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

1、. 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成2. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析3. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析4. 自動(dòng)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法自動(dòng)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法第三章第三章 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)作業(yè)作業(yè): : 習(xí)題習(xí)題 3-1( ) ，3-2*nmim10VUU.主要原因主要原因 （1 1）在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器）在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難以進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的以進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（動(dòng)態(tài)品質(zhì)）不夠好動(dòng)態(tài)性能（

2、動(dòng)態(tài)品質(zhì)）不夠好。（2 2）采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制起、制）采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制起、制動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力獲動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（即得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（即最佳過(guò)渡過(guò)程）最佳過(guò)渡過(guò)程）。.從交流側(cè)引入電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)有從交流側(cè)引入電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)靜差直流調(diào)速系統(tǒng). 如圖如圖3-1 所示，當(dāng)起動(dòng)電流達(dá)最大值所示，當(dāng)起動(dòng)電流達(dá)最大值 Idm 后，后，受電流負(fù)反饋的作用而降低，使電機(jī)的電磁受電流負(fù)反饋的作用而降低，使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過(guò)程延長(zhǎng)。轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過(guò)程延長(zhǎng)。 圖圖3-1 帶電流截止負(fù)反

3、饋的單閉環(huán)調(diào)速帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程.理想的起動(dòng)過(guò)程：理想的起動(dòng)過(guò)程：起動(dòng)電流呈方波，起動(dòng)電流呈方波，轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)，如圖轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)，如圖3-23-2所示。所示。 這是在最大電流這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快起動(dòng)獲得的最快起動(dòng)過(guò)程。過(guò)程。圖圖3-2 理想的快速起動(dòng)過(guò)程理想的快速起動(dòng)過(guò)程ILntIdOIdmn.解決思路解決思路 實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng)的實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng)的 關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值值 Idm 的恒流過(guò)程。的恒流過(guò)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(fù)反饋能夠得到近似的恒流過(guò)程。負(fù)反饋能夠得到近似的恒流過(guò)程。.二、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)二、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)最佳過(guò)渡過(guò)程為了實(shí)現(xiàn)最佳過(guò)渡過(guò)程，可，可在系在系統(tǒng)中分別引入轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋。統(tǒng)中分別引入轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋。 方法：方法：設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，速和電流，且且實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接。聯(lián)接。.+TGnASRACR+-UnUi+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG圖圖3-3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1. 1. 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成ASR轉(zhuǎn)速

5、調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器 TG測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)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(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)外外 環(huán)環(huán)ni*nU*iUinner loop/minor loop（內(nèi)環(huán)）（內(nèi)環(huán)）outer loop/major loop.圖圖3-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)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(diào)節(jié)器輸出電限制調(diào)節(jié)器輸出電壓的最大值，以壓的最大值，以保證運(yùn)算放大器

6、的線性特性保證運(yùn)算放大器的線性特性( (即不進(jìn)入飽和狀態(tài)）、并保護(hù)調(diào)速系統(tǒng)的即不進(jìn)入飽和狀態(tài)）、并保護(hù)調(diào)速系統(tǒng)的各個(gè)部件。各個(gè)部件。 輸出限幅電路：外限幅和內(nèi)限幅兩種。輸出限幅電路：外限幅和內(nèi)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(diào)節(jié)器輸出限幅值的整定調(diào)節(jié)器輸出限幅值的整定 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值的輸出限幅值Uim：取：取決于電動(dòng)機(jī)所允許的過(guò)載能力和系統(tǒng)對(duì)決于電動(dòng)機(jī)所允許的過(guò)載能力和系統(tǒng)對(duì)最大加速度的需要。最大加速

7、度的需要。 電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓的輸出限幅電壓Ucm： 對(duì)應(yīng)最小控制角，限制了電力電子變換器的對(duì)應(yīng)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(diào)節(jié)器鎖零調(diào)節(jié)器鎖零 只有只有 Un*=Un=0時(shí)，時(shí)， 調(diào)節(jié)器鎖零，調(diào)節(jié)器鎖零， UO=0 。1C1R0R鎖零控制信號(hào)鎖零控制信號(hào)+ +- -+ +inURoU.雙閉環(huán)雙閉環(huán)VM不可逆調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖不可逆調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖.3.2 雙閉環(huán)雙閉環(huán)(Dual Closed Loop) 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析調(diào)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(diào)速系統(tǒng)電路原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)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(jié)構(gòu)圖穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖Ks1Ce- -nU+ +-RiU+ +表示限幅輸出表示限幅輸出*nUnU*iUdUcUEndI. 問(wèn)題問(wèn)題1 1：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度是否還受給定電源和反饋檢測(cè)裝置是否還受給定電源和反饋檢測(cè)裝置的精度的影響？的精度的影響？ 問(wèn)題問(wèn)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(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征的穩(wěn)態(tài)特征（1）當(dāng)調(diào)

