第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统
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运动控制_第3章____转速、电流双闭环直流调速系统
U
*
im
，转速外环呈开环状态，
转速的变化对系统不再产生影响。在这种情况下，电流负反
馈环起恒流调节作用，转速线性上升，从而获得极好的下垂
特性，如图 3-5中的AB段虚线所示。
第二十一页，编辑于星期三：九点 二十二分。
第 3章 转速、电流双闭环直流调速系统
此时，电流
I
d
U* im ?
?
I dm
，Idm 为最大电流，是由设
差调节。
第二十页，编辑于星期三：九点 二十二分。
第 3章 转速、电流双闭环直流调速系统
1) 转速调节器饱和
在电动机刚开始起动时，突加阶跃给定信号 U*n，由于
机械惯性，转速 n很小，转速负反馈信号 Un很小，则转速偏
差电压 ΔUn=U*n-Un>0很大，转速调节器 ASR 很快达到饱和
状态， ASR的输出维持在限幅值
图 3-5 双闭环直流调速系统的静特性
第二十三页，编辑于星期三：九点 二十二分。
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
2) 转速调节器不饱和
当转速n达到给定值且略有超调时 (即n>n0)，ΔUn=
U*n-Un<0，则转速调节器 ASR的输入信号极性发生改变，
ASR 退出饱和状态，转速负反馈环节开始起转速调节作用，
用以调节起动电流并使之保持最大值，使得转速线性变化， 迅速上升到给定值； 在电动机稳定运行时，转速调节器退 出饱和状态，开始起主要调节作用，使转速随着转速给定信 号的变化而变化，电流环跟随转速环调节电动机的电枢电流 以平衡负载电流。
第六页，编辑于星期三：九点 二十二分。
第 3章 转速、电流双闭环直流调速系统
器ACR和转速调节器 ASR的输入电压偏差一定为零，因此，
转速反馈控制直流调速系统
图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
3
稳态分析
下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能 够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的 假定：
1）忽略各种非线性因素，假定系统中 各环节的输入输出关系都是线性的， 或者只取其线性工作段。 2）忽略控制电源和电位器的内阻。
4
稳态分析( Fig2-18)
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
2.3.1 ~数学模型 2.3.2 比例控制的直流调速系统 2.3.3 比例积分控制的无静差直流调速系统 2.3.4 直流调速系统的稳态误差分析
1
闭环系统应该以什么量作为反馈量？ ➢ 系统组成，调节原理 ➢ 稳态分析(静特性) ➢ 闭环系统的稳态结构框图
2
系统组成，调节原理
（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提 高调速范围。
如果电动机的最高转速都是nN，而对最低速
静差率的要求相同，那么：
开环时， 闭环时，
Dop
nNl(1s)
再考虑式（2-49），得
Dcl(1K)Dop
(2-50)
22
要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。
转速负反馈系统中各环节的稳态关系如下：
电压比较环节 放大器 电力电子变换器
调速系统开环机械特性 测速反馈环节
Un Un*Un
Uc KpUn
Ud0 KsUc
n Ud0 IdR Ce
Un n
以上各关系式中
Kp— 放大器的电压放大系数； Ks— UPE的电压放大系数；
— 转速反馈系数（V·min/r）；R— 电枢回路总电阻；
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大
器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的
3
稳态分析
下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能 够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的 假定：
1）忽略各种非线性因素，假定系统中 各环节的输入输出关系都是线性的， 或者只取其线性工作段。 2）忽略控制电源和电位器的内阻。
4
稳态分析( Fig2-18)
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
2.3.1 ~数学模型 2.3.2 比例控制的直流调速系统 2.3.3 比例积分控制的无静差直流调速系统 2.3.4 直流调速系统的稳态误差分析
1
闭环系统应该以什么量作为反馈量？ ➢ 系统组成，调节原理 ➢ 稳态分析(静特性) ➢ 闭环系统的稳态结构框图
2
系统组成，调节原理
（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提 高调速范围。
如果电动机的最高转速都是nN，而对最低速
静差率的要求相同，那么：
开环时， 闭环时，
Dop
nNl(1s)
再考虑式（2-49），得
Dcl(1K)Dop
(2-50)
22
要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。
转速负反馈系统中各环节的稳态关系如下：
电压比较环节 放大器 电力电子变换器
调速系统开环机械特性 测速反馈环节
Un Un*Un
Uc KpUn
Ud0 KsUc
n Ud0 IdR Ce
Un n
以上各关系式中
Kp— 放大器的电压放大系数； Ks— UPE的电压放大系数；
— 转速反馈系数（V·min/r）；R— 电枢回路总电阻；
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大
器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的
运动控制系统考试简答题
绪论1、运动控制系统：以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
工作原理：通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。
2、分类（1）按被控量分：以转速为被控量的系统——调速系统以角位移或直线位移为被控量的系统——位置随动(伺服)系统。
（2）按驱动电机的类型分：直流电机带动生产机械——直流传动系统交流电机带动生产机械——交流传动系统（3）按控制器类型分：以模拟电路构成的控制器——模拟控制系统以数字电路构成的控制器——数字控制系统（4）按控制系统中闭环的多少分：单环、双环、多环控制系统3、运动控制系统的功率放大与变换装置：一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；4、反抗性恒转矩负载不是转矩作用方向和运动方向相反吗？那为什么n>0时T>0,n<0时T<0?答：n>0,T>0 和n<0,T<0意味着电机目前处于正转电动和反转电动状态，这个和负载转矩没有关系。
