第 三 章 多 闭 环 控 制 系 统 的 构 造 及 PROFIBUS 网 络 组 态

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 第四节 多环调速控制系统的构造过程及性能分析 章 多 闭 环 控 制 系 统 的 构 造 第331讲－第341讲 及 PROFIBUS 网 络 组 态 本讲主要内容 第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 　　　　　一、瞬间降低转速给定电压 　　　　　二、自动提高转速反馈电压 第四节 多环调速控制系统的构造过程及性能分析

从经典线性控制理论上分析无超调这个问题是无法解决的；利用非线控制技术可以缩小超调量，但不能把超调量降为零。 其一：因为转速调节器在起动期间已经处于饱和状态，要想退出输出饱和状态，转速调节器的输入信号必须要改变极性才能退出调节器的输出饱和状态。

从经典线性控制理论上分析无超调这个问题是无法解决的；利用非线控制技术可以缩小超调量，但不能把超调量降为零。 其一：因为转速调节器在起动期间已经处于饱和状态，要想退出输出饱和状态，转速调节器的输入信号必须要改变极性才能退出调节器的输出饱和状态。 其二：电感上的电流不能发生冲突变。 　电感上的电流不能发生冲变。

从经典线性控制理论上分析无超调这个问题是无法解决的；利用非线控制技术可以缩小超调量，但不能把超调量降为零。 其一：因为转速调节器在起动期间已经处于饱和状态，要想退出输出饱和状态，转速调节器的输入信号必须要改变极性才能退出的输出饱和状态。 其二：电感上的电流不能发生冲突变。 　　　让电感上的电流发生冲突变无法实现，但让一个处于饱和状态的调节器退出输出饱和状态是非常容易的！为什么？

　　　对于一个处于输出饱和状态的PI 调节器，无论输入偏差信号的极性变化是如何构造出来的，也不管输入偏差信号的极性变化发生在什么时刻，只要输入偏差信号的极性发生变化，该PI调节器的输出就会退出饱和状态。

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 对于动态指标要求比较高的系统一般不允许出现超调。 解决这个问题是的基本方法是让转速调节器提前退出饱和。让转速调节器提前退出饱和的方法目前国内外广泛采用的有两种方法： 其一：瞬间降低转速给定电压； 其二：自动提高转速反馈电压。

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 一、瞬间降低转速给定电压 1、工作原理 当实际转速接近额定转速时自动的降 低给定电压 ，造成转速调节器提前退出 饱和状态。当实际转速依靠惯性升到额 定转速时再将给定电压恢复到原来数 值。来避免实际转速出现超调现象。

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 一、瞬间降低转速给定电压 1、工作原理 当实际转速接近额定转速时自动的降 低给定电压 ，造成转速调节器提前退出 饱和状态。当实际转速依靠惯性升到额 定转速时再将给定电压恢复到原来数 值。来避免实际转速出现超调现象。

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 一、瞬间降低转速给定电压 1、工作原理 2、实现电路原理图 输入偏差在K2动作时改变极性， 使转速避免出现超调现象。这种电路 的实现方法是：采用智能PID调节器 或PLC。

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 二、转速变化时自动提高转速反馈电压 对于转速变化时自动提高转 速反馈电压的方法有两种： 1、改变转速反馈系数 当实际转速接近额定转速时自 动的提高转速反馈系数 ，造成转速 调节器提前退出饱和状态。当实际 转速依靠惯性升到额定转速时再将 转速反馈系数恢复到原来数值。来 避免实际转速出现超调现象。实现 电路原理如图所示

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 二、转速变化时自动提高转速反馈电压 对于转速变化时自动提高转 速反馈电压的方法有两种： 1、改变转速反馈系数 当实际转速接近额定转速时自 动的提高转速反馈系数 ，造成转速 调节器提前退出饱和状态。当实际 转速依靠惯性升到额定转速时再将 转速反馈系数恢复到原来数值。来 避免实际转速出现超调现象。实现 电路原理如图所示

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 二、转速变化时自动提高转速反馈电压 2、采用转速微分负反馈（P154） 将转速反馈信号与该信号的导数叠加，造成转速调节器提前退出饱和 状态。当实际转速依靠惯性升到额定转速时，并且进入稳定状态时，叠加 上去的导数部分变为零，反馈信号自动恢复到原来数值。来避免实际转速 出现超调现象。实现电路原 理如图所示。 为什么该电路就能使转 速调节器提前退出饱和状态， 避免转速出现超调现象呢？

