第六讲(双闭环系统的组成及稳态分析)

第六讲第六讲(双闭环系统的组双闭环系统的组成及稳态分析成及稳态分析)第第 六六 讲讲转速、电流双闭环调速转速、电流双闭环调速系统的组成及其稳态分析系统的组成及其稳态分析内内 容容l l1、转速、电流双闭环调速系统的组成、转速、电流双闭环调速系统的组成l l2、调节器的锁零及其输出限幅值的整、调节器的锁零及其输出限幅值的整 l l 定，调节器输入、输出电压极性的确定定，调节器输入、输出电压极性的确定l l3、双闭环调速系统的稳态分析（稳态结构、双闭环调速系统的稳态分析（稳态结构l l 图和静特性，稳态工作点及其稳态参数图和静特性，稳态工作点及其稳态参数l l 的计算）的计算）要要 求求1、掌握转速和电流调节器输入、输出、掌握转速和电流调节器输入、输出 电压极性的确定方法及其输出限幅电压极性的确定方法及其输出限幅 值的整定方法。值的整定方法。2、能熟练进行系统稳态分析和稳态能熟练进行系统稳态分析和稳态 参数计算。参数计算。作业作业:习题习题 3-1()，3-2 3.1 转速、电流双闭环转速、电流双闭环 直流调速系统的组成原理直流调速系统的组成原理n n一、问题的提出一、问题的提出 采用采用 PI 调节器调节器的转速负反馈的转速负反馈直流调速直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。无静差。但是，但是，若对系统的动态性能要求高若对系统的动态性能要求高（如如要求快速起、制动，突加负载动态速降小等）要求快速起、制动，突加负载动态速降小等），单闭环系统难以满足需要。单闭环系统难以满足需要。主要原因主要原因（1 1）在单闭环调速系统中用一个调节器）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，难综合多种信号，各参数间相互影响，难以进行调节器动态参数的调整，系统的以进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能（动态品质）不够好动态性能（动态品质）不够好。（2 2）采用电流截止负反馈环节来限制起、制）采用电流截止负反馈环节来限制起、制动电流，不能充分利用电动机的过载能力获动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应（即得最快的动态响应（即最佳过渡过程）最佳过渡过程）。从交流侧引入电流截止负反馈的单闭环有从交流侧引入电流截止负反馈的单闭环有静差直流调速系统静差直流调速系统如图如图3-1 所示，当起动电流达最大值所示，当起动电流达最大值 Idm 后，后，受电流负反馈的作用而降低，使电机的电磁受电流负反馈的作用而降低，使电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。转矩也随之减小，加速过程延长。图图3-1 带电流截止负反馈的单闭环调速带电流截止负反馈的单闭环调速系统的起动过程系统的起动过程理想的起动过程：理想的起动过程：起动电流呈方波，起动电流呈方波，转速线性增长，如图转速线性增长，如图3-23-2所示。所示。这是在最大电流这是在最大电流（转矩）受限制（转矩）受限制时调速系统所能时调速系统所能获得的最快起动获得的最快起动过程。过程。图图3-2 理想的快速起动过程理想的快速起动过程ILntIdOIdmn解决思路解决思路 实现在允许条件下最快起动的实现在允许条件下最快起动的 关键是要获得一段使电流保持为最大关键是要获得一段使电流保持为最大值值 Idm 的恒流过程。的恒流过程。按照反馈控制规律，按照反馈控制规律，采用电流采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程。负反馈能够得到近似的恒流过程。二、转速、电流双闭环二、转速、电流双闭环直流调速系统直流调速系统 为了实现最佳过渡过程为了实现最佳过渡过程，可，可在系在系统中分别引入转速、电流负反馈。统中分别引入转速、电流负反馈。方法：方法：设置两个调节器，分别调节转设置两个调节器，分别调节转速和电流，速和电流，且且实行嵌套（或称串级）实行嵌套（或称串级）联接。联接。+TGnASRACR+-UnUi+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG图图3-3 转速、电流双闭环直流调速系统结构转速、电流双闭环直流调速系统结构1.1.系统的组成系统的组成ASR转速调节器转速调节器 ACR电流调节器电流调节器 TG测速发电机测速发电机TA电流互感器电流互感器 UPE电力电子变换器电力电子变换器内环内环外外 环环niinner loop/minor loop（内环）（内环）outer loop/major loop图图3-4 双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图 +-TG+-+-RP2R0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-+输出限幅电路的作用：输出限幅电路的作用：限制调节器输出电限制调节器输出电压的最大值，以压的最大值，以保证运算放大器的线性特性保证运算放大器的线性特性(即不进入饱和状态）、并保护调速系统的即不进入饱和状态）、并保护调速系统的各个部件。各个部件。输出限幅电路：外限幅和内限幅两种。输出限幅电路：外限幅和内限幅两种。2.2.PI 的的输出限幅电路输出限幅电路（1 1）二极管钳位的外限幅电路）二极管钳位的外限幅电路3.调节器输出限幅值的整定调节器输出限幅值的整定转速调节器转速调节器ASR的输出限幅值的输出限幅值Uim：取：取决于电动机所允许的过载能力和系统对决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速度的需要。最大加速度的需要。电流调节器电流调节器ACR的输出限幅电压的输出限幅电压Ucm：对应最小控制角，限制了电力电子变换器的对应最小控制角，限制了电力电子变换器的最大输出电压最大输出电压Udm。4.调节器锁零调节器锁零只有只有Un*=Un=0时，时，调节器锁零，调节器锁零，UO=0。