前面指出，采用PI调节器的单闭环调速系统，既保证了动态稳定性，又能达到转速无静差，较好地解决了系统中动、静态之间的矛盾。

在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但超过临界电流值后，只是靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，而并不能完全按照需要来控制制动过程的电流或转矩，这样加速过程必然拖长，显然不能满足快速系统最佳启动、制动要求。这是由于电流截止负反馈只能限制最大电流，随着转速的增加及电机反电动势的增长，会使电流迅速下降，电机转矩亦迅速减小，使启动和加速过程拖长。

为了充分利用电机允许的过载能力，最好是在过渡过程中一直保持电流为允许最大值，使电力拖动系统以最大的可能加（减）速启（制）动，到达稳态转速时，电流应及时降下来。使得转矩与负载相平衡，从而进入稳速运行。

实际上，由于主电路电感的作用，电流Id不可能突变，只能近似的去逼近理想波形。从控制的角度来看，关键是如何获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。

根据反馈控制规律可以知道，采用某一物理量的反馈，可以近似的保持该量恒定不变。因此可以采用电流负反馈得到近似的恒流，但是如果在同一个调节器的输入端引入转速和电流负反馈，则双方可以互相牵制，非但得不到理想的过渡过程波形，反而会破坏稳速的静特性。于是不得不在小于截止电流的运行段将电流截止，负反馈“截止”。

为了进一步改进系统的性能，如果在系统中设置两个调节器，分别将转速和电流进行自动和独立调节，二者之间串联，把转速调节器的输出转换成电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发装置，使两种调节器相辅相成。

从闭环反馈的结构上来看，在里面的电流调节环节是内环，在外面的转速调节环节是外环，即形成转速、电流双闭环调速系统。

1.2.4.1　双闭环系统的构成

图1.28　双闭环调速系统电路原理图和稳态结构图

（a）原理图；（b）稳态结构图

转速、电流双闭环调速系统原理图和结构图如图1.28所示，图1.28中的两个调节器的输入输出电压的实际极性是按照触发装置的控制电压Uc需要正电压而标出的，考虑到了运算放大器的倒相作用。在稳态结构图中，PI调节器的方框图中为了表明其比例积分作用通过在阶跃输入下的输出时间特性来表示。

图1.28所示中两个调节器的输出都是限幅的，转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压是Uim，它决定了电流调节器的给定电压的最大值。电流调节器ACR的输出限幅电压是Ucm，其限制了晶闸管装置的输出电压的最大值。

这种系统是把转速调节器作为主调节器，电流调节器作为副调节器，系统通过主调节回路（外环）调节电动机转速，通过副调节电路（内环）调节电枢电流，这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

采用运算放大器作为调节器时，输出限幅的方法有两类：一类称外限幅；另一类称内限幅。外限幅电路如图1.29所示，其中要有正、负辅助电源，分别给两个电位器RP1、RP2供电，电位器分压端整定在M点和N点，电压UM和UN决定输出电压Uo的正负限幅值，利用二极管来钳位。

正限幅电压：

负限幅电压：

其中0.7V是二极管的正向压降电压，外限幅电路只保证对外输出限幅，集成电路本身的输出C点电压Uc并没有限制住，而是把多余的电压降在限流电阻Rx1上了。

内限幅电路如图1.29（b）所示，利用两个对接的稳压管VD1和VD2来限制±Uo，正限幅电压Uom等于VD1的稳压值，负限幅电压Uom等于VD2的稳压值。若增大U1致使输出电压Uo超过限幅值，当击穿该方向的稳压管对运算放大器产生强烈的负反馈时，把Uo拉回到限幅值。

采用内限幅电路的缺点就是限幅值不能很方便地调节，可采用二极管或三极管钳位来克服这一缺点。

图1.29　运算放大器的限幅电路

（a）外限幅电路图；（b）内限幅电路图

1.2.4.2　双闭环系统的静特性

分析双闭环调速系统的静特性关键是掌握限幅输出的PI调节器在稳态时的特征。一般存在两种状况：饱和即输出达到限幅值；不饱和即输出达不到限幅值。饱和时输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除产生反向的输入，使得调节器退出饱和。即饱和时调节器暂时隔断了输入和输出的关系联系。而当调节器不饱和时，比例积分作用使输入偏差电压在稳态时保持为零。

在正常运行时，电流调节器ACR总是设计成不饱和状态，而静态特性只有ASR饱和、不饱和两种情况。

1.ASR不饱和

在稳态时，两个调节器的输入偏差电压均为零，因而Ug=Ufn=αn或，如静特性曲线n0-A段。静特性曲线如图1.30所示，此时有Ui=Ufi=βId。ASR不饱和Ui<Uim，所以有Id<Idm。这段静特性从Id=0一直延续到Id=Idm，而一般情况下Idm>IN，IN为电机的额定电流。

图1.30　双闭环调速系统静特性图

Idm—电枢电流最大值；IN—电机的额定电流

如图1.30所示，当负载电流小于Idm时，转速无静差，这时起主要调节作用的是转速负反馈，电流负反馈使电流Id从属于其给定电压变化，帮助转速调节；当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，这时电流调节器起主要调节作用，系统表现为最大电流给定条件下的电流无静差，形成过电流自动保护。可见双闭环调速系统的稳定运行段及下垂段都为理想特性，采用了两个PI调节器分别形成内外两个闭环，其静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统要好。而实际上运算放大器的开环放大系数并非无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上均略有很小的静差，表现为如图1.30所示中的虚线。