9、節(jié)器當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和飽和時(shí)，時(shí)，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(diào)節(jié)器退出飽和；輸入量使調(diào)節(jié)器退出飽和；（2）當(dāng)調(diào)節(jié)器當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和不飽和時(shí)時(shí)，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(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征有關(guān)。的穩(wěn)態(tài)特征有關(guān)。 對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只需考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只需考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和、不飽和兩種情況和、不飽和兩種情況。 【因?yàn)橄到y(tǒng)正常運(yùn)行

10、時(shí)，電流調(diào)節(jié)器不會(huì)達(dá)到預(yù)先因?yàn)橄到y(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器不會(huì)達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)好的飽和狀態(tài)設(shè)計(jì)好的飽和狀態(tài)( (Saturation State) )】.（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)的靜特性）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)的靜特性 兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時(shí)的靜特性）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時(shí)的靜特性 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器當(dāng)轉(zhuǎn)

11、速調(diào)節(jié)器ASRASR飽和時(shí)，飽和時(shí)，其輸出其輸出達(dá)限幅值達(dá)限幅值Uim，轉(zhuǎn)速環(huán)呈開環(huán)轉(zhuǎn)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(gè)，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流電流無(wú)靜差單閉環(huán)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)靜差單閉環(huán)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。.+-TG+-+-RP2Un*R0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnUi*LM+MTAIdUdMTGUPE+-+-+雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 .單閉環(huán)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)電路原理圖單閉環(huán)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)電路原理圖 .（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時(shí)的靜特性）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時(shí)的靜特性 穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí) Id=Uim / =Idm 最大電流

12、最大電流Idm是由設(shè)計(jì)者是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動(dòng)機(jī)所選定的，取決于電動(dòng)機(jī)所允許的最大過(guò)載能力和系允許的最大過(guò)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(fù)載電流小于負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差；轉(zhuǎn)速無(wú)靜差； 當(dāng)當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到負(fù)載電流達(dá)到 Idm后后表表現(xiàn)為現(xiàn)為電流無(wú)靜差電流無(wú)靜差，系統(tǒng)獲，系統(tǒng)獲得過(guò)電流自動(dòng)保護(hù)。得過(guò)電流自動(dòng)保護(hù)。n0 0IINdIdmn0 0AB BC C雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 但實(shí)際上，靜特性的兩段都略有很小的靜但實(shí)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(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為了避免零并不是無(wú)窮大，特別是為了避免零點(diǎn)飄移而采用點(diǎn)飄移而采用 “準(zhǔn)準(zhǔn)PIPI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器”時(shí)，時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜特性的兩段實(shí)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(gè)調(diào)節(jié)器的作用兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載電流小于雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。節(jié)作用。 當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽后，轉(zhuǎn)

14、速調(diào)節(jié)器飽和輸出限幅值，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)和輸出限幅值，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流自動(dòng)保護(hù)。電流自動(dòng)保護(hù)。.二、系統(tǒng)中各變量間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系二、系統(tǒng)中各變量間的穩(wěn)態(tài)關(guān)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(dāng)系統(tǒng)處于正常穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)（如當(dāng)系統(tǒng)處于正常穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)（如 圖中圖中A A、B B點(diǎn)處）時(shí)，有點(diǎn)處）時(shí)，有. n=0, Un =0 Un = Un* Ud=Cen+IdR =IdmR Uc=Ud/Ksn0 0IINd dIdmn0 0AC CD DB BI1 12 2、當(dāng)系統(tǒng)處于、當(dāng)系統(tǒng)處于堵轉(zhuǎn)（堵轉(zhuǎn)（Block)Block)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)(Steady (Steady Operation State) Operation State)（圖中圖中D D點(diǎn)處點(diǎn)處) )時(shí)，有時(shí)，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(jì)算的計(jì)算 由于采