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1、第三章多闭环控制系统的构造及PROFIBUS网络组态本讲主要内容第一节 转速电流双闭环调速控制系统的构造过程及其静特性第311讲2022/8/202 当生产工艺提出稳态指标的要求时，我们利用在第二章当中所掌握的知识(引转速负反馈和适当选择调节器的(变)增益)就能很好满足生产工艺要求。 D (调速范围) SL（低速静差率） 但是，如果生产工艺还提出了一些动态指标要求。如： tr （上升时间） （超调量）在第二章中已解决2022/8/203tr （上升时间） （超调量）trtr属于生产工艺所提出的动态指标2022/8/204 如果生产工艺不但提出稳态指标的要求，还提出了上升时间尽可能的短并且无超调

2、的要求。如何来解决此类问题呢？ 2022/8/205第3章 多闭环调速控制系统的构造及PROFIBUS网络组态第一节 转速、电流双闭环调速控制系统及其静特性一、问题的提出及解决过程2022/8/206一、问题的提出及解决过程技术人员发现了这样一个问题： 如果军舰上的火炮朝向正前方，当在军舰的左弦或右弦发现敌方的潜水艇时，由于炮塔的旋转速度不适当很容易失去战机。2022/8/207一、问题的提出及解决过程 如果炮塔的旋转速度慢了，敌方潜水艇就会沉下水去，逃跑。2022/8/208一、问题的提出及解决过程 如果炮塔的旋转速度快了，不是机械零件受损，就是把炮兵转的失去战斗力。2022/8/209一、

3、问题的提出及解决过程 把这个问题上升到控制理论(数学)上就是：当接到命令后，在机械强度、炮兵身体的承受能力和电动机过载能力等条件允许的情况下，以最短的时间内起动到最高速的问题。2022/8/2010一、问题的提出及解决过程1、命题 已知负载（TdL）为常数，加速度受到机械强度和人体承受能力、电机转子换向电流的限制不能随意增大，如何才能使电动机起动时间最短？起动结束时无转速超调或很小(额定转速的0.1%0.01%)，起动结束后，当受到外界因素的干扰时，如何使控制系统的输出保持额定值不变？ 此命题同时提出了三个问题：电动机起动时间最短问题；转速无超调问题和系统的输出(转速)抗干扰能力强的问题(也就

4、是说：动态速降和稳态速降都小)。2022/8/2011一、问题的提出及解决过程 如果暂时不考虑超调问题，要想使系统的起动时间达到最小值，也就是让系统的上升时间tr最短。 要想使tr达到最小值；就应该让 越大越好，但是 受到下面条件的约束：tr1tr22022/8/2012 要想使tr达到最小值；就应该让 越大越好，但是 受到下面条件的约束： 如果暂时不考虑超调问题，要想使系统的起动时间达到最小值，也就是让系统的上升时间tr最短。 要想使tr达到最小值；就应该让 越大越好，但是 受到下面条件的约束：一、问题的提出及解决过程tr1tr22022/8/2013一、问题的提出及解决过程 要想使tr达到

5、最小值；就应该让 越大越好，但是 受到下面条件的约束： 受到机械强度所允许的最大加速度的限制： 受到电动机电枢电流所允许的最大加速度的限制： 受到人体生理所能承受的最大加速度的限制： 很显然，要想使系统的上升时间最短，最大允许的加速度应该满足如下条件：,2022/8/2014一、问题的提出及解决过程 要想使tr达到最小值；就应该让 越大越好，但是 受到下面条件的约束： 受到机械强度所允许的最大加速度的限制： 受到电动机电枢电流所允许的最大加速度的限制： 受到人体生理所能承受的最大加速度的限制： 很显然，要想使系统的上升时间最短，最大允许的加速度应该满足如下条件：,2022/8/2015一、问题

6、的提出及解决过程 受到机械强度所允许的最大加速度的限制： 受到电动机电枢电流所允许的最大加速度的限制： 受到人体生理所能承受的最大加速度的限制： 很显然，要想使系统的上升时间最短，最大允许的加速度应该满足如下条件：, 要想起动时间最短=必须在整个的起动期间(0ne)内，一直维持最大允许的 不变。 这个结论也很容易证明:2022/8/2016一、问题的提出及解决过程证明：如果在起动瞬间有这样的两种情况：(if)如果：(then)那么控制系统不但不能满足生产工艺要求，还会发生事故；(if)如果：(then) 那么控制系统的起动时间就不能达到时间最短。所以要想起动时间最短必须在整个的起动期间内保持：

