t Idm
IdL
t2 t3 t4
t
2、第 II 阶段恒流升速阶段（t1 ~ t2）
在这个阶段中，ASR 始终是饱和的，转速环 相当于开环，系统成为
n I II
III n
*
在恒值电流U*im 给定下 的电流调节系统，基本
上保持电流 Id 恒定
O Id
t Idm
因而系统的加速度恒 定，转速呈线性增长。
2.4 转速、电流双闭环控制的直流调速系统动态分析
一 、教学目的与教学要求
1 初步了解双闭环调速系统的动态数学模型 2 定性分析双闭环调速系统起动过程分析 3 具备分析转速、电流双环系统的动态性能的能力 4 了解ASR、ACR两个调节器的作用
二、 教学内容
2.4转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型和动态特性分析
看图说话？？（ t2 以后）
n
n* I
II
III
O
t
Id
Idm
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
控制的物理过程：
当转速上升到给定值 时，转速调节器ASR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U*im ， 所以电机仍在加速，使 转速超调。
转速超调后，ASR输 入偏差电压变负，使它 开始退出饱和状态， U*i 和 Id 很快下降。但是， 只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。
WASR(s) U*i -
U
WACR(s) Uc
Tss+1
Ud0
Tl s+1
+
Tms
1/Ce
E
分别表示转速调
i
节器和电流调节
器的传递函数。
如果采用PI调节器，则有
WASR
(s)
Kn
ns 1
ns
WACR
(s)
Ki
is 1 is
2.4.2 起动过程分析
设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，
一、系统动态结构
看图说话——参数意义
U*n
+-
Un
+
WASR(s)
U*i -
Ui
WACR(s) Uc
Ks Tss+1
-
Ud0
1/R Tl s+1
Id -IdL R
+
Tms
1/Ce E
n
双闭环直流调速系统的动态结构图
二、 数学模型
-IdL
U*n
+
Ks
-
1/R
Id
R
n
WASR(s)和WACR(s)
+Un
O t1
IdL
t2 t3 t4
t
恒流升速阶段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，在起动过程中电流 调节器ACR能否进入饱和？
ACR是不应饱和的！
另外，电力电子装置 UPE （V系统或PWM系统） 的最大输出电压也须留有余地，设计时必须注意的！！
3、第 Ⅲ 阶段 转速调节阶段（ t2 以后）
O Id
t Idm
IdL
O
t1
t2 t3
t4
t
双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形
II
III
保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速
n
*
上升。
• 直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流
O
调节器很快就压制 Id 了的增长，标 Id
志着这一阶段的结束。
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。 O t1
n n* I
II
III
为什么呢？
在（ t3 ~ t4 ）时间段内，
由于此时 Id < IdL ， Te<TL，
所以电动机在负载的阻力 O
t
下减速，直到稳定Id = IdL Te=TL
Id
Idm
系统进入速度恒定控制！
பைடு நூலகம்
如果调节器参数整定得不够 IdL 好，也会有一些振荡过程。
O
t1
t2
t3
t4
t
在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主
三 、教学时间 2 学时
四 、教学思路流程
动态数学模型 转速电流双闭环调速系统起动过程分析
动态抗扰性能分析
两个调节器的作用
五、 教学过程
2.4.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型
在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控
制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所
示。
因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起
动过程。
n
双闭环直流调速系统 n* I
II
III
突加给定电压U*n由静止状
态起动时，转速和电流的
动态过程示于右图所示。
一、起动过程分析
由于在起动过程中转 O
t
速调节器ASR经历了不饱 Id
Idm
和、饱和、退饱和三种情
况，整个动态过程就分成 图中标明的I、II、III三个 IdL
看图说话：
什么时候（条 件），转速n才到达
n n* I
II
最大的峰值？
直到Id = IdL时，转
矩Te= TL ，则dn/dt = O
0，转速n才到达峰值 （t = t3时）。
Id
Idm
III t
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
第 Ⅲ 阶段（ t3 ~ t4 ）工作波形分析
在（ t3 ~ t4 ）时间段内，如 图所示，电动机开始减速，
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。
二、起动过程的特点分析
1、 饱和非线性控制
起动过程中，可根据速度调节器ASR的饱和与不饱和，整个系 统处于完全不同的两种状态：
（1）当ASR饱和时，转速环开环（恒值输出），系统表现为恒电流值 控制的单闭环系统；
（2）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，而电流内环表现为电流随动系统。
也就是说，该系统在不同的控制阶段，呈现不同的控制结构，产 生的原因又是ASR饱和造成的，因而，称该系统为饱和非线性！
2、 转速超调问题
问题：
采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应一定有有超调么？
由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程 结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR 的输入偏差电压 △Un 为负值，才能使ASR退 出饱和。
阶段。
O
t
t
tt
t
1、第I阶段 电流上升的阶段（0 ~ t1）
nI
II
III
n*
• 突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小 于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。
• 当 Id ≥ IdL 后，电机开始起动，由 于机电惯性作用，转速不会很快增 长，因而转速调节器ASR的输入偏 差电压的数值仍较大，其输出电压 n I
即采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应 必须有超调（尽管超调不是我们所希望的）！
3、准时间最优控制
时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控
制称为“时间最优控制”！
电动机在允许过载能力下的恒流起动，就是“时间最
优控制”！ 但是，通过分析我们知道：
n
I
II
III n*
起动过程中包括电流建立、恒流