多环控制的直流调速系统

的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。在一般情况下，转速略有超调对实际运行影响不大。如果工艺上不允许超调，就必须采取另外的控制措施（详见§ 2-5）。

最后，应该指出，晶闸管整流器的输出电流是单方向的，不可能在制动时产生负的回馈制动转矩。因此，不可逆的双闭环调速系统虽然有很快的起动过程，但在制动时，当电流下降到零以后，就只好自由停车。如果必须加快制动，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。同样，减速时也有这种情况。类似的问题还可能在空载起动时出现。这时，在起动的第III阶段内，电流很快下降到零而不可能变负，于是造成断续的动态电流（见图2-8），从而加剧了转速的振荡，使过渡过程拖长，这是又一种非线性因素造成的。

三、动态性能和两个调节器的作用

一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。 （一）动态跟随性能 如上所述，双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载 能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应强调有良好的跟随性能。

（二）动态抗扰性能 1.抗负载扰动

由图2-6动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗扰作用。因此，在突加（减）负载时，必然会引起动态速降（升）。为了减少动态速降（升），必须在设计ASR时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于ACR的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。

2.抗电网电压扰动

电网电压扰动和负载扰动在系统结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果不一样。例如图2-9a的单闭环调速系统中，电网电压扰动?Ud和负载电流扰动IdL都作用在被负反馈包围的前向通道上，仅就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但是从动态性能上看，由于扰动作用的位置不同，还存在着及时调节上的差比。负载扰动IdL作用在被调量n的前面，它的变化经积分后就可被转速检测出来，从而在调节器ASR上得到反映。电网电压扰动的作用点则离被调量更远，它的波动先要受到电磁惯性的阻扰后影响到电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，已经嫌晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环（2-9b），这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。

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a）单闭环调速系统

b）双闭环调速系统

图2-8 直流调速系统的动态抗扰作用 △Ud—电网电压波动在整流电压上的反映

（三）两个调节器的作用 综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用可以归纳如下：

1. 转速调节器的作用

*（1）使转速n很快地跟随给定电压Un变化，稳态无静差。

（2）对负载变化起抗扰作用。

（3）其输出限幅值决定允许的最大电流。 2. 电流调节器的作用

（1）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 （2）起动时保证获得允许的最大电流。

（3）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压Ui*变化。

（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。

四、调节器的设计问题

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在转速、电流双闭环调速系统的设计中，电动机、晶闸管整流器及其触发装置都可按负载的工艺要求来选择和设计，转速和电流反馈系数可以通过稳态参数计算得到，所剩下的转速和电流调节器的结构与参数则应在满足稳态精度的前提下，按照动态校正的方法确定。

和前章所述的单闭环调速系统动态校正一样，每个控制环的调节器都可借助伯德图按串联校正的方法设计。问题是，转速和电流两个控制环套在一起，应该如何解决？对于这样的多环控制系统，一般的方法是：先设计内环，后设计外环。也就是说，先设计好内环的调节器，然后把整个内环当作外环中的一个环节。具体对双闭环调速系统来说，就是先设计电流调节器，然后把整个电流环当作转速调节系统中的每一个环节，再设计转速调节器。

在设计每个调节器时，都应先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性和根据性能指标确定的预期特性，经过反复试凑，决定校正环节的特性，从而选定调节器的结构并计算其参数。然而，如果每个多环控制系统都这样设计，做起来就太麻烦了。在多年实践的基础上，对于一般的自动控制系统，已经整理出更为简便实用的工程设计方法，经验表明，效果是很好的。对于比较复杂的控制系统，如果简单的工程设计方法不能适用，还可以用计算机辅助设计。

五、小结

由转速、电流双闭环调速系统的电路原理图可以绘出它的动态结构图，即数学模型，其中转速调节器ASR和电流调节器ACR都常用PI调节器

双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照转速调节器在起动过程中的饱和与不饱和状况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段，恒流升速阶段；转速调节阶段。从起动时间上看，第II阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了在电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是起动过程中转速一定有超调。

由于主电路的不可逆性质，简单的闭环调速系统不能实现快速回馈制动。 在双闭环调速系统中，转速调节器的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用是电流跟随，过流保护和及时抑制电压扰动。

系数设计的顺序是先内核后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求。

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§ 2-3 调节器的工程设计方法

前已指出，用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干

扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者具有扎实的理论基础、丰富的实际经验和熟练的设计技巧，这样，初学者往往不易掌握，在工程应用中也不很方便，于是便产生建立更简便实用的工程设计方法的必要性。

现代的电力拖动自动控制系统，除电动机外，都是由惯性很小的晶闸管、电力晶体管或其他电力电子器件以及集成电路调节器等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以用低阶系统近似。而以运算放大器为核心的有源校正网络（调节器），和由R、C等元件构成的无源校正网络相比，又可以实现更为精确的比例、微分、积分控制规律，于是就有可能多种多样的控制系统简化和近似成少数典型的低级系统结构。如果事先对这些典型系统的特性作比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性当作预期的特性，弄清楚它们的参数和系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计实际系统时，只有能把他校正或简化成典型系统的形式，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。

有了必要性和可能性。各类工程设计方法便创造出来了。其中有西德西门子公司提出的“调节器最佳整定”，传入我国后，习惯上称作“二阶最佳（模最佳）和“三阶最佳”（对称最佳）参数设计方法，这一方法目前仍在欧洲、日本等处普遍应用，在我国，由于其公式简明好记，收到了工程技术人员的欢迎，但经过实践和一些争论，也发现了它存在的问题。其次，有在随动系统设计中常用的“振荡指标法”，其理论证明虽然比较麻烦，但所得结论却很简单，有其独到之处，将它引入电力拖动控制系统工程设计后，获得了良好的效果。还有我国学者提出的“模型系数法”，作者在探讨上述方法的基础上，作了深入细致的分析，提出了“三变数原则”，即用a（中频宽度）、b（中衰宽度）、c（控制信号滤波时间常数相对值）三个变数来概括系统中各参数的变化，得到了比较完整的结果，还编制成多种计算机辅助设计程序，以利应用。

在本节中，笔者在已有工作的基础上，尽可能综合各方面的成就，取长补短，归纳在调节器的工程设计方法。建立这个工程设计方法所遵循的原则是：

（1）理论上概念清楚、易懂；

（2）计算公式简明、好记，尽量避免繁琐；

（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整趋向；

（4）除线性系统外，也能考虑饱和非线性情况，同样给出简单的计算公式； （5）对于一般的调速系统、随动系统以及类似的反馈控制系统都能适用。 对动态性能要求更精确时，可参考“模型系统法”。对于更复杂的系统，则应采用高阶或多变量系统的计算机辅助分析和设计，本节暂不涉及。

一、工程设计方法的基本思路

作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计分作两步：

第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。

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