 ACR电流调节器 T

6、G测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器内环内环外外 环环1. 1. 系统的组成系统的组成系统中设置两系统中设置两个调节器，个调节器，分别调节转分别调节转速和电流速和电流 电流环在里面，称作电流环在里面，称作内环；转速环在外内环；转速环在外边，称作外环边，称作外环 1010 转速和电流两个调节器一般都采用带限幅作转速和电流两个调节器一般都采用带限幅作用的用的PIPI调节器。调节器。1111当当ASRASR不饱和时，不饱和时，ASRASR成为主导的调节器，成为主导的调节器，转速负反馈起主要作用转速负反馈起主要作用。 Ks 1/CeUcIdEnUd0+-IdR R ACR-UiUPE当当A

7、SRASR饱和时饱和时，相当于电流单闭环系统，相当于电流单闭环系统, ,实现实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈只有电流负反馈，没有转速负反馈”*imU12122.2.调节器输出限幅的作用调节器输出限幅的作用 转速调节器转速调节器ASRASR的输出限幅电压的输出限幅电压U U* *imim决定决定电流给定电压的最大值；电流给定电压的最大值； 电流调节器电流调节器ACRACR的输出限幅电压的输出限幅电压U Ucmcm限制限制了电力电子变换器的最大输出电压了电力电子变换器的最大输出电压U Udmdm。13133. 限幅电路限幅电路1414限幅电路（续）限幅电路（续）15154. 电流检测电路电流检

8、测电路电流检测电路 TA电流互感器U U0 016161. 系统稳态结构图2.1.2 稳态结构图和静特性稳态结构图和静特性 17172. 限幅作用限幅作用 存在两种状况：存在两种状况：l饱和饱和输出达到限幅值输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。相当于使该调节环开环。1818l不饱和不饱和输出未达到限幅值输出未

9、达到限幅值 当调节器不饱和时，正如当调节器不饱和时，正如1.61.6节中所阐明节中所阐明的那样，的那样，PI PI 作用使输入偏差电压在稳态作用使输入偏差电压在稳态时总是零。时总是零。19193. 系统静特性系统静特性 实际上，在正常实际上，在正常运行时，运行时，电流调节电流调节器是不会达到饱和器是不会达到饱和状态的。状态的。 因此，对于静特因此，对于静特性来说，性来说，只有转速只有转速调节器饱和与不饱调节器饱和与不饱和两种情况和两种情况。 双闭环直流调速双闭环直流调速系统的静特性如图系统的静特性如图所示，所示，2020（1）转速调节器不饱和）转速调节器不饱和di*i0n*nIUUnnUU由第

10、一个关系式可得由第一个关系式可得 0*nnUn从而得到上图静特性的从而得到上图静特性的CACA段段。 (2-1) 稳态时，两个稳态时，两个调节器的输调节器的输入偏差电压入偏差电压都是都是0 02121n 静特性的水平特性静特性的水平特性 同时，由于同时，由于ASRASR不饱和，不饱和，U U* *i i U U* *imim，从上述第二个关系式可知从上述第二个关系式可知: : I Id d I Idmdm。 这就是说，这就是说， CACA段静特性从理想空载状态段静特性从理想空载状态的的 I Id d = 0 = 0 一直延续到一直延续到 I Id d = = I Idmdm ，而，而 I Id

11、mdm 一一般都是大于额定电流般都是大于额定电流 I IdNdN 的。这就是静特的。这就是静特性的运行段，它是性的运行段，它是水平的特性水平的特性。2222（2 2） 转速调节器饱和转速调节器饱和 这时，这时，ASRASR输出达到限幅值输出达到限幅值U U* *imim ，转，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时静差的单电流闭环调节系统。稳态时 dm*imdIUI式中，最大电流式中，最大电流 I Idmdm 是由设计者选定的，取决于是由设计者选定的，取决

12、于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。度。(2-2) 2323n 静特性的垂直特性静特性的垂直特性 式（式（2-22-2）所描述的静特性是上图中）所描述的静特性是上图中的的ABAB段，它是段，它是垂直的特性垂直的特性。 这样的下垂特性只适合于这样的下垂特性只适合于 n n n n0 0 ，则，则U Un n U U* *n n ，ASRASR将将退出饱和状态。退出饱和状态。 24244. 4. 两个调节器的作用两个调节器的作用l双闭环调速系统的静特性在双闭环调速系统的静特性在负载电流小负载电流小于于I Idmdm时表现为转速无静差时表现为转速

13、无静差，这时，这时，转速转速负反馈起主要调节作用。负反馈起主要调节作用。l当负载电流达到当负载电流达到 I Idmdm 后，转速调节器饱后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。保护。2525 这就是采用了两个这就是采用了两个PIPI调节器分别形成调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。性好。实际上运算放大实际上运算放大器的开环放大系器的开环放大系数并不是无

