典型Ⅱ型系统教学内容.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,*,转速、电流双闭环直流调速系统,和调节器的工程设计方法,电力拖动自动控制系统,第 2 章,主要内容,1.双闭环调速系统的组成及其静特性,2.数学模型和动态性能分析,3.调节器的工程设计方法,4.双闭环系统调节器的设计,*5.转速超调的抑制,*6.弱磁控制的直流调速系统,一、双闭环调速系统及其静特性,转速单闭环系统不能随意控制电流和转,矩的动态过程。,采用电流截止负反馈环节只能限制电流,的冲击，并不能很好地控制电流的动态,波形。,理想的快速起动过程,I,dL,n,t,I,d,O,I,dm,带电流截止负反馈的单闭环调速系统,I,dL,n,t,I,d,O,I,dm,I,dcr,n,n,起动过程,希望能实现的控制,在起动过程的主要阶段，只有,电流负反馈，没有转速负反馈。,达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用。,+,TG,n,ASR,ACR,U,*,n,+,-,U,n,U,i,U,*,i,+,-,U,c,TA,M,+,-,U,d,I,d,UPE,-,M,TG,内环,外 环,n,i,转速、电流双闭环直流调速系统,当ASR不饱和时，ASR成为主导的调节器，,转速负反馈起主要作用。,K,s,1,/C,e,U,c,I,d,E,n,U,d0,+,+,-,I,d,R,R,ACR,-,U,i,UPE,当ASR饱和,时,，相当于电流单闭环系统,实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈”,双闭环直流调速系统的稳态结构框图,转速反馈系数,电流反馈系数,K,s,1,/C,e,U,*,n,U,c,I,d,E,n,U,d0,U,n,+,+,-,ASR,+,U,*,i,-,I,d,R,R,ACR,-,U,i,UPE,稳态结构框图,调节器输出限幅的作用,转速调节器ASR的输出限幅电压,U,*,im,决定,电流给定电压的最大值；,电流调节器ACR的输出限幅电压,U,cm,限制,了电力电子变换器的最大输出电压,U,dm,。,静特性,设计时，使ACR不会达到饱和状态。,至于ASR，在,CA,段未饱和，在,AB,段饱和n,0,I,d,I,dm,I,dN,O,n,A,B,C,（1）转速调节器不饱和,（,U,*,i,U,*,im,，,I,d,I,dm,）,（2）转速调节器饱和,(,n,n,0,),各变量的稳态工作点和稳态参数计算,稳态工作中，两个调节器都不饱和,PI调节器的特点,比例调节器的输出量总是正比于其输入量。,PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，直到输入为零，才停止积分。这时，输出量与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。,反馈系数计算,转速反馈系数,电流反馈系数,U,*,n,U,c,-,I,dL,n,U,d0,U,n,+,-,-,-,U,i,W,ASR,(s),W,ACR,(s),K,s,T,s,s+,1,1,/R,T,l,s+,1,R,T,m,s,U,*,i,I,d,1,/C,e,+,E,二、数学模型和动态性能分析,起动过程分析,n,O,O,t,t,I,dm,I,d,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,按转速调节器ASR不饱和、饱和、退饱和分成三个阶段：,I.,电流上升阶段,II.恒流升速阶段,III.转速调节阶段,双闭环直流调速系统起动过程的特点,（1）,饱和非线性控制,（2）,转速超调,（3）,准时间最优控制(有限制条件的最短时间控制),动态抗扰性能分析,调速系统的动态抗扰性能，,主要是,抗负载扰动,和,抗电网,电压扰动,的性能,1,/C,e,U,*n,n,U,d0,U,n,+,-,ASR,1,/R,T,l,s+,1,R,T,m,s,K,s,T,s,s+,1,ACR,U,*,i,U,i,-,-,E,I,d,1.抗负载扰动,I,dL,2.抗电网电压扰动,-,I,dL,U,d,1,/C,e,U,*,n,n,U,d0,U,n,+,-,ASR,1,/R,T,l,s+,1,R,T,m,s,I,d,K,s,T,s,s+,1,ACR,U,*,i,U,i,-,-,E,转速和电流两个调节器的作用,转速调节器的作用,（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，,它使转速,n,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。2）对负载变化起抗扰作用。,（3）输出限幅值决定电机允许的最大电流。,2.电流调节器的作用,（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化。,（2）对电网电压波动起及时抗扰作用。,（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。,（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。,三、调节器的工程设计方法,（1）概念清楚、易懂；,（2）计算公式简明、好记；,（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明,调整参数的方向；,（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；,（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。