7、2022/8/2017一、问题的提出及解决过程那么如何让系统在整个的起动期间内保持最大加速度不变呢？又在整个的起动期间TdL不变。 要想在整个的起动时间保持 不变就应该在整个的起动期间保持电磁转矩T不变。考虑到：2022/8/2018第一节 转速、电流双闭环调速控制系统及其静特性一、问题的提出及解决过程 所以只要保证在整个的起动期间电枢电流等于一个适当的最大允许值不变，就能够实现最短时间起动问题(现代控制理论角度说是时间最优控制问题)max2022/8/2019第一节 转速、电流双闭环调速控制系统及其静特性一、问题的提出及解决过程 所以只要保证在整个的起动期间电枢电流等于一个适当的最大允许值不

8、变，就能够实现最短时间起动问题(现代控制理论角度说是时间最优控制问题)max2022/8/2020转速为什么会出现超调？出现超调的原因是转速在达到额定转速时（n=ne），电磁转矩仍然大于负载转矩，导致转速超调。第一节 转速、电流双闭环调速控制系统及其静特性一、问题的提出及解决过程2022/8/2021转速为什么会出现超调？出现超调的原因是转速在达到额定转速时（n=ne），电磁转矩仍然大于负载转矩，导致转速超调。第一节 转速、电流双闭环调速控制系统及其静特性一、问题的提出及解决过程2022/8/2022当转速第一次出现n=ne时，如果此时电枢电流能自动突降为额定电流，那么系统在起动过程结束时，可

9、以在理论上实现转速无超调。第一节 转速、电流双闭环调速控制系统及其静特性一、问题的提出及解决过程（在实际工程中为了克服惯性的影响，电枢电流的突降值要比负载电流。 2022/8/2023 还有一个问题：控制系统起动过程结束后如何保持额定转速不变的问题。引转速负反馈! 解决命题的理论方法有了，如何来实现呢？ 当转速第一次出现n=ne时，如果此时电枢电流能自动突降为额定电流，那么系统在起动过程结束时，可以在理论上实现转速无超调。 第一节 转速、电流双闭环调速控制系统及其静特性一、问题的提出及解决过程2022/8/2024第一节 转速、电流双闭环调速控制系统及其静特性一、问题的提出及解决过程 当出现

10、n=ne时，如果此时电枢电流也能自动突降为额定电流，那么系统在起动过程结束时，可以在理论上实现转速无超调。 还有一个问题：控制系统起动过程后如何保持额定转速不变的问题。引转速负反馈! 解决命题的理论方法有了，如何来实现呢？2022/8/2025第一节 转速、电流双闭环调速控制系统及其静特性一、问题的提出及解决过程2、系统的构造过程 因为在起动期间需要保持电枢电流恒定不变；在稳定运行期间需要保持电机的转速恒定不变，所以需要构造电流环和转速环两个反馈环节。 根据多环组合定理(方法)，电流环在里面转速环在外面。构造的关键是：起动过程结束时，如何实现电枢电流自动与负载电流相平衡？2022/8/2026

11、第一节 转速、电流双闭环调速控制系统及其静特性一、问题的提出及解决过程2、系统的构造过程 因为在起动期间需要保持电枢电流恒定不变；在稳定运行期间需要保持电机的转速恒定不变，所以需要构造电流环和转速环两个反馈环节。 根据多环组合定理(方法)，电流环在里面转速环在外面。构造的关键是：起动过程结束时，如何实现电枢电流自动与负载电流相平衡？2022/8/20272、系统的构造过程 为了满足起动期间的要求根据反馈定理只要引电枢电流的负反馈就可以解决这个问题，因此就有了下面的电流环几点说明：1) 电流调节器ACR:一般采用PI调节器原因：* 动态GAIN增益小容易稳定* 静态增益大容易满足生产工艺要求。*