14、穷大，数并不是无穷大，特别是为了避免特别是为了避免零点飘移而采用零点飘移而采用 “准准PIPI调节器调节器”时，时，静特性的两段实静特性的两段实际上都略有很小际上都略有很小的静差，如图中的静差，如图中虚线所示。虚线所示。 26262.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数各变量的稳态工作点和稳态参数计算计算 双闭环调速系统在稳态工作中，当两双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系关系 0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(2-3) (2-5) (2-4) 2727 上述关系表

15、明，在稳态工作点上，上述关系表明，在稳态工作点上， 转速转速 n n 是由给定电压是由给定电压U U* *n n决定的；决定的； ASRASR的输出量的输出量U U* *i i是由负载电流是由负载电流 I IdL dL 决定的；决定的； 控制电压控制电压 U Uc c 的大小则同时取决于的大小则同时取决于 n n 和和 I Id d，或者说，同时取决于或者说，同时取决于U U* *n n 和和 I IdLdL。28282929 这些关系反映了这些关系反映了PIPI调节器不同于调节器不同于P P调调节器的特点节器的特点: :比例环节的输出量总是正比于其输入量，比例环节的输出量总是正比于其输入量，

16、PIPI调节器则不然，调节器则不然，其输出量的稳态值与其输出量的稳态值与输入无关输入无关，而是由它后面环节的需要决而是由它后面环节的需要决定的定的。后面需要。后面需要PIPI调节器提供多么大的调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。止。3030n 反馈系数计算反馈系数计算 鉴于这一特点，鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反据各调节器的给定与反馈值计算有

17、关的反馈系数：馈系数： 转速反馈系数转速反馈系数 电流反馈系数 max*nmnUdm*imIU(2-6) (2-7) 3131 两个给定电压的最大值两个给定电压的最大值U U* *nmnm和和U U* *imim由由设计者选定，设计原则如下：设计者选定，设计原则如下：lU U* *nmnm受运算放大器允许输入电压和稳压受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；电源的限制；lU U* *imim 为为ASRASR的输出限幅值。的输出限幅值。32322.2 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l双闭环直流调速系统的动态数学模

18、型双闭环直流调速系统的动态数学模型l起动过程分析起动过程分析l动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析l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33332.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学双闭环直流调速系统的动态数学模型模型 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，考虑双闭环控制的结模型的基础上，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。动态结构图，如下图所示。34341. 1. 系统动态结构系统动态结构35352. 2. 数学模型数学模型 图中图中WWASRASR(s)(s)和和WWACRA

19、CR(s)(s)分别表示转速调分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用节器和电流调节器的传递函数。如果采用PIPI调节器，则有调节器，则有 ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(36362.2.2 2.2.2 起动过程分析起动过程分析 前已指出，设置双闭环控制的一前已指出，设置双闭环控制的一个重要个重要目的目的就是就是要获得接近于图要获得接近于图2-1b2-1b的理想起动过程的理想起动过程，因此在分析双闭环，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。探讨它的起动过程。 双闭环直流调速系统突加给定电压双闭环直流调

20、速系统突加给定电压U U* *n n由静止状态起动时，转速和电流的由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图。动态过程示于下图。3737图图2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形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 1. 起动过程起动过程转速调节转速调节器器ASR经经历了不饱历了不饱和、饱和、和、饱和、退饱和三退饱和三种情况，种情况，整个动态整个动态过程就分过程就分成图中标成图中标明的明的I、II、III三个阶三个阶段段3838IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 t

21、t第第I I阶段电流上升的阶段（阶段电流上升的阶段（0 0 t t1 1） 突加给突加给定电压定电压 U*n 后，后，Id 上升，上升，当当 Id 小小于负载于负载电流电流 IdL 时，电时，电机还不机还不能转动能转动当当 Id IdL 后，电机开后，电机开始起动，由始起动，由于机电惯性于机电惯性作用，转速作用，转速不会很快增不会很快增长，因而转长，因而转速调节器速调节器ASR的输入的输入偏差电压的偏差电压的数值仍较大，数值仍较大，其输出电压其输出电压保持限幅值保持限幅值 U*im，强迫，强迫电流电流 Id 迅速迅速上升上升直到，直到，I Id d = = I Idmdm ， U Ui i =

22、 = U U* *imim 电流调节电流调节器很快就器很快就压制压制 I Id d 了的增长，了的增长，标志着这标志着这一阶段的一阶段的结束结束在这一阶段中，在这一阶段中，ASR很快进很快进入并保持饱和状态，而入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和一般不饱和3939n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 II II 阶段恒流升速阶段（阶段恒流升速阶段（t t1 1 t t2 2） ASR始终是始终是饱和的，转饱和的，转速环相当于速环相当于开环，系统开环，系统成为在恒值成为在恒值电流电流U*im 给定下的电给定下的电流调节系统，流调节系统，基本上保持基本上

