转速和电流双闭环控制调速系统动态过程分析

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：在设备物理上的允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于调速系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流启动，就是时间最优控制。在转速动态过程中，确保获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

1.启动过程分析

对调速系统而言，被控制的对象是转速。它的跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应来描述，图3-1描绘了时间最优的理想过渡过程。实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。

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图3-5　双闭环直流调速系统的动态结构图

在恒定负载条件下转速变化的过程与电动机电磁转矩（或电流）有关，对电动机启动过程n=f（t）的分析离不开对Id（t）的研究。双闭环直流调速系统在带有负载IdL条件下启动过程的电流波形和转速波形如图3-6所示。

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图3-6　双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形

从图3-6可以看到，电流Id从零增长到接近Idm，然后在一段时间内维持其值不变，以后又下降并经调节后达到稳态值IdL。转速波形先是缓慢上升，然后以恒加速度上升，产生超调后，达到给定值n*。从电流与转速变化过程所反映出的特点可以把启动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了快速进入饱和、饱和及退饱和三种情况，三个阶段的特点分析如下：

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综上所述，双闭环直流调速系统的启动过程有以下三个特点：

（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，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，不能简单地用线性控制理论来分析整个启动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统，只能采用分段的方法来分析。

（2）转速超调。当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是允许的，对于完全不允许超调的情况，应采用别的控制措施来抑制超调。

（3）准时间最优控制。在设备物理上的允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于调速系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流启动，就是时间最优控制。但由于在启动过程中Ⅰ、Ⅲ两个阶段电流不能突变，所以实际启动过程与理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部启动时间中很小的部分，故可称作“准时间最优控制”。应当重视的是，采用饱和非线性控制的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得到普遍的应用。

2.动态抗扰性能分析

一般来说，双闭环直流调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，另一个重要的动态性能是抗扰性能，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。

1）抗负载扰动

由图3-5可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。

2）抗电网电压扰动

电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。为了在单闭环调速系统的动态结构图上表示出电网电压扰动ΔUd和负载扰动IdL，把图2-15重画成图3-7（a）。图中，ΔUd和IdL都作用在被转速负反馈环包围的前向通道上，仅就表示转速稳态调节性能的静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但是从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。显然，负载扰动能够比较快地反映到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用点离被调量稍远，调节作用受到延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。

在图3-7（b）所示的双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因而使抗扰性能得到改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。

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