09.2.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型和动态性能分.ppt
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双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析
（1） 饱和非线性控制； （2） 转速超调； （3） 准时间最优控制。
（1） 饱和非线性控制
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； 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。
转矩Te= TL ，则
dn/dt = 0，转速
n才到达峰值（t O
Id
Idm
t
= t3时）。
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
第 Ⅲ 阶段（续）
此后，电动机开 始在负载的阻力
n n* I
II
III
下减速，与此相
应，在一小段时
间内（ t3 ~ t4 ）， O
t
Id < IdL ，直到稳 定，如果调节器
Id
WASR
(s)
Kn
ns 1
ns
WACR
(s)
Ki
is 1 is
2.2.2 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，有必要首先探讨它的起动过程。
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，转速和电流的动态 过程示于下图。
（2）转速超调
由于ASR采用了饱和非线性控制，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 △Un 为负 值，才能使ASR退出饱和。
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。
（3）准时间最优控制
起动过程中的主要阶段是第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。
（1） 饱和非线性控制
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； 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。
转矩Te= TL ，则
dn/dt = 0，转速
n才到达峰值（t O
Id
Idm
t
= t3时）。
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
第 Ⅲ 阶段（续）
此后，电动机开 始在负载的阻力
n n* I
II
III
下减速，与此相
应，在一小段时
间内（ t3 ~ t4 ）， O
t
Id < IdL ，直到稳 定，如果调节器
Id
WASR
(s)
Kn
ns 1
ns
WACR
(s)
Ki
is 1 is
2.2.2 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，有必要首先探讨它的起动过程。
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，转速和电流的动态 过程示于下图。
（2）转速超调
由于ASR采用了饱和非线性控制，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 △Un 为负 值，才能使ASR退出饱和。
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。
（3）准时间最优控制
起动过程中的主要阶段是第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。
2-2双闭环调速系统的动态性能(精)
I dL
0 t1 t2 t3 t4
（一）饱和非线性控制 （二）准时间最优
n 双闭环调速系统起动过程特点 n*
§2-2 双闭环调速系统的动态性能
（三）转速超调
由于采用饱和非线性控制， 起动过程结束进入第III阶段， 必须使转速调节器退出饱和 I dL 0 状态。
Id
I dm
t1
t2 t3 t4
按照PI调节器特性，只有使转速超调，ASR的输入偏 差电压ΔUn为负值，才能使ASR退饱和。即，采用PI 调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调
§2-2 双闭环调速系统的动态性能
不可逆双闭环调速系统制动、减速过程特点
K 晶闸管整流器的输出电流是单方向的， 不可能在制动过程中产生负的反馈制动转矩。A
二、起动过程分析
* un
un
ASR WASR(s)
U* i
ACR uct WACR(s)
- un
-Ui
Ks Ts s 1
ud 0
-
I dL
1/ R Tl s 1
-
R Tm s
E
1 Ce
n
