最简本c1-直流拖动控制系统.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,197,*,直流拖动控制系统,第,1,篇,调速系统,电力拖动自动控制系统,第,1,讲，第,1,节,197,1,根据直流电动机转速方程,直流调速方法,n,U,I,R,K,e,式中,转速（,r/min,）；,电枢电压（,V,）；,电枢电流（,A,）；,电枢回路总电阻（,）；,励磁磁通（,Wb,）,；,由电机结构决定的电动势常数。,（,1-1,）,有三种调速方法：,（,1,）调节电枢供电电压,U,。,（,2,）减弱励磁磁通,。,（,3,）改变电枢回路电阻,R,。,197,2,n,n,0,O,I,I,L,R,a,R,1,R,2,R,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调阻调速特性曲线,大,n,n,0,O,I,I,L,U,N,U,1,U,2,U,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调压调速特性曲线,小,n,n,0,O,I,I,L,U,N,U,1,U,2,U,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调压调速特性曲线,小,n,n,0,O,I,I,L,U,N,U,1,U,2,U,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调压调速特性曲线,小,n,n,0,O,T,e,T,L,N,1,2,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调磁调速特性曲线,小,197,3,第,1,章 闭环控制的直流调速系统,1.1,直流调速系统用的可控直流电源,1.2,晶闸管,-,电动机系统（,V-M,系统）的主要问题,1.3,直流脉宽调速系统的主要问题,1.4,反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计,1.5,反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计,1.6,比例积分控制规律和无静差调速系统,本章提要,197,4,1.1.1,旋转变流机组,图,1-1,旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（,G-M,系统）原理图,简称,G-M,系统，国际上通称,Ward-Leonard,系统,197,5,1.1.2,静止式可控整流器,图,1-3,晶闸管,-,电动机调速系统（,V-M,系统）原理图,晶闸管,-,电动机调速系统（简称,V-M,系统，又称静止的,Ward-Leonard,系统）,197,6,V-M,系统的特点,与,G-M,系统相比较：,晶闸管整流装置不仅在,经济性,和,可靠性,上都有很大提高，,在,技术性,能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在,10,4,以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。,在控制作用的,快速性,上,，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。,197,7,V-M,系统的问题,由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。,晶闸管对过电压、过电流和过高的,d,u,/d,t,与,d,i,/d,t,都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。,由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成,“电力公害”。,197,8,a,）原理图,b,）电压波形图,t,O,u,U,s,U,d,T,t,on,1.,直流斩波器的基本结构,图,1-5,直流斩波器,-,电动机系统的原理图和电压波形,+,M,U,s,L,VD,M,+,-,-,1.1.3,直流斩波器或脉宽调制变换器,197,9,这样，电动机得到的平均电压为,输出电压计算,(1-2),式中,T,晶闸管的开关周期；,t,on,开通时间；,占空比，,=,t,on,/,T=t,on,f,其中,f,为开关频率。,197,10,2.,斩波电路三种控制方式,根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：,T,不变，变,t,on,脉冲宽度调制（,PWM,）；,t,on,不变，变,T,脉冲频率调制（,PFM,）；,t,on,和,T,都可调，改变占空比,混合型。,197,11,PWM,系统的优点,（,1,）主电路线路简单，需用的功率器件少。,（,2,）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。,（,3,）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达,1:10000,左右。,（,4,）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。,（,5,）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。