电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,*,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,*,*,直流调速系统,电力拖动自动控制系统,第 1 篇,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第1页,直流电机转速方程,:,回顾：直流调速方法,由上式得出：有三种方法调整电动机转速。,（1）调整电枢供电电压,U,；,（2）减弱励磁磁通,；,（3）改变电枢回路电阻,R,。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第2页,（1）调压调速,工作条件：,保持,励磁,=,N,；,保持电阻,R=R,a,调整过程：,改变电压,U,N,U,U,n,，,n,0,调速特征：,转速下降，机械特征曲线平行下移。,n,n,0,O,I,I,L,U,N,U,1,U,2,U,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调压调速特征曲线,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第3页,（2）调阻调速,工作条件：,保持,励磁,=,N,；,保持电压,U=U,N,；,调整过程：,增加电阻,R,a,R,R,n,，,n,0,不变；,调速特征：,转速下降，机械特征曲线变软。,n,n,0,O,I,I,L,R,a,R,1,R,2,R,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调阻调速特征曲线,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第4页,（3）弱磁调速,工作条件：,保持电压,U=U,N,；,保持电阻,R=R,a,；,调整过程：,减小,励磁,N,n,，,n,0,调速特征：,转速上升，机械特征曲线变软。,n,n,0,O,T,e,T,L,N,1,2,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调磁调速特征曲线,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第5页,自动控制直流调速系 统往往以,调压调速,为主。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第6页,第2章 单闭环控制直流调速系统,2.1 直流调速系统用可控电源,2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统机械特征,2.3 转速反馈控制直流调速系统,2.4 直流调速系统数字控制,2.5 转速反馈控制直流调速系统限流保护,2.6 转速反馈控制直流调速系统仿真,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第7页,晶闸管整流器用可控整流器，以取得可调直流电压。,直流脉宽调制变换器,(PWM),用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件进行脉宽调制，以产生可变平均电压。,2.1 直流调速系统用可控直流电源,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第8页,2.1.1 晶闸管整流器-电动机系统,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第9页,思索：,1 半控整流，电机可运行哪些象限？,2 全控整流，电机可运行哪些象限,3 若要四象限运行，可怎样改进？,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第10页,晶闸管-电动机系统机械特征,当电流连续时，V-M系统机械特征方程式为,式中,C,e,=,K,e,N,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第11页,（1）电流连续情况,结论：只要电流连续，晶闸管可控整流器就能够看成是一个,线性可控电压源,。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第12页,（2）V-M系统完整机械特征,当电流连续时，特征比较硬；,断续段特征则很软，而且呈显著非线性，理想空载转速翘得很高。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第13页,晶闸管触发和整流装置放大系数和传递函数,在进行调速系统分析和设计时，能够把晶闸管触发和整流装置看成系统中一个步骤来对待。,应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，须事先求出这个步骤放大系数和传递函数。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第14页,（1）晶闸管触发和整流装置放大系数计算,晶闸管触发和整流装置放大系数可由工作范围内特征率决定，计算方法是,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第15页,假如不可能实测特征，可依据装置参数估算。,比如：,设触发电路控制电压调整范围为,U,c,=010V,相对应整流电压改变范围是,U,d,=0220V,可取,K,s,=220/10=22,晶闸管触发和整流装置放大系数估算,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第16页,（2）晶闸管触发和整流装置传递函数,在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后步骤，其滞后效应是由晶闸管失控时间引发。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第17页,晶闸管触发与整流失控时间分析,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第18页,最大可能失控时间就是两个相邻自然换相点之间时间，与交流电源频率和整流电路形式相关，由下式确定:,最大失控时间计算,式中,交流电流频率；,一周内整流电压脉冲波数。,f,m,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第19页,T,s,值选取,相对于整个系统响应时间来说，,T,s,是不大，在普通情况下，可取其统计平均值,T,s,=,T,smax,/2，并认为是常数。