I: 0～t1，电流上升段 ASR输出很快达到限幅值U * im II：t1~t2 恒流升速段 * n U 恒值给定 im下电流调节系统 I d I dm n* III：t2以后 转速调节段
n
*
Id
I dm
I dL
0 t1 t2 t3 t4
§2-2 双闭环调速系统的动态性能
三、动态性能和两个调节器的作用 （一）动态跟随性能
（二）动态抗扰性能 1.抗负载扰动
* un
un
ASR WASR(s)
转速电流双闭环直流调速系统PPT课件
组成
转速电流双闭环直流调速系统通常由 转速调节器、电流调节器、直流电机 、测速装置和功率电子装置等组成。
工作原理简介
工作原理
转速电流双闭环直流调速系统通过采集电机的转速和电流信号，经过调节器的处理，输出相应的控制信号来调节 电机的输入电压或电流，从而实现对电机速度的控制。
控制流程
转速调节器根据实际转速与设定转速的差值，输出一个转速调节电压；电流调节器根据实际电流与设定电流的差 值，输出一个电流调节电压。这两个调节电压共同作用，通过功率电子装置控制电机的输入电压或电流，实现电 机的精确调速。
抗扰动能力强
转速环调节器能够有效地抑制外部扰动和内部参数变化对系统稳定性的影响。
转速环的抗干扰性能
抗噪声干扰
采用滤波算法等手段减小噪声对转速检测的影响，提高转速 检测的准确性。
抗负载扰动
通过优化调节器设计，减小负载扰动对转速环稳定性的影响 ，提高系统的鲁棒性。
03
电流控制环
电流检测与调节器设计
02
转速控制环
转速检测与调节器设计
转速检测
采用光电编码器等传感器实时检 测电机转速，并将转速信号转换 为电信号传输给调节器。
调节器设计
根据转速偏差和转速变化率等信号， 采用比例、积分、微分（PID）等 控制算法计算出控制量，实现对电 机转速的调节。
转速环的动态特性
快速响应
转速环调节器具有较快的响应速度，能够快速地调节电机转速，减小超调量。
测试方案制定
根据系统要求，搭建测试平台，包括电源 、电机、测速装置、数据采集系统等。
根据系统性能指标，制定详细的测试方案 ，包括测试项目、测试步骤、测试数据记 录等。
测试数据采集与分析
验证与改进
转速电流双闭环直流调速系统通常由 转速调节器、电流调节器、直流电机 、测速装置和功率电子装置等组成。
工作原理简介
工作原理
转速电流双闭环直流调速系统通过采集电机的转速和电流信号，经过调节器的处理，输出相应的控制信号来调节 电机的输入电压或电流，从而实现对电机速度的控制。
控制流程
转速调节器根据实际转速与设定转速的差值，输出一个转速调节电压；电流调节器根据实际电流与设定电流的差 值，输出一个电流调节电压。这两个调节电压共同作用，通过功率电子装置控制电机的输入电压或电流，实现电 机的精确调速。
抗扰动能力强
转速环调节器能够有效地抑制外部扰动和内部参数变化对系统稳定性的影响。
转速环的抗干扰性能
抗噪声干扰
采用滤波算法等手段减小噪声对转速检测的影响，提高转速 检测的准确性。
抗负载扰动
通过优化调节器设计，减小负载扰动对转速环稳定性的影响 ，提高系统的鲁棒性。
03
电流控制环
电流检测与调节器设计
02
转速控制环
转速检测与调节器设计
转速检测
采用光电编码器等传感器实时检 测电机转速，并将转速信号转换 为电信号传输给调节器。
调节器设计
根据转速偏差和转速变化率等信号， 采用比例、积分、微分（PID）等 控制算法计算出控制量，实现对电 机转速的调节。
转速环的动态特性
快速响应
转速环调节器具有较快的响应速度，能够快速地调节电机转速，减小超调量。
测试方案制定
根据系统要求，搭建测试平台，包括电源 、电机、测速装置、数据采集系统等。
根据系统性能指标，制定详细的测试方案 ，包括测试项目、测试步骤、测试数据记 录等。
测试数据采集与分析
验证与改进
09.2.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型和动态性能分析
讨论：分析限幅输出的PI调节器的动态响应？
二、具有限幅输出的PI调节器的动态响应
采用一个PI调节器的调速系统动态结构图:
对调速系统而言，Uin为恒值。PI调节器输出Uc，由比例部分 Ucp和积分部分Uci组成，即 K
U c = K pi ∆U +
pi
τ1
∫ ∆Udt
分三种情况分析PI调节器的动态响应。 (1)偏差信号△U是阶跃信号时 (2)偏差信号△U最初为突加，然后随着输出Uout的增长而缓慢降低时 (3)偏差信号△U 最初为突加，然后随着输出Uout的迅速增长而急剧下降时
由静止状态开始启动时， 由静止状态开始启动时，转速和电流 随时间变化的波形
2、启动过程具有三个特点
饱和非线性控制
不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这种系统，可以用 分段线性化方法来处理。同时，分析过渡过程时，还应注意初 始状态
转速一定有超调
只有转速超调，才能使．ASR退出饱和。 若工艺上不允许转速超调，则应在ASR中引入转速微分负反馈， 这样，不仅可以抑制或消灭转速超调，而且可以大大降低动态 速降。
由静止状态开始启动时， 由静止状态开始启动时，转速和电流 随时间变化的波形
对比：理想的起动过程，带电流截止负反馈的单闭环无静差 调速系统起动过程和双闭环调速系统起动过程