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 二、转速变化时自动提高转速反馈电压 2、采用转速微分负反馈（P154） 将转速反馈信号与该信号的导数叠加，造成转速调节器提前退出饱和 状态。当实际转速依靠惯性升到额定转速时，并且进入稳定状态时，叠加 上去的导数部分变为零，反馈信号自动恢复到原来数值。来避免实际转速 出现超调现象。实现电路原 理如图所示。 为什么该电路就能使转 速调节器提前退出饱和状态， 避免转速出现超调现象呢？

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 二、转速变化时自动提高转速反馈电压 2、采用转速微分负反馈（P154） 因为该电路中的电容Cdn和电阻Rdn构成了微分环节，由于此时的转速的 微分（上升率）在恒流期间是一个不为零的常数，而在转速进入稳定状态 后转速的微分又变成零，所以如果将转速反馈信号和转速微分信号叠加在 一起，那么转速调节器就会 提前退出饱和状态，避免出 现转速超调的现象发生。 微分环节

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 二、转速变化时自动提高转速反馈电压 2、采用转速微分负反馈（P154） 因为该电路中的电容Cdn和电阻Rdn构成了微分环节，由于此时的转速的 微分（上升率）在恒流期间是一个不为零的常数，而在转速进入稳定状态 后转速的微分又变成零，所以如果将转速反馈信号和转速微分信号叠加在 一起，那么转速调节器就会 提前退出饱和状态，避免出 现转速超调的现象发生。 微分环节

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 二、转速变化时自动提高转速反馈电压 2、采用转速微分负反馈（P154） 因为该电路中的电容Cdn和电阻Rdn构成了微分环节，由于此时的转速的 微分（上升率）在恒流期间是一个不为零的常数，而在转速进入稳定状态 后转速的微分又变成零，所以如果将转速反馈信号和转速微分信号叠加在 一起，那么转速调节器就会 提前退出饱和状态，避免出 现转速超调的现象发生。

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 二、转速变化时自动提高转速反馈电压 2、采用转速微分负反馈（P154） 因为该电路中的电容Cdn和电阻Rdn构成了微分环节，由于此时的转速的 微分（上升率）在恒流期间是一个不为零的常数，而在转速进入稳定状态 后转速的微分又变成零，所以如果将转速反馈信号和转速微分信号叠加在 一起，那么转速调节器就会 提前退出饱和状态，避免出 现转速超调的现象发生。

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 二、转速变化时自动提高转速反馈电压 注意：上述所有无超调技术，只是避免了电动机转速的超调，转 速调节器仍然有超调现象的出现。(P155) 因为如果转速调节器不出现超调，转速调节器的输入偏差电压就 不可能改变极性，转速调节器的输入偏差电压不改变极性，转速调节 器的输出就不可能退出饱和状态。

第三节 无转速超调的转速电流双闭环控制系统 二、转速变化时自动提高转速反馈电压 注意：上述所有无超调技术，只是避免了电动机转速的超调，转 速调节器仍然有超调现象的出现。(P155) 因为如果转速调节器不出现超调，转速调节器的输入偏差电压就 不可能改变极性，转速调节器的输入偏差电压不改变极性，转速调节 器的输出就不可能退出饱和状态。

第四节 多环调速控制系统的构造过程及性能分析 转速、电流双闭环调速系统的 超调问题在理论上已经得到解决。 　为了尽可能的缩小第Ⅰ阶段的比 例或根据实际工程的需求能够随意 设置Ⅰ阶段宽度，必须解决对电流 变化率进行控制的问题。 解决的思路是：根据反馈定理 引一个电流微分负反馈就能解决对 电流变化率进行控制目的。

一、带电流变化率内环的三环调速系统 1.系统构成 注意：1)调节电流调节器ACR的输出限幅值就能调节电流变化率的大小。

一、带电流变化率内环的三环调速系统 1.系统构成 注意： 2)电流变化环为什么建立在电流环的内部？ 因为电流变化率出现的时间早于电流出现的时间，所以根据多环组 合方法，电流变化率环应该建立在里面。

一、带电流变化率内环的三环调速系统 1.系统构成 注意：3)在任何情况下，电流变化率调节器ADR不能饱和。 　　　　一般规律：与触发器的输入端直接相联的那个调节器在任何情况下都不允许产生饱和。