第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速调节转速方法Φ-=eKIRUn2、直流电动机点数两端的平均电压 三种改变输出平均电压的调制方法：（1）T 不变，变 ton —脉冲宽度调制(PWM)（2）ton 不变，变 T —脉冲频率调制(PFM)（3）ton 和 T 都可调，改变占空比—混合调制(两点式控制)。
当负载电流或电压低于某一最小值，开关器件导通，当高于某一最大值时，使开关器件关断。
3、UPE 是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。
UPE 变换器的器件选择：中、小容量系统,多采用IGBT 或P-MOSFET 构成较大容量系统,采用GTO 、IGCT 电力电子开关器件特大容量系统,则常用晶闸管触发与整流装置4、 系统稳态参数计算例： 用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，s s ond ρU U T t U ==5、PID调节器的类型和功能比例微分(PD)：由PD调节器构成的超前校正,可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性, 但稳态精度可能受到影响；比例积分(PI)：由PI调节器构成的滞后校正,可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；比例积分微分(PID)：PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点,可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。
电力拖动自动控制系统考纲及试题
电力拖动自动控制系统考纲及试题直流调速系统一判断题5串级调速系统的容量随着调速范围的增大而下降。
（Ⅹ）6交流调压调速系统属于转差功率回馈型交流调速系统。
（Ⅹ）7普通串级调速系统是一类高功率因数低效率的仅具有限调速范围的转子变频调速系统。
（√）9交流调压调速系统属于转差功率不变型交流调速系统。
（Ⅹ）13转差频率矢量控制系统没有转子磁链闭环。
（Ⅹ）计算转子磁链的电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。
9逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况。
（Ⅹ）10可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。
（√）与开环系统相比，单闭环调速系统的稳态速降减小了。
（Ⅹ）16闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，即静特性，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同。
二选择题2绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（B）A0S1，输出功率低于输入功率BS0，输出功率高于输入功率C0S1，输出功率高于输入功率DS0，输出功率低于输入功率4绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（C）Ａnn1，输出功率低于输入功率Bnn1，输出功率高于输入功率Cnn1，输出功率高于输入功率Dnn1，输出功率低于输入功率5与矢量控制相比，直接转矩控制（D）A调速范围宽B控制性能受转子参数影响大C计算复杂D控制结构简单7异步电动机VVVF调速系统中低频电压补偿的目的是A补偿定子电阻压降B补偿定子电阻和漏抗压降C补偿转子电阻压降D补偿转子电阻和漏抗压降8异步电动机VVVF调速系统的机械特性最好的是（D）A恒压频比控制B恒定子磁通控制C恒气隙磁通控制D恒转子磁通控制9电流跟踪PWM控制时，当环宽选得较大时，A开关频率高，B电流波形失真小C电流谐波分量高D电流跟踪精度高4系统的静态速降△ned一定时，静差率S越小，则（）。
第三章 转速、电流反馈控制的直流调速系统(电力拖动自动控制系统)
2. V-M可逆直流调速系统中的环流问题
图4-11 α=β配合控制电路 GTF—正组触发装置 GTR—反组触发装置 AR—反号器
2. V-M可逆直流调速系统中的环流问题
图4-12 α=β配合控制特性
1. α=β配合控制的有环流可逆V-M系统
图4-13 α=β配合控制的三相零式反并联 可逆线路的瞬时脉动环流(==60° ) a)三相零式可逆线路和瞬时脉动环流回路 b)=60°时 整流电压波形 c)=60°(α =120°)时逆变电压 波形 d)瞬时电压差Δ和瞬时脉动环流波形
(3)低频段大惯性环节的近似处理
图3-17 低频段大惯性环节近似处理对频率特性的影响
(3)低频段大惯性环节的近似处理
图3-18 双闭环调速系统的动态结构图 —电流反馈滤波时间常数 —转速反馈滤波时间常数
1.电流调节器的设计
图3-19 电流环的动态结构图及其化简 a)忽略反电动势的动态影响 b)等效成单位负 反馈系统 c)小惯性环节近似处理
(2)恢复时间tv
1)概念清楚、易懂；
2)计算公式简明、好记； 3)不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； 4)能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； 5)适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。
1.典型Ⅰ型系统
(1)动态跟随性能指标
(2)动态抗扰性能指标
1.典型Ⅰ型系统
图4-8 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路
1. V-M可逆直流调速系统的主回路结构
图4-9 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆变状态 a)正组整流电动运行 b)反组逆变回馈制动 c)机械特性允许运行范围
2. V-M可逆直流调速系统中的环流问题
运动控制系统第3章-转速闭环控制的直流调速系统ppt
s)
闭环时，Dcl
nN s ncl (1
s)
得到 Dcl (1 K )Dop
（2-50）
闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系
开环系统 Id n 例如：在图2-24中工作点从A A′
闭环系统 Id n Un Un Uc
n Ud0 例如：在图2-24中工作点从A B 比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动 调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压， 以补偿电枢回路电阻压降的变化。
图2-26 积分调节器的输入和输出动态过程
图2-26 积分调节器的 输入和输出动态过程
只要ΔUn>0，积分调 节器的输出Uc便一直 增长；只有达到 ΔUn=0时， Uc才停止 上升；只有到ΔUn变 负， Uc才会下降。
当ΔUn=0时， Uc并 不是零，而是某一个 固定值Ucf
突加负载时，由于Idl的 增加，转速n下降，导 致ΔUn变正，
由式（2-48）可得
K
nop
1
275
1 103.6
ncl
2.63
则得
Kp
K
K s / Ce
103.6 30 0.015 / 0.2
46
即只要放大器的放大系数等于或大于46。
