【正文】 電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 對(duì)比分析 ? 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些?？梢酝ㄟ^(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，使抗擾性能得到改善。 ? 在設(shè)計(jì) ASR時(shí)，要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 因電流不能發(fā)生突變，為準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 2．動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 ? 調(diào)速系統(tǒng)，最主要的抗擾性能是指抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)性能， ? 閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾能力與其作用點(diǎn)的位置有關(guān)。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 （ 3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 時(shí)間最優(yōu)控制：在設(shè)備物理上的允許條件下，實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 （ 2）轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于 ASR采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 △ Un 為負(fù)值，才能使 ASR退出飽和。 ⅠⅡⅢnn*ttt1t2t3t4IdId LId m00 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 ? 結(jié)論 起動(dòng)過(guò)程中， ASR飽和后，系統(tǒng)成為恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)； ASR退飽和后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，表現(xiàn)為一轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)， ACR則力圖使電流盡快地跟隨其給定值，電流內(nèi)環(huán)為一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 ? 在 t3~t4時(shí)間內(nèi)， Id Idl，轉(zhuǎn)速由加速變?yōu)闇p速，直到穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速仍在上升。 Δui不是零 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 第 Ⅲ 階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) ⅠⅡⅢnn*ttt1t2t3t4IdId LId m00? 起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速超調(diào)。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 ⅠⅡⅢnn*ttt1t2t3t4IdId LId m00系統(tǒng)為 I型系統(tǒng)。 dmI 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 第 Ⅱ 階段 :恒流升速階段（ t1~t2） ASR飽和 → Ui*≈ Uim* → Id≈Idm→電機(jī)以恒加速度上升（ n線性上升至 n*） n↑→E↑→ Id↓→ Ui↓→ ΔUi↑ →Uct ↑ → Ud0 ↑ → Id↑ （ Id維持 Idm不變 ） 在該階段， ASR始終飽和。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 ⅠⅡⅢnn*ttt1t2t3t4IdId LId m00電流從 0到達(dá)最大允許值 ASR由不飽和快速進(jìn)入飽和狀態(tài)。 ? 啟動(dòng)過(guò)程分三個(gè)階段： 電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 ? 電流波形 ? 轉(zhuǎn)速波形 ? 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ? 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 第 Ⅰ 階段：電流上升階段（ 0~t1） 突加 Un* → ΔUn很大 →ACR的給定輸入很大 → Id↑ → IdIdL電機(jī)不轉(zhuǎn) → IdIdL電機(jī)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)→ ASR迅速飽和 →Ui*= Uim* →Id↑≈Idm 本階段： ASR由不飽和迅速飽和（ Un增長(zhǎng)慢）。 ? 描述方法：轉(zhuǎn)速的跟隨性能用階躍給定下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)描述。 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 ? 反饋參數(shù)計(jì)算： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 兩個(gè)給定電壓的最大值 U*nm和 U*im由設(shè)計(jì)者選定。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而 PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。 ? ASR與 ACR的作用： 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 2．各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 ? 系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)靜特性 AB段上一個(gè) 點(diǎn)（穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)） 。 ACR起主要調(diào)節(jié)作用，表現(xiàn)為電流無(wú)靜差。 ACR跟隨輸入給定的變化調(diào)節(jié)電流。 ?BC段是 ASR調(diào)節(jié)器飽和時(shí)的靜特性， Id=Idm, nn0。 ? 雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 （ 1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 ? 兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零。 ?不飽和 —— PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系。 ?ASR， ACR：帶限幅作用的 PI調(diào)節(jié)器。 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計(jì)算 1. 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 ?轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR控制轉(zhuǎn)速，電流調(diào)節(jié)器 ACR控制電流，串級(jí)（嵌套）連接。 從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 應(yīng)該在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 系統(tǒng)組成 ? 起動(dòng)電流呈矩形波，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。 第 5章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 MATLAB仿真軟件對(duì)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 本章內(nèi)容 第 5章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 系統(tǒng)組成 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及參數(shù)計(jì)算 ? 在起動(dòng)（或制動(dòng)）過(guò)渡過(guò)程中，希望始終保持電流（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運(yùn)行。 ? 穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。 ?按照反饋控制規(guī)律， 采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變 ，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。 第 5章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) ?起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)： 僅靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，不能很好地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合了多種信號(hào)，完成兩種任務(wù)：正常負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；電流超過(guò)臨界值，進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。 單閉環(huán)系統(tǒng)中不能直接控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。第 5章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問(wèn)題： 采用 PI調(diào)節(jié)器后的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)、突加負(fù)載、動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。 ?一個(gè)調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)難以保證兩種調(diào)節(jié)過(guò)程具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 ?對(duì)擾動(dòng)的抑制能力差： 等到轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差才能進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而 Δn大。 第 5章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) ?為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 Idm的恒流過(guò)程。 解決思路： 第 5章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 希望能實(shí)現(xiàn)如下控制： ? 起、制動(dòng)過(guò)程中，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？ 只用一個(gè)調(diào)節(jié)器時(shí)不可能的，必須用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)n和 I，構(gòu)成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 ? 當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使電流立即降下來(lái)，使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)（制動(dòng)）過(guò)程。 ? 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的提出 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 ? 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的構(gòu)成 在系統(tǒng)中設(shè)置 兩個(gè)調(diào)節(jié)器 ，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流， 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。二者嵌套連接，形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。 ?轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器 ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。 ?穩(wěn)態(tài)時(shí)，電流無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速無(wú)靜差 ? 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 α—— 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) β—— 電流反饋系數(shù) 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 ?飽和 —— 調(diào)節(jié)器輸出達(dá)到限幅值，輸入量的大小變化不再影響輸出，處于開環(huán)工作狀態(tài)。除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。 ? 調(diào)節(jié)器的兩種工作狀態(tài)： 對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況，電流調(diào)節(jié)器不進(jìn)入飽和狀態(tài) 。 ? ASR不飽和則有： diinnIUUnnUU????????*0*dmd II ?0*nUn n ?? ?00 ???? in UUdmimi IUU ??? ?? 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 （ 2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 ? ASR輸出達(dá)到限幅值時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)不再產(chǎn)生影響。穩(wěn)態(tài)時(shí)： dmimd IUI ?? ?*電流無(wú)靜差 只適用于 時(shí)， ASR退出飽和 0nn ?0nn? 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 ?AB段是兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)的靜特性，IdIdm, n=n0。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 ? 靜特性 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 ?在 IdIdm時(shí)， ASR起主要調(diào)節(jié)作用，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。 ?當(dāng) IdIdm時(shí)， ASR飽和，輸出為 U*im不變。 ?當(dāng) ASR處于飽和狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速上升， nn0， Δn0，ASR反向積分，使 ASR調(diào)節(jié)器退出飽和。兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，各變量之間有下列關(guān)系 0* nnUU nn ?? ???dLdii IIUU ?? ???*結(jié)論： ? n由 U*n決定 ? ASR輸出由 IdL決定 ? UC大小由 U*n和 IdL決定 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 sdLnesdLesdc KRIUCKRInCKUU ????? ?/*00 這些關(guān)系反映了 PI調(diào)節(jié)器不同于 P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。后面需要 PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為