下表列出了不一样整流电路失控时间。,各种整流电路失控时间（,f,=50Hz）,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第20页,用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置输入-输出关系为,传递函数求取,按拉氏变换位移定理，晶闸管装置传递函数为,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第21页,上式中包含指数函数，它使系统为非最小相位系统，分析和设计麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则变成,考虑到,T,s,很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成,一阶惯性步骤,。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第22页,晶闸管触发与整流装置动态结构,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第23页,V-M,系统特点(与G-M系统相比较),弱点控制强电。,在控制作用快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提升系统动态性能。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第24页,V-M,系统问题,因为晶闸管单向导电性，它不允许电流反向，给系统可逆运行造成困难。,晶闸管对过电压、过电流和过高d,V,/d,t,与d,i,/d,t,都十分敏感，若超出允许值会在很短时间内损坏器件。,由谐波与无功功率引发电网电压波形畸变，殃及附近用电设备，造成“电力公害”。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第25页,思索：,（1）什么是电压系数，不可逆PWM变换电路电压系数是什么？,（2）P57（2-1）,2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第26页,机械特征方程,1 直流脉宽调速系统机械特征,式中,C,m,电机在额定磁通下转矩系数；,n,0,=,U,s,/,C,e,理想空载转速，与电压系数成正比。,或用转矩表示，,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第27页,PWM调速系统机械特征,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第28页,2,PWM控制与变换器数学模型,PWM,控制与变换器动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。其传递函数能够写成:,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第29页,当开关频率为,10kHz,时，,T,=0.1ms,，在普通电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小滞后步骤能够近似看成是一个一阶惯性步骤，所以,与晶闸管装置传递函数完全一致。,注意：Ts,T,（开关周期）,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第30页,3 电能回馈与泵升电压限制,PWM,变换器直流电源通常由交流电网经不可控二极管整流器产生，并采取大电容,C,滤波，以取得恒定直流电压，电容,C,同时对感性负载无功功率起储能缓冲作用。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第31页,泵升电压产生原因,该系统当电机制动时会反馈能量。因为直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第32页,泵升电压限制,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第33页,限流电阻，,延时开关,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第34页,PWM系统特点,（1）主电路线路简单，需用功率器件少；,（2）开关频率高，电流轻易连续，谐波少，电机损耗及发烧都较小；,（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1,:,10000左右；,（4）若与快速响应电机配合，动态响应快，动态抗扰能力强；,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第35页,PWM系统特点（续）,（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当初，开关损耗也不大，因而装置效率较高；,（6）直流电源采取不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第36页,小 结,两种可控直流电源，V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用，当前主要用于大容量、调速精度要求较低系统。,直流PWM调速系统作为一个新技术，发展快速，在中、小容量系统中应用日益广泛。,V-M系统是大容量中主要直流调速系统。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第37页,1.控制要求,（1）调速,（2）稳速,（3）加、减速,2.2.1转速控制要求和稳态调速性能指标,2.2 稳态性能指标和直流调速系统机械特征,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第38页,2.调速指标,调速范围：生产机械要求电动机提供最高转速和最低转速之比用字母,D,表示.,其中,n,min,和,n,max,普通都指电机额定负载时转速.,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第39页,静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应转速降落,n,N,与理想空载转速,n,0,之比，称作静差率,s,.,如理想空载转速相同,机械特征越硬,S越低.