双闭环直流调速系统Word格式文档下载.docx
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4、是否掌握了带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置调试过程。
5、是否了解调节器的设计问题。
6、是否了解了双闭环的基本知识。
评价方法
1、采用问答形式考察学生对双闭环的基本知识、转速、电流双闭环调速系统的组成和PI调节器的稳态特征的了解和掌握程度。
2、培训对象根据操作说明，考察学生对带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置调试过程对掌握程度。
3、采用模拟考试的形式，考察学生对带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置调试过程对掌握程度。
转速、电流双闭环调速系统
一、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差。
如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。
这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。
在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。
电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。
对于象龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。
为此，在电机最大电流（转矩）受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这时，起动电流呈方形波，而转速是线性增长的。
这是在最大电流（转矩）受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
实际上，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。
二、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。
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，叫做内环；
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。
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采用PI调节器，其原理图示于图二。
图二
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，两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压是U*im，它决定了电流调节器给定电压的最大值；
电流调节器ACR的输出限幅电压是Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。
三、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=αnU*i=Ui=βId。
ASR不饱和，U*i<
U*im，
2．转速调节器饱和。
这时，ASR输出达到限幅值，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。
最大电流Idm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。
因为如果，n≥no，则Un≥U*n，ASR将退出饱和状态。
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PI调节器”。
在稳态工作点上，转速n是由给定电压U*n决定的，ASR的输出量U*i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U*n和ldL。
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α=U*nm/nmax
电流反馈系数β=U*im/Idm
四、起动过程分析
1．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III。
第1阶段0一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Id≈Idm时，Ui≈Uim，电流调节器的作用使Id不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。
在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。
第Ⅱ阶段t1～t2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U*im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Ud0m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。
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。
到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，ASR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）准时间最优控制。
起动过程中主要的阶段是第Ⅱ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Ⅲ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，ASR的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，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Ⅲ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。
五、动态性能和两个调节器的作用
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时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。
对于ACR的设计来说，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多。
3．两个调节器的作用。
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。
六、调节器的设计问题
在转速、电流双闭环调速系统中，电动机、晶闸管整流器及其触发装置都可按负载的工艺要求来选择和设计，转速和电流反馈系数可以通过稳态参数计算得到，所剩下的转速和电流调节器的结构与参数则应在满足稳态精度的前提下，按照动态校正的方法确定。
双闭环调速系统动态校正，每个控制环的调节器都可藉助伯德图按串联校正的方法设计。
问题是，转速和电流两个控制环套在一起，应该如何解决?
