電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第3版)(陳伯時(shí))第5講

1、第第 5 講講2.1 2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性2.2 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2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 及其靜特性及其靜特性v問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。 如果對(duì)系統(tǒng)的如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高動(dòng)態(tài)性能要求較高，例，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速如：要求快速

2、起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。1). 主要原因主要原因 因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門(mén)用來(lái)控制電流的，但它負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只能在超過(guò)臨界電流值只能在超過(guò)臨界電流值 Idcr 以后，靠強(qiáng)烈以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很的負(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。理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。b) 理想的快速起動(dòng)過(guò)程理

3、想的快速起動(dòng)過(guò)程IdLntIdOIdma) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖圖2-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形2). 理想的起動(dòng)過(guò)程理想的起動(dòng)過(guò)程IdLntIdOIdmIdcr 性能比較性能比較v帶電流截止負(fù)反饋的帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程如圖所示，起動(dòng)過(guò)程如圖所示，起動(dòng)電流達(dá)到最大值起動(dòng)電流達(dá)到最大值 Idm 后，受電流負(fù)反后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來(lái)，饋的作用降低下來(lái)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過(guò)程延之減小，加速過(guò)程延長(zhǎng)。長(zhǎng)。 IdLntIdOIdm

4、Idcr圖圖2-1 a) 帶電流截止負(fù)反饋帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)性能比較（續(xù)）性能比較（續(xù)）v理想起動(dòng)過(guò)程波形理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖，這時(shí)，起動(dòng)如圖，這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。這速按線性增長(zhǎng)。這是在最大電流（轉(zhuǎn)是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過(guò)程?？斓钠饎?dòng)過(guò)程。IdLntIdOIdm圖圖2-1 b) 理想的快速起動(dòng)過(guò)程理想的快速起動(dòng)過(guò)程3). 解決思路解決思路 為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，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關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為

5、最大值Idm的恒流過(guò)程。的恒流過(guò)程。 按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理按照反饋控制規(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，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)該能夠得到近那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。似的恒流過(guò)程。 現(xiàn)在的問(wèn)題是，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：現(xiàn)在的問(wèn)題是，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：起動(dòng)過(guò)程，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速起動(dòng)過(guò)程，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；負(fù)反饋；穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒(méi)有電流負(fù)穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒(méi)有電流負(fù)反饋。反饋。 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩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

6、階種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？段里起作用呢？2.1.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如下圖所示。套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如下圖所示。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+圖圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速

7、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1). 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成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 UPE電力電子變換器內(nèi)環(huán)外 環(huán) 圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 這就形成了這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)。2). 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 為了獲得良好的

8、靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 P I調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸理圖示于下圖。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖圖圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 +-+-MTG+-+

9、-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE 圖中表出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是圖中表出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。帶限幅作用的。v轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓的輸出限幅電壓U*im決決定了電流給定電壓的最大值；定了電流給定電壓的最大值；v電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓的輸出限幅電壓Ucm限制限制了電力電子變換器的最大輸出電壓了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。3). 限幅電路限幅電路二極管鉗位的外限幅電路二極管鉗位的外限幅電路C1R1R0RlimVD1VD2限幅電路（續(xù)）限幅電路（

10、續(xù)） 穩(wěn)壓管鉗位的內(nèi)限幅電路穩(wěn)壓管鉗位的內(nèi)限幅電路R1C1VS1VS2R0Rlim4). 電流檢測(cè)電路電流檢測(cè)電路電流檢測(cè)電路電流檢測(cè)電路 TA電流互感器電流互感器TA2.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫(huà)出它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫(huà)出來(lái)，只要注意用帶限幅的輸出特性表示來(lái)，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)

11、特征調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。1). 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); 電流反饋系數(shù)電流反饋系數(shù) Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE2). 限幅作用限幅作用 存在兩種狀況：存在兩種狀況：v飽和飽和輸出達(dá)到限幅值輸出達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入出飽和；換句話說(shuō)，飽和

12、的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。v不飽和不飽和輸出未達(dá)到限幅值輸出未達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，正如當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，正如1.61.6節(jié)中所闡明的那樣，節(jié)中所闡明的那樣，PI PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。3). 系統(tǒng)靜特性系統(tǒng)靜特性實(shí)際上，在正常運(yùn)實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。不飽和兩種情況。 雙閉環(huán)直流調(diào)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系