对系统而言,要求S越低越好.,机械特征硬度一样,S是否一样?,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第40页,3.静差率与机械特征硬度区分,对于一样硬度特征，理想空载转速越低时，静差率越大，转速相对稳定度也就越差。,调速系统静差率指标应以最低速时所能到达数值为准。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第41页,4.调速范围、静差率和额定速降之间关系,设：电机额定转速,n,N,为最高转速，转速降落为,n,N,，,则该系统静差率应该是最低速时静差率，即,于是，最低转速为,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第42页,而调速范围为,将上面式代入,n,min,，得,惯用公式,了解记忆!,s 值越小时，系统能够允许调速范围也越小。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第43页,eg1:某直流调速系统电动机额定转速为,n,N,=1430r/min，额定速降,n,N,=115r/min，当要求静差率30%时，允许多大调速范围？假如要求静差率20%，则调速范围是多少？假如希望调速范围到达10，所能满足静差率是多少？,结论1：,一个调速系统调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率转速可调范围。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第44页,2.2.2 开环直流调速系统机械特征,开环调速系统，即无反馈控制直流调速系统。,调整控制电压,U,c,就能够改变电动机转速。,晶闸管整流器和PWM变换器都是可控直流电源，用UPE来统一表示可控直流电源.,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第45页,开环调速系统原理图,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第46页,机械特征,开环调速系统中各步骤稳态关系以下：,电力电子变换器,直流电动机,开环调速系统机械特征为,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第47页,开环调速系统稳态结构图,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第48页,开环直流调速系统机械特征,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第49页,eg2:某龙门刨床工作台拖动采取直流电动机，其额定数据以下：60kW、220V、305A、1000r/min，采取V-M系统，主电路总电阻R=0.18,，Ra=0.05,，,假如要求调速范围,D,=20，静差率5%，采取开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统额定速降最多能有多少？,n,（开环实际）,=275r/min,n,（理想）,=2.63r/min,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第50页,2.3 转速反馈控制直流调速系统,依据自动控制原理，将系统被调整量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后偏差值对系统进行控制，能够有效地抑制甚至消除扰动造成影响，而维持被调整量极少改变或不变，这就是,反馈控制,基本作用。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第51页,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统数学模型,在负反馈基础上“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成系统，其输出量反馈传递路径组成一个闭合环路，所以被称作闭环控制系统。,在直流调速系统中，被调整量是转速，所组成是转速反馈控制直流调速系统。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第52页,1转速反馈控制直流调速系统静特征,带转速负反馈闭环直流调速系统原理框图,运放,（比较）,调整器,测速发电机,给定,步骤,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第53页,电压比较步骤,放大器,电力电子变换器,调速系统开环机械特征,测速反馈步骤,稳态关系,Kp放大器电压放大系数；,Ks电力电子变换器电压放大系数；,转速反馈系数（V,min/r）；,U,d0,UPE理想空载输出电压；,R电枢回路总电阻。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第54页,反馈控制静特征方程式,式中:闭环系统开环放大系数,闭环调速系统,静特征,表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间稳态关系。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第55页,转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第56页,2转速反馈控制直流调速系统动态数学模型,一个带有储能步骤线性物理系统动态过程能够用线性微分方程描述，,微分方程解即系统动态过程，它包含两部分：动态响应和稳态解。,在动态过程中，从施加给定输入值时刻开始，到输出到达稳态值以前，是系统动态响应；,系统到达稳态后，可用稳态解来描述系统稳态特征。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第57页,建立系统动态数学模型基本步骤以下：,（1）列出描述该步骤动态过程微分方程；,（2）求出各步骤传递函数；,（3）组成系统动态结构图并求出系统传递函数。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第58页,（1）UPE步骤传递函数,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第59页,（,2）,直流电动机传递函数,主电路电流连续，则动态电压方程为,电路方程,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第60页,电机轴上动力学方程为,额定励磁下感应电动势和电磁转矩分别为,T,L,包含电机空载转矩在内负载转矩,GD,2,电力拖动系统折算到电机轴上飞 轮惯量,C,m,电机额定励磁下转矩系数，,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第61页,电枢回路电磁时间常数，,s,；,电力拖动系统机电时间常数，,s,。