双闭环调速系统.ppt
运动控制技术第二部分第二章 双闭环直流调速系统,第二章 双闭环直流调速系统,教学重点：1.转速、电流双闭环调速系统电路的特点；2.启动的第、阶段，ASR、ACR的作用；3.在第阶段，为什么可以恒加速启动？4.双闭环调速静特性有什么特点？,2-1 转速、电流双闭环调速系统及其静特性,一、单闭环调速系统存在的问题 在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器参数的调整，系统的动态性能不够好。环内的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进行调节，因而转速动态降落大。系统中采用电流截止负反馈环节来限制起动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。,在电机最大电流（转矩）受限制条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值。,最佳起动过程:,二、转速、电流双闭环调速系统的组成,1、双闭环调速系统电路原理图,2、双闭环调速系统稳态结构图,电路特点：（1）两个调节器，一环嵌套一环；（2）两个PI调节器均设置有限幅；（3）电流检测采用三相交流电流互感器；（4）电流、转速均实现无静差。,原理图中标出了转速调节器和电流调节器输入输出电压的实际极性，这些极性既要考虑到信号从反向端输入时调节器的倒相作用，又应该使触发器GT的输入得到正极性的控制电压。由于转速与电流调节器采用PI调节器，所以系统处于稳态时，转速和电流均为无静差，即电流调节器ACR的输入偏差，实现电流无静差。转速调节器ASR输入偏差，实现转速无静差。,PI调节器限幅特征：一旦PI调节器限幅（即饱和），其输出量为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反极性的输入信号使调节器退出饱和；即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节器处于断开。而输出未达限幅时，调节器才起调节作用，使输入偏差电压在调节过程中趋于零，而在稳态时为零。,三、双闭环调速系统的静特性,双闭环系统的静特性,特点:,1）n0-A 系统处正常负载运行，ASR不饱和，起调节作用，达到转速无静差，保证系统具有很硬的静特性;电流调节器起辅助调节作用，负载电流大小与电流给定值 成正比，两调节器输入偏差电压都为零，所以无静差式中，n0-理想空载转速。说明：此时转速n与负载电流IdL无关，完全由给定电压所决定。,2）AB段 电机在起动或堵转时，ASR饱和，电流达到，此时转速外环呈开环状态，系统成为恒电流无静差调节系统，在最大电流给定作用下，依靠电流环的自动调节，从而获得很好的下垂特性（A-B段），起到了过流保护作用，稳态时有 3）双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。在起动或堵转时，负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节器作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。,特点:,由以上各关系可以看出，在稳态工作点上，电机转速是由给定电压 决定，ASR的输出量由负载电流IdL决定，而与转速给定值无关，ACR的输出量则同时取决于n和IdL的大小。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要所决定的。,总结:,2-2 双闭环调速系统动态特性,一、双闭环调速系统突加给定起动过程 设置双闭环控制的一个主要的目的就是要获得接近于理想的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压 由静止状态起动时，由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三个阶段，在图中分别标以、和。,设起动前系统处于停车状态，此时，晶闸管的触发脉冲初始相位角，电机转速n=0。当输入一阶跃信号时，系统进入起动的动态过程。,第阶段（0t1）：强迫电流上升的阶段突加给定电压 后，通过两个调节器的控制作用，使n、Id都上升，当Id Il后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压数值 较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流Id迅速上升。电机开始启动。因电流反馈信号随着电流上升迅速增大，使ACR的输入偏差衰减很快，因此ACR的输出电压还达不到饱和值，当电流上升到 Idm 时，ASR 饱和，ACR的作用使Id不再增加，保持动态平衡。第一阶段结束，此时 在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR在此阶段应不能饱和，以保证电流环的调节器的调节作用。这些都是在系统设计时必须考虑和给予保证的。,第I阶段过程可简述如下：此时ASR饱和，维持其输出，ASR相当于开环，对转速不起调节作用，但ACR设计不能饱和，实现电流调节作用,让电流迅速跟随Idm,第阶段：恒流升速阶段（t1t2），即电动机保持最大电流作等加速起动阶段从电流升到最大值Idm开始，到转速升到给定值为止，属于恒流升速阶段，是起动过程的主要阶段。此时ASR一直是处于饱和状态的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，电动机以恒定的加速度上升，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反动势也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，ACR起调节作用，使Ucl和Ud0基本上按线性增长，保持Id恒定，以克服这个扰动。,随着转速不断上升，ACR便不断重复上述恒流调节过程以维持电流恒定，保证转速线性上升，同时，由上述调节过程可以看出该调节过程总能保证电流调节器ACR输入存在，使Ud按线性上升，所以Id略低于Idm。,第阶段调节过程：,第阶段：转速调节阶段（t2 t3）。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，ASR的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压 立即从限幅值降下来，主电流Id随之从Idm迅速降下来。但是由于Id仍大于负载电流IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。到t=t3阶段，Id=IdL时，转速达到峰值(t=t3时)，此后IdIdL，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小于IdL的过程，直到稳定，在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，它使转速迅速趋于给定转速。而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的输出量，电流内环的调节过程是由速度外环所支配，故电流环处从属地位，成为电流随动子系统。,由上分析可以看出，转速，电流双闭环调速系统，在突加节跃给定的起动过程中，巧妙地利用了转速调节器ASR的饱和非线性，使系统成为一个恒流调节系统，ASR退饱和后，系统达到稳定运行，又表现为一个转速无静差调速系统。转速和电流两个调节器各负其责，避免了单环系统中的两种控制作用互相牵制的矛盾。,起动过程可简述如下：,三、双闭环调速系统的抗扰性能 1）抗负载的扰动 2）抗电网电压的扰动 综上所述，转速和电流两个闭环的作用以及双闭环调速系统在起动过程的特点可归纳如下：转速和电流两个闭环的作用：（1）电流环的作用：在转速调节过程中，当负载变化时，电动机电流Id跟随给定电压 变化。在起动过程中，电流环又可限制起动电流，保证在允许最大电流下起动，实现准时间最优控制，对于电网电压的扰动起到及时抗扰作用；当电动机过载，甚至堵转时，限制电枢电流为Idm，并获得理想下垂特性，从而起到快速安全保护作用。（2）转速环的作用：在稳态运行时，转速n跟随给定值 变化，由于ASR的积分作用，使系统达到转速无静差；对负载变化起抗扰作用；ASR一旦限幅，对电流环进行饱和非线性控制，系统进入恒流调节。,习题,2.1 在转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器有哪些作用？其输出限幅值应按什么要求来整定？电流调节器有哪些作用？其输出限幅值应如何整定？2.2 转速、电流双闭环调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差（给定与反馈之差）是多少？它们的输出电压是多少？为什么？2.3 如果转速、电流双闭环调速系统的转速调节器不是PI调节器，而是比例调节器，对系统的静、动态性能会有什么影响？,
