教学材料《工业电气控制》-4.3

4.3.1单闭环调速系统存在的问题从运动角度来讨论直流电动机控制系统的结构，会发现单闭环速度控制系统还不够完美。要实现高精度、高动态性能的控制，不仅要控制速度，还应控制加速度。由直流电动机运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比，而转矩又与电动机的电流成正比。因而需要同时对电动机的速度和电流二者进行控制。1，最佳过渡过程的概念最佳过渡过程指在过渡过程中保持电动机电枢电流为最大允许值Idm。利用电动机的过载能力的极限值，使过渡过程时间最短来获得最高生产效率的过渡过程。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

4.3.1单闭环调速系统存在的问题

要实现最佳过渡过程，必须满足下列要求：1）电动机启动过程中电枢电流应一直保持最大容许电流Idm，而过渡过程结束到达稳态转速时，电流应立即降至负载电流值IdL上。使转矩和负载相平衡，如图4.15(b)，电流波形近似为矩形。充满系数接近1。2),电动机转速n是按照线性上升（即最大恒加速度）到达给定转速，加速度大小除与动态加速电流（Idm-IdL）成正比外，还与机电时间常数TM成反比。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

4.3.1单闭环调速系统存在的问题

3）为使启动过程中电枢电流Id立即升至Idm，晶闸管整流器输出整流电压平均值Udo必须立即为RIdm，以后按线性上升，当转速达到给定稳态转速时，Udo应立即下降至稳态所需电压值上。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

4.3.1单闭环调速系统存在的问题

2，单闭环调速系统存在问题及原因一个PI调节器的单环系统，可保证系统稳定条件下实现转速无静差。但难以满足系统高动态性能，如要求快速启动、制动、突加负载、动态速降小等，原因是：单闭环系统不能按需要控制动态过程的电流或转矩。采取电流截止负反馈环节，虽可限制最大电流，但电流反馈信号与速度反馈信号同时作用于同一调节器入口，启动过程中，电流闭环调整同时，存在速度反馈信号，其作用破坏了电流负反馈的调整作用使电枢电流无法维持在最大值上。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

4.3.1单闭环调速系统存在的问题

4.3.2转速、电流双闭环调速系统组成（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

4.3.2转速、电流双闭环调速系统组成

设置两个调节器，以转速为主环（外环），电流为副环（内环）构成转速、电流双闭环串级调速系统。如图4.20。转速调节器ASR输出电压作为电流给定电压U*I，电流调节器ACR的输出电压Uct作为控制信号加到晶闸管装置的触发器上，使晶闸管装置输出整流电压Ud以控制电动机在给定转速下运转。转速负反馈闭环控制，可稳定保持转速n恒定不变。电流负反馈闭环控制，可稳定电流Imax恒定不变。为使转速、电流双闭环调速系统具有良好的起、制动性能，转速和电流两个调节器都采用PI调节器。两个调节器的输出都是带限幅的。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

4.3.2转速、电流双闭环调速系统组成

4.3.3系统静态特性分析（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

4.3.3系统静态特性分析

PI调节器的稳态特征为两种状况：饱和──输出达到限幅值；不饱和──输出未达到限幅值。当调节器饱和时，调节器的输出为恒值，相当于该调节器开环；输人端加反向的ΔU才可使调节器退出饱和。当调节器不饱和时，输出小于限幅值，输入偏差电压ΔU在稳态时总是为0。对静特性来说，只有转速调节器的饱和与不饱和两种情况：（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

4.3.3系统静态特性分析

1转速调节器ASR不饱和两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都为0。得：计算速度反馈系数为：

电流反馈系数为

（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

4.3.3系统静态特性分析

2转速调节器饱和此时ASR的输出达到限幅值U*im，转速环失去调节作用，呈开环状态。转速的变化对系统不产生影响，双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。当负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm以后，转速调节器饱和，系统由恒转速调节变为恒电流调节，在最大给定电流作用下，依靠电流环对电流进行调节，由于电流调节器ACR也是一个PI调节器，可实现电流的无静差调节，得到理想的下垂特性。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

4.3.3系统静态特性分析

4.3.4系统动态特性分析1双闭环调速系统动态数学模型

4.3.4系统动态特性分析

2双闭环系统的起动过程

第I阶段（0-t1）电流上升阶段：第11阶段(t1-t2)是恒电流等加速度升速启动阶段：第111阶段（t2以后）是转速调节阶段

4.3.3系统动态特性分析

双闭环调速系统启动过程有三个特点：1）饱和非线性控制：在不同情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征，不能用线性控制理论来分析设计，而应用分段