13、統(tǒng)的靜特性如圖系統(tǒng)的靜特性如圖所示，所示，圖圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 n0IdIdmIdnomOnABC（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和di*i0n*nIUUnnUU式中式中 ， 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。由第一個(gè)關(guān)系式可得由第一個(gè)關(guān)系式可得 0*nnUn從而得到上圖靜特性的從而得到上圖靜特性的CA段段。 (2-1) n 靜特性的水平特性靜特性的水平特性 與此同時(shí)，由于與此同時(shí)，由于ASR不飽和，不飽和，U*i U*im，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知: Id Idm。 這就是說(shuō)，這就是說(shuō)， CA段靜特性從理想空載段靜

14、特性從理想空載狀態(tài)的狀態(tài)的 Id = 0 一直延續(xù)到一直延續(xù)到 Id = Idm ，而，而 Idm一般都是大于額定電流一般都是大于額定電流 IdN 的。這就的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性水平的特性。 （2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)，這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值輸出達(dá)到限幅值U*im ，轉(zhuǎn)速外環(huán)，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) dm*imdIUI式中，最大電流式中，最大電流 Idm

15、是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速電機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。度。(2-2) n 靜特性的垂直特性靜特性的垂直特性 式（式（2-2）所描述的靜特性是上圖中）所描述的靜特性是上圖中的的AB段，它是段，它是垂直的特性垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，則，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。將退出飽和狀態(tài)。 4). 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用v雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速

16、負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。v當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽后，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)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(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。保護(hù)。 這就是采用了兩個(gè)這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的統(tǒng)靜特性好。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為了

17、避免零點(diǎn)飄移而采用了避免零點(diǎn)飄移而采用 “準(zhǔn)準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。靜差，如上圖中虛線所示。 2.1.3 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算各變量的穩(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，當(dāng)兩個(gè)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系 0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(2-3) (2-5) (2-4) 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上， 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)

18、速 n 是由給定電壓是由給定電壓U*n決定的；決定的； ASR的輸出量的輸出量U*i是由負(fù)載電流是由負(fù)載電流 IdL 決定的；決定的； 控制電壓控制電壓 Uc 的大小則同時(shí)取決于的大小則同時(shí)取決于 n 和和 Id，或，或者說(shuō)，同時(shí)取決于者說(shuō)，同時(shí)取決于U*n 和和 IdL。 這些關(guān)系反映了這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要節(jié)的需要決定的。后面需

19、要PI調(diào)節(jié)器提供調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。飽和為止。n 反饋系數(shù)計(jì)算反饋系數(shù)計(jì)算 鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)電流反饋系數(shù) max*nmnUdm*imIU(2-6) (2-7) 兩個(gè)給定電壓的最大值兩個(gè)給定電壓的最大值U*n

20、m和和U*im由設(shè)由設(shè)計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則如下：計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則如下：vU*nm受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制；源的限制；vU*im 為為ASR的輸出限幅值的輸出限幅值。2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 和動(dòng)態(tài)性能分析和動(dòng)態(tài)性能分析本節(jié)提要本節(jié)提要v雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型v起動(dòng)過(guò)程分析起動(dòng)過(guò)程分析v動(dòng)態(tài)抗擾性能分析動(dòng)態(tài)抗擾性能分析v轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用2.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

21、動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。1). 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*n Uc-IdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E2). 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 圖中圖中WASR(s)和和WACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的

22、傳遞函數(shù)。如果采用采用PI調(diào)節(jié)器，則有調(diào)節(jié)器，則有 ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(2.2.2 起動(dòng)過(guò)程分析起動(dòng)過(guò)程分析 前已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重前已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過(guò)程，因要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過(guò)程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過(guò)程。有必要首先探討它的起動(dòng)過(guò)程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程示于下圖。程示于下圖。圖圖2-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速

23、系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 1). 起動(dòng)過(guò)程起動(dòng)過(guò)程 由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。三個(gè)階段。 第第I階段階段 電流上升的階段（電流上升的階段（0 t1） v突加給定電壓突加給定電壓 U*n 后，后，Id 上升，當(dāng)上升，當(dāng) Id 小小于負(fù)載電流于負(fù)載電流 IdL 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)

24、。v當(dāng)當(dāng) Id IdL 后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值較大，其輸出電壓保持限幅值 U*im，強(qiáng)，強(qiáng)迫電流迫電流 Id 迅速上升。迅速上升。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第I階段（續(xù)）階段（續(xù)）第第 I 階段（續(xù)）階段（續(xù)）v直到，直到，Id = Idm ， Ui = U*im 電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器很快就壓制很快就壓制 Id 了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段