双闭环双闭环VM不可逆调速系统实验原理图不可逆调速系统实验原理图3.2 双闭环双闭环(Dual Closed Loop)调速系统的稳态分析调速系统的稳态分析+-TG+-+-RP2Un*R0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnUi*LM+MTAIdUdMTGUPE+-+-+双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图 图图3-5 系统的系统的稳态结构图稳态结构图问题问题1 1：双闭环调速系统的稳态精度双闭环调速系统的稳态精度是否还受给定电源和反馈检测装置是否还受给定电源和反馈检测装置的精度的影响？的精度的影响？问题问题2 2：试分析系统的稳态抗扰性能。试分析系统的稳态抗扰性能。一、系统的静特性一、系统的静特性1、具有限幅输出的具有限幅输出的PI调节器调节器的稳态特征的稳态特征（1）当调节器当调节器饱和饱和时，时，输出限幅值，且不输出限幅值，且不 再受输入量变化的影响，再受输入量变化的影响，除非有反向的除非有反向的 输入量使调节器退出饱和；输入量使调节器退出饱和；（2）当调节器当调节器不饱和不饱和时时，其比例积分控制作其比例积分控制作 用总是使用总是使稳态输入偏差电压稳态输入偏差电压U为零。为零。2、系统的静特性、系统的静特性 系统的静特性与系统的静特性与具有限幅输出的具有限幅输出的 PI PI 调节器调节器的稳态特征有关。的稳态特征有关。对于静特性来说，只需考虑转速调节器的饱对于静特性来说，只需考虑转速调节器的饱和、不饱和两种情况和、不饱和两种情况。【因为系统正常运行时，电流调节器不会达到预先因为系统正常运行时，电流调节器不会达到预先设计好的饱和状态设计好的饱和状态(Saturation State)】（1）转速调节器不饱和时的静特性）转速调节器不饱和时的静特性两两个个调调节节器器都都不不饱饱和和，稳稳态态时时，它它们们的的输输入入偏偏差电压都为零。差电压都为零。Un=Un*-Un=0 n=Un*/=n0 Ui=0Ui*=Ui=Id Un：ASR的输入的输入 偏差电压偏差电压Ui：ACR的输入的输入 偏差电压偏差电压（2）转速调节器饱和时的静特性）转速调节器饱和时的静特性 当转速调节器当转速调节器ASRASR饱和时，饱和时，其输出其输出达限幅值达限幅值Uim，转速环呈开环转速环呈开环(Open Loop)状态状态，双闭环系统变成一个双闭环系统变成一个电流电流无静差单闭环恒流调节系统无静差单闭环恒流调节系统。+-TG+-+-RP2Un*R0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnUi*LM+MTAIdUdMTGUPE+-+-+双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图 单闭环恒流调节系统电路原理图单闭环恒流调节系统电路原理图（2）转速调节器饱和时的静特性）转速调节器饱和时的静特性稳态时稳态时 Id=Uim/=Idm最大电流最大电流Idm是由设计者是由设计者选定的，取决于电动机所选定的，取决于电动机所允许的最大过载能力和系允许的最大过载能力和系统允许的最大加速度。统允许的最大加速度。静特性为图中静特性为图中B-C段段负载电流小于负载电流小于Idm时表现为时表现为转速无静差；转速无静差；当当负载电流达到负载电流达到 Idm后后表表现为现为电流无静差电流无静差，系统获，系统获得过电流自动保护。得过电流自动保护。双闭环调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性但实际上，静特性的两段都略有很小的静但实际上，静特性的两段都略有很小的静差，如上图中虚线所示。差，如上图中虚线所示。实际上运算放大器的开环放大系数实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用点飘移而采用 “准准PIPI调节器调节器”时，时，静特性的两段实际上都略有很小的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。静差，如上图中虚线所示。3.两个调节器的作用两个调节器的作用双闭环调速系统在负载电流小于双闭环调速系统在负载电流小于Idm时表时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。节作用。当负载电流达到当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱后，转速调节器饱和输出限幅值，电流调节器起主要调节和输出限幅值，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过作用，系统表现为电流无静差，得到过电流自动保护。电流自动保护。二、系统中各变量间的稳态关系二、系统中各变量间的稳态关系Un*=Un=n=n0 Ui*=Ui=Id=ILUd=Cen+IdR=Ce Un*/+ILRUc=Ud/Ks 1、当系统处于正常稳定运行状态（如当系统处于正常稳定运行状态（如 图中图中A A、B B点处）时，有点处）时，有n=0,Un=0 Un=Un*Ud=Cen+IdR =IdmRUc=Ud/Ks2 2、当系统处于、当系统处于堵转（堵转（Block)Block)稳定运行状态稳定运行状态(Steady(Steady Operation State)Operation State)（图中图中D D点处点处)时，有时，有三、系统稳态参数（三、系统稳态参数（Steady-state Parameter)的计算的计算由于采用由于采用PI调节器，因此在稳态时，调节器，因此在稳态时，虽然虽然ASR、ACR的输入偏差电压都为的输入偏差电压都为零，但是二者的积分作用使它们都有零，但是二者的积分作用使它们都有恒定的输出电压。恒定的输出电压。问题问题3 3：如何计算系统稳态参数？：如何计算系统稳态参数？转速、电流反馈系数分别转速、电流反馈系数分别=Unm/nmax =Uim/Idm