,定义以下时间常数,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第62页,整理后得,式中 为负载电流。,微分方程,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第63页,取等式两侧拉氏变换，得电压与电流间传递函数,电流与电动势间传递函数,传递函数,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第64页,电枢回路动态结构图,1,/C,e,U,d0,(s),I,dL,(,s,),E(s),I,d,(,s,),E(s),+,+,-,-,1,/R,T,l,s+,1,R,T,m,s,n,(,s,),整个直流电动机动态结构图,控制输入量,扰动量,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第65页,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),动态结构图变换和简化,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第66页,直流闭环调速系统中其它步骤还有百分比放大器和测速反馈步骤，它们响应都能够认为是瞬时，所以它们传递函数就是它们放大系数，即,放大器,测速反馈,（3）控制与检测步骤传递函数,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第67页,（4）闭环调速系统动态数学模型,反馈控制闭环调速系统动态结构图,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,),电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第68页,（5）反馈控制调速系统闭环传递函数,设,I,dl,=,0，从给定看，闭环直流调速系统闭环传递函数是,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第69页,（6）反馈控制闭环直流调速系统稳定条件,由闭环传函知:系统特征方程为,它普通表示式为,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第70页,依据劳斯判据，系统稳定充分必要条件是,因特征方程中各项系数显然都是大于零，所以稳定条件就只有,整理后得,惯用,了解记忆!,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第71页,断开反馈回路，则系统开环机械特征为,而闭环时静特征可写成,2.3.2 百分比控制直流调速系统(闭环与开环系统比较),1开环系统机械特征和百分比控制闭环系统静特征关系,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第72页,（1）闭环系统静特征能够比开环系统机械特,性硬得多。,系统特征比较,（2）假如比较同一n,0,开环和闭环系统，则,闭环系统静差率要小得多。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第73页,（3）当要求静差率一定时，闭环系统能够,大大提升调速范围。,（4）上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 K,要足够大，所以必须设置放大器。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第74页,结论,2：,闭环调速系统能够取得比开环调速系统硬得多稳态特征，从而在确保一定静差率要求下，能够提升调速范围，为此所需付出代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第75页,eg3:已知,K,s,=30，,=0.015V,min/r，,怎样采取闭环系统满足此要求？,eg2:某龙门刨床工作台拖动采取直流电动机，其额定数据以下：60kW、220V、305A、1000r/min，采取V-M系统，主电路总电阻R=0.18,，Ra=0.05,，,假如要求调速范围,D,=20，静差率5%，采取开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统额定速降最多能有多少？,n,（开环实际）,=275r/min,n,（理想）,=2.63r/min,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第76页,闭环系统,I,d,n,U,n,U,n,n,U,d0,U,c,开环系统,I,d,n,比如：在图中工作点从A A,系统调整过程,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第77页,结论,3,:,闭环系统能够降低稳态速降实质在于它自动调整作用，在于它能伴随负载改变而对应地改变电枢电压，以赔偿电枢回路电阻压降。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第78页,2反馈控制规律,(1)被调量有静差,(2)抵抗扰动,服从给定,(3)系统精度依赖于给定和反馈检测精度,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第79页,eg4:当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻、测速发电机励磁发生改变时，系统有没有调整作用？,K,p,K,s,1,/C,e,U,*,n,U,c,U,n,E,n,U,d0,U,n,+,+,-,-,R,Id,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第80页,常见扰动源,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第81页,结论4：,反馈控制系统规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上扰动作用；其次，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号任何变化都是唯命是从。