12、 改变输入偏差的极性才能改变输出的变化方向或使输出退出饱和。2022/8/20282、系统的构造过程 为了满足起动期间的要求根据反馈定理只要引电枢电流的负反馈就可以解决这个问题，因此就有了下面的电流环几点说明：1) 电流调节器ACR:一般采用PI调节器原因：* 动态GAIN增益小容易稳定* 静态增益大容易满足生产工艺要求。*改变输入偏差的极性才能改变输出的变化方向或使输出退出饱和。2022/8/20292、系统的构造过程 几点说明：2) 电流反馈单元:一般从交流侧引出的主要原因是：* 互感器能起隔离作用(隔离主电路与控制电路之间的直接联系)； * 不增加主电路的电阻就能反馈主电路的电流大。

13、且极性恒定；* 能增加主电路的等效电感。2022/8/20302、系统的构造过程 几点说明：2) 电流反馈单元:一般从交流侧引出的主要原因是：* 互感器能起隔离作用(隔离主电路与控制电路之间的直接联系)； * 不增加主电路的电阻就能反馈主电路的电流大。⑶壹院愣ǎ* 能增加主电路的等效电感。2022/8/20312、系统的构造过程几点说明：3)对电流环的给定要求：在起动期间为： 起动结束后电流环的给定能自动变为：是电流反馈系数要实现电流环的变给定，有两个关健点：电流环的变给定是如何感知到起动结束的？负载随时都有可能发生变化，电流环的变给定又是如何在起动结束时自动调整与负载电流相平衡的呢？2

14、022/8/20322、系统的构造过程几点说明：3)对电流环的给定要求：在起动期间为： 起动结束后电流环的给定能自动变为：是电流反馈系数要实现电流环的变给定，有两个关健点：电流环的变给定是如何感知到起动结束的？负载随时都有可能发生变化，电流环的变给定又是如何在起动结束时自动调整与负载电流相平衡的呢？2022/8/20332、系统的构造过程 为了满足起动结束后的要求就应该引转速负反。亲俑悍蠢⌒藕乓胶未θツ兀 根据多环组合方法，应该引到电流环的外面去，因为电流出现的时间早于转速。 但是，转速环调节器的输出能承担起电流环对变给定的要求吗？2022/8/20342、系统的构造过程 为了满足起

15、动结束后的要求就应该引转速负反。亲俑悍蠢⌒藕乓胶未θツ兀 根据多环组合方法，应该引到电流环的外面去，因为电流出现的时间早于转速。 但是，转速环调节器的输出能承担起电流环对变给定的要求吗？2022/8/20352、系统的构造过程 根据反馈定理转速环应该有自己的给定信号和调节器，于是由多环组合方法，让转速调节器的输出代替电流环的给定信号 得到下面的控制系统原理图。 2022/8/20362、系统的构造过程 根据反馈定理转速环应该有自己的给定信号和调节器，于是由多环组合方法，让转速调节器的输出代替电流环的给定信号 得到下面的控制系统原理图。 2022/8/20372、系统的构造过程 关键的

16、问题是：电流环的给定信号需要具有自动变化的功能， ASR的输出能否代替电流环的给定信号U*I ？ 根据反馈定理转速环应该有自己的给定信号和调节器，于是由多环组合方法，让转速调节器的输出代替电流环的给定信号 得到下面的控制系统原理图。 2022/8/20382、系统的构造过程 关键的问题是：电流环的给定信号需要具有自动变化的功能， ASR的输出能否代替电流环的给定信号U*I ？ 根据反馈定理转速环应该有自己的给定信号和调节器，于是由多环组合方法，让转速调节器的输出代替电流环的给定信号 得到下面的控制系统原理图。 2022/8/20392、系统的构造过程在起动结束时是否能自动与负载相平衡？ 速度调

17、节器ASR输出在起动期间是否能为：2022/8/20402、系统的构造过程 当突加给定起动时，由于系统(主要是电动机)的惯性转速n不可能立即建立起来，所以此时转速环的给定就等于速度调节器ASR的输入信号即： 2022/8/20412、系统的构造过程 如果速度调节器ASR的比例部分P选择适当那么速度调节器ASR就会立即达到饱和。2022/8/20422、系统的构造过程考虑到在整个的起动期间：2022/8/20432、系统的构造过程 所以速度调节器ASR的输入信号的极性保持不变，根据PI调节器的控制规律可知：速度调节器ASR的输出不会自动退出饱和状态。2022/8/20442、系统的构造过程 只要