对于这样的多环控制系统，一般的方法是：
先设计内环，后设计外环。
也就是说，先设计好内环的调节器，然后把整个内环当作外环中的一个环节，再设计外环的调节器，如此一环一环地逐步向外扩展，把所有调节器都设计出来。
具体对双闭环调速系统来说，就是先设计电流调节器，然后把整个电流环当作转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
在设计每个调节器时，都应先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性和根据性能指标确定的预期特性，经过反复试凑，决定校正环节的特性，从而选定调节器的结构并计算其参数。
然而，如果每个多环控制系统都这样设计，做起来就太麻烦了。
在多年实践的基础上，对于一般的自动控制系统，已经整理出更为简便实用的工程设计方法，经验表明，效果是很好的。
对于比较复杂的控制系统，如果简单的工程设计方法不能适用，还可以用计算机辅助设计。
双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。
按照转速调节器在起动过程中的饱和与不饱和状况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段；
恒流升速阶段；
转速调节阶段。
从起动时间上看，第Ⅱ段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了在电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。
带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是起动过程中转速一定有超调。
由于主电路的不可逆性质，简单的双闭环调速系统不能实现快速回馈制动。
在双闭环调速系统中，转速调节器的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅值决定允许的最大电流。
电流调节器的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压扰动。
系统设计的顺序是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要
七、带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置调试步骤
1．调试前的检查。
根据电气图纸，检查主电路各部件及控制电路各部件间的连线是否正确，标号是否符合图纸要求，连接点是否牢固，焊接点是否有虚焊，连接导线规格是否符合要求，接插件的接触是否良好等。
2．继电控制电路的通电调试。
取下各插接板，然后通电，检查继电器的工作状态和控制顺序等，用万用表查验电源是否通过变压器和控制触头送到了整流电路的输入端。
3．系统开环调试（带电阻性负载）
（1）控制电源测试：
插上电源板，用万用表校验送至其所供各处电源电压是否到位，电压值是否符合要求。
（2）触发脉冲检测：
插入触发板，调节斜率值，使其为6.3V左右。
调节初相位角，调节电位器Wp（Up的值），使得给定电压（Ug）值最大时，输出电压U
=300V；
给定电压（Ug）值为0V时，输出电压U
=0V。
（3）调节板的测试：
插上调节板，将调节板处于开环位置。
●ASR、ACR输出限幅值的调整。
限幅值的依据，分别取决于U
=f（U
）和U
=βI
。
β是反馈系数，由W
整定，I
为主电路电流。
◎ACR输出限幅值。
正限幅：
给定电压（Ug）最大，调电位器W
，使输出电压U
=270V，取裕量50V。
负限值：
给定电压（Ug）最小，调电位器W
，使U
=–1V。
◎ASR的限幅值。
由ASR的可能输出最大值与电流反馈环节特性U
的最大值来权衡选取，应取两者中的较小值，本系统取–4.0V。
●给电位器W
一个翻转电压。
其值也由系统负载决定，一般取6V，本系统取5.0V。
●反馈电压（Ufn）极性的测定
◎从零逐渐增加给定电压（Ug），输出电压U
应从0V～300V变化，将输出电压U
调节到额定电压220V，用万用表电压档测量电位器W
的中间点（对参考点）的电压，看其极性是否为正，如为正值则极性正确，将其调为最大。
◎断开电源，将电机励磁，电枢接好，测速发电机接好，接通电源，接通主电路，给定回路，缓慢调节给定电位器，增加给定电压，电机从零速逐渐上升，调到某一转速，用万用表电压档测量电位器W
的中间点，看其值是否为负极性，将电压值调为最大。
4．系统闭环调试（带电机负载）
（1）确认速度反馈电位器W
的位置（此位置时，速度反馈电压值为最大）。
将调节板K
跳线置于闭环位置。
（2）调整速度环ASR。
接通系统电源，缓慢增加给定电压（Ug），由于设计原因，电机转速不会达到额定值。
此时，调节速度反馈电位器W
，减小转速反馈系数，使系统达到电机额定转速。
（此时U
=220V即可）。
速度环ASR即调好。
（3）调整电流环ACR。
去掉电机励磁，使电机堵转（电机加励磁时，转矩很大，不容易堵住）。
缓慢调节W
电位器，使电枢电流为电机额定电流的1.5～2倍，本系统设定为I
=2I
=2*6.5=13A。
电流环即调好。
若I
已达规定的最大值，还不能被稳住，说明电流负反馈没起作用，这表明电流反馈信号U
偏小或ASR输出限幅值U
定得太高；
还有一种原因可能是由于ACR给定回路及反馈回路的输入电阻有差值。
出现上述现象后，必须停止调试，重新检查电流反馈环节的工作是否正常，ASR的限幅值是否合理，重新调整电流反馈环节的反馈系数，使U
增加，然后再进行调试。
（4）过电流的整定。
电机堵转，将电位器W
调为反馈最弱（逆时针旋到头）。
调节电位器W
使电枢电流为额定电流的2～2.5倍，本系统取2.5*6.5=16.5A，调节电位器W
使系统保护，U
=0V，延时后主电路断开，故障灯亮。
（5）重复（3）的工作，将系统调为正常值（I
=13A）
附录：
1．调节板原理及使用说明（双闭环系统）
该调节板主要作用是使速度及电流实现无静差。
即双闭环无静差系统。
其组成主要分为两大部分：
速封锁及PI调节电路和多种故障保护电路。
1）零速封锁电路部分。
零速封锁主要由运算放大器：
A1、A2；
稳压管Z1；
三极管T1、T2；
二极管D11及结形场效应管T3等组成。
其作用如下：
当给定电压Ugn与反馈电压Ufn的绝对值都小于0．7V时，（其值与电阻R8、R9、刚o、R11、R4、R5、R6等有关具体大小，请参考运放的应用等书籍）运放A1、A2的输出均为高电平，此时三极管T1导通，T2的基极为低电平，三极管T2导通，+15V加到场效应管的栅极上（使其导通）封锁转速调节器，使转速调节器输出电压为0V（即s2点）。
由此可见此电路的作用是当输入与转速反馈电压接近零时，封锁住转速调节器ASR，以免调节器零漂引起可控硅整流电路有输出电压造成电机爬行等不正常现象。
当给定电压Ugn和反馈电压Ufn中一个数值其绝对值大于0.2V时，则运算放大器A1、A2的输出就有一个为低电平，此时三极管T1、T2均截至，+15V加到场效应管栅极，场效应管T3处于夹断状态，速度调节器可正常工作。
当栅极从-15V变到+15V，（即从夹断到导通）时，会延时100ms左右，其延时时间长短取决于R23和C1充电时间。
TJB（双闭环调节板）调整电位器名称
W1:
转速反馈S1:
Ugn
W2:
电流反馈S2:
ASR输出
W3:
保护值比较电压S3:
ACR输出
W4:
过流值S4:
过流值
双闭环控制部分连接示意图
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