山东理工大学：《运动控制系统》课程教学资源（讲稿）第4章 转速电流双闭环控制的直流调速系统 关键知识点解析

“转速、电流反馈控制直流调速系统"单元关键知识点解析 1.清楚转速、电流双闭环直流调速系统的构成，电流内环、转速外环；转速调 节器ASR的输出电压是电流环的给定，ASR的输出限幅决定了的最大电流值： 电流调节器ACR的输出电压是控制电压，ACR的输出限幅电压限制了电力电子 变换器的最大输出电压。 2.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，其输出量在动 态过程中决定于输入量的积分，达到稳态时，输入为零，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。 清楚转速、电流双闭环直流调速系统的稳态参数关系（调节器为PI调节器）。 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： Ui=U。=un=an、=U=BLa=B1a =Cn+l_CyIu+la迟。 U.= K、K K 3.起动过程分析 在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况。 ①电流上升阶段(0) 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。 ②恒流升速阶段(t-) 是起动过程中的主要阶段。为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程 中ACR是不应饱和的，电力电子装置UPE的最大输出电压也须留有余地，这 些都是设计时必须注意的。系统的加速度恒定，转速呈线性增长。 ③第Ⅲ阶段转速调节阶段(，以后) 在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调 节作用，而AC则力图使Ia尽快地跟随其给定值U*,或者说，电流内环是一 个电流随动子系统

"转速、电流反馈控制直流调速系统"单元关键知识点解析 1. 清楚转速、电流双闭环直流调速系统的构成，电流内环、转速外环；转速调 节器 ASR 的输出电压是电流环的给定，ASR 的输出限幅决定了的最大电流值； 电流调节器 ACR 的输出电压是控制电压，ACR 的输出限幅电压限制了电力电子 变换器的最大输出电压。 2. 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，其输出量在动 态过程中决定于输入量的积分，达到稳态时，输入为零，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。 清楚转速、电流双闭环直流调速系统的稳态参数关系（调节器为 PI 调节器）。 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： 3. 起动过程分析 在起动过程中转速调节器 ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况。 ①电流上升阶段（0~t1） 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。 ②恒流升速阶段（t1~t2） 是起动过程中的主要阶段。 为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程 中 ACR 是不应饱和的，电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地，这 些都是设计时必须注意的。系统的加速度恒定，转速呈线性增长。 ③第 Ⅲ 阶段转速调节阶段（t2 以后） 在这最后的转速调节阶段内，ASR 和 ACR 都不饱和，ASR 起主导的转速调 节作用，而 ACR 则力图使 Id 尽快地跟随其给定值 U*i，或者说，电流内环是一 个电流随动子系统

4.双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：①饱和非线性控制：②转 速超调；③准时间最优控制。 5.由于电流环的作用，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化 会比单闭环系统小得多。 6.双闭环直流调速系统中调节器的作用 转速调节器的作用： ①转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速”很快地跟随给定电压 变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 ②对负载变化起抗扰作用。 ③其输出限幅值决定电机允许的最大电流。 电流调节器的作用： ①作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟 随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 ②对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 ③在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 ④当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。 一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分 重要的 7.动态性能指标 ①跟随性能指标： 常用的阶跃响应跟随性能指标有：一一上升时间：。一一超调量；。一一调 节时间

4. 双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：①饱和非线性控制；②转 速超调；③准时间最优控制。 5. 由于电流环的作用，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化 会比单闭环系统小得多。 6. 双闭环直流调速系统中调节器的作用 转速调节器的作用： ①转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压 变化，稳态时可减小转速误差，如果采用 PI 调节器，则可实现无静差。 ②对负载变化起抗扰作用。 ③其输出限幅值决定电机允许的最大电流。 电流调节器的作用： ①作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟 随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 ②对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 ③在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 ④当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。 一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分 重要的。 7. 动态性能指标 ①跟随性能指标： 常用的阶跃响应跟随性能指标有：tr——上升时间；σ——超调量；ts——调 节时间

②抗扰性能指标 标志着控制系统抵抗扰动的能力。 常用的抗扰性能指标有：△Cma —动态降落：一恢复时间。 一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则 以跟随性能为主。 8.典型系统的静态偏差 在阶跃输入下的典型I型系统稳态时是无差的：但在斜坡输入下则有恒值稳 态误差，且与K值成反比：在加速度输入下稳态误差为0，因此，I型系统不能 用于具有加速度输入的随动系统。 在阶跃输入和斜坡输入下的典型Ⅱ型系统稳态时是无差的：但在加速度输入 下则有恒值稳态误差。相对于典型I型系统，典型Ⅱ型系统具有更好的静态性能。 9.典型系统的动态性能 在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，典型Ⅱ型系统的超调量相 对较大，抗扰性能却比较好在。这是设计时选择典型系统的重要依据。 10.工程设计方法 可以利用自动控制理论的结论将控制系统设计成典型【型系统或典型Ⅱ型系 统。最简单的方法就是根据被控对象的传递函数和校正后典型系统的传递函数确 定调节器形式。 一般典型I型系统设计中，常选KT=0.5:典型Ⅱ型系统，常选中频宽h=5 或者h=4,进而确定调节器参数和截止频率。 11.近似处理方法 如果被控对象结构比较复杂，为了简化调节器形式和设计过程，在设计时可 以先行进行简化处理，常用的简化处理包括：多个小惯性环节等效成一个惯性环 节：大惯性环节等效成积分环节（典型Ⅱ型系统中常用啊）；忽略高阶项或忽 略常数项等。 当然，近似处理是有条件的，所以设计后一定要校验条件。 12.双闭环直流调速系统中调节器的工程设计 系统设计的一般原则：“先内环后外环

②抗扰性能指标 标志着控制系统抵抗扰动的能力。 常用的抗扰性能指标有：∆Cmax——动态降落；tv——恢复时间。 一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则 以跟随性能为主。 8. 典型系统的静态偏差 在阶跃输入下的典型 I 型系统稳态时是无差的；但在斜坡输入下则有恒值稳 态误差，且与 K 值成反比；在加速度输入下稳态误差为∞，因此，I 型系统不能 用于具有加速度输入的随动系统。 在阶跃输入和斜坡输入下的典型 II 型系统稳态时是无差的；但在加速度输入 下则有恒值稳态误差。相对于典型I型系统，典型II型系统具有更好的静态性能。 9. 典型系统的动态性能 在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，典型Ⅱ型系统的超调量相 对较大，抗扰性能却比较好在。这是设计时选择典型系统的重要依据。 10. 工程设计方法 可以利用自动控制理论的结论将控制系统设计成典型 I 型系统或典型 II 型系 统。最简单的方法就是根据被控对象的传递函数和校正后典型系统的传递函数确 定调节器形式。 一般典型 I 型系统设计中，常选 KT=0.5；典型 II 型系统，常选中频宽 h=5 或者 h=4，进而确定调节器参数和截止频率。 11. 近似处理方法 如果被控对象结构比较复杂，为了简化调节器形式和设计过程，在设计时可 以先行进行简化处理，常用的简化处理包括：多个小惯性环节等效成一个惯性环 节；大惯性环节等效成积分环节（典型 II 型系统中常用啊）；忽略高阶项或忽 略常数项等。 当然，近似处理是有条件的，所以设计后一定要校验条件。 12. 双闭环直流调速系统中调节器的工程设计 系统设计的一般原则： “先内环后外环”

电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内 环)控制的一个重要功能。 外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。 这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成 和调试工作非常有利

电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内 环）控制的一个重要功能。 外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。 这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成 和调试工作非常有利