,（,6,）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,197,12,小 结,三种可控直流电源，,V-M,系统在,20,世纪,6070,年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。,直流,PWM,调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代,V-M,系统成为主要的直流调速方式。,返回目录,197,13,1.2,晶闸管,-,电动机系统（,V-M,系统）的主要问题,本节讨论,V-M,系统的几个主要问题：,（,1,）触发脉冲相位控制。,（,2,）电流脉动及其波形的连续与断续。,（,3,）抑制电流脉动的措施。,（,4）晶闸管-电动机系统的机械特性,。,（,5,）晶闸管触发和整流装置的放大系数和,传递函数。,第,1,讲，第,2,节,197,14,在如图可控整流电路中，调节触发装置,GT,输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器,VT,输出瞬时电压,u,d,的波形，以及输出平均电压,U,d,的数值。,O,O,O,O,O,1.2.1,触发脉冲相位控制,197,15,U,d0,I,d,E,等效电路分析,如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值,u,d0,和平均值,U,d0,来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。,图,1-7 V-M,系统主电路的等效电路图,197,16,式中,电动机反电动势,（,V,）,；,整流电流瞬时值,（,A,）,；,主电路总电感,（,H,）,；,主电路等效电阻,（,）,，,R,=,R,rec,+,R,a,+,R,L,。,E,i,d,L,R,瞬时电压平衡方程,(1-4),197,17,对,u,d0,进行积分，即得理想空载整流电压平均值,U,d0,。,用触发脉冲的相位角,控制整流电压的平均值,U,d0,是晶闸管整流器的特点。,U,d0,与触发脉冲相位角,的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，,U,d0,=,f,(,),可用下式表示,197,18,式中,从自然换相点算起的触发脉冲控制角；,=,0,时的整流电压波形峰值,（,V,）,；,交流电源一周内的整流电压脉波数。,对于不同的整流电路，它们的数值见表,1-1,。,U,m,m,整流电压的平均值计算,(1-5),197,19,表,1-1,不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电压,*,U,2,是整流变压器二次侧额定相电压的有效值,。,197,20,整流与逆变状态,当,0,0,，晶闸管装置处于,整流状态,，电功率从交流侧输送到直流侧；,当,/2,max,时，,U,d0,R,，因此,（,1-44,）,197,96,4.,电流截止负反馈环节参数设计,I,dbl,应小于电机允许的最大电流，一般取,I,dbl,=,（,1.52,）,I,N,从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取,I,dcr,（,1.11.2,）,I,N,返回目录,197,97,根据系统的性能指标，确定闭环系统中各单元环节的组成（静态或稳态结构）,确定各单元作用及各单元环节之间的关系：,前向通道：比较放大、功放、控制对象,反馈通道：检测单元,系统的静态特性分析,系统的静态分析与设计要点,197,98,本节提要,反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,动态校正,PI,调节器的设计,系统设计举例与参数计算,*1.5,反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计,第,3,讲，第,1,节,197,99,建立系统动态数学模型的基本步骤如下：,（,1,）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程；,（,2,）求出各环节的传递函数；,（,3,）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。,1.5.1,反馈控制闭环直流调速系统的,动态数学模型,197,100,图,1-24,带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图,+,-,A,M,TG,+,-,+,-,+,-,U,tg,U,d,I,d,n,+,-,-,+,U,n,U,n,U,*,n,U,c,UPE,+,-,M,TG,I,d,U,n,U,d,U,c,tg,197,101,1.,电力电子器件的传递函数,构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是,(1-45),只是在不同场合下，参数,K,s,和,T,s,的数值不同而已。