现代调速控制系统课件

现代调速控制系统课件第1页，共72页，2023年，2月20日，星期日第2章多环直流调速系统

所谓多环调速系统，是指按一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或两个以上闭环的控制系统。

转速-电流双闭环控制的直流调速系统是性能优良、应用最广的直流调速系统。作为各种交直流电力拖动自动控制系统的重要基础，本章着重阐述其基本结构、控制规律、性能特点、改进方法及实际应用；另外简单介绍了三环调速系统；最后，介绍了双闭环直流调速系统的MATLAB/Simulink建模与仿真。现代调速控制系统高职高专ppt课件第2页，共72页，2023年，2月20日，星期日第2章多环直流调速系统2.1转速-电流双闭环调速系统2.2双闭环系统的动态性能分析及性能改进2.3双闭环直流调速控制模块的应用2.4三环调速系统2.5双闭环直流调速系统的MATLAB/Simulink

建模与仿真本章小结现代调速控制系统高职高专ppt课件第3页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.1转速-电流双闭环调速系统

2.1.1理想的起动电流波形2.1.2转速-电流双闭环调速系统的组成

2.1.3双闭环系统静态特性

2.1.4双闭环系统的稳态参数计算现代调速控制系统高职高专ppt课件第4页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.1.1理想的起动电流波形问题的提出

第1章中表明：采用PI调节器又带电流截止负反馈环节的转速单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定运行的前提下实现无静差调速，并限制了起动时的最大电流。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环直流调速系统难以满足需要。主要原因

单闭环直流调速系统不能很理想地控制电流和转矩的动态过程。

现代调速控制系统高职高专ppt课件第5页，共72页，2023年，2月20日，星期日理想的起动过程图2-2调速系统理想的快速起动过程图2-1带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动转速、电流波形现代调速控制系统高职高专ppt课件第6页，共72页，2023年，2月20日，星期日性能比较

带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图2-1所示，起动电流达到最大值Idm

后，受电流负反馈的作用降低下来，电动机的电磁转矩也随之减小，使起动时间延长。图2-1现代调速控制系统高职高专ppt课件第7页，共72页，2023年，2月20日，星期日性能比较（续）

理想起动过程波形如图2-2所示，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。图2-2现代调速控制系统高职高专ppt课件第8页，共72页，2023年，2月20日，星期日解决思路

为了实现最快起动，须获得一段最大值Idm的恒流过程。

按照反馈控制规律，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

工程上常采用转速、电流双闭环负反馈方式。现代调速控制系统高职高专ppt课件第9页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.1.2转速-电流双闭环调速系统的组成

内环外环图2-3转速-电流双闭环直流调速系统原理图ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换器1．系统组成现代调速控制系统高职高专ppt课件第10页，共72页，2023年，2月20日，星期日2．系统工作原理

电流环是由电流调节器ACR和电流反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过电流检测元件的反馈作用稳定电流。

转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过转速检测元件的信号稳定转速，最终消除转速偏差。第11页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.1.3

双闭环系统静态特性

系统稳态结构图图2-4双闭环调速系统的稳态结构框图—转速反馈系数;—电流反馈系数

Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-R

ACR-UiUPE第12页，共72页，2023年，2月20日，星期日分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握ASR的稳态特性，其一般有两种状态：饱和——输出达到限幅值

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，相当于使该调节环开环。不饱和——输出未达到限幅值

此时的转速调节器和电流调节器都不饱和，都发挥着调节作用。在处于稳定状态时，他们的输出偏差电压都是零。第13页，共72页，2023年，2月20日，星期日1.转速调节器不饱和状态转速调节器不饱和时,可得转速为正常运行时，转速调节器有饱和与不饱和两种情况。图2-5双闭环直流调速系统的静特性得图2-5所示的静特性的CA段,即运行段，它是水平的特性。第14页，共72页，2023年，2月20日，星期日

1.转速调节器不饱和状态图2-5双闭环直流调速系统的静特性

得图2-5所示的静特性的AB

段,它是垂直的特性。

转速调节器饱和时，ASR的输出达到限幅值U*im

，转速环呈开环状态，双闭环调速系统变成了一个电流无静差的电流单闭环调节系统。稳态时，有

第15页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.1.4双闭环系统的稳态参数计算

当系统的ASR和ACR两个调节器都不饱和且系统处于稳态时，各变量之间的关系为:

