图调速系统起动过程的电流和转速波形 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 快启动，关键是要获得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 馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启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个调节器的输入端，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作用，因此我们采用双闭环调速系统。这 样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 双闭环直流调速系统的组成 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，二者之间实行串级连接，如图所示，即把转速调节器 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，叫做内环转速环在外面，叫做 外环。这样就形成了转速电流双闭环调速系统。 该双闭环调速系统的两个调节器和般都采用调节器。因为 调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无 静差调速，又能提高系统的稳定性作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静 差两方面的要求。般的调速系统要求以稳和准为主，采用调节器便能保证系 统获得良好的静态和动态性能。 图转速电流双闭环直流调速系统 转速给定电压和转速反馈电压 电流给定电压和电流反馈电压 转速调节器电流调节器测速发电机 电流互感器电力电子变换器 环 外环 内环 双闭环直流调速系统的稳太结构图和静特性 首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图，分析双闭环调速系统静特 性的关键是掌握调节器的稳太特征。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，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，作用使 输入偏差电压在稳太时总是为零。 图双闭环调速系统的稳态结构图 转速反馈系数电流反馈系数  实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特 性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 转速调节器不饱和 此时两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都为零，即   由得   从而得到图静特性的段。 由，且不饱和得，说明段 静特性从理想空载状态直延续到，而般都大于额定电流 的。 二转速调节器饱和 此时，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。双闭环变成个电流无静差的单闭环系统。稳态时有  从而得到图静特性的段。 双闭环调速系统的，电动机的反电动势也按线性增长，对电流调节系统来说，是个线 性渐增的扰动量图。为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性 增长，才能保持恒定。当采用调节器时，要使其输出量按线性增长， 其输入偏差电压必须维持定的恒值，也就是说，应略低于 。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中不应 饱和。 三第阶段以后是转速调节阶段。 当转速上升到给定值时，转速调节器的输入偏差减少到零，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。转速超调后，输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， 输出电压和主电流也因而下降。但是，由于仍大于负载电流，转速 将在段时间内继续上升。直到时，转矩，则，转速才 能到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应,电流出现段 小于的过程,直到稳定。 双闭环直流调速系统起动过程的三个特点 饱和非线性控制 当饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统当 不饱和时，转速环闭环，整个系统是个无静差系统，而电流内环则表现为 电流随动系统。 准时间最优控制 在恒流升速阶段，系统电流为允许最大值，并保持恒定，使系统最快起动， 即在电流受限制条件下使系统最短时间内起动。 转速超调 由于调节器的特性，只有使转速超调，即在转速调节阶段，的输入 偏差电压为负值，才能使退出饱和。所以采用调节器的双闭环直流 调速系统的转速动态响应必然有超调。 双闭环直流调速系统的动态性能分析 般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。动态性能可分为动态 跟随性能和动态抗扰性能两种。其中动态抗扰性能对于调速系统更为重要，它主 要表现为抗负载扰动和抗电网电压扰动。 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。在设计时，应强调具有良好的跟随性能。 二动态抗扰性能 抗负载扰动 由图可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节 来产生抗负载扰动的作用。在突加突减负载时，必然会引起动态速降速升。 为了减少动态速降速升，所以要求具有较好的抗扰性能。 图双闭环直流调速系统的抗负载扰动 图直流调速系统的动态抗扰作用 ∆电网电压波动在可控电源电压上的反映 ∆  ∆    ∆ 抗电网电压扰动 由于电网电压扰动和负载扰动在系统结构图中作用的位置不同，系统对它们 的动态抗扰效果就不同。如图所示的双闭环系统中，电网电压扰动和 负载扰动都作用在被转速负反馈环包围的前向通道上，就静特性而言，系统 对它们的抗扰效果是样的。从动态性能上看，负载扰动作用在被调量的 前面，可以通过测速发电机检测出来，使负载扰动通过转速负反馈得到及时调节。 而电网电压扰动作用在离被调量更远的位置，转速调节器不能及时对它进 行调节，但是因为它作用在被电流负反馈环包围的前向通道上，使电压波动可以 直接通过电流反馈得到及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗 扰性能高。在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化比起单闭环系 统小得多。 双闭环直流调速系统的动态性能指标 自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰 动输入信号的抗扰性能指标两类。般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为 主，随动系统的动态指标以跟随性能为主。 跟随性能指标 在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可 用跟随性能指标来描述。当给定信号变化方式不同时，输出响应也不样。通常 以输出量的初始值为零给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程， 这时的输出量动态响应称作阶跃响应，如图所示。 图典型的阶跃响应曲线和跟随性能指标 般希望在阶跃响应中输出量与其稳态值的偏差越小越好，达到 的时间越短越好。常用的阶跃响应跟随性能指标下列各项 上升时间 图绘出了阶跃响应的跟随过程，图中的是输出量的稳态值。在跟 随过程中，输出量从零起第次上升到所经过的时间称作上升时间，它表示 动态响应的快速性。 超调量与峰值时间 在阶跃响应过程中，超过以后，输出量有可能继续升高，到峰值时间时 达到输出量最大值，然后回落。超过稳态值的最大偏离量与稳态值 之比，用百分数表示，叫做超调量，即  超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，相对稳定性越好，即动态响应比较 平稳。 调节时间 调节时间又称过渡过程时间，它衡量输出量整个调节过程的快慢。理论上， 线性系统的输出过渡过程要到才稳定，但实际上由于存在各种非线性因素， 过渡过程到定时间就终止了。为了在线性系统阶跃响应曲线上表示调节时间， 认定稳态值上下或取的范围为允许误差带，以响应曲线达到并不再超 出该误差带所需的时间定义为调节时间。显然，调节时间既反映了系统的快速性， 也包含着它的稳定性。 二抗扰性能指标 控制系统稳定运行中，突加个使输出量降低的扰动量以后，输出量由降 低到恢复的过渡过程是系统典型的抗扰过程，如图所示。常用的抗扰性能 指标为动态降落和恢复时间。 目录 前言 双闭环直流调速系统的工作原理 双闭环直流调速系统的介绍 双闭环直流调速系统的组成 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静态特性 双闭环直流调速系统的数学模型 双闭环直流调速系统的起动过程分析 双闭环直流调速系统的动态性能分析 双闭环直流调速系统的动态性能指标 双闭环直流调速系统的频域分析 双闭环直流调速系统两个调节器的作用 语言及 仿真技术的背景 和简介 建模与仿真 仿真工具 控制系统计算机仿真的过程 环境中的系统模型仿真结果及分析 电流环的计算及仿真 电流环校正前后给定阶跃响的计算及仿真 绘制单位阶跃扰动响应曲线并计算其性能指标 单位冲激信号扰动的响应曲线 电流环频域分析的计算及仿真 转速环的计算及仿真 转速环校正前后给定阶跃响应的计算及仿真 绘制单位阶跃信号扰动响应曲线并计算其性能指标 单位冲激信号扰动的响应曲线 转速环频域分析的计算及仿真 总结 附录 参考文献 致谢 前言 许多生产机械要求在定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好 的稳态动态性能。而直流调速系统调速范围广静差率小稳定性好以及具有 良好的动态性能，在