《电气传动控制系统》第2章-课件.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,*,第三章 闭环控制的直流调速系统,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,*,1,第,2,章 双闭环控制的,直流调速系统,2.2,双闭环直流调速系统稳态结构图与参数计算,2.3,双闭环直流调速系统数学模型与动态过程,2.4,双闭环直流调速系统的工程设计,2.5,直流调速系统的数字控制,2.1,双闭环直流调速系统的组成,2,3,转速、电流反馈控制直流调速系统原理图,其中,2.1,双闭环直流调速系统的组成,4,双闭环直流调速系统的稳态结构图,其中,是转速反馈系数,是电流反馈系数,2.2.1,稳态结构图与静特性,2.2,双闭环直流调速系统稳态结构图与参数计算,5,对于静特性来说，只有转速调节器,饱和,与,不饱和,两种情况。,1.,转速调节器不饱和,两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此,由第一个关系式可得,从而得到下图所示静特性的,AB,段,6,2.,转速调节器饱和,ASR,输出达到限幅值 时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响，双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时,式中，最大电流 是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和系统要求的最大加速度。上式所描述的静特性是图中的,BC,段，它是垂直的特性。,这样的下垂特性只适合于 的情况，因为如果 ，则 ，,ASR,将退出饱和状态。,7,2.2.2,各变量的稳态工作点和稳态参数计算,由双闭环直流调速系统的稳态结构图可以看出，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不饱和，各变量之间有下列关系：,双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：,转速反馈系数,电流反馈系数,8,2.3.1,系统数学模型,双闭环直流调速系统的动态结构图如下图所示，图中 和 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 显露出来。,双闭环直流调速系统的动态结构图,2.3,双闭环直流调速系统数学模型与动态过程,9,2.3.2,动态过程分析,1.,启动过程分析,从图中可以看到，电流 从零增长到 ，然后在一段时间内维持其值等于 不变，以后又下降并经调节后到达稳态值 。转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，达到给定值 。从电流与转速变化过程所反映出的特点可以把起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了,不饱和,、,饱和,及,退饱和,三种情况。,10,2.3.2,动态过程分析,2.,动态抗扰性能分析,抗负载扰动,抗电网电压扰动,11,在下图所示的双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因而使抗扰性能得到改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。,增设电流环,12,2),电流调节器的作用,作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化；,对电网电压的波动起及时抗扰的作用；,转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程；,当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用，一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。,1,）转速调节器的作用,转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用,PI,调节器，则可实现无静差；,对负载变化起抗扰作用；,其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。,小结：,2.4.1,调节器的工程设计方法,2.4.2,典型系统,2.4.3,工程设计中的近似处理,2.4.4,调节器串联校正,非典型系统典型化,2.4.5,双闭环直流调速系统的控制器设计,13,2.4,双闭环直流调速系统的工程设计,（,1,）根据生产工艺要求确定预期的典型系统及其参数；,（,2,）非典型系统典型化,调节器校正（核心手段）,近似等效处理,（,3,）,参数计算与选择,工程设计的基本方法,14,2.4.1,调节器的工程设计方法,一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可用下式来表示,:,15,2.4.1,调节器的工程设计方法,1)0,型系统是有静差的；,2,),I,型系统和,II,型系统比较实用；,3,),III,型系统以上很难稳定。