1.2.2转速、电流双闭环直流调速系统的原理图
RnCn+Ui+R0LMR0_+RiACR+CiLMUcGTV+UR0+*nASR_+IdM+__R0_+Ud_Ui*Un_Rp2TG+
图1.2.2 双闭环直流调速系统电路原理图
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节
*器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim决定了电流调节器ACR的最大给定电压，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
1.2.3双闭环直流调速系统的动态数学模型
双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图1.2.3所示。图中WASR(s)和WACR(S)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。
3
图1.2.3 双闭环直流调速系统的动态结构框图
1.2.4启动过程分析
设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想的起动过程，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。
*双闭环直流调速系统突加给定电压Un由静止状态起动时，转速和电流的动
态过程示于图1.2.4。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。
n * I n II III O d II dt I dm I dL O t 1 t 2 t 3 t 4 t 图1.2.4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形
4
第一阶段是电流上升阶段(0~t1)。当突加给定电压Ugn时，由于电动机的机电惯性较大，电动机还来不及转动（n=0），转速负反馈电压Ufn?0，这时，
?Un?Ugn?Ufn很大，使ASR的输出突增为Ugio，ACR的输出为Uko，可控整流器的输出为Udo，使电枢电流Ia迅速增加。当增加到Ia?IL（负载电流）时，电动机开始转动，以后转速调节器ASR的输出很快达到限幅值Ugim，从而使电枢电流达到所对应的最大值Iam（在这过程中Uk?Ud的下降是由于电流负反馈所引起的），到这时电流负反馈电压与ACR的给定电压基本上是相等的，即
Ugim?Ufi??Iam 式中，?——电流反馈系数。
速度调节器ASR的输出限幅值正是按这个要求来整定的。
第二阶段是恒流升速阶段(t1~t2)。从电流升到最大值Iam开始，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。由于电流Ia保持恒定值Iam，即系统的加速度dndt为恒值，所以转速n按线性规律上
升，由Ud?IamR?Cen知，Ud也线性增加，这就要求Uk也要线性增加，
?故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。
第三阶段是转速调节阶段(t2以后)。转速调节器在这个阶段中起作用。开始时转速已经上升到给定值，ASR的给定电压Ugn与转速负反馈电压Ufn相平衡，输入偏差?Un等于零。但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Ugim，所以电动机仍在以最大电流Iam下加速，使转速超调。超调后，Ufn?0、?Un?0，使ASR退出饱和，其输出电压（也就是ACR的给定电压）Ugi才从限幅值降下来，
Uk与Ud也随之降了下来，但是，由于Ia仍大于负载电流IL，在开始一段时
间内转速仍继续上升。到Ia?IL时，电动机才开始在负载的阻力下减速，知道稳定（如果系统的动态品质不够好，可能振荡几次以后才稳定）。在这个阶段中
5
ASR与ACR同时发挥作用，由于转速调节器在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则力图使Ia尽快地跟随ASR输出Ugi的变化。
稳态时，转速等于给定值ng，电枢电流Ia等于负载电流IL，ASR和ACR的输入偏差电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。ASR的输出电压为
Ugi?Uft??IL ACR的输出电压为
?IRcn? U?KegLks
由上述可知，双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。
综上所述，双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点：
（1）饱和非线形控制：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形系统，只能采用分段线形化的方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样的控制系统。
（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容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。
（3）准时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程Ⅰ、Ⅱ两个阶段中电流不能突变，实际起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起动时间中很小的成分，无伤大局，可称作“准时间最优控制”。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，在各种多环控制中得到普遍应用。
2.参数测定
2.1主电路总电阻值得测定
电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra、平波电抗器的直流电阻RL及整流装置的内阻Rn，即
R = Ra十RL十Rn (2-1)
由于阻值较小，不宜用欧姆表或电桥测量，因是小电流检测，接触电阻影响很大，故常用直流伏安法。为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压Uｄ0，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安比较法，实验线路如图2.1所示。
6
图2.1 伏安比较法实验线路图
将变阻器R1、R2接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。合上S1、S2，调节给定使输出直流电压Ud在30%Ued～70%Ued范围内，然后调整R2使电枢电流在80%Ied～90%Ied范围内，读取电流表A和电压表V2的数值为I1、U1，则此时整流装置的理想空载电压为
Udo=I1R+U1 (2-2) 调节R1使之与R2的电阻值相近，拉开开关S2，在Ud的条件下读取电流表、电压表的数值I2、U2，则
Udo＝I2R十U2
求解(2-2)、(2-3)两式，可得电枢回路总电阻:
R＝（U2-U1）/（I1-I2） (2-3)
试验数据处理： （1）合上 S2
给定U 4.66 4.21 3.85 （2）断开S2
给定U 4.66 4.21 3.85 U2?V? I2?A? U1?V? I1?A? 电枢电压（V） 83 63 45 串电阻??? R1=180 85 70 54 0.76 0.59 0.51 电枢电压（V） 98 74 53 串电阻??? R1?R2?360 94 77 63 0.53 0.41 0.32 R1??U2?U1??I1?I2??(94-85)/(0.76-0.53)=39.1??? R2??U2?U1??I1?I2??(77-70)/(0.59-0.41)=38.8??? R3??U2?U1??I1?I2??(63-54)/(0.51-0.32)=47.3???
则电枢回路总电阻为：
7