25、的結(jié)束。階段的結(jié)束。 在這一階段中，在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而持飽和狀態(tài)，而ACR一般一般不飽和。不飽和。第第 II 階段階段 恒流升速階段（恒流升速階段（t1 t2） v在這個(gè)階段中，在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流U*im 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流持電流 Id 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 I

26、I 階段（續(xù)）階段（續(xù)）第第 II 階段（續(xù)）階段（續(xù)）v與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E 也按線性增也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，E 是一個(gè)線性是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)， Ud0和和 Uc 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 Id 恒定。恒定。v當(dāng)當(dāng)ACR采用采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)，的恒值，也就是說(shuō)， Id 應(yīng)略低于應(yīng)略低于 Idm。第第 II 階段

27、（續(xù)）階段（續(xù)） 恒流升速階段是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。恒流升速階段是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。 為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)程中動(dòng)過(guò)程中 ACR是不應(yīng)飽和的，電力電子裝是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置置 UPE 的最大輸出電壓也須留有余地，這的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。第第 階段階段 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后）以后） v當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值分作用還維持在限

28、幅值U*im ，所以電機(jī)仍，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。v轉(zhuǎn)速超調(diào)后，轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使輸入偏差電壓變負(fù)，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)， U*i 和和 Id 很快下降。很快下降。但是，只要但是，只要 Id 仍大于負(fù)載電流仍大于負(fù)載電流 IdL ，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。就繼續(xù)上升。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 階段（續(xù)）階段（續(xù)）第第 階段（續(xù)）階段（續(xù)）v直到直到Id = IdL時(shí)，時(shí)，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩Te= TL ，則，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值才到達(dá)峰值（t = t3時(shí)）。時(shí)

29、）。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 階段（續(xù)）階段（續(xù)）此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力始在負(fù)載的阻力下減速，與此相下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)應(yīng)，在一小段時(shí)間內(nèi)（間內(nèi)（ t3 t4 ），）， Id IdL ，直到穩(wěn)，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一些好，也會(huì)有一些振蕩過(guò)程。振蕩過(guò)程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 階段（續(xù)）階段（續(xù)） 在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和和ACR都不飽和，都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)

30、起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而節(jié)作用，而ACR則力圖使則力圖使 Id 盡快地跟隨盡快地跟隨其給定值其給定值 U*i ，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。 2). 分析結(jié)果分析結(jié)果 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)：起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)： （1） 飽和非線性控制；飽和非線性控制； （2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)；轉(zhuǎn)速超調(diào)； （3） 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。 （1） 飽和非線性控制飽和非線性控制 根據(jù)根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)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)：處于完全不同的兩種狀態(tài)：當(dāng)當(dāng)ASR

31、ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)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)；恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)當(dāng)ASRASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表是一個(gè)無(wú)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)?，F(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)）轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于由于ASR采用了飽和非線性控制，起采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使動(dòng)過(guò)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)，轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓的輸入偏差電壓 Un 為為負(fù)值，才能使負(fù)值，才能使ASR退出飽和。退出飽和。 這樣，采用這樣，采用

32、PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 起動(dòng)過(guò)程中的主要階段是第起動(dòng)過(guò)程中的主要階段是第II階段的階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一恒流升速，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(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)程盡分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)程盡可能最快?？赡茏羁?。 這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控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(guò)程可看作為是一個(gè)制。因此，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。

33、 最后，應(yīng)該指出，對(duì)于不可逆的電最后，應(yīng)該指出，對(duì)于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動(dòng)性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，好的起動(dòng)性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車(chē)。必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用自由停車(chē)。必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。 2.2.3 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗重要的動(dòng)

34、態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1). 抗負(fù)載擾動(dòng)抗負(fù)載擾動(dòng)IdL直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗負(fù)載擾作用直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗負(fù)載擾作用抗負(fù)載擾動(dòng)（續(xù)）抗負(fù)載擾動(dòng)（續(xù)） 由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)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)速動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。能指標(biāo)。 圖圖2-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用a)單閉環(huán)系統(tǒng)單閉環(huán)系統(tǒng)2). 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)（續(xù)）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)（續(xù)）-IdLUdb)雙閉環(huán)系統(tǒng)雙閉環(huán)系統(tǒng)Ud電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E3). 對(duì)比分