第六講(雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成及穩(wěn)態(tài)分析)

1、. 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成2. 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析3. 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)分析4. 自動控制系統(tǒng)的工程設計方法自動控制系統(tǒng)的工程設計方法第三章第三章 直流調速系統(tǒng)直流調速系統(tǒng)作業(yè)作業(yè): : 習題習題 3-1( ) ，3-2*nmim10VUU.主要原因主要原因 （1 1）在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中用一個調節(jié)器）在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中用一個調節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難以進行調節(jié)器動態(tài)參數(shù)的調整，系統(tǒng)的以進行調節(jié)器動態(tài)參數(shù)的調整，系統(tǒng)的動態(tài)性能（動態(tài)品質）不夠好動態(tài)性能（

2、動態(tài)品質）不夠好。（2 2）采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)來限制起、制）采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)來限制起、制動電流，不能充分利用電動機的過載能力獲動電流，不能充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)響應（即得最快的動態(tài)響應（即最佳過渡過程）最佳過渡過程）。.從交流側引入電流截止負反饋的單閉環(huán)有從交流側引入電流截止負反饋的單閉環(huán)有靜差直流調速系統(tǒng)靜差直流調速系統(tǒng). 如圖如圖3-1 所示，當起動電流達最大值所示，當起動電流達最大值 Idm 后，后，受電流負反饋的作用而降低，使電機的電磁受電流負反饋的作用而降低，使電機的電磁轉矩也隨之減小，加速過程延長。轉矩也隨之減小，加速過程延長。 圖圖3-1 帶電流截止負反

3、饋的單閉環(huán)調速帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程系統(tǒng)的起動過程.理想的起動過程：理想的起動過程：起動電流呈方波，起動電流呈方波，轉速線性增長，如圖轉速線性增長，如圖3-23-2所示。所示。 這是在最大電流這是在最大電流（轉矩）受限制（轉矩）受限制時調速系統(tǒng)所能時調速系統(tǒng)所能獲得的最快起動獲得的最快起動過程。過程。圖圖3-2 理想的快速起動過程理想的快速起動過程ILntIdOIdmn.解決思路解決思路 實現(xiàn)在允許條件下最快起動的實現(xiàn)在允許條件下最快起動的 關鍵是要獲得一段使電流保持為最大關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值值 Idm 的恒流過程。的恒流過程。 按照反饋控制規(guī)律，按照反饋控制

4、規(guī)律，采用電流采用電流負反饋能夠得到近似的恒流過程。負反饋能夠得到近似的恒流過程。.二、轉速、電流雙閉環(huán)二、轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)直流調速系統(tǒng) 為了實現(xiàn)最佳過渡過程為了實現(xiàn)最佳過渡過程，可，可在系在系統(tǒng)中分別引入轉速、電流負反饋。統(tǒng)中分別引入轉速、電流負反饋。 方法：方法：設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，速和電流，且且實行嵌套（或稱串級）實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接。聯(lián)接。.+TGnASRACR+-UnUi+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG圖圖3-3 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構1. 1. 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成ASR轉速

5、調節(jié)器轉速調節(jié)器 ACR電流調節(jié)器電流調節(jié)器 TG測速發(fā)電機測速發(fā)電機TA電流互感器電流互感器 UPE電力電子變換器電力電子變換器內環(huán)內環(huán)外外 環(huán)環(huán)ni*nU*iUinner loop/minor loop（內環(huán)）（內環(huán)）outer loop/major loop.圖圖3-4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖 +-TG+-+-RP2R0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-+*nU*iU. 輸出限幅電路的作用：輸出限幅電路的作用：限制調節(jié)器輸出電限制調節(jié)器輸出電壓的最大值，以壓的最大值，以保證運算放大器