,主要研究,I,型和,II,型系统。,16,2.4.1,调节器的工程设计方法,选择参数，保证 或 ，使系统足够稳定。,17,2.4.2,典型系统,1.I,型典型系统,2.II,型典型系统,T,系统的惯性时间常数；,系统的微分时间常数；,K,系统的开环增益。,18,2.4.2,典型系统,19,为获得该特性，保证系统足够稳定，应满足：,三阶典型系统的动态性能完全由参数,K,和,来决定。,K,的大小将会使幅频特性上下平移，进而改变系统截止频率,c,及相角稳定余量等。与,有关的系统的一个重要参数是中频宽,h,h,或,的变化对系统快速性和稳定性将产生直接影响,2.4.2,典型系统,（,1,）稳态跟随性能指标,二阶典型系统的给定误差拉氏变换为,1.I,型典型系统的跟随性能指标,21,2.4.2,典型系统,显然，不同输入信号作用下的系统稳态误差是不同,故系统稳态跟随误差为,22,2.4.2,典型系统,输入信号,阶跃输入,斜坡输入,加速度输入,稳态误差,0,型二阶典型系统在不同输入信号作用下的稳态误差,显然，二阶典型系统不宜用于具有加速度输入的随动系统，它只对阶跃输入是无静差的，能否用于具有斜坡输入的随动系统，则要视系统对稳态跟随性能的要求而定。,23,2.4.2,典型系统,（,2,）,I,型典型系统的动态跟随性能,二阶系统的标准闭环传递函数为,式中,自然振荡角频率；,阻尼比，或称衰减系数。,欠阻尼,0.5,，,1,24,2.4.2,典型系统,由（,4-10,）式可推导出标准,I,型,典型系统的时域指标：,上升时间,：,峰值或最大值时间,：,标准,I,型,系统单位阶跃给定的输出响应,25,2.4.2,典型系统,超调量：,调节时间：,（当 ）,（当 ）,26,2.4.2,典型系统,K,在,I,型,典型系统的作用,I,型,典型系统开环传递函数为,稳定裕量,为,必须保证,稳定余量,为正，系统才稳定，那么需要 小。那么它与,K,有什么关系呢？,27,2.4.2,典型系统,I,型,典型系统闭环传递函数,为,与,I,型,系统的标准闭环传递函数相比，很容易知道：,K,越小，则 越大，系统就越稳定，但是,K,太小会给系统带来什么麻烦？,28,2.4.2,典型系统,表,2-3,I,型,典型系统动态跟随性能指标和相角稳定余量,超调量；峰值时间；上升时间；调节时间；截止频率；相角稳定裕度,？,小,大,阻尼比,放大倍数,K,1.0,0.9,0.8,0.707,0.6,0.5,0,0.15,1.5,4.3,9.5,16.3,13.14,8.33,6.28,4.71,3.62,11.12,6.67,4.72,3.33,2.42,9.5,7.2,5.4,4.2,6.3,5.3,小,小,小,小,76.3 73.5 69.9 65.5 59.2 51.8,29,2.4.2,典型系统,t,C,(,t,),K,大,K,小,输入,30,2.4.2,典型系统,当,1,时，系统动态响应是欠阻尼的振荡特性；,当,1,时，系统动态响应是过阻尼的单调特性；,当,=1,时，系统动态响应是临界阻尼。,由于过阻尼特性动态响应较慢，所以一般常把系统设计成,欠阻尼,状态，即,0,0,，且,bc,a,，即系统是稳定的。,若忽略式中的高次项，则,62,2.4.3,工程设计中的近似处理,4.,反馈变换,二阶和三阶典型系统均为,单位负反馈系统,，而实际系统却往往不是单位负反馈系统。所以，工程计中应将非单位负反馈系统等效变换为单位负反馈系统。,+,-,假设,W,3,(,s,)=,W,1,(,s,),2.4.3,工程设计中的近似处理,调节器的串联校正,根据控制系统要求和静、动态性能指标要求，确立要设计成哪一类典型系统；,正确选择调节器和恰当的参数配合,；,辅之以近似处理,。,64,2.4.3,工程设计中的近似处理,例如：传递函数,令,T,=,T,2,+,T,3,简化为：,65,2.4.4,调节器串联校正,非典型系统典型化,1.,校正成,I,型,典型系统,1.,校正成,I,型,典型系统,采用,PI,调节器校正,用调节器中的一阶微分项来对消大惯性环节，即取 。,校正后的系统开环传递函数为,66,2.4.4,调节器串联校正,非典型系统典型化,校正成典型,I,型系统的几种调节器选择,控制对象,调节器,参数,配合,T,1,、,T,2,T,3,T,1,T,2,67,2.4.4,调节器串联校正,非典型系统典型化,2.,校正成,II,型典型系统,例如：传递函数为,为校正成,II,型,典型系统,，采用,PI,调节器,校正后的系统开环传递函数为,：,68,2.4.4,调节器串联校正,非典型系统典型化,校正成典型,II,型系统的几种调节器选择,控制对象,调节器,参数,配合,69,2.4.4,调节器串联校正,非典型系统典型化,设计多环控制系统的一般原则：,“,先内环后外环,”,本节以转速、电流双闭环调速系统为例，先设计,电流环,，再把设计好的电流环作为,转速环,的一个环节来设计转速环。