电力拖动自动控制系统

1. 电力拖动自动控制系统 第二章 主讲教师：解小华　　　　　　　　学时：64

2. 第二章 多环控制的直流调速系统 本章提要 ♦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特性 ♦调节器的工程设计方法 ♦按工程设计方法设计双闭环调速系统 ♦转速超调的抑制—转速微分负反馈♦弱磁控制的直流调速系统

3. 第二章 多环控制的直流调速系统 多环系统是指有内环、外环，按一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或两个以上闭环的控制系统，又称串级系统。 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。本章此调速系统为重点着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

4. 第二章 多环控制的直流调速系统 §2-1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 本节提要 □ 问题的提出 □ 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 □ 双闭环调速系统的稳态结构图和静特性 □ 各变量的稳态工作点和稳态参数计算

5. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 一、问题的提出 1.采用PI调节器的单闭环直流调速系统，既保证系统的动态稳定性，又能做到转速无静差，解决了动、静态的矛盾。 2.系统的动态特性要求较高时，不能满足要求。 例如：要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。 主要原因：单闭环系统中不能直接控制电流和转矩的动态过程。一切扰动均要等到转速发生变化后再进行调整。存在调节时间长、超调大等问题。

6. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 单闭环调速系统的缺点 ♦ 设计的调节器的动态参数，难以保证两种调节过程都具有良好的动态品质。用 一个调节器综合了多种信号，各参数间相互影响。完成两种任务：正常负载时实现转速调节；电流超过临界值时，进行电流调节。 ♦ 对扰动的抑制能力差：环内的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进行调节，因而转速动态降落Δn大。

7. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 ♦ 电流截止负反馈环节来限制起动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应。起动过程中要等到电枢电流上升到 时，截流负反馈起作用又把电流压了下来，仅靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，其性能还不很令人满意（起动过程长）。 理想起动过程应该在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，立即转入稳态运行 。

8. Id n Idm Idcr n IdL O t §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 ◎性能比较 带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如右图 所示，起动电流达到最大值 Idm后，电流截止负反馈起作用，靠强烈的负反馈限制电流，Id下降，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。 带电流截止负反馈 的单闭环调速系统

9. Id Idm n n IdL O t §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 充分利用电机最大电流能力，维持Idm不变，Jdω/dt恒定。M以最大加速度n线性起动。也可通过调整Idm实现慢速起动。 电机允许的最大值 理想起动过程波形如右图所示。根据电力拖动系统的运动方程：Jdω/dt=Te-Tl=Cm(Id-Il)，动态时要控制n，就必须控制T，也即Id。这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。 理想的快速起动过程

10. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 3. 解决思路 为了实现在最大电流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，即对电流进行控制。 ① 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。 ② 当系统进入稳态时，有Te =Tl ，即Id =Il ，这时，Jdω/dt = 0，电机稳速。

11. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 ◎对控制系统的要求： （1）起动过程中，只有电流负反馈，实现最大电流起动，没有转速负反 馈。 （2）达到稳态转速时，电流立即降为稳态运行值。这时转速负反馈起作用。 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用？只用一个调节器时不可能的，必须用两个调节器分别调节n和I，构成转速电流双闭环调节系统。

12. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 二、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。二者之间实行串级联接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，这样两种调节作用就互相配合，相辅相成了，如下图所示。

13. TA Ui M Ri Ci L + Rn Cn R0 R0 U*n ACR V + RP1 ASR GT LM Id - LM R0 + M - Ud UPE + R0 Uct + + - U*i - Un n + RP2 TG TG - §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 ～u 电流检测采用三相交流 电流互感器 系统组成 - 双闭环直流调速系统电路原理图 ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机 TA—电流互感器 V、GT—晶闸管整流、触发装置

14. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 • 动态（n增、减速过程，要求电流控制）—电流负反馈→ PI调节器，以获得良好的静、动态性能。 • 静态（稳速）—转速负反馈→ PI调节器，以获得良好的静、动态性能。 • 结构—电流环→内环 转速环→外环 • ASR →设置输出限幅 →限制最大电流。 ACR→设置输出限幅 U ctm→限制晶闸管整流 电压最大值U dom 。

15. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 ♦限幅电路 R1 C1 VD1 R0 Rlim VD2 二极管钳位的外限幅电路

16. TA §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 ♦电流检测电路 TA—电流互感器

17. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 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，如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。

18. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 三、稳态结构图和静特性 1. 系统稳态结构框图 限幅电路

19. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 PI调节器的稳态特性（存在两种状况）： ♦饱和——输出达到限幅值 此时，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，否则，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。 ♦非饱和——输出未达到限幅值 此时，反馈信号紧紧跟随给定信号，稳态时，ΔU＝0。 正常运行时，ACR不会达到饱和的。对于静特性来说，只要ASR有饱和非饱和两种情况。 分析静特性的关键是掌握的PI 调节器的稳态特征。

20. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 ①ASR不饱和 这是ACR也不饱和，稳态时两个调节器的输入ΔU＝0。ΔU n＝0（转速无静差），ΔU i＝0（电流无静差）。即 2. 系统静特性 , n0为理想空载转速 ，运行段为一水平的直线 ASR不饱和 ，直线为 → 段 即静特性的n0-A段（水平段）

21. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 水平段：ASR、ACR均起调节作用。ASR采用的是PI调节器，所以特性为无静差（一条水平线），起主导作用。 静特性 下垂段：ASR饱和，ACR起调节作用。电流环起主导作用，转速环相当于开环。 实际静特性（由于放大器的放大倍数不是∞） Idm都是大于额定电流 IdN的

22. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 ② ASR饱和 ASR饱和：a.U*n 起动，n=0 b. U*n↓= 0，ASR输入只剩Un（负饱和） c. n=0 堵转 ASR 饱和，转速外环开环。稳态时，ASR输出： U*im=βI dm， （与n无关） 即静特性的A-B段，系统获得一很好的下垂特性。 此时系统变成一个电流无静差单闭环调速系统。这一特性正好适合理想快速起动过程对Id的要求。

23. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 ① 最大电流 选定：I dm=（1.5~2）I dnom a. 取决于电机的过载能力 b. 拖动系统允许的加速度（冲击力矩）。 ② 静特性只适用于 情况， 时， ，ASR 将退出饱和。 ◎说明： ◎结论： ①I d<I dm时，系统→转速无静差，ASR起主要作用。 ② I d=I dm时，ASR输出达到 饱和（转速环即失去作用），系统→电流无静差，ACR起主要作用，维持I d不变，得到过电流的自动保护。

24. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 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。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”时，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。

25. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 四、各变量的稳态工作点和稳态参数计算 • 稳态工作点 • 双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和（ΔU＝0）时，各变量之间有下列关系： • 系统在稳态平衡 • 点（C点）运行 n C n0 A • n=n0， Id=Idl B O 上式表明：转速 n 是由 给定电压U*n决定的。 Idl Idm Id

26. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 表明：U*i（ASR的输出）由负载电流 I dL决定。 表明：控制电压 Uct 的大小则同时取决于 n和 I d，或者说，同时取决于U*n和 IdL。 以上各式说明：稳态时，PI调节器输出量与输入无关，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。它不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量。

27. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 • 稳态参数（α和β）计算： 由于系统无静差，稳态时，PI调节器的输入电压为0（ΔU＝0），给定电压与反馈电压相等。 （1）电流环的β ΔUi＝0 ，U*im=βI dm 电流反馈系数 首先确定I dm（电机的过载能力、机械承受冲击力）。然后，可以选择U*im（ASR的输出限幅值），求出β。或选择β，求U* im 。

28. §2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性§2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 （2）转速环的α ΔU n＝0 ，U* nm= α nmax 转速反馈系数 nmax —电动机调压时的最高转速。 U* nm —根据运算放大器允许输入电压和稳压电源的情况选定，稳压电源要留有余量。 注：双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统（根据D 和 S ）完全不同。

29. 第二章 多环控制的直流调速系统 §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 本节提要 □ 双闭环直流调速系统动态数学模型 □ 突加给定起动过程分析 □ 动态抗扰性能分析 □ 转速、电流两个调节器的作用

30. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 一、双闭环直流调速系统动态数学模型 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图。其中，转速调节器和电流调节器的传递函数W ASR(s)和W ACR(s)均采用PI调节器： 则得系统动态结构如下图所示。

31. IdL §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 系统动态结构： Uct - Ud0 U*i n E Id U*n Ks 1/R R 1/Ce Tms ACR ASR Tl s+1 Tss+1 + - - Ui Un -   双闭环调速系统的动态结构图

32. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 二、突加给定起动过程分析 前已指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，首先分析它的起动过程。 双闭环直流调速系统突加给定电压U* n由静止状态起动时，其系统状态： U n*=0，U i=0，U ct=0， n =0 ，U i*=0，U d0=0。 当输入一阶跃信号时，系统进入起动过程。

33. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 1. 起动过程波形分析 分析起动过程： 按照ASR由不饱和→饱和 饱和→退饱和 这一过程是由电流调节→转速调节。 三个阶段（如图所示）： ①未饱和→饱和 I（t=0~t1） ②饱和 Ⅱ（t=t1~t2） ③退出饱和 Ⅲ（t=t2~t4）

34. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形

35. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 （1）第I阶段 ASR由未饱和→饱和（0 ~ t1） —电流上升阶段 ♦突加Un* → ΔUn=U n*-U n≈Un*很大→ASR 迅速饱和→U i*＝ U im* →Uct↑→Ud0↑→Id↑迅速上升。 ♦当 Id ≥ I dL后→n开始↑(缓慢。这由于机电惯性作用，转速不会很快增长)→ 当t=t1， I d↑≈I dm，此时ASR的输入偏差电压ΔU n的值仍较大， 保持U i＝ U im* 。如下图所示。 U n=0，由于n =0

36. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 n Ⅲ Ⅰ Ⅱ n* 本阶段：ASR由不饱和迅速饱和（U n增长慢）。 ACR不饱和（U i增长快）。 稳态值 t O 最大电流 Id Idm 负载电流 IdL t1 t2 t3 t4 O t

37. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 （2）第Ⅱ阶段 ASR饱和（t1~ t2）—恒流升速阶段 ①转速环开环 ②电流环起主导作用 这时，I d=I dm，可能继续↑(取决ACR的结构和参数) →U i> U im* →ΔU i=反号→U ct↓→U do↓→ Id↓≈I dm（I d略低于I dm）且维持→n↑(直线)。 U do ↑= idR+C e n↑+Ldid/dt ↓ Uct ↑ n↑→U do↑→U ct↑ ΔU i=U im*-U i=常数，以维持U ct↑ 保持不变 =0

38. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性

39. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 ◎本阶段说明： ♦由于n 的线性增长，使E 为一个线性渐增的干扰量，ACR起调节作用，使U ct和U d0基本上线性增长； ♦调整过程中，Id 略低于I dm，保证ΔU i>0，U ct线性上升。 恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。 为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中 ACR是不应饱和的，电力电子装置 UPE的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。

40. n Ⅲ Ⅰ Ⅱ n* O t Id Idm IdL t1 t2 t3 t4 O t §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 （3）第 Ⅲ 阶段 ASR退饱和（ t2 ~t4） ♦当t=t2，ΔU n＝0 (n＝ n*)→ASR仍饱和→U i≈ U im* →Id≈I dm>IdL →n↑> n* （超调） →ΔU n=反号 → U i*↓<U im*（ASR退饱和）→ U ct↓ → I d ↓>IdL，n↑。 t2~t3之间Id不立即减少的原因是主电路中有L存在

41. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 第 Ⅲ 阶段 （续） ♦当 t=t3，I d = IdL →T e= TL →dn/dt = 0，转速n才到达峰值。 此后，电动机开始在负载的阻力下（t3~t4） →Id < IdL → n ↓

42. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 第 Ⅲ 阶段 （续） ♦当 t=t4，n ↓ →n* 进入稳态（如果调节器参数整定得不够好，转速n可能会经过几次振荡，但转速环会进行调节）。 U n = α n* =U n* U i*= UI d = β I dL

43. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 ◎本阶段说明： ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使 I d尽快地跟随其给定值 U*i，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。 ♦ASR和ACR同时参与调节； ♦ACR的调节受ASR输出的支配。

44. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 • 双闭环调速系统的起动过程的特点 （1） 饱和非线性控制（或称变结构控制） 根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态： ♦当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统，ASR输出的限幅值，使起动过程中电流不超过允许的最大电流，且恒定； ♦ 当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。

45. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 （2）转速超调 由于采用 PI 调节器作为ASR（转速调节器）实现了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR 的输入偏差电压 △U n 为负值，才能使ASR退出饱和，从而真正发挥线性调节作用。 这样，采用 PI 调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。

46. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 （3）准时间最优控制 起动过程中能以所允许最大电流起动，主要表现在第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。 起动过程的第II阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制（与时间最优控制有区别，如第Ⅲ阶段）。

47. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 最后，应该指出，对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。

48. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 三、动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。

49. §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 1. 动态跟随性能 在起动、升速时，由于电流环具有很快的动态跟随性能，因此，动态跟随性能双闭环调速系统比单闭环强得多（电流环保证最大电流起动）。 在停车、减速时，由于是不可逆的电力电子变换器，不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车（靠负载阻力停车），因此动态跟随性能变差。 设计双闭环调速系统，要求电流内环应具有良好的跟随性能。

50. ±∆IdL §2-2 双闭环直流调速系统的动态特性 2. 动态抗扰性能 ① 抗负载扰动 Uct Ud0 U*i n Id U*n E Ks 1/R R Tms ACR 1/Ce ASR + Tl s+1 Tss+1 - - - Ui Un   直流调速系统的动态抗负载扰作用