雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1、運(yùn)動控制技術(shù) 第二部分 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),教學(xué)重點(diǎn)： 1. 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路的特點(diǎn)； 2. 啟動的第、階段，ASR、ACR的作用； 3. 在第階段，為什么可以恒加速啟動？ 4. 雙閉環(huán)調(diào)速靜特性有什么特點(diǎn)？,2-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性,一、 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠好。 環(huán)內(nèi)的任何擾動，只有等到轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差才能進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而轉(zhuǎn)速動態(tài)降落大。 系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來限制起動電流，不能充分利用電動機(jī)的過載能力獲得最快

2、的動態(tài)響應(yīng)，即最佳過渡過程。,在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值。,最佳起動過程:,二、 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成,1、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖,2、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,電路特點(diǎn)： （1） 兩個調(diào)節(jié)器，一環(huán)嵌套一環(huán)； （2） 兩個PI調(diào)節(jié)器均設(shè)置有限幅 ； （3） 電流檢測采用三相交流電流互感器； （4） 電流、轉(zhuǎn)速均實(shí)現(xiàn)無靜差。,原理圖中標(biāo)出了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，這些極性既要考慮到信號從反向端輸入時調(diào)節(jié)器的倒相作用，又應(yīng)該使觸發(fā)器GT的輸入得到正極性的控制電壓。 由于轉(zhuǎn)

3、速與電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，所以系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速和電流均為無靜差，即電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入偏差，實(shí)現(xiàn)電流無靜差。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸入偏差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。,PI調(diào)節(jié)器限幅特征：一旦PI調(diào)節(jié)器限幅（即飽和），其輸出量為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反極性的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；即飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)器處于斷開。而輸出未達(dá)限幅時，調(diào)節(jié)器才起調(diào)節(jié)作用，使輸入偏差電壓在調(diào)節(jié)過程中趨于零，而在穩(wěn)態(tài)時為零。,三、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性,特點(diǎn):,1）n0-A 系統(tǒng)處正常負(fù)載運(yùn)行，ASR不飽和，起調(diào)節(jié)作用，達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差，保證系統(tǒng)具有很

4、硬的靜特性; 電流調(diào)節(jié)器起輔助調(diào)節(jié)作用，負(fù)載電流大小與電流給定值 成正比，兩調(diào)節(jié)器輸入偏差電壓都為零，所以無靜差 式中， n0-理想空載轉(zhuǎn)速。 說明：此時轉(zhuǎn)速n與負(fù)載電流IdL無關(guān)，完全由給定電壓所決定。,2） AB段 電機(jī)在起動或堵轉(zhuǎn)時，ASR飽和，電流達(dá)到 ，此時轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)成為恒電流無靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在最大電流給定作用下，依靠電流環(huán)的自動調(diào)節(jié)，從而獲得很好的下垂特性（A-B段），起到了過流保護(hù)作用，穩(wěn)態(tài)時有 3） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。在起動或堵轉(zhuǎn)時，負(fù)載電流達(dá)到Idm后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)

5、節(jié)器作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護(hù)。,特點(diǎn):,由以上各關(guān)系可以看出，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，電機(jī)轉(zhuǎn)速是由給定電壓 決定，ASR的輸出量由負(fù)載電流IdL決定，而與轉(zhuǎn)速給定值無關(guān)，ACR的輸出量則同時取決于n和IdL的大小。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。 比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要所決定的。,總結(jié):,2-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性,一、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動過程 設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個主要的目的就是要獲得接近于理想的起動過程。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，由于在起動過程中

6、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分成三個階段，在圖中分別標(biāo)以、和。,設(shè)起動前系統(tǒng)處于停車狀態(tài)，此時 ，晶閘管的觸發(fā)脈沖初始相位角 ，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=0。當(dāng)輸入一階躍信號時，系統(tǒng)進(jìn)入起動的動態(tài)過程。,第階段（0t1）：強(qiáng)迫電流上升的階段突加給定電壓 后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，使n、 Id都上升，當(dāng)Id Il后，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓數(shù)值 較大，其輸出很快達(dá)到限幅值 ，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。電機(jī)開始啟動。 因電流反饋信號隨著電流上升迅速增大，使ACR的輸入偏差衰減很快，因此ACR的輸出電壓還達(dá)不