,工程设计方法的基本思路,设计工作分两步走：,1.,选择调节器的结构，使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。,2.再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。,调节器结构的选择,系统校正,控制对象,调节器,输入,输出,典型系统,输入,输出,选择调节器，,将控制对象校正成为典型系统。,典型,I,型系统,T,系统的惯性时间常数；,K,系统的开环增益。,选择参数，保证 或 ，使系统足够稳定。,典型型系统,保证系统足够稳定,或,控制系统的动态性能指标,1.跟随性能指标,2.抗扰性能指标,调速系统的动态指标以抗扰性,能,为主,，而随动系统的动态指标,则以跟随性能为主。,系统典型的阶跃响应曲线,5%（或2%）,0,O,t,r,t,s,阶跃响应,跟随性能指标,t,r,上升时间,超调量,t,s,调节时间,突加扰动的动态过程和抗扰性能指标,5%（或2%）,O,t,m,t,v,C,b,抗扰性能指标,C,max,动态降落,t,v,恢复时间,典型I型系统和典型型系统除了在稳态误差上的区别以外，在动态性能中，,典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，,典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好,。,这是设计时选择典型系统的重要依据。,I,型和型系统,在稳态误差上的区别。,典型,I,型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，,典型,型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。,典型I型系统和典型型系统的,比较,典型I型系统跟随性能指标与参数的关系,输入信号,阶跃输入,斜坡输入,加速度输入,稳态误差,0,v,0,/,K,（1）稳态跟随性能指标,：不同输入信号,作用下的稳态误差,稳态跟随性能指标,在阶跃输入下的,I,型系统稳态时是无差的；,但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与,K,值成反比；,在加速度输入下稳态误差为,。,因此，,I,型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。,（2）动态跟随性能指标,参数关系,KT,0.25,0.39,0.5,0.69,1.0,阻尼比,超调量,上升时间,t,r,峰值时间,t,p,相角稳定裕度,截止频率c,1.0,0%,76.3,0.243/,T,0.8,1.5%,6.6,T,8.3,T,69.9,0.367/,T,0.707,4.3%,4.7,T,6.2,T,65.5,0.455/,T,0.6,9.5%,3.3,T,4.7,T,59.2,0.596/,T,0.5,16.3%,2.4,T,3.2,T,51.8,0.786/,T,典型I型系统的抗扰性能指标,典型I型系统,扰动作用下的典型I型系统,只讨论抗扰性能时，输入作用,R,=0。,取,，,则,阶跃扰动作用下的输出变化量,阶跃扰动：,输出变化量：,当 时,55.5%,33.2%,18.5%,12.9%,t,m,/,T,2.8,3.4,3.8,4.0,t,v,/,T,14.7,21.7,28.7,30.4,典型,I,型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（,KT=0.5,C,b,=FK,2,/2,),典型,II,型系统性能指标和参数的关系,时间常数,T,是控制对象固有的，而待定的参数有两个：,K,和,。,定义,中频宽,：,典型型系统的开环对数幅频特性,0,-20,40,-40,/s,-1,c,=,1,20dB/dec,40dB/dec,40dB/dec,中频宽,参数之间的一种最佳配合,采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合，,则,输入信号,阶跃输入,斜坡输入,加速度输入,稳态误差,0,01）稳态跟随性能指标,不同输入信号作用下的稳态误差,典型II型系统跟随性能指标和参数的关系,在阶跃和斜坡输入下，II型系统稳态时均无差；,加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比。,（2）动态跟随性能指标,h,3,4,5,6,7,8,9,10,t,r,/,T,t,s,/,T,k,52.6%,2.4,12.15,3,43.6%,2.65,11.65,2,37.6%,2.85,9.55,2,33.2%,3.0,10.45,1,29.8%,3.1,11.30,1,27.2%,3.2,12.25,1,25.0%,3.3,13.25,1,23.3%,3.35,14.20,1,按,M,rmin,准则确定参数关系时,典型型系统抗扰性能指标和参数的关系,+,0,-,在阶跃扰动下，,阶跃扰动的输出响应,C,b,=,2,FK,2,T,取输出量基准值为,典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系,h,3,4,5,6,7,8,9,10,C,max,/,C,b,t,m,/,T,t,v,/,T,72.2%,2.45,13.60,77.5%,2.70,10.45,81.2%,2.85,8.80,84.0%,3.00,12.95,86.3%,3.15,16.85,88.1%,3.25,19.80,89.6%,3.30,22.80,90.8%,3.40,25.85,（参数关系符合最小,M,r,准则）,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,传递函数近似处理,（1）高频段小惯性环节的近似处理,小惯性环节可以合并,近似条件,（2）高阶系统的降阶近似处理,设三阶系统,a,，,b,，,c,都是正数，且,bc,a,，即系统是稳定的。