,197,102,T,L,+,-,M,U,d0,+,-,E,R,L,n,e,i,d,M,图,1-33,他励直流电动机等效电路,2.,直流电动机的传递函数,(1-46),假定主电路电流连续，则动态,电压方程,为,电路方程,197,103,如果忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的,动力学（转矩平衡）方程,为,(1-47),额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为,(1-48),(1-49),197,104,代入式（,1-46,）和（,1-47,）,并考虑式（,1-48,）和（,1-49,），整理后得,(1-50),(1-51),式中 为负载电流。,微分方程,197,105,在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，,得,电压与电流间的传递函数,电流与电动势间的传递函数,(1-52),(1-53),传递函数,197,106,动态结构框图,I,d,(,s,),I,dL,(,s,),+,-,E,(,s,),R,T,m,s,b),电流电动势间的结构框图,式（,1,31,）,E,(,s,),U,d0,(,s,),+,-,1,/R,T,l,s+,1,I,d,(,s,),a),电压电流间的结构框图,式（,1,30,）,+,图,1-34,额定励磁下直流电动机动态结构框图,197,107,图,1-34c,整个直流电动机的动态的结构框图,n,(,s,),1,/C,e,U,d0,(,s,),I,dL,(,s,),E,I,d,(,s,),U,n,+,+,-,-,1,/R,T,l,s+,1,R,T,m,s,197,108,n,(,s,),U,d0,(,s,),+,-,1,/C,e,T,m,T,l,s,2,+T,m,s+,1,I,dL,(,s,),R,(,T,l,s+,1),动态结构图的变换和简化,a.,I,dL,0,197,109,n,(,s,),1,/C,e,T,m,T,l,s,2,+T,m,s+,1,U,d0,(,s,),动态结构图的变换和简化（续）,b.,I,dL,=,0,197,110,直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即,放大器,测速反馈,（,1-55,）,（,1-54,）,3.,控制与检测环节的传递函数,197,111,*,4.,闭环调速系统的动态结构框图,图,1-36,反馈控制闭环调速系统的动态结构框图,n,(,s,),U,*,n,(,s,),I,dL,(,s,),U,ct,(,s,),U,n,(,s,),+,-,K,s,T,s,s+,1,K,P,1,/C,e,T,m,T,l,s,2,+T,m,s+,1,+,-,R,(,T,l,s+,1),U,d0,(,s,),U,n,(,s,),197,112,图,1-36,反馈控制闭环调速系统的动态结构框图,n,(,s,),U,*,n,(,s,),U,ct,(,s,),U,n,(,s,),+,-,K,s,T,s,s+,1,U,n,(,s,),K,s,T,s,s+,1,U,d0,(,s,),197,113,*5.,调速系统的开环传递函数,由图可见，,反馈控制闭环直流调速系统的,开环传递函数,是,式中,K,=,K,p,K,s,/,C,e,（,1-56,）,197,114,*6.,调速系统的闭环传递函数,设,I,dl,=,0,，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的,闭环传递函数,是,（,1-57,）,197,115,*1.5.2,反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,由式（,1-57,）可知，反馈控制闭环直流调速系统的,特征方程,为,（,1-58,）,它的一般表达式为,197,116,根据三阶系统的,劳斯,-,赫尔维茨判据,，系统稳定的充分必要条件是,式（,1-58,）的各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只有,或,197,117,K,是由系统闭环传函的稳态参数所决定；,Kcr,是由系统闭环传函的动态参数所决定；所谓,劳斯,-,赫尔维茨判据,的系统稳定的充分必要条件是：寻找,系统闭环传函的稳态参数与动态参数的关系。,整理后得,（,1-59,）,式（,1-59,）右边称作系统的临界放大系数,K,cr,，,当,K,K,cr,时，系统将不稳定。,对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。,197,118,动态校正的方法,串联校正,并联校正,反馈校正,对于一个系统来说，校正方案也不是唯一的。,在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。,串联校正比较简单，也容易实现,。,1.5.3,动态校正,PI,调节器的设计,在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，设计合适的动态校正装置，使它同时满足动态稳定和稳态指标两方面的要求。,197,119,串联校正,（,1,）串联超前校正：,可以增加系统的相角裕度和频带宽，从而,改善系统的响应速度，减小超调量，但对系统的稳态性能改善很微小。,（,2,）串联滞后校正：,利用了高频衰减特性，,使系统的稳定性获得极大地改善，但是减小系统的带宽，所以使系统的响应变慢。,（,3,）串联滞后,-,超前校正：,二者的结合,197,120,反馈校正,能达到串联校正同样的效果，主要作用是消除的参数变化对系统的影响。但是，被反馈校正装置包围的那部分环节最多不超过,2,个。