Id ? R Un *+ ASR U*i Ui - + ACR Uct UPE Ud0 + Ks -IdR E 1/Ce n - Un ?

图2-3a 双闭环调速系统的稳态结构图

Fig2-3a Double-loop speed control system of steady-state chart

?—转速反馈系数 ?—电流反馈系数

?—Speed feedback coefficient ?—Current feedback coefficient 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

此时两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都为零，即

Un?Un??n

*Ui?Ui??Id 由Un**?Un??n得：

n?Un*??n0

**从而得到图2-3b静特性的n0-A段。

由Ui*?Ui??Id，且ASR不饱和?Ui?Uim得：Id?Idm，说明n0-A段静特性

从Id?0(理想空载状态)一直延续到Id?Idm，而Idm一般都大于额定电流Idnom的。

（二）转速调节器饱和

此时，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。双闭环变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时有：

*Id?从而得到图2-3b静特性的A-B段。

Uim*??Idm

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，转速负反馈起主

[1]

要调节作用。当负载电流达Idm到后，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。

6

n n0

C O

图2-3b 双闭环调速系统的静特性

Fig2-3b Double-loop speed control system of static characteristics

IdN

Idm

B Id

A 2.4双闭环直流调速系统的数学模型

双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图2-4所示。图中WASR(s)和

[2]

[2]

WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的

动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。

-IdL R Tms Un + - *U*i WASR(s) Un - Ks WACR(s) Ts+1 U- d0 Uct sUi ? 1/R Tl s+1 Id + E 1/Ce n ?

图2-4 双闭环直流调速系统的动态结构框图

Fig2-4 double closed loop DC rotation regulation system of dynamic structure

diagram

2.5双闭环直流调速系统的起动过程分析

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，因此在分析双闭环直流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Ui由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图2-5所示。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，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。

（一）第I阶段（0～t1）是电流上升阶段。

* 7

*突加给定电压Un后，通过两个调节器的跟随作用，使Uct、Ud0、Id都上升，但是在Id没有达到负载电流IdL之前，电动机还不能转动。当Id?IdL后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压

?Un?Un?Un的数值仍较大，其输出电压保持限幅值Uim****，强迫电枢电流Id迅速上

升。直到Id?Idm，Ui?Uim,电流调节器很快就压制了Id不再迅速增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。

图2-5 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形

Fig2-5 double closed loop DC rotation regulation system

starting process of rotation and current profile

（二）第II阶段（t1～t2）是恒流升速阶段。

恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统表现为恒值电流给定Uim作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长（图2-5）。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量（图2-4）。为了克服这个扰动，

*n n*

I II III O Id Idm t

IdL

t1 t2 t3 t4 t

O Ud0和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其

输出量按线性增长，其输入偏差电压?Ui?Uim?Ui必须维持一定的恒值，Id也就是说，

*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ACR不应饱

8

和。

（三）第III阶段（t2以后）是转速调节阶段。

当转速上升到给定值n*?n0时，转速调节器

*ASR的输入偏差减少到零，但其输出却

*由于积分作用还维持在限幅值Uim，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，输出电压Ui和主电流Id也因而下降。但是，由于Id仍大于负载电流IdL，转速将在一段时间内继续上升。直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n才能到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应,电流出现一段小于IdL的过程,直到稳定。

双闭环直流调速系统起动过程的三个特点： 1．饱和非线性控制

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系统，而电流内环则表现为电流随动系统。

2．准时间最优控制

在恒流升速阶段，系统电流为允许最大值，并保持恒定，使系统最快起动，即在电流受限制条件下使系统最短时间内起动。

3．转速超调

由于PI调节器的特性，只有使转速超调，即在转速调节阶段，ASR的输入偏差电压?Un为负值，才能使ASR退出饱和。所以采用PI调节器的双闭环直流调速系统的转速动态响应必然有超调。

2.6双闭环直流调速系统的动态性能分析

一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。动态性能可分为动态跟随性能和动态抗扰性能两种。其中动态抗扰性能对于调速系统更为重要，它主要表现为抗负载扰动和抗电网电压扰动。

（一） 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。在设计ACR时，应强调具有良好的跟随性能。

（二） 动态抗扰性能 1．抗负载扰动

由图2-6a可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节ASR来产生抗负载扰动的作用。在突加（突减）负载时，必然会引起动态速降（速升）。为了减少动态速降（速升），所以要求ASR具有较好的抗扰性能。

9

±?IdL

U*n + - ASR Un U*i - Ui ACR Ks Tss+1 Ud0 - 1/R Id Tl s+1 n R E 1/Ce Tms ? ? 图2-6a 双闭环直流调速系统的抗负载扰动

Fig2-6a Double Loop DC Motor Control System-load disturbance

±?Ud U*n + - ASR Un U*i - Ui ACR Ks Tss+1 Ud0 -

-IdL n R E 1/Ce Tms Id 1/R Tl s+1 ? ? 图2-6b 直流调速系统的动态抗扰作用

Fig2-6b DC rotation regulation system of dynamic turbulence-proof function

±?Ud—电网电压波动在可控电源电压上的反映

±?Ud—Fluctuations in the power grid voltage power

supply voltage controlled reflect on the

2．抗电网电压扰动

由于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，系统对它们的动态抗扰效果就不同。如图2-6b所示的双闭环系统中，电网电压扰动??Ud和负载扰动IdL都作用在被转速负反馈环包围的前向通道上，就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。从动态性能上看，负载扰动IdL作用在被调量n的前面，可以通过测速发电机检测出来，使负载扰动通过转速负反馈得到及时调节。而电网电压扰动作用在离被调量n更远的位置，转速调节器ASR不能及时对它进行调节，但是因为它作用在被电流负反馈环包围的前向通道上，使电压波动可以直接通过电流反馈得到及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回

10