7、到飽和值，當(dāng)電流上升到 Idm 時， ASR 飽和，ACR的作用使Id不再增加，保持動態(tài)平衡。 第一階段結(jié)束，此時 在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR在此階段應(yīng)不能飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用。這些都是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時必須考慮和給予保證的。,第I階段過程可簡述如下： 此時ASR飽和，維持其輸出 ，ASR相當(dāng)于開環(huán)，對轉(zhuǎn)速不起調(diào)節(jié)作用，但ACR設(shè)計(jì)不能飽和，實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)作用,讓電流迅速跟隨Idm,第階段：恒流升速階段（t1t2），即電動機(jī)保持最大電流作等加速起動階段從電流升到最大值Idm開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，屬于恒流升速階段，是起動過程的主要階段。此時ASR一直是處于飽

8、和狀態(tài)的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，電動機(jī)以恒定的加速度上升，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電動機(jī)的反動勢也按線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量，ACR起調(diào)節(jié)作用，使Ucl和Ud0基本上按線性增長，保持Id恒定，以克服這個擾動。,隨著轉(zhuǎn)速不斷上升，ACR便不斷重復(fù)上述恒流調(diào)節(jié)過程以維持電流恒定，保證轉(zhuǎn)速線性上升，同時，由上述調(diào)節(jié)過程可以看出該調(diào)節(jié)過程總能保證電流調(diào)節(jié)器ACR輸入存在 ，使Ud按線性上升，所以Id略低于Idm。,第階段調(diào)節(jié)過程：,第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2 t3）。在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)

9、達(dá)到給定值， ，ASR的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓 立即從限幅值降下來，主電流Id隨之從Idm迅速降下來。但是由于Id仍大于負(fù)載電流IdL，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到t =t3階段，Id = IdL時，轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值(t =t3時)，此后IdIdL，電動機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流也出現(xiàn)一段小于IdL的過程，直到穩(wěn)定，在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在

10、外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，它使轉(zhuǎn)速迅速趨于給定轉(zhuǎn)速。而ACR的作用則是力圖使Id盡快地跟隨ASR的輸出量，電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)過程是由速度外環(huán)所支配，故電流環(huán)處從屬地位，成為電流隨動子系統(tǒng)。,由上分析可以看出，轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在突加節(jié)躍給定的起動過程中，巧妙地利用了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的飽和非線性，使系統(tǒng)成為一個恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，ASR退飽和后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，又表現(xiàn)為一個轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器各負(fù)其責(zé)，避免了單環(huán)系統(tǒng)中的兩種控制作用互相牽制的矛盾。,起動過程可簡述如下：,三、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能 1）抗負(fù)載的擾動 2）抗電網(wǎng)電壓的擾動 綜上所述，轉(zhuǎn)速和電流兩個閉環(huán)的作用以

11、及雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動過程的特點(diǎn)可歸納如下：轉(zhuǎn)速和電流兩個閉環(huán)的作用： （1）電流環(huán)的作用：在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)負(fù)載變化時，電動機(jī)電流Id跟隨給定電壓 變化。在起動過程中，電流環(huán)又可限制起動電流，保證在允許最大電流下起動，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制，對于電網(wǎng)電壓的擾動起到及時抗擾作用；當(dāng)電動機(jī)過載，甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流為Idm，并獲得理想下垂特性，從而起到快速安全保護(hù)作用。 （2）轉(zhuǎn)速環(huán)的作用：在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速n跟隨給定值 變化，由于ASR的積分作用，使系統(tǒng)達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差；對負(fù)載變化起抗擾作用；ASR一旦限幅，對電流環(huán)進(jìn)行飽和非線性控制，系統(tǒng)進(jìn)入恒流調(diào)節(jié)。,習(xí)題,2.1 在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系