,197,121,串联校正方法（具体方法）,无源网络校正,RC,网络；,有源网络校正,PID,调节器。,对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，,由于其传递函数的阶次较低，一般采用,PID,调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。,197,122,PID,调节器的类型,比例微分（,PD,）,比例积分（,PI,）,比例积分微分（,PID,）,197,123,*P,、,I,、,D,的作用,比例（,P,）：,减小系统偏差，加快系统动态响应速度，但不能消除系统偏差；但是比例（,P,）过大易使系统发生振荡。,积分（,I,）：,积累历史偏差，从而消除偏差，但使系统动态响应速度变慢，具有,滞后校正,作用。,微分（,D,）：,预测偏差的变化，使系统动态响应速度加快，具有,超前校正,作用，但微分过大易使系统发生振荡。,197,124,PID,调节器的功能,由,PD,调节器构成的,超前校正,，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响。,由,PI,调节器构成的,滞后校正,，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的。,用,PID,调节器实现的,滞后,超前校正,则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。,一般的调速系统要求以动态稳定和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用,PI,调节器；,在随动系统中，快速性是主要要求，须用,PD,或,PID,调节器。,197,125,在设计校正装置时，主要的研究工具是伯德图（,Bode Diagram,），即开环对数频率特性的渐近线。,在定性地分析闭环系统性能时，通常将伯德图分成低、中、高三个频段，频段的分割界限是大致的，不同文献上的分割方法也不尽相同，这并不影响对系统性能的定性分析。下图绘出了自动控制系统的典型伯德图。,3.,系统设计工具,第,3,讲，第,2,节,197,126,典型伯德图,从图中三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：,O,L/dB,c,/s,-1,-20dB/dec,低频段,中频段,高频段,图,1-37,自动控制系统的典型伯德图,197,127,伯德图与系统性能的关系,中频段,以,-20dB/dec,的斜率穿越,0dB,，而且这一斜率覆盖,足够的频带宽度，则系统的稳定性好。,截止频率（或称剪切频率）越高，则系统的快速性越好。,低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高。,高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。,197,128,以上,四个方面,常常是,互相矛盾,的：,对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；,加上校正装置后，系统稳定了，又可能牺牲快速性；,提高截止频率可以加快系统的响应，又容易引入高频干扰；如此等等。,设计时往往须在稳、准、快和抗干扰这四个矛盾的方面之间取得折中，才能获得比较满意的结果。,197,129,4.,系统设计要求,在实际系统中，动态稳定性不仅必须保证，而且还要有一定的裕度，以防参数变化和一些未计入因素的影响。在伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定裕度的指标是：,相角裕度,和以分贝表示的,增益裕度,GM,。一般要求：,相角裕度：,=30,60,增益（幅值）裕度：,GM,6dB,保留适当的稳定裕度，是考虑到实际系统中各环节参数发生变化时不致使系统失去稳定。,在一般情况下，稳定裕度也能间接反映系统动态过程的平稳性，,稳定裕度大，意味着动态过程振荡弱、超调小,。,197,130,5.,设计步骤,系统建模,首先应进行总体设计，选择基本部件，按稳态性能指标计算参数，形成基本的闭环控制系统，或称原始系统。,系统分析,建立原始系统的动态数学模型，画出其伯德图，检查它的稳定性和其他动态性能。,系统设计,如果原始系统不稳定，或动态性能不好，就必须配置合适的动态校正装置，使校正后的系统全面满足性能要求。,197,131,6.,设计方法,凑试法,设计时往往须用多种手段，反复试凑。,工程设计法,详见第,2,章,。,197,132,1.5.4,系统设计举例与参数计算（一）,稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定了控制系统的基本构成环节，有了基本环节组成系统之后，再通过动态参数设计，就可使系统臻于完善。近代自动控制系统的控制器主要是模拟电子控制和数字电子控制，由于数字控制的明显优点，在实际应用中数字控制系统已占主要地位，但从物理概念和设计方法上看，模拟控制仍是基础。,第,3,讲，第,2,节,197,133,单闭环直流调速系统框图,197,134,系统稳态参数计算,例题,1-4,用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图,1-28,所示，主电路是晶闸管可控整流器供电的,V-M,系统。