电力拖动自动控制系统ppt16闭环控制的直流调速系统.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,2020年5月29日星期五,#,11 十一月 2026,电力拖动自动控制系统ppt16闭环控制的直流调速系统,本章提要,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,本节要点：,1PI调节器的构成及其参数的物理实质分析；,2,伯德图开环对数幅频和相频特性在串联校正设计中的应用方法；,3.积分调节器和积分控制的一般规律；,4.比例积分控制的一般规律;,5.系统稳态抗扰误差分析。,重点、难点：,1.伯德图开环对数幅频和相频特性在串联校正设计中的应用方法,2.积分控制和比例积分控制的一般规律,1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统,前采用,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。,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。,闭环系统的稳态结构框图,因此，在采用,比例调节器控制的自动,系统中，输入偏差是维持系统运行的基础，必然要产生静差，因此是,有静差系统,。,如果要消除系统误差，必须寻找其它控制方法，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,。,1.6.1 问题的提出,1.6.2 积分调节器和积分控制规律,+,+,C,U,ex,R,bal,U,in,R,0,+,A,图1-43 积分调节器,a)原理图,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，可得,(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）进行运算，得积分调节器的输出,(1-65),2.积分调节器的传递函数,积分调节器的传递函数为,(1-66),3.积分调节器的特性,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,U,n,是阶跃函数，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。,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,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,在动态过程中，当,U,n,变化时（只要其极性不变），即只要仍是,U,n*,U,n,，积分调节器的输出,U,c 便一直增长,只有达到,U,n*=,U,n,，,U,n,=0时，,U,c 才停止上升；不到,U,n,变负，,U,c,不会下降。,(,在这里，值得特别强调的是，当,U,n,=0时，,U,c并不是零，而是一个终值,U,cf,。,),如果,U,n,不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点,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，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速,5.比例与积分控制的比较,有静差调速系统,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,的变化过程示于下图。,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,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,。,论断：,比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而,积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史,。,在稳态运行时，转速偏差电压,U,n,必为零。如果,U,n,不为零，则,U,c,继续变化，就不是稳态了,在突加负载引起动态速降时产生,U,n,，达到新的稳态时，,U,n,又恢复为零,U,c,从,U,c1,上升到,U,c2,，使电枢电压由,U,d1,上升到,U,d2,，以克服负载电流增加的压降,1.6.3 比例积分控制规律,从无静差的角度来说，积分控制优于比例控制，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却不如比例控制。,在同样的阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变（如下图所示）,。,两种调节器特性比较,两种调节器I/O特性曲线,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,。,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,。,2.PI输入输出关系（P37）,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。,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。,令,，,则传递函数也可以写成如下形式,(1-62),注意：,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。,(1-61),4.PI调节器输出时间特性,零初始状态和阶跃输入下，可以看出比例积分作用的物理意义,突加输入信号时，电容,C,1,两端电压不能突变，相当于两端瞬间短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电阻,R,1,，电路等效于一个放大系数为,K,pi,的比例调节器，在输出端立即呈现电压,K,pi,U,in,，实现快速控制，发挥了比例控制的长处,随着电容,C,1,被充电，输出电压,U,ex,开始积分，其数值不断增长，直到稳态。稳态时，,C,1,两端电压等于,U,ex，,R,1,已不起作用，又和积分调节器一样了，这时又能发挥积分控制的优点，实现了稳态无静差,比例积分调节器的输入和输出动态过程。输出波形中比例部分和,U,n,成正比，积分部分是,U,n,的积分曲线，而PI调节器的输出电压,U,c 是这两部分之和+,U,c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。,分析结果,由此可见，,比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点,，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。,比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。,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,1.系统组成,图1-48 无静差直流调速系统,+,+,-,+,-,M,TG,+,-,RP,2,n,RP,1,U,*,n,R,0,R,0,R,bal,U,c,VT,VS,U,i,TA,L,I,d,R,1,C,1,U,n,U,d,-,+,M,TG,采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流,TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。,当电流超过截止电流时，高于稳压管VST的击穿电压，使晶体三极管VT导通，则PI调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的,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。,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，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。,必须指出,严格地说，“无静差”只是理论上的，实际系统在稳态时，PI调节器积分电容两端电压不变，相当于运算放大器的反馈回路开路，其放大系数等于运算放大器本身的开环放大系数，数值虽大，但并不是无穷大。因此其输入端仍存在很小的静差，而不是零。,这就是说，实际上仍有很小的静差，只是在一般精度要求下可以忽略不计而已。,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；,相应的最高给定电压。,n,max,U,*,nmax,电流截止环节的参数很容易根据其电路和截止电流值,I,dcr,计算出。,PI调节器的参数,K,pi,和,可按动态校正的要求计算。,*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。,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,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,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,系统开环对数幅频及相频特性,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,其中三个转折频率（或称交接频率）分别为,（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,PI调节器对数频率特性,-20,L,/dB,+,O,O,2,-,1,K,P,/s,-1,1,K,Pi,1,1,=,相应的对数频率特性绘于图1-41中。,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,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,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,O,系统校正的对数频率特性,校正后的系统特性,校正前的系统特性,把图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,。在,c2,处，应有,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,。,O,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,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,取,K,pi,=T,1,=,0.049s，为了使,c2,1/,T,2,=38 s,1,，取,c2,=30 s,1,，,在特性上查得相应的,L,1,=31.5dB，,因而,L,2,=31.5dB。,（3）调节器参数计算,从图1-42中特性可以看出,所以,已知,K,p,=21,因此,而且,于是，PI调节器的传递函数为,最后，选择PI调节器的参数。已知,R,0,=40k,，则,取,R,1,=22k,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）。,思考题,1闭环控制系统的动态特性：静特性、结构图？,2讨论无静差调速系统，积分控制规律和比例积分控制规律。,3有静差、无静差的主要区别？比例积分放大器什么结构？,4应用自动控制理论解决系统的动态分析和设计方法。,