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第82页,3百分比控制闭环直流调速系统动态稳定性,Eg5:p33 2-4,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第83页,2.3.3 百分比积分控制无静差直流调速系统,在百分比控制直流V-M调速系统中，稳态性能和动态稳定性要求经常是相互矛盾。,依据自动控制原理，要处理这个矛盾，必须恰当地设计动态校正装置，用来改造系统。,在电力拖动自动控制系统中，惯用串联校正和反馈校正。,对于带电力电子变换器直流闭环调速系统，传递函数阶次较低，普通采取PID调整器串联校正方案就能完成动态校正任务。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第84页,1 积分调整器和积分控制规律,(1)积分调整器,+,+,C,U,ex,R,bal,U,in,R,0,+,A,积分调整器,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第85页,U,ex,U,in,U,exm,t,U,in,U,ex,O,b)阶跃输入时输出特征,(2)积分调整器特征,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第86页,(3)转速积分控制规律,假如采取积分调整器，则控制电压,U,c,是转速偏差电压,U,n,积分，应有,每一时刻,U,c,大小和,U,n,与横轴所包围面积成正比.,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第87页,积分调整器输入和输出动态过程,a)阶跃输入 b)普通输入,输入和输出动态过程,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第88页,积分控制规律和百分比控制规律根本区分：,百分比调整器输出只取决于输入偏差量现实状况，而积分调整器输出则包含了输入偏差量全部历史。,积分调整器到稳态时,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控制电压。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第89页,(4)百分比与积分控制比较,有静差调速系统,当负载转矩由,T,L1,突增到,T,L2,时，有静差调速系统转速,n,、偏差电压,U,n,和控制电压,U,c,改变过程示于右图。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第90页,无静差调速系统（P22 图1-31）,即使现在,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控制电压,U,c,。积分控制规律和百分比控制规律根本区分就在于此。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第91页,Kpi=R,1,/R,0,=,R,0,C,1,+,+,C,1,R,bal,U,in,R,0,+,A,R,1,Uex,(5)百分比积分控制规律,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第92页,U,ex,U,in,U,exm,t,U,in,U,ex,O,K,pi,U,i n,PI调整器输入，输出特征,百分比部分能快速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第93页,在闭环调速系统中，采取PI调整器输出部分,U,c,由两部分组成，,百分比部分和,U,n,成正比，,积分部分表示了从,t,=0到此时刻对,U,n,(,t,)积分值，,U,c,是这两部分之和。,闭环系统中PI调整器输入,和输出动态过程,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第94页,思索题：,1,在转速负反馈单闭环有静差系统中，突减负载后系统又进入稳定运行状态，此时，输出电压Ud是增加，减小还是不变？,2,在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速和输出电压Ud是增加，降低还是不变？,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第95页,3,有一积分器，以下列图a所表示，其输入信号U,in,为阶跃信号，若反馈信号波形如图b中U,f1,或U,f2,，问:在不考虑积分器限幅时，所表示两种反馈情况下积分输出是否一样？,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第96页,2.3.4 直流调速系统稳态误差分析,百分比积分控制直流调速系统动态结构框图,（转速调整器用ASR表示）,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第97页,使用百分比调整器时，系统开环传递函数为,式中,使用积分调整器时，系统开环传递函数为,式中,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第98页,使用百分比积分调整器时，系统开环传递函数为,式中,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第99页,依据系统开环传递函数中积分步骤数目划分控制系统类型，,百分比控制调速系统是0型系统，,积分控制、百分比积分控制调速系统是型系统。,给定稳态误差定义为输入量和反馈量差值，即,扰动误差定义为扰动量输出响应。,衡量系统控制准确度是系统对给定输入,U,n,*,跟随能力；,衡量系统抑制干扰能力是系统抑制负载电流,I,dL,抗扰能力。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第100页,1阶跃给定输入稳态误差,在分析阶跃给定输入稳态误差时，令,I,dL,(,s,)=0。百分比调整器系统误差传递函数为,阶跃给定输入稳态误差是,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第101页,积分,调整器系统误差传递函数为,阶跃给定输入稳态误差是,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第102页,百分比积分,调整器系统误差传递函数为,阶跃给定输入稳态误差是,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第103页,在系统稳定情况下:,0型系统对于阶跃给定输入稳态有差，被称作有差调速系统；,型系统对于阶跃给定输入稳态无差，被称作无差调速系统。