6、的線性特性保證運算放大器的線性特性( (即不進入飽和狀態(tài)）、并保護調速系統(tǒng)的即不進入飽和狀態(tài)）、并保護調速系統(tǒng)的各個部件。各個部件。 輸出限幅電路：外限幅和內限幅兩種。輸出限幅電路：外限幅和內限幅兩種。2. 2. PI 的的輸出限幅電路輸出限幅電路.（1 1）二極管鉗位的外限幅電路）二極管鉗位的外限幅電路1i1C1R0R0iRinUA2R1VD2VDcU1RP2RP0U+ + +MN .3. 調節(jié)器輸出限幅值的整定調節(jié)器輸出限幅值的整定 轉速調節(jié)器轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅值的輸出限幅值Uim：?。喝Q于電動機所允許的過載能力和系統(tǒng)對決于電動機所允許的過載能力和系統(tǒng)對最大加速度的需要。最大加速

7、度的需要。 電流調節(jié)器電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓的輸出限幅電壓Ucm： 對應最小控制角，限制了電力電子變換器的對應最小控制角，限制了電力電子變換器的最大輸出電壓最大輸出電壓Udm。.4. 調節(jié)器鎖零調節(jié)器鎖零 只有只有 Un*=Un=0時，時， 調節(jié)器鎖零，調節(jié)器鎖零， UO=0 。1C1R0R鎖零控制信號鎖零控制信號+ +- -+ +inURoU.雙閉環(huán)雙閉環(huán)VM不可逆調速系統(tǒng)實驗原理圖不可逆調速系統(tǒng)實驗原理圖.3.2 雙閉環(huán)雙閉環(huán)(Dual Closed Loop) 調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析+-TG+-+-RP2Un*R0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACR

8、LMRP1UnUi*LM+MTAIdUdMTGUPE+-+-+雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖 .圖圖3-5 系統(tǒng)的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖穩(wěn)態(tài)結構圖Ks1Ce- -nU+ +-RiU+ +表示限幅輸出表示限幅輸出*nUnU*iUdUcUEndI. 問題問題1 1：雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度是否還受給定電源和反饋檢測裝置是否還受給定電源和反饋檢測裝置的精度的影響？的精度的影響？ 問題問題2 2：試分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)抗擾性能。試分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)抗擾性能。.一、系統(tǒng)的靜特性一、系統(tǒng)的靜特性1、具有限幅輸出的具有限幅輸出的PI調節(jié)器調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征的穩(wěn)態(tài)特征（1）當調

9、節(jié)器當調節(jié)器飽和飽和時，時，輸出限幅值，且不輸出限幅值，且不 再受輸入量變化的影響，再受輸入量變化的影響，除非有反向的除非有反向的 輸入量使調節(jié)器退出飽和；輸入量使調節(jié)器退出飽和；（2）當調節(jié)器當調節(jié)器不飽和不飽和時時，其比例積分控制作其比例積分控制作 用總是使用總是使穩(wěn)態(tài)輸入偏差電壓穩(wěn)態(tài)輸入偏差電壓U為零。為零。.2、系統(tǒng)的靜特性、系統(tǒng)的靜特性 系統(tǒng)的靜特性與系統(tǒng)的靜特性與具有限幅輸出的具有限幅輸出的 PI PI 調節(jié)器調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征有關。的穩(wěn)態(tài)特征有關。 對于靜特性來說，只需考慮轉速調節(jié)器的飽對于靜特性來說，只需考慮轉速調節(jié)器的飽和、不飽和兩種情況和、不飽和兩種情況。 【因為系統(tǒng)正常運行

10、時，電流調節(jié)器不會達到預先因為系統(tǒng)正常運行時，電流調節(jié)器不會達到預先設計好的飽和狀態(tài)設計好的飽和狀態(tài)( (Saturation State) )】.（1）轉速調節(jié)器不飽和時的靜特性）轉速調節(jié)器不飽和時的靜特性 兩個調節(jié)器都不飽和，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都為零。差電壓都為零。 Un = Un*- Un =0 n = Un* /=n0 Ui=0 Ui*=Ui=Id n0 0IINd dn0 0Un ：ASR的輸入的輸入 偏差電壓偏差電壓Ui ：ACR的輸入的輸入 偏差電壓偏差電壓.（2）轉速調節(jié)器飽和時的靜特性）轉速調節(jié)器飽和時的靜特性 當轉速調節(jié)器當轉

