多环控制的直流调速系统

第二章 多环控制的直流调速系统

内 容 提 要

所谓多环控制系统，是指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，相当于过程控制中的串级控制系统。与此对应，第一章所述的基本的闭环控制系统可称作单闭环控制系统。

本章以转速、电流双闭环调速系统为重点阐明多环控制的特点、控制规律和设计方法。§ 2-1首先介绍这种系统的组成及其静特性；§ 2-2阐述它的动态数学模型，并就起动和扰动两个方面分析转速、电流两个调节器的作用；§ 2-3介绍一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正相比，这种方法计算简单，应用方便，容易被初学者掌握；§ 2-4应用上述的工程设计方法解决双闭环调速系统两个调节器的设计问题；§ 2-5专门介绍转速微分负反馈环节及其作用，这是一种抑制转速超调的行之有效的方法；§ 2-6和§ 2-7将多环控制规律推广到三环控制的调速系统和带弱磁控制的直流调速系统。

§ 2-1 转速、电流双闭环调速系统及其静特性

一、问题的提出

第一章中已经表明，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可

以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，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。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流和转矩。

在单闭环直流调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值Idcr以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动时的电流和转速波形如图2-1a所示。当电流从最大值降低下来以后，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必然延长。

a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统 b）理想的快速起动过程

图2-1 调速系统起动过程的电流和转速波形

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对于像龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流（转矩）受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是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的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图2-1b，这时，起动电流呈方形波，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能跳变，图2-1b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，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就应该能得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。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呢？双闭环调速系统正是用来解决这个问题的。

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，二者之间实行串级联接，如图2-2所示。这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统

ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机 TA—电流互感器

?UPE—电力电子变换器 Un、Un——转速给定电压和转速反馈电压

Ui?、Ui——电流给定电压和电流反馈电压

为了获得良好的静、动态性能，双闭环直流调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理图示于下图2-3。在图上标出了两个调节器输入输出电压的

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实际极性，它们是按照电力电子变换器UPE的控制电压Uct为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示出，两个调节器的输出都是带

?限幅的，转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压是Uim，它决定了电流调节

器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是Uctm，它限制了电力电子变换器输出电压的最大值。

图2-3 双闭环直流调速系统电路原理图

三、稳态结构图和静特性

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，如图2-4。它可以很方便地根据图2-3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。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，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；换句话说，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。当调节器不饱和时，正如§ 1-5节中所阐明的那样，PI作用使输入偏差电压?U在稳态时总是零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

（一）转速调节器不饱和

这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此

*Un?Un??n

和 Ui*?Ui??Id 由第一个关系式可得

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n?*Un? ?n0 （2-1）

从而得到图2-5静特性的n0?A段。

?与此同时，由于ASR不饱和，，从上述第二个关系式可知: Id?Idm。Ui?Uim这就是说，n0?A段静特性从Id?0（理想空载状态）一直延续到Id?Idm，而

Idm一般都是大于额定电流Idnom的。这就是静特性的运行段。 （二）转速调节器饱和

?这时，ASR输出达到限幅值Uim，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统

不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 Id?*Uim? ?Idm （2-2）

式中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式（2-2）所描述的静特性是图2-5中的A—B段。这样的下

?垂特性只适合于n?n0的情况，因为如果n?n0，则Un?Un，ASR将退出饱和状

态。

图2-4 双闭环调速系统的稳态结构图

? ——转速反馈系数; ? ——电流反馈系数

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。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

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