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第104页,2扰动引发稳态误差,在分析由扰动引发稳态误差时，令,U,n,*,(,s,)=0。百分比调整器系统误差为,阶跃,扰动引发,稳态误差是,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第105页,积分,调整器系统误差为,阶跃,扰动引发,稳态误差是,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第106页,百分比积分,调整器系统误差为,阶跃,扰动引发,稳态误差是,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第107页,百分比控制调速系统，该传递函数无积分步骤，故存在扰动引发稳态误差，称作,有静差调速系统,；,积分控制或百分比积分控制调速系统，该传递函数含有积分步骤，所以由阶跃扰动引发稳态误差为0，称作,无静差调速系统,。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第108页,微机数字控制系统除稳定性好，可靠性高，能够提升控制性能外，还拥有信息存放、数据通信和故障诊疗等模拟控制系统无法实现功效。,微机数字控制系统主要特点是离散化和数字化。,2.4 直流调速系统数字控制,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第109页,离散化：,为了把模拟连续信号输入计算机，必须首先在含有一定周期采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串脉冲信号，即离散模拟信号，这就是离散化。,采样周期依据香农采样定理决定。,O,t,f,(,t,),原信号,O,n,f,(n,T,),1,2,3,4,采样,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第110页,数字化：,采样后得到离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来迫近离散模拟信号幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化,。,数字,化,O,n,N,(n,T,),电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第111页,离散化和数字化负面效应,（1）A/D转换量化误差。,（2）D/A转换滞后效应：,经过计算机运算和处理后输出数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续模拟量，再经放大后驱动被控对象。,保持器会提升控制系统传递函数分母阶次，使系统稳定裕量减小，甚至会破坏系统稳定性。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第112页,2.4.2转速检测数字化,增量式旋转编码器示意图,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第113页,1旋转编码器,光电式旋转编码器是检测转速或转角元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或转角信号。,旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。,绝对式编码器惯用于检测转角。,增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量光栅，在接收装置输出端便得到频率与转速成正比方波脉冲序列，从而能够计算转速。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第114页,增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距1/4。,正转时A相超前B相；反转时B相超前A相。,采取简单鉴相电路能够分辨出转向。,下列图 区分旋转方向A、B两组脉冲序列,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第115页,（1）分辩率：,设被测转速由 n,1,变为 n,2,时，引发测量计数值改变了一个字，则测速装置分辩率定义为,Q=n,1,-n,2,（转/分）,Q 越小，测速装置分辩能力越强；,Q 越小，系统控制精度越高。,2数字测速方法精度指标,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第116页,（2）测速精度,测速精度是指测速装置对实际转速测量准确程度，惯用测量值与实际值相对误差来表示，即：,测量误差,越小，,测速精度越高。,大小取决于测速元件制造精度和测速方法。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第117页,（3）检测时间 T,c,检测时间是指两次转速采样之间时间间隔。,检测时间越短，系统响应越快，对改进系统性能越有利。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第118页,（1）M法测速,工作原理：,由计数器统计PLG发出脉冲信号；,定时器每隔时间,T,c,向CPU发出中止请求INT,t,；,CPU响应中止后，读出计数值 M,1,，并将计数器清零重新计数；,依据计数值 M 计算出对应转速值,n,。,测速原理与波形图,3.测速方法,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第119页,转速计算公式,式中：Z为PLG每转输出脉冲个数；,M法测速分辨率,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第120页,M法测速误差率,M法测速只适合用于高速段。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第121页,(2)T法测速,工作原理：,计数器统计来自CPU高频脉冲 f,0,；,PLG每输出一个脉冲，中止电路向CPU发出一次中止请求；,CPU 响应 INT,n,中止，从计数器中读出计数值 M,2,，并马上清零，重新计数。