3.1.3 闭环直流调速系统反馈控制规律
（1）比例控制的反馈控制系统是被调量有 静差的控制系统 比例控制反馈控制系统的开环放大系数值 越大，系统的稳态性能越好。 但只要比例放大系数Kp＝常数，开环放大 系数K≠∞，反馈控制就只能减小稳态误差， 而不能消除它， 这样的控制系统叫做有静差控制系统。
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第3章
转速闭环控制的 直流调速系统
第三章直流电动机速度控制系统
1-24
机械特性与静差率
n n01
额定转速降
ΔnN
R nN I N Ce
U d1
n02
是一个恒值。 调速系统在不 同电压下的机 械特性是互相 平行的，两者 的硬度相同。
1-25
ΔnN
Ud2
0
TeN
Te
图3-4 不同转速下的机械特性
机械特性与静差率
• 调速系统在不同电压下的理想空载转速 不一样。 • 理想空载转速越低时，静差率越大。 • 同样硬度的机械特性，随着其理想空载 转速的降低，其静差率会随之增大， • 调速系统的静差率指标应以最低速时能 达到的数值为准。
1-12
n n0
Ra Ra+R1 Ra+R2 Ra+R3
0
Id
图3－1 直流电动机调阻调速时的机械特性
1-13
减弱磁通调速法
U R n T n n 0 2 e K K K （3-3） e e m
• 理想空载转速 n 0 将随 增大。 的减少而
1-14
减弱磁通调速法
1-4
第一节
直流电动机控制基础
• 直流伺服电机的分类 直流电机按其励磁方式分为永磁式、励磁式(他 励、并励、串励、复励)、混合式(励磁和永磁 合成)三种；按电枢结构分为有槽、无槽、印刷 绕组、空心杯形等；按输出量分为位置、速度、 转矩(或力)三种控制系统；按运动模式分为增 量式和连续式；按性能特点及用途不同又有不 同品种。
（3-5）
1-23
2. 静差率
• 当系统在某一转速下运行时，负载由理 想空载增加到额定值时电动机转速的变 化率，称为静差率s。
• 用百分数表示 s
nN s n0
机械特性与静差率
n n01
额定转速降
ΔnN
R nN I N Ce
U d1
n02
是一个恒值。 调速系统在不 同电压下的机 械特性是互相 平行的，两者 的硬度相同。
1-25
ΔnN
Ud2
0
TeN
Te
图3-4 不同转速下的机械特性
机械特性与静差率
• 调速系统在不同电压下的理想空载转速 不一样。 • 理想空载转速越低时，静差率越大。 • 同样硬度的机械特性，随着其理想空载 转速的降低，其静差率会随之增大， • 调速系统的静差率指标应以最低速时能 达到的数值为准。
1-12
n n0
Ra Ra+R1 Ra+R2 Ra+R3
0
Id
图3－1 直流电动机调阻调速时的机械特性
1-13
减弱磁通调速法
U R n T n n 0 2 e K K K （3-3） e e m
• 理想空载转速 n 0 将随 增大。 的减少而
1-14
减弱磁通调速法
1-4
第一节
直流电动机控制基础
• 直流伺服电机的分类 直流电机按其励磁方式分为永磁式、励磁式(他 励、并励、串励、复励)、混合式(励磁和永磁 合成)三种；按电枢结构分为有槽、无槽、印刷 绕组、空心杯形等；按输出量分为位置、速度、 转矩(或力)三种控制系统；按运动模式分为增 量式和连续式；按性能特点及用途不同又有不 同品种。
（3-5）
1-23
2. 静差率
• 当系统在某一转速下运行时，负载由理 想空载增加到额定值时电动机转速的变 化率，称为静差率s。
• 用百分数表示 s
nN s n0
第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统-PPT文档资料
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第3章 转速、电流反馈控制 的直流调速系统
内 容 提 要
转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 及其静特性 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态 数学模型 转速、电流反馈控制直流调速系统调节器 的工程设计方法 MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制 的直流调速系统的仿真
第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Id基本保持在 Idm,
0 Id Idm t
电动机加速 到了给定值 n*。
ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环 状态，转速的变化对转速环不再产生影响。 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
U
* im
Idm
(3-2)
AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性， Id<Idm, n=n0。 BC段是ASR调 节器饱和时的 静特性，Id=Idm, n < n 0。
3.1.2 稳态结构图与参数计算
图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 TG——测速发电机
1. 稳态结构图和静特性
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定 的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制 了电力电子变换器的最大输出电压， 当调节器饱和时，输出达到限幅值，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； 当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状 态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。 对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和 两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。
第3章 转速、电流反馈控制 的直流调速系统
内 容 提 要
转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 及其静特性 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态 数学模型 转速、电流反馈控制直流调速系统调节器 的工程设计方法 MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制 的直流调速系统的仿真
第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Id基本保持在 Idm,
0 Id Idm t
电动机加速 到了给定值 n*。
ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环 状态，转速的变化对转速环不再产生影响。 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
U
* im
Idm
(3-2)
AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性， Id<Idm, n=n0。 BC段是ASR调 节器饱和时的 静特性，Id=Idm, n < n 0。
3.1.2 稳态结构图与参数计算
图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 TG——测速发电机
1. 稳态结构图和静特性
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定 的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制 了电力电子变换器的最大输出电压， 当调节器饱和时，输出达到限幅值，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； 当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状 态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。 对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和 两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。
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图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图
3.2.2转速、电流反馈控制直流调速系统 的动态过程分析
对调速系统而言，被控制的对象是转速。 跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描
述。 能否实现所期望的恒加速过程，最终以时
间最优的形式达到所要求的性能指标，是 设置双闭环控制的一个重要的追求目标。
1．起动过程分析
3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成及其静特性
对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制 动过程的时间是提高生产率的重要因素。
在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电 流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以 最大的加（减）速度运行。
当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使 电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态 运行。
图3-1 时间最优的理想过渡过程
起动电流呈矩形波，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.1 转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成
应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负 反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反 馈，不再让电流负反馈发挥作用。
当性作Id用≥ I，dL 后转，速电不机会开很始快起增动长，，由AS于R输机入电偏惯 差电压仍较大， ASR很快进入饱和状态， 而U*AimC。R一般不饱和。直到Id = Idm ， Ui =
第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）
n
Ⅰ n*
Ⅱ
Ⅲ
Id基本保持在 Idm,
0
t
电动机加速
Id
到了给定值
Idm
常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时 间。
动态降落 恢复时间
图3-9 突加 扰动的动态 过程和抗扰 性能指标
3.3.2 调节器的工程设计方法
工程设计方法： 在设计时，把实际系统校正或简化成典型系统，可以利用
现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程简便得多。 调节器工程设计方法所遵循的原则是： （1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记； （3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； （4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； （5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。 在典型系统设计的基础上，利用MATLAB/SIMULINK进行计算
2．动态抗扰性能分析
双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了 一个电流反馈环和电流调节器。
调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载 扰动和抗电网电压扰动性能，
闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有 关。
（1）抗负载扰动
负载扰动
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用
负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器 ASR来产生抗负载扰动的作用。
在设计ASR时，要求有较好的抗扰性能指标。
（2）抗电网电压扰动 电网电压扰动
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用
电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节， 使抗扰性能得到改善。
在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变 化会比单闭环系统小得多。
1. 转速调节器的作用
转速调节器是调速系统的主导调节器，它 使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采 用PI调节器，则可实现无静差。
3.3 转速、电流反馈控制 直流调速系统的设计
3.3.1 控制系统的动态性能指标 在控制系统中设置调节器是为了改善系统
的静、动态性能。
控制系统的动态性能指标包括对给定输入 信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的 抗扰性能指标。
1、跟随性能指标
以输出量的初始值为零，给定信号阶跃 变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，
对负载变化起抗扰作用。 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
2. 电流调节器的作用