理想的起动过程
带电流截止负反馈的单闭环无静差 调速系统的起动过程
由静止状态开始启动时， 由静止状态开始启动时，转速和电流 随时间变化的波形
准时间最优控制
2、动态抗扰性能分析
原则：抑制反馈环内前向通道上的扰动。 两种类型的扰动：
负载扰动――在转速反馈环内、电流反馈环外，靠转速环来抑 制。 电网电压波动――在电流环内，可通过电流环对该扰动抑制更 及时。
第二章+双闭环直流调速系统(课堂PPT)
系统。稳态时
Id
Uim
Idm
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述的静特性是上图中的AB段， 它是垂直的特性。
这样的下垂特性只适合于 n ≤ n0 的情 况，因为如果 n > n0 ，则Ufn > Un ，ASR 将退出饱和状态。
24
在实际组成双闭环调速系统时，要正确 地确定上述信号的极性，必须首先考虑晶 闸管触发电路的移相特性要求，并决定 ACR输出电压Uc的极性，然后根据ACR和 ASR输入端的具体接法（是同相输入还是 反相输入）确定Ui和Un的极性，最后按照 负反馈要求确定Ufi和Ufn的极性。
25
例如，当系统采用下图所示的锯齿波移 相特性时，若要使晶闸管变流装置工作在 整流状态，电动机工作在电动状态，则要 求触发脉冲移相范围在90°～30°之间连 续性变为化正，，这且时应要具求有A一C定R幅的值输。出电压Uc的极
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。二者之间实行嵌 套（或称串级）联接如下图所示。
12
1. 系统的组成
TA
L
内环
Un +-
Ufi
V
Ui ASR +
ACR Uc UPE
+
Ud
Id
Ufn
-
外环
+
MM
n
TTGG
转速、电流双闭环直流调速系统结构
42
这些关系反映了PI调节器不同于P调 节器的特点。比例环节的输出量总是正 比于其输入量，而PI调节器则不然，其 输出量的稳态值与输入无关，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。
Id
Uim
Idm
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述的静特性是上图中的AB段， 它是垂直的特性。
这样的下垂特性只适合于 n ≤ n0 的情 况，因为如果 n > n0 ，则Ufn > Un ，ASR 将退出饱和状态。
24
在实际组成双闭环调速系统时，要正确 地确定上述信号的极性，必须首先考虑晶 闸管触发电路的移相特性要求，并决定 ACR输出电压Uc的极性，然后根据ACR和 ASR输入端的具体接法（是同相输入还是 反相输入）确定Ui和Un的极性，最后按照 负反馈要求确定Ufi和Ufn的极性。
25
例如，当系统采用下图所示的锯齿波移 相特性时，若要使晶闸管变流装置工作在 整流状态，电动机工作在电动状态，则要 求触发脉冲移相范围在90°～30°之间连 续性变为化正，，这且时应要具求有A一C定R幅的值输。出电压Uc的极
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。二者之间实行嵌 套（或称串级）联接如下图所示。
12
1. 系统的组成
TA
L
内环
Un +-
Ufi
V
Ui ASR +
ACR Uc UPE
+
Ud
Id
Ufn
-
外环
+
MM
n
TTGG
转速、电流双闭环直流调速系统结构
42
这些关系反映了PI调节器不同于P调 节器的特点。比例环节的输出量总是正 比于其输入量，而PI调节器则不然，其 输出量的稳态值与输入无关，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。
第2章直流调速系统的动态设计PPT课件
传递函数：
Id(s) 1/R
Ud0(s)E(s) 1Tls
Tl为电枢回路电磁 时间常数 Tl=L/R
力矩方程
Id IdLC JG mddnt TRmddtE
Tm
JGR CeCm
Id电枢电流；IdL负载电流；Tm电机的机电时间常数
传递函数：
E(s) R Id(s)IdL(s) Tms
7
电动机的动态结构图为
Ts虽小，但却影响系统的动态性能。
10
二、单闭环调速系统的动态分析——稳定性分析
特征方程为 T m T lT ss3 T m (T l T s)s2 T m T ss 1 0 1 K 1 K 1 K
稳定条件 Tm(Tl ( 1T s)K T ()2 mTs)T 1 m TlK Ts
化简得
KTm(Tl Ts)Ts2 TlTs
Kcr
Kcr为临界放大系数，K值超出此值系统将不稳定。 与静特性K越大越好相矛盾。
11
三、单环调速系统的动态校正—PI串联校正
从自动控制系统典型伯德图的三个频段的特征，可以判 断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：
1.如 c果中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，而且这一 斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。