23、保持电流电流 Id 恒定，因而恒定，因而系统的加速系统的加速度恒定，转度恒定，转速呈线性增速呈线性增长长同时，电机同时，电机的反电动势的反电动势E 也按线性也按线性增长，对电增长，对电流调节系统流调节系统来说，来说，E 是是一个线性渐一个线性渐增的扰动量，增的扰动量，为了克服它为了克服它的扰动，的扰动， Ud0和和 Uc 也必须基本也必须基本上按线性增上按线性增长，才能保长，才能保持持 Id 恒定恒定当当ACR采采用用PI调节调节器时，要器时，要使其输出使其输出量按线性量按线性增长，其增长，其输入偏差输入偏差电压必须电压必须维持一定维持一定的恒值，的恒值，也就是说，也就是说， Id 应略低应略

24、低于于 Idm4040第第 II II 阶段（续）阶段（续） 恒流升速阶段是起动过程中的恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。主要阶段。 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 ACRACR是不应饱和的，是不应饱和的，电力电子装置电力电子装置 UPE UPE 的最大输出电压的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。须注意的。4141IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 阶段转速调节阶段（阶段转速调节阶段（ t2 以后）以后） 当转速上升当转速上升到给定值时，到给定值

25、时，转速调节器转速调节器ASR的输入的输入偏差减少到偏差减少到零，但其输零，但其输出却由于积出却由于积分作用还维分作用还维持在限幅值持在限幅值U*im ，所以，所以电机仍在加电机仍在加速，使转速速，使转速超调超调转速超调后，转速超调后，ASR输入偏差输入偏差电压变负，使电压变负，使它开始退出饱它开始退出饱和状态，和状态， U*i 和和 Id 很快下很快下降。但是，只降。但是，只要要 Id 仍大于仍大于负载电流负载电流 IdL ，转速就继续上转速就继续上升升4242第第 阶段（续）阶段（续）l直到直到I Id d = = I IdLdL时，时，转矩转矩T Te e= = T TL L ，则则d

26、dn/n/d dt t = 0= 0，转速转速n n才到达才到达峰值（峰值（t t = = t t3 3时）。时）。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt4343第第 阶段（续）阶段（续） 此后，电动机此后，电动机开始在负载的阻开始在负载的阻力下减速，与此力下减速，与此相应，在一小段相应，在一小段时间内时间内( (t t3 3 t t4 4), ),I Id dI IdLdL，直到，直到稳定。如果调节稳定。如果调节器参数整定得不器参数整定得不够好，也会有一够好，也会有一些振荡过程。些振荡过程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2

27、 t1 tt4444第第 阶段（续）阶段（续） 在这最后的转速调节阶段内，在这最后的转速调节阶段内，ASRASR和和ACRACR都不饱和，都不饱和，ASRASR起主导的转速调起主导的转速调节作用节作用，而，而ACRACR则力图使则力图使 I Id d 尽快地跟尽快地跟随其给定值随其给定值 U U* *i i ，或者说，电流内环，或者说，电流内环是一个是一个电流随动子系统电流随动子系统。45452. 2. 分析结果分析结果 综上所述，双闭环直流调速系统的综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：起动过程有以下三个特点： （1 1） 饱和非线性控制；饱和非线性控制； （2 2） 准时间

28、最优控制；准时间最优控制； （3 3） 转速超调。转速超调。 4646（1 1） 饱和非线性控制饱和非线性控制 根据根据ASRASR的饱和与不饱和，整个系统的饱和与不饱和，整个系统处于处于完全不同的两种状态完全不同的两种状态：l当当ASRASR饱和时，转速环开环，系统表现饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；为恒值电流调节的单闭环系统；l当当ASRASR不饱和时，转速环闭环，整个系不饱和时，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。表现为电流随动系统。4747（2 2）准时间最优控制）准时间最优控制 起动过程中的

29、主要阶段是第起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般流升速，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，以便充分选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。能最快。 这阶段属于有限制条件的最短时间控制。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个准时因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。间最优控制。4848（3 3）转速超调）转速超调 由于由于ASRASR采用了饱和非线性控制，起动过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，程

30、结束进入转速调节阶段后，必须使转速超必须使转速超调，调， ASR ASR 的输入偏差电压的输入偏差电压 U Un n 为负值，才能为负值，才能使使ASRASR退出饱和退出饱和。 这样，采用这样，采用PIPI调节器的双闭环调速系统的转调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。速响应必然有超调。4949 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。自由停车。 必须加快制

31、动时，只能采用电阻能耗制必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。动或电磁抱闸。50502.2.3 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，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。最重要的动态性能是抗扰性能。 主主要是要是抗负载扰动抗负载扰动和和抗电网电压扰动抗电网电压扰动的的性能。性能。51511. 1. 抗负载扰动抗负载扰动直流调速系统的动态抗负载扰作用直流调速系统的动态抗负载扰作用负载扰动作用在电流环之后，因此只负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器能靠转速

32、调节器ASR来产生抗负载扰来产生抗负载扰动的作用。在设计动的作用。在设计ASR时，应要求有时，应要求有较好的抗扰性能指标较好的抗扰性能指标5252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. 2. 抗电网电压扰动抗电网电压扰动UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E5353抗电网电压扰动（续）抗电网电压扰动（续）-IdLUdb)双闭环系统双闭环系统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*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E