11、速調節(jié)器ASRASR飽和時，飽和時，其輸出其輸出達限幅值達限幅值Uim，轉速環(huán)呈開環(huán)轉速環(huán)呈開環(huán)(Open Loop)狀態(tài)狀態(tài)，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流電流無靜差單閉環(huán)恒流調節(jié)系統(tǒng)無靜差單閉環(huán)恒流調節(jié)系統(tǒng)。.+-TG+-+-RP2Un*R0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnUi*LM+MTAIdUdMTGUPE+-+-+雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖 .單閉環(huán)恒流調節(jié)系統(tǒng)電路原理圖單閉環(huán)恒流調節(jié)系統(tǒng)電路原理圖 .（2）轉速調節(jié)器飽和時的靜特性）轉速調節(jié)器飽和時的靜特性 穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時 Id=Uim / =Idm 最大電流

12、最大電流Idm是由設計者是由設計者選定的，取決于電動機所選定的，取決于電動機所允許的最大過載能力和系允許的最大過載能力和系統(tǒng)允許的最大加速度。統(tǒng)允許的最大加速度。 靜特性為圖中靜特性為圖中B-C段段n0 0IINdIdmn0 0AB BC C. 負載電流小于負載電流小于Idm時表現(xiàn)為時表現(xiàn)為轉速無靜差；轉速無靜差； 當當負載電流達到負載電流達到 Idm后后表表現(xiàn)為現(xiàn)為電流無靜差電流無靜差，系統(tǒng)獲，系統(tǒng)獲得過電流自動保護。得過電流自動保護。n0 0IINdIdmn0 0AB BC C雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性 但實際上，靜特性的兩段都略有很小的靜但實際上，靜特性的兩段都略有很小

13、的靜差，如上圖中虛線所示。差，如上圖中虛線所示。.實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零并不是無窮大，特別是為了避免零點飄移而采用點飄移而采用 “準準PIPI調節(jié)器調節(jié)器”時，時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。靜差，如上圖中虛線所示。 .3. 兩個調節(jié)器的作用兩個調節(jié)器的作用 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在負載電流小于雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在負載電流小于Idm時表時表現(xiàn)為轉速無靜差，轉速負反饋起主要調現(xiàn)為轉速無靜差，轉速負反饋起主要調節(jié)作用。節(jié)作用。 當負載電流達到當負載電流達到 Idm 后，轉速調節(jié)器飽后，轉

14、速調節(jié)器飽和輸出限幅值，電流調節(jié)器起主要調節(jié)和輸出限幅值，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流自動保護。電流自動保護。.二、系統(tǒng)中各變量間的穩(wěn)態(tài)關系二、系統(tǒng)中各變量間的穩(wěn)態(tài)關系Un* = Un =n=n0 Ui *= Ui =Id =ILUd=Cen+IdR =Ce Un* /+ILRUc=Ud/Ks n0 0IINd dIdmn0 0AC CD DB BI1 11、當系統(tǒng)處于正常穩(wěn)定運行狀態(tài)（如當系統(tǒng)處于正常穩(wěn)定運行狀態(tài)（如 圖中圖中A A、B B點處）時，有點處）時，有. n=0, Un =0 Un = Un* Ud=Cen+IdR =IdmR Uc=Ud/Ksn0 0IINd dIdmn0 0AC CD DB BI1 12 2、當系統(tǒng)處于、當系統(tǒng)處于堵轉（堵轉（Block)Block)穩(wěn)定運行狀態(tài)穩(wěn)定運行狀態(tài)(Steady (Steady Operation State) Operation State)（圖中圖中D D點處點處) )時，有時，有.三、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)（三、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)（Steady-state Parameter)的計算的計算 由于采