已知数据如下：,电动机：额定数据为,10kW,，,220V,，,55A,，,1000r/min,，电枢电阻,R,a,=0.5,晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器,Y/Y,联结，,二次线电压,U,2l,=230V,，,电压放大系数,K,s,=44,197,135,V-M,系统电枢回路总电阻：,R,=1.0,测速发电机：永磁式，额定数据为,23.1W,，,110V,，,0.21A,，,1900r/min,直流稳压电源：,15V,若生产机械要求,调速范围,D,=10,，静差率,s5%,，,试计算调速系统的稳态参数（暂不考虑电动机的起动问题）。,197,136,解,1,）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的,稳态速降,应为,=5.26r/min,197,137,2,）求闭环系统应有的开环放大系数,先计算电动机的电动势系数,V,min/r,=0.1925V,min/r,197,138,则开环系统额定速降为,r/min=285.7r/min,闭环系统的,开环放大系数,应为,197,139,3,）计算转速反馈环节的反馈系数和参数,转速反馈系数,包含测速发电机的电动势系数,C,etg,和其输出电位器的分压系数,2,，即,=,2,C,etg,根据测速发电机的额定数据，,=0.0579V,min/r,197,140,先试取,分压系数,2,=0.2,，再检验是否合适。,现假定测速发电机与主电动机直接联接，则在电动机最高转速,1000r/min,时，转速反馈电压为,=11.58V,稳态时,U,n,很小，,U,*,n,只要略大于,U,n,即可,，现有直流稳压电源为,15V,，完全能够满足给定电压的需要。因此，取,=0.2,是正确的。,197,141,于是，转速反馈系数的计算结果是,V,min/r,=0.01158V,min/r,电位器的选择方法如下：为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，,取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的,20%,，,则,=1379,197,142,此时所,分压电阻消耗的功率,为,为了使电位器温度不致很高，,实选瓦数应为所消耗功率的一倍以上，,故可为选用,10W,，,1.5k,的可调电位器。,197,143,4,）计算运算放大器的放大系数和参数,根据调速指标要求，前已求出，闭环系统的开环放大系数应为,K,53.3,，则运算放大器的放大系数,K,p,应为,实取,=21,。,197,144,图,1-28,中运算放大器的参数计算如下：,根据所用运算放大器的型号，,取,R,0,=40k,，,则,197,145,系统稳定性分析,例题,1-5,在例题,1-4,中，已知,R,=1.0,，,K,s,=44,，,C,e,=0.1925V,min/r,，系统运动部分的飞轮惯量,GD,2,=10N,m,2,。,根据稳态性能指标,D,=10,，,s,0.5,计算，系统的开环放大系数应有,K,53.3,，试判别这个系统的稳定性。,197,146,解：,首先应确定主电路的电感值，用以计算电磁时间常数。,对于,V-M,系统，为了使主电路电流连续，应设置平波电抗器。例题,1-4,给出的是三相桥式可控整流电路，为了保证最小电流时电流仍能连续，应采用式（,1-8,）计算电枢回路总电感量，即,197,147,现在,则,取,=17mH=0.017H,。,197,148,计算系统中各环节的时间常数：,电磁时间常数,机电时间常数,197,149,对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为,T,s,=0.00167 s,197,150,为保证系统稳定，开环放大系数应满足式（,1-59,）的稳定条件,按稳态调速性能指标要求,K,53.3,，因此，,闭环系统是不稳定的,。,返回目录,197,151,1.6,比例积分控制规律和无静差调速系统,前节主要讨论，采用比例（,P,）放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。,本节将讨论，采用积分（,I,）调节器或比例积分（,PI,）调节器代替比例放大器，构成无静差调速系统。,第,3,讲，第,2-3,节,197,152,本节提要,问题的提出,积分调节器和积分控制规律,比例积分控制规律,无静差直流调速系统及其稳态参数计算,系统设计举例与参数计算（二）,197,153,1.6.1,问题的提出,如前，,采用,P,放大器控制的有静差的调速系统，,K,p,越大，系统精度越高；但,K,p,过大，将降低系统稳定性，使系统动态不稳定。,进一步分析静差产生的原因，由于采用比例调节器，转速调节器的输出为,U,c,=,K,p,U,n,U,c,0,，电动机运行，即,U,n,0,；,U,c,=0,，电动机停止。,197,154,因此，在采用,比例调节器控制的自动,系统中，输入偏差是维系系统运行的基础，必然要产生静差，因此是,有静差系统,。,如果要消除系统误差，必须寻找其他控制方法，比如：,采用积分（,Integration,）调节器或比例积分（,PI,）调节器来代替比例放大器,。,197,155,1.6.2,积分调节器和积分控制规律,1.,积分调节器,如图，由运算放大器可构成一个积分电路。