,70,2.4.5,双闭环调速系统的设计,电流环的设计,转速环的设计,转速调节器饱和非线性对起动过程的影响,本节内容：,71,2.4.5,双闭环调速系统的设计,1.,电流环的设计,电流环的动态结构图,假设电流连续,72,2.4.5,双闭环调速系统的设计,电流环的设计分为以下两个步骤：,（,1,）,电流环动态结构图的近似等效处理,忽略反电势的影响,变换成单位负反馈,小惯性环节的近似处理,（,2,）电流调节器的设计和参数选择,按二阶典型系统设计电流环,按三阶典型系统设计电流环,73,2.4.5,双闭环调速系统的设计,1),忽略反电势的影响,设计电流环时可暂不考虑反电势变化的影响，即认为,E,=0,。将电流环动态结构图中，反电势,E,的反馈线去掉，有,（,1,）电流环动态结构图的近似等效,U,d0,(,s,),+,-,U,i,(,s,),ACR,1,/R,T,1,s+,1,U,*,i,(,s,),U,ct,(,s,),K,s,T,s,s+,1,I,d,(,s,),T,0i,s+,1,1,T,0i,s+,1,74,2.4.5,双闭环调速系统的设计,2),变换成单位负反馈,+,-,ACR,U,ct,(,s,),K,s,/R,(,T,s,s+,1)(,T,1,s+,1),I,d,(,s,),U,*,i,(,s,),T,0i,s+,1,U,d0,(,s,),+,-,U,i,(,s,),ACR,1,/R,T,1,s+,1,U,*,i,(,s,),U,ct,(,s,),K,s,T,s,s+,1,I,d,(,s,),T,0i,s+,1,1,T,0i,s+,1,75,2.4.5,双闭环调速系统的设计,滤波器时间常数,T,0i,和晶闸管变流装置的时间常数,T,s,都属于小时间常数（比,T,l,小得多）,等效时间常数为,:,T,i,=,T,s,+,T,0i,近似条件为,:,3),小惯性环节的近似处理,+,-,ACR,U,ct,(,s,),K,s,/R,(,T,1,s+,1)(,T,i,s+,1),I,d,(,s,),U,*,i,(,s,),+,-,ACR,U,ct,(,s,),K,s,/R,(,T,s,s+,1)(,T,1,s+,1),I,d,(,s,),U,*,i,(,s,),T,0i,s+,1,76,2.4.5,双闭环调速系统的设计,1,）按,二阶典型,系统设计电流环,电流调节器应选用,PI,调节器，其传递函数为,为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，用调节器的一阶微分项对消调节对象的大惯性环节，取,（,2,）电流调节器的设计和参数选择,电流环可以设计成二阶典型系统，当然也可以设计成三阶典型系,统，这取决于具体的控制要求。,77,2.4.5,双闭环调速系统的设计,系统开环传递函数为：,式中,电流环的开环放大倍数,78,2.4.5,双闭环调速系统的设计,根据控制要求选择,二阶工程最佳参数,电流调节器的比例放大系数为,电流环的开环截止频率为（,校正是否满足近似条件,）,79,2.4.5,双闭环调速系统的设计,K,I,s,(,T,i,s+,1),I,d,(,s,),+,-,U,*,i,(,s,),a),动态结构图,b),开环对数幅频特性,（,校正成典型二阶系统的电流环,）,0,L,/dB,c,-20dB/dec,/,s,-1,-40dB/dec,T,i,80,2.4.5,双闭环调速系统的设计,+,-,ACR,U,ct,(,s,),K,s,/R,(,T,1,s+,1)(,T,i,s+,1),I,d,(,s,),U,*,i,(,s,),i,=h,i,T,i,其中：,2,）按,三阶典型,系统设计电流环,将大惯性环节近似为积分环节,条件,81,2.4.5,双闭环调速系统的设计,若按,对称,三阶典型系统来校正电流环，则,(,三阶“对称最佳”参数,h=4),最后，验证近似条件：,82,2.4.5,双闭环调速系统的设计,设计分为以下三个步骤：,电流环的等效闭环传递函数,转速环的动态结构图,转速调节器设计和参数选择,83,2.4.5,双闭环调速系统的设计,2.,转速环的设计,设计转速环时，把电流环简化为一个环节，以便作为单环来按典型系统进行设计。,（,1,）电流环的等效传递函数,如果电流环是按二阶典型系统设计的，则其闭环传递函数为,：,K,I,s,(,T,i,s+,1),I,d,(,s,),+,-,U,*,i,(,s,),84,2.4.5,双闭环调速系统的设计,，,if,，,若取二阶工程最佳参数,85,2.4.5,双闭环调速系统的设计,同理，若电流环按,三阶典型系统,来设计，则,通式：,系数,A,由电流环的具体设计形式而定。,86,2.4.5,双闭环调速系统的设计,（,2,）转速环的动态结构图,电流环等效为一个惯性环节后，转速环的动态结构图如图,4-21,所示。