双闭环直流调速系统

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1、转速、电流双闭环调速系统班级：铁道自动化 091姓名：陈涛指导老师：严俊完成日期：2011 -10-31湖南铁道职业技术学院目录摘要3.一、直流调速介绍 41、调速定义 4.2、调速方法 4.3、调速指标 4.二、双闭环直流调速系统介绍 51、转速、电流双闭环调速系统概述 5.2、转速、电流双闭环调速系统的组成 6.3、PI 调节器的稳态特征 7.4、起动过程分析 8.5、动态性能 1.1.6、两个调节器的作用 1.1.三、总结 1213摘要随着近代电力电子技术和计算机的发展以及现代控制理论的应 用，自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈 进，以达到高速、优质、高效率地生产。

2、在大多数综合自动化系统中， 自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。本文讲述的是转速、 电流双闭环直流调速系统， 通过学习使我对 转速、电流双闭环直流调速系统的组成、 调速器的稳态特性和作用以 及系统的动态特性有了一定的了解。 该系统是在单闭环系统的基础上 加以改进后完成的， 通过对电力拖动自动控制系统的学习， 我们里了 解到转速、电流双闭环直流调速系统相对于单闭环调速系统的一些优 势，它是通过转速反馈和电流反馈两个环节分别起作用的。通过这次的学习， 我懂得了很多， 具有了通过运用理论上所掌握 的知识来独立发现问题、思考问题、解决问题的能力，在这次的论文 中，我有一次重新学习了转速、电流

3、双闭环直流调速系统，使我这一 系统有了更进一步的了解。转速、电流双闭环调速系统一、直流调速介绍1、调速定义调速是指在某一具体负载情况下，通过改变电动据或电源参数的方法， 使机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。2、调速方法1. 调节电枢供电电压 UL改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无 级平滑调速的系统来说，这种方法最好。和变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。2. 改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱 磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上

4、调速，属恒功率调速方法。右 变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。3. 改变电枢回路电阻疋 。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法， 设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软;空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。3、调速指标1. 调速范围（包括：恒转矩调速范围/恒功率调速范围），A 、恒转矩调速范围是指调速系统在额定负载下，可长期稳定运行的最低 速度和最高速度之比，一般这个最高速度就是额定速度，比如： 1：1000，假定 该调速系统的最大（额定速度）为2000rpm,贝U其最小运行速度为2rpm。指标越

5、 宽，调速范围越大，系统性能越好B 、恒功率调速范围是指调速系统在额定功率下,可长期稳定运行的最 低速度和最高速度之比,一般这个最低速度就是额定速度,比如： 1：2,假定该 调速系统的额定速度为1000rpm,则其最高运行速度为2000rpm。2动态速降 它是指电机由空载突加额定负载时最大的速度跌落（下降） ,这个值越小, 表明系统响应快,系统特性硬3恢复时间 当电机突加额定负载后可以恢复到原先速度所需的时间,时间越短,响应越 好,反之表明系统响应慢。二、双闭环直流调速系统介绍1、转速、电流双闭环调速系统概述采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件 下实现转速无静

6、差。由于主电路电感的作用,电流不能突跳,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人端, 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 反馈作用,又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢 ?双闭环调速系统正是用来 解决这个问题的。2、转速、电流双闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反

7、馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器, 分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图一所示。ia 图一这就是说，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 输出去控制晶闸管整流器的触发装置。 从闭环结构上看，电流调节环在里面， 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。pi为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都米用 调节器，其原理图示于图二。图在图上标出了两个调节器输入输出电压的实际极性， 它们是按照触发装置 GT 的控制电压 Ur, 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

8、都是带限幅的，转速调节器ASM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勺输出限 幅电压是Uctm,它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。3、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， PI 作用使输入偏差电压在稳态时 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。只有转速 调节器饱和与不饱和两种情况。1转速调

9、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U *n=Un=a n U *i=Ui= B Id。ASR不饱和，Ui Un, ASR退出饱和状态。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 并不是无穷大、特别是为了避免零点飘移而采用 “准

10、 PI 调节器”。在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un决定的，ASR的输出量Ui是由负 载电流ldL决定的，而控制电压Uct的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时 取决于Un和I此。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。无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定亨反馈值计算有关的反 馈系数：转速反馈系数a = U nm/rmax电流反馈系数B = U*im/ldm4、起动过程分析1过程分析。

11、设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程。因此有必要探讨它的起动过程。 双闭环调速系统突加给定电压；由静止 状态起动时，转速和电流的过渡过程示于图三。图三由于在起动过程中转速调节器 ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段, 整个过渡过程也就分成三段，在图中分别标以I、和Ill o第1阶段0 t1是电流上升的阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的 控制作用，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而 转速调节器ASR的输人偏差电压数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流Id迅速上升。当IdIdm时，UiUim，电流调节器的作用使Id不再迅猛增长， 标志着这一

