1、12.4 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)分析一一 、教學(xué)目的與教學(xué)要求、教學(xué)目的與教學(xué)要求三三 、教學(xué)時間、教學(xué)時間 2 學(xué)時學(xué)時1 1 初步了解雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的初步了解雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(tài)數(shù)學(xué)模型2 2 定性分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)定性分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程分析起動過程分析3 3 具備分析轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)系統(tǒng)的具備分析轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能的能力動態(tài)性能的能力4 了解了解ASR、ACR兩個調(diào)節(jié)器的作用兩個調(diào)節(jié)器的作用二、二、 教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容2.42.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)特性分析轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速

2、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)特性分析2四四 、教學(xué)思路流程、教學(xué)思路流程五、五、 教學(xué)過程教學(xué)過程 動態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(tài)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程分析轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程分析動態(tài)抗擾性能分析動態(tài)抗擾性能分析兩個調(diào)節(jié)器的作用兩個調(diào)節(jié)器的作用32.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型一、系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)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)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上

3、，考慮雙閉環(huán)控在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所制的結(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。示。看圖說話看圖說話參數(shù)意義參數(shù)意義4二、二、 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(WASR(s)和和WACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。器的傳遞函數(shù)。U*n Uc-IdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E如果采用如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有調(diào)節(jié)器

4、，則有52.4.2 起動過程分析起動過程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓突加給定電壓U*n由靜止?fàn)钣伸o止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于右圖所示。動態(tài)過程示于右圖所示。 設(shè)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，設(shè)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。動過程。n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 一、起動過程分析一、起動過程分析 由于在起動過程中轉(zhuǎn)由于在起動

5、過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的圖中標(biāo)明的I、II、III三個三個階段。階段。61、第、第I階段階段 電流上升的階段（電流上升的階段（0 t1） 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 小小于負載電流于負載電流 IdL 時，電機還不能轉(zhuǎn)動。時，電機還不能轉(zhuǎn)動。 當(dāng)當(dāng) Id IdL 后，電機開始起動，由后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏的輸入偏差電壓的數(shù)值

6、仍較大，其輸出電壓差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值保持限幅值 U*im，強迫電流，強迫電流 Id 迅速迅速上升。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 t3 t2 t1 tt 直到，直到，Id = Idm ， Ui = U*im 電流電流調(diào)節(jié)器很快就壓制調(diào)節(jié)器很快就壓制 Id 了的增長，標(biāo)了的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。志著這一階段的結(jié)束。 在這一階段中，在這一階段中，ASR很快進入并很快進入并保持飽和狀態(tài)，而

7、保持飽和狀態(tài)，而ACR一般一般不飽和。不飽和。72、第、第 II 階段恒流升速階段（階段恒流升速階段（t1 t2） IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt 在這個階段中，在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流在恒值電流U*im 給定下給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流上保持電流 Id 恒定恒定 因而系統(tǒng)的加速度恒因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。8 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

8、調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器ACR能否進入飽和？能否進入飽和？恒流升速階段是起動過程中的主要階段！恒流升速階段是起動過程中的主要階段！ACR是不應(yīng)飽和的！是不應(yīng)飽和的！ 另外，電力電子裝置另外，電力電子裝置 UPE （V系統(tǒng)或系統(tǒng)或PWM系統(tǒng)）系統(tǒng)）的最大輸出電壓也須留有余地，設(shè)計時必須注意的！的最大輸出電壓也須留有余地，設(shè)計時必須注意的！93、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） 當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的的輸入偏差減少到零，但輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值還維持在限幅值U*im ，所以電

9、機仍在加速，使所以電機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)。 轉(zhuǎn)速超調(diào)后，轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸輸入偏差電壓變負，使它入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，開始退出飽和狀態(tài)， U*i 和和 Id 很快下降。但是，很快下降。但是，只要只要 Id 仍大于負載電流仍大于負載電流 IdL ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt看圖說話？（看圖說話？（ t2 以后）以后）控制的物理過程：控制的物理過程：10 直到直到Id = IdL時，轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)矩矩Te= TL ，則，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速n才到達峰值才到達峰值（t = t3時）

