轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)動態(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)動態(tài)分析一、教學目的與教學要求三、教學時間2學時1初步了解雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型2定性分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程分析3具備分析轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能的能力4了解ASR、ACR兩個調(diào)節(jié)器的作用二、教學內(nèi)容2.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)特性分析四、教學思路流程五、教學過程

動態(tài)數(shù)學模型轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程分析動態(tài)抗擾性能分析兩個調(diào)節(jié)器的作用2.4.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型一、系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(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)動態(tài)數(shù)學模型的基礎上，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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示?？磮D說話——參數(shù)意義二、

數(shù)學模型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起動過程分析

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于右圖所示。設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

一、起動過程分析由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。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Id

小于負載電流IdL

時，電機還不能轉(zhuǎn)動。當Id≥

IdL

后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，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，強迫電流Id迅速上升。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(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，標志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(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

在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(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。為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器ACR能否進入飽和？恒流升速階段是起動過程中的主要階段?。CR是不應飽和的！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，設計時必須注意的??！3、第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2以后）當轉(zhuǎn)速上升到給定值時，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，使它開始退出飽和狀態(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看圖說話？？（

t2以后）控制的物理過程：直到Id

=IdL時，轉(zhuǎn)矩Te=TL

，則dn/dt

=0，轉(zhuǎn)速n才到達峰值（t=t3時）。什么時候（條件），轉(zhuǎn)速n才到達最大的峰值？看圖說話：IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

ttIdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt在（t3~t4

）時間段內(nèi)，由于此時

Id<IdL

，Te<TL，所以電動機在負載的阻力下減速，直到穩(wěn)定Id=IdL

Te=TL

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

）時間段內(nèi)，如圖所示，電動機開始減速，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，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。第Ⅲ階段（t3~t4

）工作波形分析二、起動過程的特點分析1、

飽和非線性控制起動過程中，可根據(jù)速度調(diào)節(jié)器ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：（1）當ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(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ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。也就是說，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，起動過程結(jié)束進入轉(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)速響應一定有有超調(diào)么？問題：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)問題3、準時間最優(yōu)控制但是，通過分析我們知道：可以認為該過程屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個“準時間最優(yōu)控制”。時間最優(yōu)控制：在設備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱為“時間最優(yōu)控制”！電動機在允許過載能力下的恒流起動，就是“時間最優(yōu)控制”！起動過程中包括電流建立、恒流升速和速度調(diào)整等三個階段，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，而其它兩個階段中，電流是非“最大化”的！n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

2.4.3動態(tài)抗擾性能分析

一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。因而，我們在此主要分析該系統(tǒng)在抗負載擾動、抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tl

s+1R

TmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負載擾作用一、抗負載擾動過程分析±?IdL1、負載擾動分析

由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此ACR對此擾動是無能為力的，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。因而，在設計ASR時，應要求有較好的抗負載擾動性能指標。

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tl

s+1R

TmsKsTss+1ACR

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

抗電網(wǎng)電壓擾動直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(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)電壓擾動分析在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量n較遠，調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。2、雙閉環(huán)系統(tǒng)電網(wǎng)電壓擾動分析直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用（

雙閉環(huán)系統(tǒng)）△Ud—電網(wǎng)電壓波動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，由于增設了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。-IdL2.4.4轉(zhuǎn)速和電流兩個調(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、