（2－4）

（2－5）

（2－6）第16页，共72页，2023年，2月20日，星期日由以上表达式可知，在稳态工作点上：转速n

是由给定电压U*n决定的；ASR的输出量Ui*是由负载电流IdL

决定的；控制电压Uc的大小则同时取决于n

和Id，或者说，同时取决于Un*和IdL。第17页，共72页，2023年，2月20日，星期日

转速反馈系数和电流反馈系数可分别通过下面两式计算:转速反馈系数:（2－7）电流反馈系数:（2－8）

反馈系数的计算第18页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.2双闭环系统的动态性能分析及性能改进2.2.1起动过程分析

2.2.2双闭环调速系统的抗扰性能2.2.3转速-电流调节器的作用2.2.4起动过程特点2.2.5动态性能改进—转速微分负反馈第19页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.2.1起动过程分析

动态结构图

图2-6双闭环调速系统的动态结构图第20页，共72页，2023年，2月20日，星期日

起动过程分析

前面已指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于图2-2所示的理想起动过程。因此在分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过程。双闭环直流调速系统突加给定电压Un*由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图2-7。第21页，共72页，2023年，2月20日，星期日图2-7双闭环调速系统起动过程转速和电流波形

n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。第22页，共72页，2023年，2月20日，星期日

第I阶段（0~t1）电流上升的阶段

突加给定电压Un*后，Id上升，当Id

小于负载电流IdL

时，电机还不能转动。

当Id≥IdL

后，电动机开始起动，由于惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压迅速达到限幅值U*im，强迫电流Id

迅速上升，直到Id=Idm

，本阶段结束。本阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第23页，共72页，2023年，2月20日，星期日

第I阶段（0~t1）电流上升的阶段图IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt第24页，共72页，2023年，2月20日，星期日

第II阶段（t1~t2）恒流升速阶段在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持电流Idm恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动，Ud0和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id

恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，

Id

应略低于Idm。

恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。第25页，共72页，2023年，2月20日，星期日

第II阶段（t1~t2）恒流升速阶段图n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第26页，共72页，2023年，2月20日，星期日

第Ⅲ阶段（t2

以后）转速调节阶段当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim*，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，Ui*和Id

很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流IdL

，转速就继续上升。直到Id

=IdL时，转矩Te=TL

，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。第27页，共72页，2023年，2月20日，星期日IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4t3

t2

t1

tt

第Ⅲ阶段（t2

以后）转速调节阶段图第28页，共72页，2023年，2月20日，星期日

此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（t3~t4

），Id<IdL

，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。 在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Id

尽快地跟随其给定值Ui*，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

第Ⅲ阶段（t2

以后）转速调节阶段第29页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.2.2双闭环调速系统的抗扰性能

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。第30页，共72页，2023年，2月20日，星期日图2-8b双闭环直流调速系统的动态抗扰作用1.抗负载扰动

由动态结构图可以看出，负载扰动IdL作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。第31页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.抗电网电压扰动图2-8直流调速系统的动态抗扰作用a)单闭环系统第32页，共72页，2023年，2月20日，星期日b)双闭环系统△Ud—电网电压波动在整流电压上的反映

第33页，共72页，2023年，2月20日，星期日对比分析

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，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。

双闭环系统中，电流内环对电压波动可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，抗扰性能大有改善。分析结果

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。第34页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.2.3转速、电流调节器的作用

1.转速调节器的作用使转速n跟随给定电压Un*变化，稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定电动机所允许的最大电流Idm。第35页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.电流调节器的作用电动机起动时，保证获得大而稳定的起动电流，缩短起动时间，使系统具有较好的动态特性；在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压Ui*变化；当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到安全保护作用。故障消失之后，系统能够自动恢复正常；对电网电压波动起快速抑制作用。第36页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.2.4起动过程特点

根据对双闭环系统起动过程的分析，可以得出起动过程有如下三个特点：

（1）饱和非线性控制；（2）准时间最优控制；（3）转速超调。第37页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.2.5动态性能改进—转速微分负反馈