10、。時）。 什么時候（條什么時候（條件），轉(zhuǎn)速件），轉(zhuǎn)速n才到達才到達最大的峰值？最大的峰值？看圖說話：看圖說話：IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt11IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt 在（在（ t3 t4 ）時間段內(nèi)，）時間段內(nèi)，由于此時由于此時 Id IdL ， TeTL，所以電動機在負載的阻力所以電動機在負載的阻力下減速，直到穩(wěn)定下減速，直到穩(wěn)定Id = IdL Te=TL 系統(tǒng)進入速度恒定控制！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。好，也會有一些

11、振蕩過程。 在（在（ t3 t4 ）時間段內(nèi)，如）時間段內(nèi)，如圖所示，電動機開始減速，圖所示，電動機開始減速，為什么呢？為什么呢？ 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起主起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使則力圖使 Id 盡快地跟隨其給定值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)。或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。 第第 階段階段（ t3 t4 ）工作波形分析）工作波形分析12二、起動過程的特點分析二、起動過程的特點分析1、 飽和非線性控制飽和非線性控制 起動過程中，可根據(jù)速度調(diào)節(jié)器

12、起動過程中，可根據(jù)速度調(diào)節(jié)器ASR的飽和與不飽和，整個系的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：（1）當(dāng)）當(dāng)ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)（恒值輸出），（恒值輸出），系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流值系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流值控制的單閉環(huán)系統(tǒng)；控制的單閉環(huán)系統(tǒng)；（2）當(dāng)）當(dāng)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)。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)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)生的原因又是生的原因

13、又是ASR飽和造成的，因而，稱該系統(tǒng)為飽和非線性！飽和造成的，因而，稱該系統(tǒng)為飽和非線性！13 由于由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程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)，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 的輸入偏差電壓的輸入偏差電壓 Un 為負值，才能使為負值，才能使ASR退退出飽和。出飽和。采用采用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？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？問題：問題： 即即采用采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)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)必須有超調(diào)（盡管超調(diào)不是我們所希望的）

14、（盡管超調(diào)不是我們所希望的）！2、 轉(zhuǎn)速超調(diào)問題轉(zhuǎn)速超調(diào)問題143、準(zhǔn)時間最優(yōu)控制、準(zhǔn)時間最優(yōu)控制 但是，通過分析我們知道：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此，整個起動過程可看作為是一個“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。 時間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控時間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱為制稱為“時間最優(yōu)控制時間最優(yōu)控制”！ 電動機在允許過載能力下的恒流起動，就是電動機在允許過載能力下的恒流起動，就是“時間最時間最優(yōu)控制優(yōu)控制”！ 起動過程中包括電流

15、建立、恒流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)在第電流最大化的控制僅僅體現(xiàn)在第II階階段的恒流升速，而其它兩個階段中，段的恒流升速，而其它兩個階段中，電流是非電流是非“最大化最大化”的！的！n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 152.4.3 動態(tài)抗擾性能分析動態(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。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

16、動的性能。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)在抗負載擾因而，我們在此主要分析該系統(tǒng)在抗負載擾動、動、 抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。16 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、一、 抗負載擾動過程分析抗負載擾動過程分析IdL1、負載擾動分析、負載擾動分析 17 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)器對此擾動是無能為力的，只能靠轉(zhuǎn)

17、速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。擾動的作用。因而，在設(shè)計因而，在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗負載擾動性能指標(biāo)。時，應(yīng)要求有較好的抗負載擾動性能指標(biāo)。 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負載擾作用2、負載擾動的抑制、負載擾動的抑制 IdL18二、二、 抗電網(wǎng)電壓擾動抗電網(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-EUd1、單閉環(huán)系統(tǒng)電網(wǎng)電壓擾動分析、單閉環(huán)系統(tǒng)電網(wǎng)電壓擾動分析 在單閉環(huán)

18、調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量在單閉環(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，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。的性能要差一些。192、雙閉環(huán)系統(tǒng)電網(wǎng)電壓擾動分析、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（直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用（ 雙閉環(huán)系統(tǒng)）雙閉環(huán)系統(tǒng)）Ud電網(wǎng)電壓波動在整流電壓上的反映電網(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-EUd 雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)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)速以后才能反饋流反饋得到比較及