,图,4-21,转速环的动态结构图,n,(,s,),+,-,U,n,(,s,),ASR,U,*,n,(,s,),I,d,(,s,),T,0n,s+,1,1,T,0n,s+,1,U,*,n,(,s,),+,-,I,L,(,s,),电流环,87,2.4.5,双闭环调速系统的设计,滤波器的设置原理与电流环相同,经过,反馈变换、小惯性群,近似处理,，转速环动态结构图可等效变换，如下图所示。图中，等效小惯性时间常数为,T,n,=AT,i,+T,0n,n,(,s,),+,-,ASR,U,*,n,(,s,),I,d,(,s,),/,T,n,s+,1,U,*,n,(,s,),+,-,I,L,(,s,),2.4.5,双闭环调速系统的设计,若把转速环设计成,二阶典型系统,，则,ASR,要选用比例调节器，,此时系统是有静差系统,；,就动态性能而言，调速系统要求较好的抗扰性能，,转速环一般按,三阶典型系统,来设计；,把转速环校正为三阶典型系统，,ASR,应采用,PI,调节器。,（,3,）转速调节器的设计和参数选择,89,2.4.5,双闭环调速系统的设计,调速系统的开环传递函数为,式中 为转速环开环放大倍数。,n,(,s,),+,-,ASR,U,*,n,(,s,),I,d,(,s,),/,T,n,s+,1,U,*,n,(,s,),+,-,I,L,(,s,),90,2.4.5,双闭环调速系统的设计,如果,按,M,pmin,准则,设计转速环，则,ASR,的积分时间常数和比例放大倍数分别为,n,=hT,n,根据控制系统对性能指标的要求选择中频宽,h,，则,n,、,K,pn,即可求得。,要验证近似条件是否满足,91,2.4.5,双闭环调速系统的设计,如果,按对称三阶典型系统,设计转速环，则,ASR,的积分时间常数和比例放大倍数分别为,根据控制系统对性能指标的要求选择中频宽,h,，则,n,、,K,pn,即可求得。,要验证近似条件是否满足,92,2.4.5,双闭环调速系统的设计,上述设计结果应满足近似处理条件：,（电流环降阶条件）,（小惯性群近似处理条件）,93,2.4.5,双闭环调速系统的设计,3.,转速调节器饱和非线性对起动过程的影响,转速环一般为三阶系统；,三阶典型系统超调量大；,非线性环节的影响；,有非线性环节的超调计算,94,2.4.5,双闭环调速系统的设计,ASR,有饱和限幅约束的启动过程,95,2.4.5,双闭环调速系统的设计,结论：,在,一定条件,下，三阶典型系统的退饱和过程与负载扰动过程的变化规律一致。,96,2.4.5,双闭环调速系统的设计,描述这两个过程的,微分方程,完全相同：,退饱和过程的初始条件为：,负载电流为,I,L,扰动调节过程的初始条件为：,若,t,2,=t,N,，则退饱和超调过程与负载突减的扰动调节过程初始条件完全相同,若描述两个过程的微分方程及其初始条件相同，则其解必完全相同,负载电流为,I,L,负载电流为,I,L,97,2.4.5,双闭环调速系统的设计,因此，,可借助三阶典型系统的抗扰性能指标,折算出退饱和超调量,查表得：,基值：,已知，,；,及,所以，,；,；,98,2.4.5,双闭环调速系统的设计,2.5,直流调速系统的数字控制,数字控制的调速系统是一个采样系统，它的原理如下图所示。,其中,S1,是给定值的采样开关，,S2,是反馈值的采样开关，,S3,是输出的采样开关。若所有的采样开关是等周期地一起开和闭，则称为同步采样。,99,旋转编码器,（,1,）增量式旋转编码器,转速检测的数字化,在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，当电动机旋转时，码盘随之一起转动。通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭光通路，因此，在接受装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算转速。,（,2,）绝对式旋转编码器,绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二进制数码或循环码（格雷码），通过接收器将该数码送入计算机。绝对式编码器常用于检测转角，若需要得到转速信号，必须对转角进行微分。,100,2.,采用转速编码器的数字测速方法有三种：,M,法、,T,法和,M/T,法。,（,1,）,M,法测速,转速检测的数字化,Z,：电动机每转一圈共产生的脉冲个数,101,转速检测的数字化,（,2,）,T,法测速,f0,：高频时钟脉冲频率,Z,：电动机每转一圈共产生的脉冲个数,在,T,法测速中，准确的测速时间,Tt,是用高频时钟脉冲个数,M2,计算出来的，即,Tt=M2/f0,。,102,（,3,）,M/T,法测速,转速检测的数字化,103,转速检测的数字化,检测周期,T,内被测转轴的转角为,，则,已知旋转编码器每转发出,Z,个脉冲，在检测周期,T,内旋转编码器发出的脉冲数是,M,1,，则转角,又可以表示成,若时钟脉冲频率是,f,0,，在检测周期,T,内时钟计数值为,M,2,，则检测周期,T,可写成,综合式便上式可求出被测的转速为,104,