根据电路分析，其电路方程,+,+,C,U,ex,R,bal,U,in,R,0,+,A,图,1-43,积分调节器,a),原理图,i,i,197,156,方程两边取积分，得,(1-64),式中,积分时间常数。,当初始值为零时，在阶跃输入作用下，对式（,1-64,）进行积分运算，得积分调节器的输出,(1-65),197,157,U,ex,U,in,U,exm,t,U,in,U,ex,O,b),阶跃输入时的输出特性,(,),L/dB,O,L(,),-20dB,1/,O,-/2,c)Bode,图,图,1-43,积分调节器,2.,积分调节器的特性,197,158,3.,积分调节器的传递函数,积分调节器的传递函数为,(1-66),197,159,4.,转速的积分控制规律,如果采用积分调节器，则控制电压,U,c,是转速偏差电压,U,n,的积分，按照式（,1-64,），应有,如果是,U,n,阶跃函数，则,U,c,按线性规律增长，每一时刻,U,c,的大小和,U,n,与横轴所包围的面积成正比，,如下图,a,所示。,197,160,图,1-45,积分调节器的输入和输出动态过程,a),阶跃输入,b),一般输入,输入和输出动态过程,197,161,图,b,绘出的,U,n,是负载变化时的偏差电压波形，按照,U,n,与横轴所包围面积的正比关系，可得相应的,U,c,曲线，图中,U,n,的最大值对应于,U,c,的拐点。,若初值不是零，还应加上初始电压,U,c0,，则积分式变成,197,162,分析结果,采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，即,偏差为零时，系统仍有控制信号,，保持系统稳定运行，实现无静差调速。,197,163,当负载转矩由,T,L1,突增到,T,L2,时，有静差调速系统的转速,n,、偏差电压,U,n,和控制电压,U,c,的变化过程示于右图。,图,1-44,有静差调速系统突加负载过程,突加负载时的动态过程,5.,比例与积分控制的比较,有静差调速系统,197,164,无静差调速系统,图,1-46,积分控制无静差调速系统,突加负载时的动态过程,虽然现在,U,n,=0,，只要历史上有过,U,n,，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压,U,c,。积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。,197,165,将以上的分析归纳起来，可得下述论断：,比例调节器的输出：只取决于,输入偏差量的,现状,；,积分调节器的输出：则包含了,输入偏差量的,全部历史（累积）。,197,166,两种调节器特性比较,U,ex,U,in,U,exm,t,U,in,U,ex,O,b)I,调节器,a)P,调节器,U,ex,U,in,t,U,in,U,ex,O,两种调节器,I/O,特性曲线,1.6.3,比例积分控制规律,第,4,讲，第,2,节,197,167,那么，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，该怎么办呢？只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例积分控制。,197,168,1.PI,调节器,在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现,PI,调节器，其线路如图所示。,U,ex,+,+,C,1,R,bal,U,in,R,0,+,A,R,1,图,1-38,比例积分（,PI,）调节器,i,0,i,1,既要稳态精度高，又要动态响应快，,197,169,2.PI,输入输出关系,按照运算放大器的输入输出关系，可得,(1-60),式中,PI,调节器比例部分的放大系数；,PI,调节器的积分时间常数。,由此可见，,PI,调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。,197,170,3.PI,调节器的传递函数,当初始条件为零时，取式（,1-60,）两侧的拉氏变换，移项后，得,PI,调节器的传递函数。,(1-61),令 ，则传递函数也可以写成如下形式,(1-62),197,171,式（,1-61,）表明，,PI,调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来表示，,1,是微分项中的超前时间常数，它和积分时间常数,的物理意义是不同的。,分析结果,因此，,PI,调节器输出是由比例和积分两部分相加而成的。工作过程是先比例、后积分。既具有快速响应性能，又足以消除调速系统的静差。除此以外，比例积分调节器还是提高系统稳定性的校正装置，因此，它在调速系统和其他控制系统中获得了广泛的应用,197,172,1.6.4,无静差直流调速系统及其稳态参数计算,系统组成,工作原理,稳态结构与静特性,参数计算,第,3,讲，第,3,节,197,173,1.,系统组成,+,+,-,+,-,M,TG,+,-,RP,2,n,RP,1,U,*,n,R,0,R,0,R,bal,U,c,VBT,VS,U,i,TA,I,d,R,1,C,1,U,n,U,d,图,1-48,无静差直流调速系统示例,-,+,M,TG,+,+,+,-,UPE,197,174,3.,稳态结构与静特性,当电动机电流低于其截止值时，上述系统的稳态结构图示于下图，其中代表,PI,调节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用。