在转速调节器ASR上引入转速微分负反馈，可以抑制转速超调，显著降低动态速降，提高抗扰性能。第38页，共72页，2023年，2月20日，星期日

带转速微分负反馈的转速调节器与普通转速调节器相比较，在转速反馈环节上并联了微分电容Cdn和滤波电阻Rdn，即在转速负反馈的基础上叠加上了一个带滤波的转速微分负反馈信号。 在转速变化过程中，转速负反馈和转速微分负反馈两个信号一起与给定信号Un*相抵，将在比普通双闭环系统更早达到平衡，开始退饱和。第39页，共72页，2023年，2月20日，星期日

图2-10中的曲线1为普通双闭环调速系统的起动过程。当达到给定转速值（O’点），ASR开始退饱和，其后转速必然有超调。加入微分负反馈之后，提前到T点退饱和，所对应的转速nt比n*低，提早进入了线性闭环系统的工作状态。在Id≥IdL时转速虽然仍继续上升，但有可能不出现超调就趋于稳定，如图2-10中曲线2所示。

图2-10

转速微分负反馈环节对系统动态性能的影响第40页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.3双闭环直流调速控制模块的应用

2.3.1模块介绍2.3.2模块的保护2.3.3双闭环直流调速模块主电路负载接线图及安装步骤2.3.4双闭环直流调速模块的简单测试第41页，共72页，2023年，2月20日，星期日双闭环直流调速控制模块的外观如图2-11所示。模块用途：应用于直流电动机调速控制。2.3.1模块介绍图2-11

双闭环直流调速模块第42页，共72页，2023年，2月20日，星期日1.模块特点：

（1）工艺先进，性能优越

①采用进口芯片，高级芯片支撑板及其它高级热绝缘材料，特殊烧结工艺。

②国外加工专用IC，大大提高智能化控制能力。

③热循环负载次数超过国家标准近10倍，使用寿命长。

④控制电路置于模块内部，简化了外围器件，增强可靠性。

⑤移相控制系统，主电路、导热基板相互隔离，介电强度≥2500VAC。

⑥三相模块主电路交流输入无相序。第43页，共72页，2023年，2月20日，星期日（２）质量可靠，应用安全方便。

①

0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。

②给定积分环节可实现直流电动机软起动，并且积分时间可调。

③电动机起动电流可调节。

④模块具有过流、过热和缺相三种保护。第44页，共72页，2023年，2月20日，星期日图2-12双闭环直流调速模块的内部电联接图2．模块组成及内部电联接形式

双闭环直流调速模块的内部电联接形式如图2-12所示，包括三相全控桥、移相调控器、双闭环调速控制板。第45页，共72页，2023年，2月20日，星期日3．双闭环直流调速模块参数

本模块设计采用转速、电流双闭环直流调节，能够使系统获得很好的动、静态效果。其速度超调量＜5%、电流超调量＜5%、调整时间＜0.5s、振荡次数≤2、转速稳态误差≤0.02、转速稳定度＜0.5%。晶闸管芯片详细参数参见教材表2-1

第46页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.3.2模块的保护

1.过流保护

该模块过流保护可采用外接快速熔断器、快速过电流继电器、传感器的方法。外接快速熔断器是最常用的方法。第47页，共72页，2023年，2月20日，星期日1）接线方法：快速熔断器接在模块的交流输入端，以三相整流模块和单相整流模块为例，如图2-13所示。a）单相双闭环直流调速模块b)三相双闭环直流调速模块图图2－13单相整流模块和三相整流模块接线第48页，共72页，2023年，2月20日，星期日

2)快速熔断器的选择：

①熔断器的额定电压大于电路中正常工作电压。

②熔断器额定电流的选取，参考教材表2-2。第49页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.过压保护双闭环直流调速模块的过压保护，推荐使用阻容吸收和压敏电阻两种方式并用。

1）阻容吸收回路图

2－14双闭环直流调速模块的阻容吸收保护电路第50页，共72页，2023年，2月20日，星期日2）压敏电阻吸收过电压

a）三相双闭环直流调速模块b)单相双闭环直流调速模块图2－15输入侧压敏电阻吸收过电压接线图3.过流和缺相保护 过流和缺相保护常采用电路形式置于模块内部。第51页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.3.3双闭环直流调速模块主电路负载接线图及安装步骤