,电路与波形,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第122页,转速计算公式,T法测速分辨率,结论：n越小，Q越小。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第123页,法测速误差率,故T法测速适合用于低速段。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第124页,M法测速在高速段误差小；,T法测速在低速段分辨率强，误差小。,所以，能够将两种测速方法相结合，取长补短。既检测 T,c,时间内旋转编码器输出脉冲个数M,1,，又检测同一时间间隔高频时钟脉冲个数M,2,，用来计算转速，,称作M/T法测速,。,两种测速方法比较,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第125页,(3)M/T法测速,采样时钟Tc 由系统定时器产生，其数值一直不变。,检测周期由采样脉冲Tc边缘之后第一个脉冲编码器输出脉冲边缘来决定，即T=Tc T1+T2。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第126页,转速计算公式,（1）（2）,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第127页,在高速段，T,c,T,1,，T,c,T,2,，可看成T,T,c,：,M,2,f,0,T,f,0,T,c,，代入上式可得：,在高速段，与M法测速分辨率完全相同。,在低速段，M,1,1，M,2,随转速改变，分辨率与T法测速完全相同。,M/T法测速不论是在高速还是在低速都有较强分辨能力。,M/T法在高低速时都含有较高测量精度。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第128页,（1）PI调整器传递函数,PI调整器时域表示式,其中 Kp=Kpi 为百分比系数,KI=1/,为积分系数,2.4.3数字PI调整器,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第129页,（2）PI调整器差分方程,将上式离散化成差分方程，其第 k 拍输出为,式中 Tsam为采样周期。,位置式算法,算法特点是：百分比部分只与当前偏差相关，而积分部分则是系统过去全部偏差累积。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第130页,增量式PI调整器算法,PI调整器输出可由下式求得,增量式算法,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第131页,（3）限幅值设置,与模拟调整器相同，在数字控制算法中，需要对 u 限幅，这里，只须在程序内设置限幅值u,m,，当 u(k)u,m,时，便以限幅值 u,m,作为输出。,增量式PI调整器算法只需输出限幅，而位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第132页,（4）算法流程,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第133页,问题提出：,起动冲击电流,堵转电流,处理方法：,电枢串电阻,起动；,加积分给定步骤；,引入电流,截止负反馈。,本节主要讨论,怎样采取电流,截止负反馈来限制起动电流,。,2.5 转速反馈控制直流调速系统限流保护,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第134页,电流负反馈作用原理,为了处理反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大问题，系统中必须有,自动限制电枢电流步骤,。,依据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量负反馈。那么，引入,电流负反馈,，应该能够保持电流基本不变，使它不超出允许值。,电流负反馈引入方式,同时采取转速和电流负反馈,电流截止负反馈？,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第135页,1.电流检测与反馈方法,（1）,电枢回路,串检测电阻；,（2）,电枢回路,接直流互感器；,（3）交流电路接交流互感器；,（4）采取霍尔传感器。,电流截止负反馈详细说明,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第136页,b)利用稳压管产生比较电压,U,br,M,+,-,U,d,I,d,R,s,VST,U,i,接调整器,a）利用独立直流电源作比较电压,M,+,+,-,-,U,d,I,d,R,s,VD,U,i,U,com,接调整器,2 电流截止负反馈步骤,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第137页,带电流截止负反馈单闭环调速系统,(1),电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第138页,当输入信号I,d,R,c,-U,com,0时，输出U,i,=I,d,R,c,-U,com,，,当I,d,R,c,-U,com,0时，输出U,i,=0。,电流截止负反馈步骤,输入输出特征,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第139页,c)封锁运算放大器,电流截止负反馈步骤,U,br,M,+,-,U,d,I,d,R,s,VS,U,i,+,+,R,1,U,ex,U,in,R,0,+,VT,2 电流截止负反馈步骤（续）,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第140页,带电流截止负反馈闭环直流调速稳态结构图,n,K,p,K,s,1,/C,e,U,*,n,U,c,U,n,I,d,E,U,d0,U,n,+,+,-,-,R,R,s,-,U,com,I,d,R,s,-,U,com,-,3 系统稳态结构,0,U,i,I,d,R,s,-,U,com,电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统,第141页,4 静特征方程与特征曲线,当,I,d,I,dcr,时，电流负反馈被截止，静特征和只有转速负反馈调速系统静特征式,当 I,d,I,dcr,时，引入了电流