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多环控制的直流调速系统,第 二 章,自动控制系统,转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性双闭环直流调速系统的动态特性直流电动机的双域控制,内容提要,第一节 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性,一、单闭环调速系统存在的问题,采用PI调节器后的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动、突加负载、动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。,问题,主要原因,单闭环系统中不能直接控制电流和转矩的动态过程。而是靠转速降落形成Un 后，控制UPE来控制Udo 来进行间接控制。,设计的调节器的动态参数难以保证两种调节过程具有良好的动态品质。一个调节器综合了多种信号，完成两种任务：正常负载时实现转速调节；电流超过临界值，进行电流调节。对扰动的抑制能力差：等到转速出现偏差才能进行调节，因而n大。,单闭环调速系统的缺点,起动时间长：采用截流负反馈后，起动过程中要等到电枢电流上升到 时，截流负反馈起作用又把电流压了下来，仅靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，不能很好地控制电流的动态波形。理想起动过程应该在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，立即转入稳态运行。,性能比较,*带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图 所示，起动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。,带电流截止负反馈的单闭环调速系统,*理想起动过程波形如图所示，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。,理想的快速起动过程,解决思路,为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。,我们希望能实现如下控制：（1）起动过程中，只有电流负反馈，没有转速负反馈。（2）稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？只用一个调节器时不可能的，必须用两个调节器分别调节n和I，构成转速电流双闭环调节系统。,二、转速、电流双闭环直流调速系统的组成,为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。,+,TG,n,ASR,ACR,U*n,+,-,Un,Ui,U*i,+,-,Uc,TA,M,+,-,Ud,Id,UPE,-,转速、电流双闭环直流调速系统结构,系统的组成,ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器,n,i,两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈；电流内环、转速外环，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，二者嵌套连接；调节器均采用PI调节器；调节器均设成带限幅的；稳态时Ui0（电流无静差），Un0（转速无静差）。,三、稳态结构图和静特性,为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。,系统稳态结构框图,双闭环直流调速系统的稳态结构框图转速反馈系数 电流反馈系数,Ks,1/Ce,U*n,Uc,Id,E,n,Ud0,Un,+,+,-,ASR,+,U*i,-IdR,R,ACR,-,Ui,UPE,PI调节器的稳态特性,存在两种状况：饱和输出达到限幅值 此时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。,不饱和输出未达到限幅值 此时，反馈信号紧紧跟随给定信号，稳态时，U0。正常运行时，ACR不会达到饱和，ASR存在饱和和不饱和两种情况。,系统静特性,双闭环直流调速系统的静特性,n0,Id,Idm,IdN,O,n,A,B,C,CA段：水平特性,运行段为一水平的直线,ASR不饱和,直线由 延伸至 处。,AB段：垂直特性,ASR 饱和，转速外环开环。双闭环系统为一电流单闭环调速系统，系统获得一很好的下垂特性。,（1）稳态时,最大电流 由设计者选定，取决于电机的过载能力和拖动系统允许的加速度,（2）只适用于 情况，时，ASR将退出饱和。,两点说明,两个调节器的作用,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。当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。,IdIdm时，ASR输出达到，系统表现为电流无静差，电流调节器起主要作用，维持Id 不变。,结论：,五、各变量的稳态工作点和稳态参数计算,双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系,上述关系表明，在稳态工作点上：转速 n 是由给定电压U*n决定的；ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的；控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。,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决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。,反馈系数计算,鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：,转速反馈系数,电流反馈系数,两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定，设计原则如下：U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；U*im 为ASR的输出限幅值。,第二节 双闭环直流调速系统的动态特性,本节提要突加给定起动过程分析动态抗扰性能分析转速和电流两个调节器的作用双闭环调速系统起动过程中的特点,一、突加给定起动过程分析,动态性能指标包括跟随性能指标和抗干扰性能指标。双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图。,双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形,FLASH,起动过程,设系统起动前处于停车状态：Un*=0,Ui=0,Uct=0,n=0,Ui*=0,900,Ud0=0，当输入一阶跃信号时，系统进入起动过程。按照转速调节器ASR在起动过程中经历的不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程分成图中标明的I、II、III三个阶段。,第I阶段 电流上升的阶段（0 t1）,突加Un*Un很大ASR迅速饱和Ui*Uim*Uct、Ud0、Id迅速上升n上升IdIdm时，Ui Uim*。