18、适当选择速度调节器ASR的饱和限幅值 ，让就可以满足命题的第一个要求：在起动期间速度调节器ASR的输出保持最大值不变的条件。2022/8/20452、系统的构造过程 又考虑到起动结束后的瞬间，由于惯性转速n将会超过额定转速，导 致速度调节器ASR的输入信号 改变极性，2022/8/20462、系统的构造过程突变速度越快超调量越小2022/8/20472、系统的构造过程 根据PI调节器的控制规律可知：速度调节器ASR的输出 将会自动下降退出饱和状态。2022/8/20482、系统的构造过程 当系统稳定下来之后： 时，必定出现 的情况。如果不出现 的情况，系统就不可能进入稳定状态。可以用反证法来说

19、明：2022/8/20492、系统的构造过程假设：这与 相矛盾，所以如果系统是一个稳定性系统必定会出现， 因此满足了命题的第二个要求结束条件。 但是，由最大允许电流能否突变成负载电流呢？ 2、系统的构造过程综上所述，系统的构造特点是：电流环起动时维持最大电流不变，解决了最短时间起动的问题；转速环在外面解决了系统起动结束后的抗干扰问题；如果系统是一个稳定性系统，那么速度调节器的输出能自动与电流反馈相平衡。 但是电流环的给定突降(电枢电流突降)的问题还没有解决，也就是说：超调问题在实际工程上还没有彻底解决。2、系统的构造过程综上所述，系统的构造特点是：电流环起动时维持最大电流不变，解决了最短时间起

20、动的问题；转速环在外面解决了系统起动结束后的抗干扰问题；如果系统是一个稳定性系统，那么速度调节器的输出能自动与电流反馈相平衡。 但是电枢电流突降的问题还没有解决，也就是说：超调问题在实际工程上还没有彻底解决。2、系统的构造过程注意：1) 一般在最外面环称为控制系统的主环也称为控制目的环。 因为这种控制系统有两个环，并且各有自己的调节器，这种控制系统称为转速电流双闭环调速系统。 2)如果在实际工程中，引电流负反馈无法实现时间上的最优控制，可以考虑引电磁转矩的负反馈。2、系统的构造过程注意：1) 一般在最外面环称为控制系统的主环也称为控制目的环。 因为这种控制系统有两个环，并且各有自己的调节器，这

21、种控制系统称为转速电流双闭环调速系统。 2)如果在实际工程中，引电流负反馈无法实现时间上的最优控制，可以考虑引电磁转矩的负反馈。注意：2、系统的构造过程注意： 2)如果在实际工程中，引电流负反馈无法实现时间上的最优控制，可以考虑引电磁转矩的负反馈。 3）ACR增加输出限幅是为了配合可控整流触发器的输入要求； ASR增加输出限幅是为了满足电动机的最大允许电流可调的要求。2022/8/20553、两个调节器应具有的基本功能 根据PI调节器的控制规律和双闭环调速控制系统能正常工作的必要条件，此双闭环调速控制系统应该具体如下基本功能： 转速调节器ASR：在起动期间或者输入给定信号幅值过大时产生饱和在其

22、它期间不应产生饱和(特殊场合除外)例如：非双闭环场合2022/8/20563、两个调节器应具有的基本功能 转速调节器ASR的饱和隔绝了外环对内环的干扰，使系统在起动期间表现为仅有一个电流环的特点，起到了在起动期间恒流起动的目的。 这是非线性控制系统最突出的优点之一。2022/8/20573、两个调节器应具有的基本功能 转速调节器ASR的饱和隔绝了外环对内环的干扰，使系统在起动期间表现为仅有一个电流环的特点，起到了在起动期间恒流起动的目的。 这是非线性控制系统最突出的优点之一。电流调节器ACR：在此环境内任何期间都不能饱和(特殊场合除外)例如：非双闭环场合2022/8/2058二、稳态结构图及静特性1、原理图 NOTE：在实际工程中至少有四个运算放大器。课间休息!作业：P183【3-1】