在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随 其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
在转速动态过程中，保证获得电机允许的最 大电流。
当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的 最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障 消失，系统立即自动恢复正常。
n*。
IdL
0
t1
t2 t3 t4
t
ASR调节器始终保持在饱和状态，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调节器的饱和 值U*im，基本上保持电流Id = Idm不变，
电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势， 它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不 到无静差，而是Id略低于Idm。
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第3章
转速、电流反馈控制 的直流调速系统
内容提要
转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 及其静特性
转速、电流反馈控制直流调速系统的动态 数学模型
转速、电流反馈控制直流调速系统调节器 的工程设计方法
MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制 的直流调速系统的仿真
当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状 态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。
对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和 两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。
图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数
（1） 转速调节器不饱和
两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输 入偏差电压都是零。
BC段是ASR调 节器饱和时的 静特性，Id=Idm, n<n0。
图3-4 双闭环直流调速系统的静特性
在 反负 馈载 起电 主流 要小调于节作Idm用时。表现为转速无静差，转速负 当负载电流达到Idm时，转速调节器为饱和输出
U电*流im，无电静流差调。节器起主要调节作用，系统表现为 采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。 当 小A，SIRd<处Idm于，饱使和转状速态上时升，，Idn=>Indm0，，Δ若n负<0载，电AS流R减反
对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率 穿越零分贝线，只要参数的选择能保证足 够的中频带宽度，系统就一定是稳定的。
第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）
n
Ⅰ n*
Ⅱ
Ⅲ
起始时刻是
n上升到了
0
t
给定值n*。
Id Idm
IdL
0
t1
t2 t3 t4
t
n仍上处升于到加了速给过定程值，n使*，nΔ超U过n=了0。n*因，为称Id之>I为dm，起电动动过机程 的转速超调。
转和转速速Id很的 才快超 到下调 达降造 峰。成值转了。速ΔU仍n<在0上，升AS，R退直出到饱t=t和3时状，态Id，= IUdli ，
调整的方向；
（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出 简单的计算公式；
（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控 制系统。
工程设计方法的基本思路
1.选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定 和稳态精度。
2.设计调节器的参数，以满足动态性能指标 的要求。
典型系统
控制系统的开环传递函数都可以表示成
向积分，使ASR调节器退出饱和。
2．各变量的稳态工作点和 稳态参数计算
双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调 节器都不饱和时，各变量之间有下列关系
Un *Unnn0
(3-3)
Ui*Ui IdIdL (3-4)
U cU K d s0C enK sIdRC eU n */K sIdR L(3-5)
Un* Un nn0 Ui* Ui Id
n
U
* n
n0
Id Idm
(3-1)
（2）转速调节器饱和
ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环 状态，转速的变化对转速环不再产生影响。
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
Ui*m
Idm
(3-2)
AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性， Id<Idm, n=n0。
机辅助分析和设计，可设计出实用有效的控制系统。
（4）当电机过载甚至堵转时，限制电 枢电流的最大值，起快速的自动保护作 用。一旦故障消失，系统立即自动恢复 正常。这个作用对系统的可靠运行来说 是十分重要的。
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3.3 调节器的工程设计方法
必要性： 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 有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而 初学者则不易掌握，于是有必要建立实用 的设计方法。
图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 TG——测速发电机
1. 稳态结构图和静特性
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定 的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制 了电力电子变换器的最大输出电压，
当调节器饱和时，输出达到限幅值，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；
问题的提出（续）
可能性： 大多数现代的电力拖动自动控制系统均
可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶 典型系统的特性并制成图表，那么将实际 系统校正或简化成典型系统的形式再与图 表对照，设计过程就简便多了。这样，就 有了建立工程设计方法的可能性。
设计方法的原则 ：
（1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记； （3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数