一、带电流变化率内环的三环调速系统 1.系统构成 注意： 4) 在起动的第Ⅰ阶段，ASR、 ACR都处于饱和状态，只有ADR处于线性 调节状态。 ASR饱和 ACR饱和 　ACR输出饱和限幅为电流变化率环提供了恒值给定 ASR 饱和 ACR 饱和

一、带电流变化率内环的三环调速系统 1.系统构成 注意：4)在起动的第Ⅰ阶段，ASR、 ASR饱和 ACR都处于饱和状态，只有ADR处于 线性调节状态。 在起动的第Ⅱ阶段，电流调节器 ACR退出饱和状态参与恒流调节控制。 ASR饱和 ACR饱和 　ASR输出饱和限幅为电流环提供了恒值给定 ASR饱和 ACR饱和

一、带电流变化率内环的三环调速系统 1.系统构成 注意：4)在起动的第Ⅰ阶段，ASR、 ASR饱和 ACR都处于饱和状态，只有ADR处于 线性调节状态。 在起动的第Ⅱ阶段，电流调节器 ACR退出饱和状态参与恒流调节控制。 在起动的最后阶段，转速调节器 ASR退出饱和状态，参与恒速调节控 制。 　　即：电流调节器ACR先退出饱和 状态，转速调节器ASR后退出饱和状态。 ASR饱和 ACR饱和 ASR饱和

一、带电流变化率内环的三环调速系统 1.系统构成 注意：4)在起动的第Ⅰ阶段，ASR、 ASR饱和 ACR都处于饱和状态，只有ADR处于 线性调节状态。 在起动的第Ⅱ阶段，电流调节器 ACR退出饱和状态参与恒流调节控制。 在起动的最后阶段，转速调节器 ASR退出饱和状态，参与恒速调节控 制。 即：电流调节器ACR先退出饱和 状态，转速调节器ASR后退出饱和状态。 ASR饱和 ACR饱和

一、带电流变化率内环的三环调速系统 1.系统构成 注意：5) 我们引入电流微分负反馈的目的是为了能够实现电流变 化率的可控性和减缓传动机械之间的冲击强度或满足某种工程上的 特殊要求。

一、带电流变化率内环的三环调速系统 2.系统特点 1)电流微分环可以明显地降低当电流发生断续时引起触发器传递函数KS发 生变化导致对整个调速控制系统的影响。

一、带电流变化率内环的三环调速系统 2.系统特点 1)电流微分环可以明显地降低当电流发生断续时引起触发器传递函数KS发生变化导致对整个调速控制系统的影响。 　因为当电枢电流发生断续时导致触发器传递函数KS发生变化。 　又因为触发器传递函数KS在电流微分环的前向通道上。 　所以根据抑制定理电流变化率环对触发器传递函数KS发生变化起抑制 　作用。 2)当电网电压发生变化时所产生的动态速降与双闭环调速控制系统相比 将会明显的降低。

探索与发现 综上所述：我们发现了一个特点，每当适当地增加一个环，调速控制系统的抗干扰能力就能提高一个挡次。我们自然就会产生这样一个想法：能否把一个调速控制系统的全部状态变量都引出来免得遇到一个问题引入一个反馈环。

二、全状态反馈调速控制系统(准全状态反馈) 1.状态变量的确定 如果描述调速控制系统被控对象的状态变量能够全部找出来，那 么反映被控对象任何一种情况下的状态都能够得到控制。 如下图所示，被控对象能反映在任何一种情况下的变化过程的 状态变量有多少个呢？ 自动控制理论告诉我们：一个储能元件决定一个状态变量。

二、全状态反馈调速控制系统(准全状态反馈) 1.状态变量的确定 从下面的结构图可以看出，有三个储能元件，所以有三个状态变量。 这三个状态变量是：Ud0、Id、E。

二、全状态反馈调速控制系统(准全状态反馈) 1.状态变量的确定 但是科学发展到今天，Ud0和 E无法直接引出，我们可以通过Ud和n代 替Ud0和E，于是就有了如下图所示的带电压内环的三环调速系统。这个调 速系统是一个准全状态反馈调速控制系统。因为没有真正引出Ud0和E这两 个物理量(不一定是坏事) 。