,图,1-49,无静差直流调速系统稳态结构框图（,I,d,I,dcr,）,K,s,1,/C,e,U,*,n,U,c,U,n,I,d,R,E,n,U,d0,U,n,+,+,-,-,197,175,稳态结构与静特性（续）,无静差系统的理想静特性如右图所示。,当,I,d,I,dcr,时，系统无静差，静特性是不同转速时的一族水平线。,当,I,d,I,dcr,时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。整个静特性近似呈矩形。,O,I,d,I,dcr,n,1,n,2,n,max,n,图,1-50,带电流截止的无静差直流调速系统的静特性,“,无静差,”,只是理论上的,197,176,4.,稳态参数计算,无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时,U,n,=0,，因而,U,n,=,U,n,*,，可以按式（,1-67,）直接计算转速反馈系数,（,1-67,）,电动机调压时的最高转速,(r/min),；,相应的最高给定电压,(V),。,n,max,U,*,nmax,197,177,+,+,-,U,in,R,0,R,bal,R,1,C,1,R,1,A,U,ex,5.,准,PI,调节器,在实际系统中，为了避免运算放大器长期工作时的零点漂移，常常在,R,1,C,1,两端再并接一个电阻,R,1,，其值为若干,M,，以便把放大系数压低一些。这样就成为一个近似的,PI,调节器，或称“准,PI,调节器”（见图,1-51,），系统也只是一个近似的无静差调速系统,。,图,1-51,准比例积分调节器,197,178,*1.6.5,系统设计举例与参数计算（二）,系统调节器设计,例题,1-8,在例题,1-5,中，已经判明，按照稳态调速指标设计的闭环系统是不稳定的。试利用伯德图设计,PI,调节器，使系统能在保证稳态性能要求下稳定运行。,197,179,解,（,1,）被控对象的开环频率特性分析,式（,1-56,）已给出原始系统的开环传递函数如下,197,180,已知,T,s,=0.00167s,，,T,l,=0.017s,，,T,m,=0.075s,，在这里，,T,m,4,T,l,，因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积，即,197,181,根据例题,1-4,的稳态参数计算结果，闭环系统的开环放大系数已取为,于是，原始闭环系统的开环传递函数是,197,182,系统开环对数幅频及相频特性,图,1-40,原始闭环直流调速系统的伯德图,197,183,其中三个转折频率（或称交接频率）分别为,197,184,而,由图,1-40,可见，相角裕度,和增益裕度,GM,都是负值，所以原始闭环系统不稳定。,这和例题,1-5,中用代数判据得到的结论是一致的。,197,185,（,2,）,PI,调节器设计,为了使系统稳定，设置,PI,调节器，设计时须绘出其对数频率特性。,考虑到原始系统中已包含了放大系数为的比例调节器，现在换成,PI,调节器，它在原始系统的基础上新添加部分的传递函数应为,197,186,PI,调节器对数频率特性,相应的对数频率特性绘于图,1-41,中。,0,图,1-41PI,调节器在原始系统基础上添加部分的对数频率特性,197,187,实际设计时，一般先根据系统要求的动态性能或稳定裕度，确定校正后的预期对数频率特性，与原始系统特性相减，即得,校正环节特性,。,具体的设计方法是很灵活的，有时须反复试凑，才能得到满意的结果。,对于本例题的闭环调速系统，可以采用比较简便方法，由于原始系统不稳定，表现为放大系数,K,过大，截止频率过高，应该设法把它们压下来。,197,188,为了方便起见，可令，,K,pi,=,T,1,使校正装置的比例微分项,K,pi,s,+1,与原始,系统中时间常数最大的惯性环节 对消。,197,189,其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应,以,20dB/dec,的斜率穿越,0dB,线，必须把图,1-42,中的原始系统特性,压低，使校正后特性,的截止频率,c2,1/,T,2,。这样，在,c2,处，应有,197,190,系统校正的对数频率特性,0,校正后的系统特性,校正前的系统特性,图,1-42,闭环直流调速系统的,PI,调节器校正,197,191,从图上可以看出，校正后系统的稳定性指标,和,GM,都已变成较大的正值，有足够的稳定裕度，而截止频率从,c1,=208.9,s,1,降到,c2,=30,s,1,，快速性被压低了许多，显然这是一个偏于稳定的方案。,197,192,由图,1-40,的原始系统对数幅频和相频特性可知,因此,代入已知数据，得,197,193,取,K,pi,=,T,1,=,0.049s,，为了使,c2,1/,T,2,=38s,1,，,取,c2,=30,s,1,，,在特性,上查得相应的,L,1,=31.5dB,，,因而,L,1,=,31.5dB,。,197,194,（,3,）调节器参数计算,从图,1-42,中特性,可以看出,所以,197,195,已知,K,p,=21,因此,而且,于是，,PI,调节器的传递函数为,197,196,最后，选择,PI,调节器的参数。已知,R,0,=40k,，则,取,R,1,=22k,返回目录,197,197,本章小结,学习和掌握直流调速方法,学习和掌握直流调速电源,学习和掌握直流调速系统：,系统组成,系统分析（静态性能、动态性能）,系统设计（调节器的结构和参数设计）,课程开始,197,198,