在稳定t3~。t4时间内， Id <Idl，转速由加速变为减速，直到
如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡的 过程。
在第Ⅲ阶段中， ASR和ACR都不饱和，电流内环是 一个电流随动子系统。
双闭环直流调速系统的起动过程有以下三 个特点：
（1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制
选择调节器的结构，使系统能满足所需的 稳态精度。由于Ⅲ型（ r =3）和Ⅲ型以上 的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。 因此常把Ⅰ型和Ⅱ型系统作为系统设计的 目标。
3.2.2转速、电流反馈控制直流调速系统 的动态过程分析
对调速系统而言，被控制的对象是转速。 跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描
述。 能否实现所期望的恒加速过程，最终以时
间最优的形式达到所要求的性能指标，是 设置双闭环控制的一个重要的追求目标。
1．起动过程分析
3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成及其静特性
对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制 动过程的时间是提高生产率的重要因素。
在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电 流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以 最大的加（减）速度运行。
当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使 电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态 运行。
图3-1 时间最优的理想过渡过程
起动电流呈矩形波，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.1 转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成
应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负 反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反 馈，不再让电流负反馈发挥作用。
当性作Id用≥ I，dL 后转，速电不机会开很始快起增动长，，由AS于R输机入电偏惯 差电压仍较大， ASR很快进入饱和状态， 而U*AimC。R一般不饱和。直到Id = Idm ， Ui =
第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）
n
Ⅰ n*
Ⅱ
Ⅲ
Id基本保持在 Idm,
0
t
电动机加速
Id
到了给定值
Idm
常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时 间。
动态降落 恢复时间
图3-9 突加 扰动的动态 过程和抗扰 性能指标
3.3.2 调节器的工程设计方法
工程设计方法： 在设计时，把实际系统校正或简化成典型系统，可以利用
现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程简便得多。 调节器工程设计方法所遵循的原则是： （1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记； （3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； （4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； （5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。 在典型系统设计的基础上，利用MATLAB/SIMULINK进行计算
2．动态抗扰性能分析
双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了 一个电流反馈环和电流调节器。
调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载 扰动和抗电网电压扰动性能，
闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有 关。
（1）抗负载扰动
负载扰动
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用
负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器 ASR来产生抗负载扰动的作用。
在设计ASR时，要求有较好的抗扰性能指标。
（2）抗电网电压扰动 电网电压扰动
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用
电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节， 使抗扰性能得到改善。
在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变 化会比单闭环系统小得多。
1. 转速调节器的作用
转速调节器是调速系统的主导调节器，它 使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采 用PI调节器，则可实现无静差。
3.3 转速、电流反馈控制 直流调速系统的设计
3.3.1 控制系统的动态性能指标 在控制系统中设置调节器是为了改善系统
的静、动态性能。
控制系统的动态性能指标包括对给定输入 信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的 抗扰性能指标。
1、跟随性能指标
以输出量的初始值为零，给定信号阶跃 变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，
对负载变化起抗扰作用。 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
2. 电流调节器的作用
在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随 其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
在转速动态过程中，保证获得电机允许的最 大电流。
当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的 最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障 消失，系统立即自动恢复正常。
n*。
IdL
0
t1
t2 t3 t4
t
ASR调节器始终保持在饱和状态，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调节器的饱和 值U*im，基本上保持电流Id = Idm不变，
