双环调速系统

第二章双闭环直流调速系统和仿真软件6第二章双闭环直流调速系统和仿真软件2.1转速、电流双闭环调速系统概述采用PI调节器的单闭环直流调速系统，既保证了动态稳定性，又能作到无静差，很好地解决了系统中动、静态之间的矛盾。然而系统中只靠电流截止环节来限制启动和升速时的冲击电流，其性能仍然不能令人满意。主要问题是，不能在充分利用电机过载能力的条件下获得最快的动态响应，甚至使启动和加速过程拖长。自动控制理论提示，进一步解决问题的唯一途径就是对电流这个物理量也实行负反馈控制。同时在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于调节电流量。这样，系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。这样的系统，称为转速、电流双闭环调速系统]14[。2.2转速、电流双闭环调速系统的组成为了实现转速负反馈和电流负反馈在系统中分别起作用，又不致互相牵制而影响系统的性能，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，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发装置。其原理结构图如图2.1所示。图中，ST是转速调节器，LT是电流调节器，两种调节器作用互相配合，相辅相成。从闭环反馈的结构上看，电流调节环在里面，是内环；转速调节环在外面，成为外环。这样就组成了转速、电流双闭环调速系统。为了使转速、电流双闭环调速系统具有良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。图中还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的控制电压kU需要正电压，并考虑到运算放大器的倒相作用后确定的。这是在组成双闭第二章双闭环直流调速系统和仿真软件7环调速系统时首先应解决的实际问题之一。在组成双闭环调速系统时必须解决的另一个问题是调节器限幅值的整定问题。转速调节器ST的输出限幅（饱和）电压gimU决定了电流调节器LT给定电流的最大值，它完全取决于电动机的过载能力和系统对最大加速度的需要；电流调节器LT输出电压的正限幅（+kmU）则表示对触发装置最小移相角的限制（即min）或对晶闸管装置输出电压最大值kU的限制。采用运算放大器作调节器时，输出限幅可采用内限幅和外限幅两种方法。2.3双闭环调速系统的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，绘制稳态结构图的关键是掌握限幅输出的PI调节器在稳态时的特征。一般有两种状况：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；当调节器不饱和时，比例积分作用使稳态输入偏差电压U总是零。在图2.1中，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器，就可以很方便地绘出双闭环调速系统稳态结构图]15[，如图2.2所示。实际上，在正常运行时，电流调节器LT不会达到预先设计好的饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器ST的饱和与不饱和两种情况。1.转速调节器不饱和图2.1双闭环调速系统原理结构图gnU0R0RSTLTCFKZLHLSFMGdI0R0RnRnCiRiCfiUfnUkU第二章双闭环直流调速系统和仿真软件8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，nUUfngn（2-1）dfigiIUU（2-2）由式（2-1）可得0nUngn（2-3）从而可画出图2.3所示的静特性的An~0段。与此同时，由于ST不饱和，gimgiUU，从式（2-2）可知：dmdII。这AB0ndIdmIdedIn0图2.3双闭环调速系统的静特性图2.2双闭环调速系统的稳态结构图RsKeC1fiUdIgnUfnUSTLTEnkU0dURIdgiU第二章双闭环直流调速系统和仿真软件9表明，An~0段静特性从（理想空载状态）一直延续到dmdII，而dmI一般都是大于额定电流dedI的。这正是静特性的运行段。2.转速调节器饱和转速调节器饱和，ST输出达到限幅值gimU，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闭环系统。稳态时，dmgimdIUI（2-4）式中，最大电流dmI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（2-4）所描述的静特性是图2.3中的BA~段。这样的下垂特性只适合于0nn的情况。因为0nn时，fnUgnU，ST将退出饱和状态。综上所述，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dmI时表现为转速无静差；当负载电流达到dmI后表现为电流无静差，使系统得到保护。这就是采用两个PI调节器分别形成两个“串级”闭环的效果。这样的特性显然比带有电流截止负反馈的单闭环系统的静特性要强得多。2.4稳态工作点和稳态参数的计算由图2.2可以看出，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：0nnUUfngn（2-5）dldfigiIIUU（2-6）sdlgnesdesdokKRIUCKRInCKUU/（2-7）上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压gnU决定的，ST的输出量giU是由负载电流dlI决定的，而控制电压kU的大小则同时取决于n和dI，或者说，同时取决于gnU和dlI。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调第二章双闭环直流调速系统和仿真软件10节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似。稳态时，转速等于给定值，电流等于负载电流，ST和LT的输入偏差电压都是零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数：maxnUgnm（2-8）电流反馈系数：dmgimIU（2-9）两个给定电压的最大值gnmU和gimU是受运算放大器的允许输入电压限制的。2.5双闭环调速系统的动态特性1.