Tons 1
16
图2-10 双闭环调速系统的动态结构图
（二）双闭环调速系统的动态性能分析
动态性能包括跟随性能和抗扰性能。双闭环系统的动 态性能比单环系统有明显的提高。
1、动态跟随性能 （1）单闭环转速负反馈系统的动态结构图下图所示。
U
n
ASR
+ -Un
+- Ud
Ks Ud0
1/ R Id
双闭环控制的直流调速系统PPT课件
。
0 Id Idm
t
IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Id基本保持在Idm,电动机加速
到了给定值n*。
ASR调节器始终保持在饱和状
0 Id Idm
t
态，转速环仍相当于开环工作。 系统表现为使用PI调节器的电 流闭环控制
电流调节器的给定值就是ASR
2.2 转速、电流双闭环直流调速系统
双闭环问题的引入 双闭环调速系统的稳态结构与稳态
参数计算 双闭环直流调速系统的动态数学模 型与动态性能分析
* 知 识 回 顾 *
n
堵转电 流过大
* K p Ks (U n U com )
Ce (1 K )
( R K p Ks Rs ) I d Ce (1 K )
1、 原理图
I 内环 Un* Un n 外环 n
TG
~
TA
ASR
Ui*
Ui ACR Uc UPE Ud
Id
M
ASR-转速调节器
ACR-电流调节器
TA-电流互感器
转速、电流双闭环的优势： 将电流、转速调节器分开，分别用两个调节器； 转速环为外环，转速环的输出作为电流环的给定。
2、 稳态结构
转速无静差 系统（PI）
开 环
特性 太软
转速闭环 （ P）
加电流截 至负反馈
系统有 静差
考虑转速单闭环调速系统的局限性：
仅考虑了静态性能，没考虑启、制动过程（动态性能） 未考虑对负载扰动的电流控制问题
启、制动波形
•理想的启、制动波形
第三章 双闭环直流调速系统PPT幻灯片课件
转 电(电流速流2)流电调调在内互压节节交环感，器器流U：器可的的测ct电输输、作检流出出二为测环限限极电：，幅幅管流UU交i对值值i正反*流电((流馈侧电控枢器电电流制电可压流给电UU流得，大定压nn* 起到只小最最调与反与大大节交映电值值控流电枢))决决制侧 枢电定定作电电流了了用流流成。正的正比大比例小，的。利；。直用4
双闭环原理图
电流转速波形图
25
起动过程总结 阶段I---电流上升阶段 特点：(1)电流从零升到最大允许值；(2)ASR达到饱和状态
阶段II---恒流升速阶段 特点：(1)电流不变，转速直线上升；(2)ASR维持饱和状态
阶段III---转速调整阶段。 特点：(1)转速超调，ASR退饱和；(2)电枢电流下降到负载
(1)电枢电流和电机转速的变化； (2)ASR和ACR的工作状态。
21
一、起动过程的三个阶段
系统从静止突加给定起动， 起动过程中电流、转速波 形图如右图示。过程分为 三个阶段：
阶段I---电流上升阶段
电流从零升到最大值。
阶段II---恒流升速阶段 电枢电流保持恒定， 电机升速到给定值。
阶段III---转速调整阶段。 ACR退出饱和，电流从最大值下降到与负载电流相等。 22
§3 双闭环直流调速系统
学习目标： 1. 理解单闭环直流调速系统的局限性及其改进方法。 2. 掌握双闭环直流调速系统的组成及其特点，能画出其原理
图。 3. 掌握双闭环直流调速系统静特性分析方法，能进行相关静
态计算。 4. 理解双闭环直流调速的启动过程及其特点。 5. 理解转速调节器和电流调节器的作用。 6. 能在实验室熟练完成双闭环调速系统的接线和基本单元的
(1)不能全压起动，否则电流过大。
(2)当电机过载或堵转时，没有过电流保护作用。
双闭环原理图
电流转速波形图
25
起动过程总结 阶段I---电流上升阶段 特点：(1)电流从零升到最大允许值；(2)ASR达到饱和状态
阶段II---恒流升速阶段 特点：(1)电流不变，转速直线上升；(2)ASR维持饱和状态
阶段III---转速调整阶段。 特点：(1)转速超调，ASR退饱和；(2)电枢电流下降到负载
(1)电枢电流和电机转速的变化； (2)ASR和ACR的工作状态。
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一、起动过程的三个阶段
系统从静止突加给定起动， 起动过程中电流、转速波 形图如右图示。过程分为 三个阶段：
阶段I---电流上升阶段
电流从零升到最大值。
阶段II---恒流升速阶段 电枢电流保持恒定， 电机升速到给定值。
阶段III---转速调整阶段。 ACR退出饱和，电流从最大值下降到与负载电流相等。 22
§3 双闭环直流调速系统
学习目标： 1. 理解单闭环直流调速系统的局限性及其改进方法。 2. 掌握双闭环直流调速系统的组成及其特点，能画出其原理
图。 3. 掌握双闭环直流调速系统静特性分析方法，能进行相关静
态计算。 4. 理解双闭环直流调速的启动过程及其特点。 5. 理解转速调节器和电流调节器的作用。 6. 能在实验室熟练完成双闭环调速系统的接线和基本单元的
(1)不能全压起动，否则电流过大。
(2)当电机过载或堵转时，没有过电流保护作用。