2.ASR饱和

速度调节器输出限幅值，即Ui达到Uim，转速的变化对系统没影响，转速外环呈开环的状态，系统变成一个单纯的电流无静差调速系统。稳态时有Uim=Ufi=βId，因而有

Idm是Uim所对应的电枢电流的最大值，其值取决于拖动系统允许的最大加速度和电动机的容许过载能力。此时的静特性表示为图1.30中的A-B，这样的下垂特性只适合n<n0的情况，因为如果n>n0，则Ufn>Ug，ASR将退出饱和。

负载电流小于Idm时表现为转速无静差，而当负载电流达到Idm后表现为电流无静差，使系统得到保护，即为采用了两个PI调节器分别形成两个“闭环”的效果，这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性要强得多。(www.daowen.com)

1.2.4.3　稳态工作点和稳态参数

双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有如下的关系

由上述关系表明，在稳态工作点上，转速n由Ug决定的，ASR的输出量Ui是由IL（负载电流）决定的，而控制电压的大小则同时由n和Id决定，也即取决于Ug和IL。这反映了PI调节器的特点，一般比例环节的输出量总是决定于输入量，PI调节器则不同，其输出量的稳态值与输入无关，而是由其后面连接的环节所决定。后面需要PI调节器提供多大的输出，它就能提供多少，直至饱和为止。

鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算应该根据各调节器的给定值和相应的反馈量来计算有关的反馈系数。即

转速反馈系数：

电流反馈系数：

两个给定电压的最大值Uim和Ugm是由运算放大器的输入电压决定的。

1.2.4.4　双闭环调速系统的动态特性

1.双闭环调速系统的动态数学模型

双闭环调速系统的动态结构如图1.31所示。图1.31中GACR（s）和GASR（s）分别代表电流和转速调节器的传递函数，为了引出电流的反馈，电动机的动态结构部分必须把电流标示出来。

图1.31　双闭环调速系统的动态结构图

α—转速反馈系数；β—电流反馈系数

2.启动过程

前面知道，设置双闭环控制就是获得接近于理想的启动过程。为了更好分析双闭环调速系统的动态性能，在此先探讨双闭环调速系统的启动过程。双闭环调速系统突加给定电压Ug由静止状态启动时转速和电流的过渡图如图1.32所示。在启动过程中转速调速器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为相应的三个阶段，在图1.32中分别以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ标示。

图1.32　双闭环调速系统启动时的转速和电流波形

（1）第Ⅰ阶段：0→t1是电流上升阶段。在这一阶段中，ASR由不饱和的状态很快达到饱和，而ACR一般不饱和，以保证电流环的调节作用。

（2）第Ⅱ阶段：t1~t2是恒流升速阶段。电流升到最大值Idm开始，到转速升到给定值（即静特性上的n0）为止，属于恒流升速阶段，是启动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环节近似处于开环状态，系统表现为恒值电流给定电压Uim作用下的电流调节系统，保持拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长，电动机的反电动势E也按线性增长。

（3）第Ⅲ阶段：t2以后是转速调节阶段，ASR与ACR均不饱和，同时起调节作用，转速调节在外环，所以ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使跟随ASR的输出电压Ui的变化，即电流内环形成一个电流随动系统。

综上所述，双闭环调速系统的启动过程有如下三个特点：

（1）饱和非线性控制：系统的启动过程由ASR的饱和与不饱和形成三个阶段：第Ⅰ段包含了ASR饱和与不饱和两部分；第Ⅱ阶段ASR饱和；第Ⅲ阶段ASR不饱和。当ASR饱和时转速环开环，形成恒值电流调节的单环系统；当ASR不饱和时转速环闭环，系统是无静差调速系统，而电流内环则是电流随动系统。饱和限幅特性是非线性特性，于是采用非线性系统分段线性化的方法来处理，在每段系统都是线性的，但结构不同。

（2）准时间最优控制：第Ⅱ阶段恒流升速标志着双闭环系统启动过程的主要特点，其实现了在电流受限制的条件下的“时间最优控制”，因而能充分发挥电机的过载能力，使启动过程尽可能最快，接近于理想的启动过程。它和理想启动过程的区别在于第Ⅰ、Ⅲ两段，因而只能称作“准最优控制”，但由于Ⅰ、Ⅲ两段在时间上不是主要的启动阶段，所引起的差异无伤大局。这种采用饱和非线性控制实现最短时间控制的方法对于多种多环控制系统以及快速随动系统等都非常适用。

（3）转速超调：在第Ⅲ阶段中，只有转速超调才能使ASR环退出饱和，然后才能使系统达到稳态。这也说明如果不另加措施，双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调，不过在一般情况下，转速稍微有超调对实际运动的影响并不大。

3.ASR和ACR两个调节器的作用

ASR和ACR两个调节器在双闭环调速系统中的作用归纳如下：

（1）转速调节器的作用：

1）使转速n跟随给定值Ug变化，稳态时无静差。

2）对负载变化起抗扰作用。

3）其输出限幅值决定最大电流。

（2）电流调节器的作用：

1）在转速调节过程中使得电流Id跟随给定值Ui变化，启动时保证获得允许的最大电流。

2）对电网电压波动及时起抗扰作用。

3）当电机过载、堵转时，限制电枢电流的最大值Idm，形成快速的安全保护，如果故障消失，系统自动恢复正常。