12、阶段的结束。在这一阶段中， ASF由不饱和很快达到饱和，而 ACF一 般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第U阶段t1t2是恒流升速阶段。从电流升到最大值Imd开始，到转速升 到给定值为止，属于恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中， ASR 一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim作用下的电流调节系统， 基本上保持电流 Id 恒定（ 电流可能超调，也可能不超调， 取决于电流调节器的结构和参数 ），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增 长。与此同时，电动机的反电动势正也按线性增长。对电流调节系统来说，这个 反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰

13、动，Ud0和Ud也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。由于电流调节器ACR是 PI调节器，要使它的 输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说， Id 应略 低于Idm。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流 调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电压 UdOm也须留有余地，即晶闸管 装置也不应饱和，这些都是在设计中必须注意的。第 III 阶段 t2 以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定 值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡， 输入偏差为零， 但其输出却由于积分 作用还维持在限幅值， 所以电动机仍在最大电流下加速， 必然使转速超调。

14、转速 超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压即ACR 的给定电压立即从限幅值降下来， 主电流 Id 也因而下降。 但是， 由于 Id 仍大于 负载电流IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。至U Id=IdL时，转速n达到峰 值。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流 Id 也出现一段 小于 IdL 的过程，直到稳定（设调节器参数已调整好 ）。在这最后的转速调节阶段 内，ASF与 ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流 内环是一个电流随动子系统。2双闭环

15、调速系统的起动过程三个特点：（1）饱和非线性控制。随着 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 环则表现为电流随动系统。 在不同情况下表现为不同结构的线性系统， 这就是饱 和非线性控制的特征。决不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这样的系 统，可以采用分段线性化的方法来处理。 分析过渡过程时， 还必须注意初始状态， 前一阶段的终了状态就是后一阶段的初始状态。 如果初始状态不同， 即使控制系 统的结构和参数都不变，过渡过程还是不一样的。(2) 准

16、时间最优控制。起动过程中主要的阶段是第U阶段，即恒流升速阶 段，它的特征是电流保持恒定， 一般选择为允许的最大值， 以便充分发挥电机的 过载能力， 使起动过程尽可能最快。 这个阶段属于电流受限制条件下的最短时间 控制，或称“时间最优控制” 。但整个起动过程与理想快速起动过程相比还有一 些差距，主要表现在第 I 、III 两段电流不是突变。不过这两段的时间只占全部 起动时间中很小的成份， 已无伤大局， 所以双闭环调速系统的起动过程可以称为 “准时间最优控制” 过程。如果一定要追求严格最优控制， 控制结构要复杂得多， 所取得的效果则有限，并不值得。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有

17、实用价值的控制 策略，在各种多环控制系统中普遍地得到应用。(3) 转速超调。由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入第川段即 转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照 PI 调节器的特性，只 有使转速超调，ASM输人偏差电压为负值，才能使 ASR退出饱和。这就是说， 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。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。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

18、，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，在起动的第川阶段内，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， 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。5、动态性能一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。1 动态跟随性能。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

19、有良好的跟随性能。2动态抗扰性能（ 1）抗负载扰动。 负载扰动作用在电流环之后， 只能靠转速调节器来产生抗 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寸，要求系统具有较好的抗扰性能指标。 对于ACR勺设 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动态结构图中作用的 位置不同， 系统对它的动态抗扰效果也不一样。 单闭环调速系统中， 电网电压扰 动和负载电流扰动都作用在被负反馈环包围的前向通道上， 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

20、于扰动作用的位置不同， 还存在着及时调节上的差别。 负载扰动作用在被调量的前面， 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挠后影响到电枢电流， 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， 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

21、多。6、两个调节器的作用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）使转速跟随给定电压U二变化，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）对电网电压波动起及时抗扰作用。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 U;变化。4）当电机过载甚至于堵转时，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。三、总结经过这阶段的学习，使我们对交直流传动控制系统这本书有了一定的了 解，从中也学会了很多知识。这次我的这个论文题目是：转速、电流双闭环调速 系统。目前，转速、电流双闭环调速系统应用很广泛，相对单闭环直流调速系统 来说，既保证动态稳定性又可消除静差，可以获得最佳控制的物理量也实行负反 馈控制。作为我们这个专业的学生，应该能够掌握这门知识。而且这次的论文也 给了我一个很好的锻炼机会，让我更近一步的了解了这方面的知识。 也让我懂得 知识必须多方面的了解，有些东西以为学会了，但真正用的时候才发现是两回事。 总体来说，这次收获还是很多，因为这个论文都是自己完成的， 经过了自己的思 考。最后还是要感谢老师给我们的教导。13