二、全状态反馈调速控制系统(准全状态反馈) 2.系统结构特点 1)电压在最里面因为电压这个物理量在这个调速系统中首先产生，所以根 据多环组合方法应该建立在里面。 2)此时的电压反馈应该尽可能地靠近可控整流输出端，这样能尽可能地接 近理想的Udo。用Ud代替Udo还能提高系统的抗干扰能力。

二、全状态反馈调速控制系统(准全状态反馈) 2.系统结构特点 3) 电压反馈一定要进行电磁隔离或光电隔离。如果不进行电磁隔离或光电 隔离容易把主电路电压引到控制电路上来。 NOTE：P83图2-31和下图同是一个电压反馈为什么引的位置不一样？

三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 双闭环调速系统从高速变低速时控制系统失控问题是最后一个问 题，如果此问题不解决，双闭环调速系统无法投入实际运行。 解决的方法有两种：其一，把能量回馈给电网(有源逆变)；其二，把能量 消耗在其它用电单元(无源逆变)。

三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 对于“把能量回馈给电网(有源逆变)”的方法将在第四章中给大家介绍。 在“把能量消耗在其它用电单元(无源逆变)”的方法中最简单的一种方法 是“能耗制动”。

三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 因为当可控整流装置的输出电压由大变小时，电动机所储存的能量 无法回馈给电网，所以造成控制系统失控。最简单的解决方案是“电机 拖动”曾经告诉我们：当能量不易回馈电网时，就采用能耗制动。如下 图所示的能耗制动方法，但是，没 有告诉我们电路的具体实现方法 (能实现能耗制动方法的电路很多 )。 右图所示电路是一种比较典型 的能耗制动控制电路。

三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 因为当可控整流装置的输出电压由大变小时，电动机所储存的能量 无法回馈给电网，所以造成控制系统失控。最简单的解决方案是“电机 拖动”曾经告诉我们：当能量不易回馈电网时，就采用能耗制动。如下 图所示的能耗制动方法，但是，没 有告诉我们电路的具体实现方法 (能实现能耗制动方法的电路很多 )。 右图所示电路是一种比较典型 的能耗制动控制电路。

三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 1.能耗控制电路外围接线 能耗控制电路外围接线如右图所 示。其中开关器件不是一般的接触 器，它不但具有触点允许大功率(高 电压、大电流)，而且还要具有高速 开关性能(控制过程中使用)。因此只 有大功率晶体管才能充当此重任。如 下图所示。

三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 1.能耗控制电路外围接线 逻辑控制信号由运动控制系统的 输出方程控制。 能耗制动电阻一般具有可变性：速 度越小，所串电阻越小。 在这里不作展开讨论。

三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 1.能耗控制电路外围接线 逻辑控制信号由运动控制系统的 输出方程控制。 能耗制动电阻一般具有可变性：速 度越小，所串电阻越小。 在这里不作展开讨论。

三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 2.能耗控制电路工作原理 下图是用分立元件组成的驱动制动开关GTR的电路，大功率管用 GTR或 IGBT均可，电路的工作过程大致如下：当光耦合器 VLC得到信号 而导通时，VLC导通且饱和，电阻R2上的电位使得V1导通，V2 随即导通而 V3 截止，使GTR导通，制动电流流经制动电阻Rb。

三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 2.能耗控制电路工作原理 当VLC失去信号而截止时，VLC 也截止，电阻R2上没有电位，V1处于 关断状态，随之V2截止，V3 导通，GTR得到反向偏压而迅速截止。当V3 导通时，电容C2上的电压全部加到GTR的发射极与基极之间导致GTR关 断， V1和VD9构成的非门保证了V1与V3的工作状态相反。

三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 2.能耗控制电路工作原理 为了避免向GTR提供过高的反向偏置电压，在图中增加了VD5～ VD8四个二极管来保护GTR。如下图所示。

三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 2.能耗控制电路工作原理 实际电路中经常在V2的输出端增加一个电流反馈来保护V2，如下图所示。

到目前为止一个功能较为完善的双闭环调速系统可以投入使用了，但是我们发现了一种系统构造的现象：好像是环越多越好！ 　　到目前为止一个功能较为完善的双闭环调速系统可以投入使用了，但是我们发现了一种系统构造的现象：好像是环越多越好！ 这种想法正确吗？

课间休息! 请您欣赏 作业：P184【3-7】 增加：减少CeФ将会对电动机的起动时间有什么影响？