双闭环直流调速系统和调节器的工程设计

转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法电力拖动自动控制系统第2章河南科技大学自动化系卜文绍河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统内容提要转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。本章着重阐明：其控制规律、性能特点和设计方法，也是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统•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数学模型和动态性能分析（从起动和抗挠两方面分析其性能，与“转速”、“电流”两个调节器的作用）•一般调节器的工程设计方法•按工程设计方法设计双闭环系统的调节器•了解弱磁控制的直流调速系统内容提要河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统2.1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性•开环调速系统:特性软。•比例调节转速单闭环系统：有静差,堵转电流大;即使加电流截至负反馈环节,运行时仍有静差。•采用PI调节器的转速负反馈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。1.问题的提出如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等。转速单闭环调速系统的局限性:河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统主要原因在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值Idcr以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统图2-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形IdLntIdOIdmIdcrn河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统如何提高快速性？看:速度控制与电流控制的关系.2.速度控制与电流控制的关系dtdnGDTTLe3752dmeICT所以:为提高快速性，需在充分利用电机过载能力（Id=Idm）的情况下,使电机以最大加速度，升速或减速。,dtdnCGDIImLd3752所以:LLmTIC河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统b)理想的快速起动过程IdLnIdm图2-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形3.理想的起动过程tIdOn•在过渡过程中：始终保持电流（转矩）为允许的最大值,使电力拖动系统以最大的加速度起动；•达到稳态转速后：立即让电流降下来。使转矩与负载相平衡，转入稳态运行。对于经常正、反转运行的调速系统（龙门刨床、可逆轧钢机等），尽量缩短起、制动过程时间是提高生产效率的重要因素。可在最大允许电流限制的条件下，充分利用电机的过载能力。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统4.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。同时，希望能实现：•起动过程中:只有电流负反馈,没有转速负反馈。•达到稳态后:转速负反馈起主导作用;电流负反馈仅为电流随动子系统。在原（转速）单闭环直流调速系统中再添加“电流”负反馈，就构成转速、电流双闭环调速系统。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统2.1.1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。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG1.系统的组成图2-2转速、电流双闭环直流调速系统结构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—电力电子变换器内环外环ni图中：1）把转速调节器的输出作电流调节器的输入；2）再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。•从闭环结构上看：电流环为内环；转速环为外环。——这就形成了转速、电流双闭环调速系统。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统2.系统电路原理结构为获得良好的静、动性能,转速和电流用PI调节器。说明：图中标出的两个调节器输入输出电压的实际极性,是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的,并考虑到运算放大器的倒相作用。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统2.系统电路原理结构（续）•转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；•电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。两个调节器的输出都带限幅给定电压极性与单环系统不同。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统•限幅电路河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统•电流检测电路河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统2.1.2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。可很方便地根据原理图画出。注意：用带限幅的输出特性表示PI调节器。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统1.系统稳态结构框图图2-4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/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-UiUPE分析静特性的关键是掌握这种PI调节器的稳态特征。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统限幅作用①饱和——输出达到限幅值当调节器饱和时,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。②不饱和——输出未达到限幅值当调节器不饱和时,PI的作用使输入偏差电压在稳态时总是零。分析静特性的关键是掌握带输出限幅PI调节器的稳态特征。存在两种状况：河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统3.系统静特性实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统为什么电流调节器一般不饱和？•Tm比Tl时常大很多,电流跟踪性能快得多;•起动过程中,Id≤Idm;而转速越低,E越小;Udo=E+Rid也较小且渐升,所需控制电压Uc也是线性变化;•（起动后）运行时:Id下降到id=IdL(Idm),ASR退饱和,U*i下降,Uc,Udo也会下降;•饱和如发生也是在起动过程的后期,当转速n升到nN,而id=Idm时（此时Udo较大）;不过一般UPE最大输出电压都留有余量。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统3.系统静特性因实际中,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态。因此,对于静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。图:双闭环直流调速系统的静特性。图2-5双闭环直流调速系统的静特性n0IdIdmIdNOnABC河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统(1)转速调节器不饱和•由于ASR不饱和,U*iU*im,可知:IdIdm。就是说,CA段静特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm（而Idm一般都是大于额定电流IdN的）。•这就是静特性的运行段，具有水平特性。di*i0n*nIUUnnUU式中:,—转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得：从而得到上图静特性的CA段，运行段。0*nnUn(2-1)静特性的水平特性河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统(2)转速调节器饱和ASR输出达限幅值U*im;转速外环呈开环状,转速变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一电流无静差单电流闭环调节系统。•式(2-2)所描述的静特性是上图中的AB段,它是垂直的特性。•这样的下垂特性只适合于nn0的情况。因为如果nn0,则UnU*n,ASR将退出饱和状态。式中:最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。dm*imdIUI(2-2)稳态时:静特性的垂直特性河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统3.两个调节器的作用•双闭环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,表现为电流无静差,得到过电流的自动保护。Ks1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-UiUPE河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统3.两个调节器的作用•负载电流小于Idm时表现为转速无静差,转速负反馈起主要调节作用。(运行段)。•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,电流无静差。（起动段）。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而实际上:①运算放大器的开环放大系数并不是无穷大;②为了避免零点飘移而采用“准PI调节器”。静特性的两段实际上都略有很小的静差,如上图中虚线所示。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统2.1.3各变量的稳态工作点和稳态参数计算稳态工作中,当两个调节器都不饱和时,各变量之间有下列关系:0n*nnnUU(2-3)sdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(2-5)dLdi*iIIUU(2-4)表明,用双PI调节器时在稳态工作点上:①转速n是由给定电压U*n决定的;②ASR的输出量U*i是由负载电流IdL决定的;③控制电压Uc的大小,同时取决于n和IdL,或取决于U*n和IdL。河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统PI调节器不同于P调节器的特点这些关系也反映了PI调节器不同于P调节器的特点:•P调节器的输出量总是正比于其输入量;•而PI调节器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。——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，而和无静差系统稳态计算相似。0n*nnnUU(2-3)sdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(2-5)dLdi*iIIUU(2-4)河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统反馈系数计算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max*nmnU（2-6）电流反馈系数dm*imIU（2-7）!河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能本节提要•双闭环直流调速系统的动态数学模型•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河南科技大学《运动控制系统》课件第2章转速电流双闭环控制直流调速系统2.2.1双闭环直流调速系统的动态数学模型在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上,考虑双闭环控制的结构,即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构框图。1.系统动态结构图2-6双闭环直流调速系统的动态结构框图U*nUc-IdLnUd0Un+---UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E注:为了引出电流反馈，在电动机的