电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势， 它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不 到无静差，而是Id略低于Idm。
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第3章
转速、电流反馈控制 的直流调速系统
内容提要
转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 及其静特性
转速、电流反馈控制直流调速系统的动态 数学模型
转速、电流反馈控制直流调速系统调节器 的工程设计方法
MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制 的直流调速系统的仿真
当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状 态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。
对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和 两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。
图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数
（1） 转速调节器不饱和
两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输 入偏差电压都是零。
BC段是ASR调 节器饱和时的 静特性，Id=Idm, n<n0。
图3-4 双闭环直流调速系统的静特性
在 反负 馈载 起电 主流 要小调于节作Idm用时。表现为转速无静差，转速负 当负载电流达到Idm时，转速调节器为饱和输出
U电*流im，无电静流差调。节器起主要调节作用，系统表现为 采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。 当 小A，SIRd<处Idm于，饱使和转状速态上时升，，Idn=>Indm0，，Δ若n负<0载，电AS流R减反
对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率 穿越零分贝线，只要参数的选择能保证足 够的中频带宽度，系统就一定是稳定的。
第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）
n
Ⅰ n*
Ⅱ
Ⅲ
起始时刻是
n上升到了
0
t
给定值n*。
Id Idm
IdL
0
t1
t2 t3 t4
t
n仍上处升于到加了速给过定程值，n使*，nΔ超U过n=了0。n*因，为称Id之>I为dm，起电动动过机程 的转速超调。
转和转速速Id很的 才快超 到下调 达降造 峰。成值转了。速ΔU仍n<在0上，升AS，R退直出到饱t=t和3时状，态Id，= IUdli ，
调整的方向；
（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出 简单的计算公式；
（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控 制系统。
工程设计方法的基本思路
1.选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定 和稳态精度。
2.设计调节器的参数，以满足动态性能指标 的要求。
典型系统
控制系统的开环传递函数都可以表示成
向积分，使ASR调节器退出饱和。
2．各变量的稳态工作点和 稳态参数计算
双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调 节器都不饱和时，各变量之间有下列关系
Un *Unnn0
(3-3)
Ui*Ui IdIdL (3-4)
U cU K d s0C enK sIdRC eU n */K sIdR L(3-5)
Un* Un nn0 Ui* Ui Id
n
U
* n
n0
Id Idm
(3-1)
（2）转速调节器饱和
ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环 状态，转速的变化对转速环不再产生影响。
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
Ui*m
Idm
(3-2)
AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性， Id<Idm, n=n0。
机辅助分析和设计，可设计出实用有效的控制系统。
（4）当电机过载甚至堵转时，限制电 枢电流的最大值，起快速的自动保护作 用。一旦故障消失，系统立即自动恢复 正常。这个作用对系统的可靠运行来说 是十分重要的。
返回目录
3.3 调节器的工程设计方法
必要性： 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 有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而 初学者则不易掌握，于是有必要建立实用 的设计方法。
图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 TG——测速发电机
1. 稳态结构图和静特性
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定 的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制 了电力电子变换器的最大输出电压，
当调节器饱和时，输出达到限幅值，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；
问题的提出（续）
可能性： 大多数现代的电力拖动自动控制系统均
可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶 典型系统的特性并制成图表，那么将实际 系统校正或简化成典型系统的形式再与图 表对照，设计过程就简便多了。这样，就 有了建立工程设计方法的可能性。
设计方法的原则 ：
（1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记； （3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数
在稳定t3~。t4时间内， Id <Idl，转速由加速变为减速，直到
如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡的 过程。
在第Ⅲ阶段中， ASR和ACR都不饱和，电流内环是 一个电流随动子系统。
双闭环直流调速系统的起动过程有以下三 个特点：
（1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制
选择调节器的结构，使系统能满足所需的 稳态精度。由于Ⅲ型（ r =3）和Ⅲ型以上 的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。 因此常把Ⅰ型和Ⅱ型系统作为系统设计的 目标。