（1）双闭环直流调速模块主电路负载接线图a)三相双闭环直流调速模块图2-16双闭环直流调速模块主电路负载接线图b)单相双闭环直流调速模块第52页，共72页，2023年，2月20日，星期日（2）双闭环直流调速模块的安装步骤

1）把散热器和风机按通风要求安装好。

2）在模块导热底板表面与散热器表面均匀涂覆一层导热硅脂，用四个螺钉把模块固定于散热器上,注意四个螺钉用力要均等，使导热基板与散热器表面紧密接触。

3）用接线端头环带将铜线扎紧，以免接触不良而附加发热，然后套上绝缘热缩管，用热风或热水加热收缩。

4）将接线端头固定在模块电极上，用螺钉紧固，保持良好平面压力接触。

5）接控制板。第53页，共72页，2023年，2月20日，星期日（3）控制板引脚说明

控制板引脚说明见教材表2-4。（4）控制板上电位器功能说明（5）控制板上发光二极管作用说明

（6）调节元件说明

第54页，共72页，2023年，2月20日，星期日1）按控制板的器件连接原理图连接好模块，接通电源，输出端接一假负载（如灯泡），调节给定信号使模块输出较小电压值（如100V）。2）接上直流电动机和直流测速发电机，缓慢调节给定信号，若电动机速度随给定信号缓慢改变，说明系统运行正常。否则，需重新检查连线。如果连线正确，电动机仍运行正常，则需调节C4、R17、C3、R16。调节方法参考第5项。注：开机前应先送三相交流电源，否则系统将视缺相处理，而进入保护状态。2.3.4双闭环直流调速模块的简单测试第55页，共72页，2023年，2月20日，星期日3）其他参数的整定方法（1）过流保护（2）电机过载电压调整（3）积分时间调整（4）速度环、电流环参数调整4）注意事项（1）双闭环直流调速模块电流规格的选取（2）±12V直流稳压电源要求（3）环境要求（4）其他事项第56页，共72页，2023年，2月20日，星期日1．带电流变化率调节器的三环系统

（1）电流变化率内环引入的原因在双闭环调速系统中，为了在动态过程中理想地控制电流变化率，在电流环内再设置一个电流变化率环，通过电流变化率内环的调节，使电流变化率不致过高的同时又能保持允许的最大变化率，使整个电流波形更接近理想的动态波形，这样就构成了转速、电流、电流变化率三环调速系统。2.4三环调速系统第57页，共72页，2023年，2月20日，星期日

（2）带电流变化率内环的三环系统组成

原理图如图2-18所示。图2-18带电流变化率内环的三环调速系统第58页，共72页，2023年，2月20日，星期日

电流变化率调节器如图2-19所示。图2-19电流变化率调节器第59页，共72页，2023年，2月20日，星期日2．带电压内环的三环调速系统

图2-20带电压内环的三环调速系统原理图第60页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.5双闭环直流调速系统的MATLAB/Simulink建模与仿真1．系统的建模和模型参数设置图2-21双闭环直流调速系统的电气原理结构图第61页，共72页，2023年，2月20日，星期日

（1）主电路的建模和参数设置转速-电流双闭环系统主电路的建模和模型参数设置与单闭环直流调速系统绝大部分相同。（2）控制电路的建模和参数设置转速-电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、转速调节器ASR、电流调节器ACR、限幅器、偏置电路、反向器、电流反馈环节、速度反馈环节等。限幅器、偏置电路、反向器的作用、建模和参数设置与第1.6节的方法相同。第62页，共72页，2023年，2月20日，星期日ASR的参数设置窗口如图2-22所示。图2－22ASR参数设置

第63页，共72页，2023年，2月20日，星期日ACR的参数设置窗口如图2-23所示。图2－23ACR参数设置

第64页，共72页，2023年，2月20日，星期日饱和限幅器的参数设置窗口如图2-24所示。图2-24饱和限幅器（Saturation）参数设置第65页，共72页，2023年，2月20日，星期日2.系统的仿真参数设置

通过对仿真算法的比较实验，本系统