双闭环调速系统的动态数学模型根据双闭环调速系统的原理结构图2.1，即可绘出双闭环调速系统的动态结构图如图2.4所示。图中sWST和sWLT分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。2.双闭环调速系统启动过程分析双闭环调速系统突加给定电压gnU后，由静止状态启动时转速和电流的过渡过程波形示于图2.5中。由于在启动过程中转速调节器ST经历了不饱和、饱和、退出饱和三个阶段，因此，整个过渡过程也分为三段，在图2.5中分别标以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。第一阶段1~0t是电流上升阶段，突加给定电压gnU后，通过两个调节器的控制作用使kU、0dU、dI都上升。当dIfzI后，转速n开始增长。由于电动机机电惯性较大，转速和转速反馈增长较慢，因而转速调节器ST的输入偏差电压fngnUUU数值较大，其输出很快达到限幅值gimU，并输送给电流调节器LT，使其输出kU迅速增大，从而使触发脉冲从090初始位置快速前移，迅速地使整流电压0dU增大，进而使电流dI迅速增大。当dmdII时，gimfiUU，电流调节器的作用使dI不再增长，而保持动态平衡。这一阶段的第二章双闭环直流调速系统和仿真软件11特点是转速调节器ST由不饱和很快达到饱和，而电流调节器LT一般是不饱和的，以保证电流环的调节作用。这些都是在设计时给予保证的。第二阶段21~tt是恒流升速阶段，即保持最大电流给定、升速。这一段是从电流上升到最大值dmI开始，到转速上升到给定值edn（即静特性上的0n）为止，是启动过程的主要阶段。在这个阶段中，转速调节器ST一直是饱和的，转速相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定gimU作用下的电流调节系统，基本上保持电流dI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）。与此同时，在电流环实现恒流调节过程中，电动机的反电势E也按线性增长。对电流调节系统来说，反电势E是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动，kU和0dU也必须基本上按线性增长，才能保持dI恒图2.5双闭环调速系统启动时的转速和电流波形nedn00tt1t1t2t2t3t3t4t4tdIfzI0tdmIⅠⅡⅢ图2.4双闭环调速系统的动态结构图STWLTW11sTRleC11sTKsssTRmgnUnEdI0dUkUfiUgiUfnUfzI第二章双闭环直流调速系统和仿真软件12定。由于电流调节器是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压figimiUUU必须维持一定的恒值，也就是说dI应略低于dmI。上述情况表明，电流恒值调节过程同时伴随着对反电势扰动的调节过程，反电势扰动对电流的影响被电流调节器的积分作用所补偿。因此，为了保证电流环的这种调节作用，在启动过程中，电流调节器是不饱和的，而且要求电流调节器的积分时间常数1和调节对象的时间常数1T要相互配合，这正是电流调节器在设计中要解决的问题。同时，还要求整流装置的最大电压dmU必须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，以保证提供足够大的整流电压，满足调节能力的需要。第三阶段2t以后是转速调节阶段。在这个阶段开始时，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（即fngnUU，0nU）。但其输出却由于转速调节器ST的积分作用还维持在限幅值gimU上，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，转速调节器ST的输入端出现负的偏差电压（即gnfnUU，0nU），使它退出饱和状态，其输出电压也就是电流调节器LT的给定电压giU立即从限幅值降下来，主电路电流dI也随之迅速减小。但是，由于dI仍大于负载电流fzI，在一段时间内，转速仍继续上升，直到fzdII时，转矩fzMM，则0/dtdn，转速n达到峰值（t＝3t时）。此后，电动机才开始在负载力矩fzM的作用下减速。与此相应，电流dI也出现一段小于fzI的过渡过程，直到进入稳态。综上分析可知，在这一阶段内，转速调节器ST和电流调节器LT都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，转速调节器ST处于主导地位，它使转速迅速趋于给定值，并使系统稳定；电流调节器的作用则是力图使dI尽快地跟随转速调节器ST的输出giU的变化，也就是说，电流内环的调节过程是由速度外环支配的，故而形成了一个电流随动系统。综上所述，双闭环调速系统的启动过程具有三个特点：①饱和非线性控制；②转速超调；③准时间最优控制。随着转速调节器ST的饱和限幅与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ST饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单环系统；当ST不饱和时，转速形成闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表第二章双闭环直流调速系统和仿真软件13现为电流随动系统。在不同情况下表现为不同结构的系统，这就是饱和非线性控制的特征。转速环开环后，转速的动态响应一定有超调。只是在转速超调后，转速调节器ST退出饱和，才真正发挥线性调节作用。从另一个角度看，在ST饱和期间，它也并不是没有作用，而是起着饱和的非线性控制作用。启动过程中的主要阶段是恒流升速阶段，即第Ⅱ阶段。它的特征是电流保持恒定（利用饱和非线性控制作用来保证）。一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使启动过程尽可能最快。这个阶段是电流受限制条件下的最短时间控制，或称“时间最优控制”。但整个启动过程与理想快速启动过程还有差别，主要表现为第Ⅰ、Ⅲ阶段的电流不是突变。不过这两段的时间只占全部启动时间中的很小成份，已无关大局，所以双闭环调速系统的启动过程可以称为“准时间最优控制”过程。具有上述特点的双闭环调速系统，在使用中需要注意：①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，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。若初始状态不同