本阶段：ASR由不饱和迅速饱和（Un增长慢）。ACR不饱和（Ui增长快）。,IdL,Id,n,n*,Idm,O,O,I,II,III,t4,t3,t2,t1,t,t,第 II 阶段 恒流升速阶段（t1 t2）,ASR饱和 Ui*Uim*IdIdm（最佳过渡过程概念）电机以恒加速度上升（n线性上升至n*）nE Id Ui Ui Uct Ud0 Id（Id维持Idm不变）,本阶段说明：由于n的线性增长，使E为一个线性渐增的干扰量，ACR起调节作用，使Uct和Ud0基本上线性增长；调整过程中，Id略低于Idm，保证U0,Uct线性上升。,n,IdL,Id,n*,Idm,O,O,I,II,III,t4,t3,t2,t1,t,t,恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中 ACR是不应饱和的，电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。,第 阶段转速调节阶段（t2 以后）,Un0(n n*)ASR仍饱和Ui Uim*Id IdmILnn*Un0 ASR退饱和 Ui*Uim*Id Id IL n n（转速可能会经过几次振荡，但转速环会进行调节）,IdL,Id,n,n*,Idm,O,O,I,II,III,t4,t3,t2,t1,t,t,本阶段 ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使 Id 尽快地跟随其给定值 U*i，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。ASR和ACR同时参与调节；ACR的调节受ASR输出的支配。,结论起动过程中，ASR饱和后，系统成为恒流调节系统；ASR退饱和后，系统达到稳定运行时，表现为一转速无静差调速系统,1/Ce,U*n,n,Ud0,Un,+,-,ASR,1/R,Tl s+1,R,Tms,Ks,Tss+1,ACR,U*i,Ui,-,-,E,Id,抗负载扰动,直流调速系统的动态抗负载扰作用,三、动态抗扰性能分析,由双闭环调速系统的动态结构图可以看出，负载扰动作用在电流环之外，转速环之内，所以双闭环调速系统在抗负载扰动方面和单闭环调速系统只能依靠转速环来进行抗扰调节。,直流单闭环调速系统的动态抗扰作用,抗电网电压扰动,由动态结构图知：电网电压扰动在电流环之内，电压扰动尚未影响到转速前就已经为电流环所抑制。因而双环系统中电网电压扰动引起的动态速降（升）比单环小得多。,对比分析,在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。,分析结果,因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。,四、转速和电流两个闭环的作用,电流环的作用（1）在转速的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压变化；（2）起动过程中，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；（3）对于电网电压的扰动起到及时抗扰作用；（4）当电动机过载，甚至堵转时，限制电枢电流为，并获得理想下垂特性，从而起到快速安全保护作用。,转速环的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。,五、双闭环直流调速系统的起动过程特点,（1）饱和非线性控制（2）转速超调（3）准时间最优控制,（1）饱和非线性控制,根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统。当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。,（2）转速超调,由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，ASR 的输入偏差电压 Un 为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。,（3）准时间最优控制,起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。,最后，应该指出，对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。,第三节 直流电动机的双域控制,本节提要双域控制概念双域控制调速系统原理,调速区域,双域控制,基速以下（满磁下调压）：调压调速,基速以上（满压下调磁）：弱磁升速,*调压和调磁相结合后，调速范围可达25：1,调压调速TM=CTId TM=CTInomconst（恒转矩调速）,只有在nnnom，PPnom。nnnom时PPnom,电机容量没有充分利用。,不变,不变,弱磁升速保持电枢电压为额定电压Unom不变，减弱磁通。,UE+IdRa,（R很小）,（恒功率调速）,时TM,双域控制特性,TM,nom,nnom,nmax,Unom,U,P,TM,U,n,O,变压与弱磁配合控制特性,P,从图中可知：调压与弱磁配合控制只能在基速以上满足恒功率调速的要求，在基速以下，输出功率不得不有所降低。,二、双域控制调速系统原理,在调压调速系统的基础上进行弱磁控制，调压与调磁的给定装置不应该完全独立，而是要互相关联的。从上图可以看出，在基速以下，应该在满磁的条件下调节电压，在基速以上，应该在额定电压下调节励磁，因此存在恒转矩的调压调速和恒功率的弱磁调速两个不同的区段。,实际运行中，需要选择一种合适的控制方法，可以在这两个区段中交替工作，也应该能从一个区段平滑地过渡到另一个区段中去，下图便是一种已在实践中证明很方便有效的控制系统，称作双域控制的调速系统。,系统组成,TVD,AE,双域控制调速系统,TG,n,ASR,ACR,U*n,RPn,-,Un,Ui,U*i,-,Uc,TA,V,M,-,Ud,Id,UPE,-,AFR,+,Uif,+,UPEF,U*if,+,RPe,AER,Ui,-,U*e,Ue,TAF,Uv,+,Ucf,-,特点,电枢电压控制回路仍采用常规的转速、电流双闭环控制；励磁磁场控制回路也有两个控制环：电动势外环和励磁电流内环；电枢电压控制回路和励磁磁场控制回路由电动势运算器AE获得的电动势信号联系在一起，从变压调速转入弱磁升速是依靠这个联系信号自动进行的。,工作原理,控制的基本思想 根据 E=Ke n 原理，若能保持电动势E不变，则减少电动机的励磁磁通，可以达到提高转速的目的。为此，在励磁控制系统中引入电动势调节器 AER，利用电动势反馈，使励磁系统在弱磁调速过程中保持电动势 E 基本不变。,电动势的检测,由于直接电动势比较困难，因此，采用间接检测的方法。通过检测电压 Ud 和电流 Id，根据 E=Ud RId+LdId/dt，由电动势运算器 AE，算出电动势 E 的反馈信号 Ue。电动势的给定 由RP2提供基速时电动势的给定电压Ue*，并使Ue*=95%UN。,控制过程,基速以下调压调速 nUe，AER饱和，相当于电势环开环。其输出限幅值使电动机励磁保持额定值不变，完全靠电枢电压的双闭环调速系统来控制转速。,基速以上弱磁升速:n 95%UN 时，Ue Ue*，AER开始退饱和，电势调节环由开环进入闭环工作，励磁电流给定电压Uif*下降，If和迅速下降。E Ue（ECen）维持Ue Ue*。,调节过程为nE UeAER退饱和 Uif*If E Ue Ue跟随Ue*基本不变，而在下降，n就随的下降而上升，只要Un Un*,n就持续上升，直到Un Un*为止。,
