轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析

2.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析一、教學(xué)目的與教學(xué)要求三、教學(xué)時(shí)間2學(xué)時(shí)1初步了解雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型2定性分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程分析3具備分析轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能的能力4了解ASR、ACR兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用二、教學(xué)內(nèi)容2.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)特性分析四、教學(xué)思路流程五、教學(xué)過(guò)程

動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程分析動(dòng)態(tài)抗擾性能分析兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用2.4.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型一、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)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)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E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)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?？磮D說(shuō)話——參數(shù)意義二、

數(shù)學(xué)模型WASR(s)和WACR(s)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)。U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有2.4.2起動(dòng)過(guò)程分析

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)程示于右圖所示。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。n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

一、起動(dòng)過(guò)程分析由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)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I、II、III三個(gè)階段。1、第I階段電流上升的階段（0~t1）突加給定電壓U*n后，Id上升，當(dāng)Id

小于負(fù)載電流IdL

時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)Id≥

IdL

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)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值U*im，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。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

IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt直到，Id=Idm

，

Ui

=U*im

電流調(diào)節(jié)器很快就壓制Id

了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。2、第II階段恒流升速階段（t1~t2）

IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt

在這個(gè)階段中，ASR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U*im

給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id

恒定因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器ACR能否進(jìn)入飽和？恒流升速階段是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段?。CR是不應(yīng)飽和的！另外，電力電子裝置UPE（V系統(tǒng)或PWM系統(tǒng)）的最大輸出電壓也須留有余地，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的??！3、第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2以后）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，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U*im

，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，U*i

和Id

很快下降。但是，只要Id

仍大于負(fù)載電流IdL

，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt看圖說(shuō)話？？（

t2以后）控制的物理過(guò)程：直到Id

=IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te=TL

，則dn/dt

=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t=t3時(shí)）。什么時(shí)候（條件），轉(zhuǎn)速n才到達(dá)最大的峰值？看圖說(shuō)話：IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

ttIdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt在（t3~t4

）時(shí)間段內(nèi)，由于此時(shí)

Id<IdL

，Te<TL，所以電動(dòng)機(jī)在負(fù)載的阻力下減速，直到穩(wěn)定Id=IdL

Te=TL

系統(tǒng)進(jìn)入速度恒定控制！如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一些振蕩過(guò)程。在（t3~t4

）時(shí)間段內(nèi)，如圖所示，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始減速，為什么呢？在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使Id

盡快地跟隨其給定值U*i

，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。第Ⅲ階段（t3~t4

）工作波形分析二、起動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)分析1、

飽和非線性控制起動(dòng)過(guò)程中，可根據(jù)速度調(diào)節(jié)器ASR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)：（1）當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)（恒值輸出），系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流值控制的單閉環(huán)系統(tǒng)；（2）當(dāng)ASR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)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。也就是說(shuō)，該系統(tǒng)在不同的控制階段，呈現(xiàn)不同的控制結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的原因又是ASR飽和造成的，因而，稱該系統(tǒng)為飽和非線性！由于ASR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，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓△Un

為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有有超調(diào)么？問(wèn)題：即采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必須有超調(diào)（盡管超調(diào)不是我們所希望的）！2、

轉(zhuǎn)速超調(diào)問(wèn)題3、準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制但是，通過(guò)分析我們知道：可以認(rèn)為該過(guò)程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)“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。時(shí)間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱為“時(shí)間最優(yōu)控制”！電動(dòng)機(jī)在允許過(guò)載能力下的恒流起動(dòng)，就是“時(shí)間最優(yōu)控制”！起動(dòng)過(guò)程中包括電流建立、恒流升速和速度調(diào)整等三個(gè)階段，其中電流最大化的控制僅僅體現(xiàn)在第II階段的恒流升速，而其它兩個(gè)階段中，電流是非“最大化”的！n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

2.4.3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。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。因而，我們?cè)诖酥饕治鲈撓到y(tǒng)在抗負(fù)載擾動(dòng)、抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tl

s+1R

TmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗負(fù)載擾作用一、抗負(fù)載擾動(dòng)過(guò)程分析±?IdL1、負(fù)載擾動(dòng)分析

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ACR對(duì)此擾動(dòng)是無(wú)能為力的，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。因而，在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗負(fù)載擾動(dòng)性能指標(biāo)。

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tl

s+1R

TmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗負(fù)載擾作用2、負(fù)載擾動(dòng)的抑制±?IdL二、

抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用（單閉環(huán)系統(tǒng)）U*n-IdLUn+-ASR

1/CenUd01/R

Tl

s+1R

TmsIdKsTss+1-E±?Ud1、單閉環(huán)系統(tǒng)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)分析在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量n較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。2、雙閉環(huán)系統(tǒng)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)分析直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用（

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

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tl

s+1R

TmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E±?Ud雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。-IdL2.4.4轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用

綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下：一、