,降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统,近似条件：,（3）低频段大惯性环节的近似处理,时间常数特别大的惯性环节，可以近似为积分环节，即,近似条件：,四、双闭环系统调节器的设计,用工程设计方法设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环，即从内环开始，逐步向外扩展。,首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。,-,I,dL,(,s,),U,d0,(,s,),U,n,+,-,-,+,-,U,i,ACR,1,/R,T,l,s+,1,R,T,m,s,U,*,I,(,s,),U,c,(,s,),K,s,T,s,s+,1,I,d,1,C,e,+,E,T,oi,s+,1,1,T,0i,s+,1,ASR,1,T,0n,s+,1,T,on,s+,1,U,*,n,(,s,),n,(,s,),电流环,转速、电流双闭环调速系统,E,(,s,),（增加了滤波环节）,设计分为以下几个步骤：,1.电流环结构图的简化,2.电流调节器结构的选择,3.电流调节器的参数计算,4.电流调节器的实现,电流调节器的设计,+,-,ACR,U,c,(,s,),K,s,/R,(,T,l,s+,1)(,T,i,s+,1),I,d,(,s,),U,*,i,(,s,),+,-,ACR,U,c,(,s,),K,s,/R,(,T,l,s+,1)(,T,i,s+,1),I,d,(,s,),U,*,i,(,s,),简化后的电流环结构图,按典型,I,型系统设计，ACR选PI调节器。,，,K,I,s,(,T,i,s+,1),I,d,(,s,),+,-,U,*,i,(,s,),动态结构框图,开环对数幅频特性,:,O,L,/dB,ci,-20dB/dec,/s,-1,-40dB/dec,T,i,校正后电流环的结构和特性,设计步骤：,1.电流环的等效闭环传递函数,2.转速调节器结构的选择,3.转速调节器参数的选择,4.转速调节器的实现,转速调节器的设计,电流环等效传递函数,原来双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。,电流闭环控制的意义,电流闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。,转速调节器结构的选择,n,(,s,),+,-,U,n,(,s,),ASR,C,e,T,m,s,R,U,*,n,(,s,),I,d,(,s,),T,on,s+,1,1,T,on,s+,1,U,*,i,(,s,),+,-,I,dL,(,s,),电流环,简化后的转速环结构,n,(,s,),+,-,ASR,C,e,T,m,s,R,U,*,n,(,s,),I,d,(,s,),/,T,n,s+,1,+,-,I,dL,(,s,),转速调节器选择,ASR,采用,PI,调节器,令,则,n,(,s,),+,-,U,*,n,(,s,),校正后的调速系统,转速调节器的参数计算,按照典型型系统的参数关系,，,因此,转速环与电流环的关系,外环的响应比内环慢，这是按上,述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。,例题21 电流调节器设计,例题22 转速调节器设计按典型,II,型系统设计的,ASR,使转速超调量过大，难以满足设计要求。,典型系统是线性的，不符合起动时,ASR饱和的非线性条件，必须按实际条件重新计算转速超调量。,转速调节器退饱和超调,起动时，转速调节系统不服从典型系统的线性规律,，,超调量不等于典型,II,型系统跟随性能指标中的数值,而是经历了饱和非线性过程后的超调，称作“退饱和超调”。,分析表明，可以利用典型,II,型系统抗扰性能指标中负载由 突降到 的动态速升与恢复过程来计算退饱和超调量。,n,O,O,t,t,I,dm,I,d,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,退饱和转速超调 n,的基准值,在典型II型系统抗扰性能指标中，,C,的基准值：,换算到退饱和转速超调 n,的基准值：,由于,，,则,其中 ，,退饱和超调量,转速超调量 的基准值应该是,经基准值换算后得,例题2-3 计算后表明，转速退饱和的超调量满足设计要求。,五、转速超调的抑制,在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈后，可提早,ASR,的退饱和时间和退饱和转速，从而抑制了退饱和超调。,教材中给出了转速微分负反馈参数的工程设计方法，以及带转速微分负反馈,双闭环调速系统的抗扰性能。,可以证明，带,微分负反馈的转速,PI,调节器在结构上符合“全状态反馈最优控制”。,*六、弱磁控制的直流调速系统,调压与弱磁的配合控制,非独立控制励磁的调速系统,弱磁过程的直流电机数学模型和弱磁控制系统转速调节器的设计,T,e,N,n,N,n,max,变电压调速,弱磁调速,U,N,U,P,P,T,e,U,n,O,调压与弱磁的配合控制,励磁控制的调速系统,在基速以下调压调速时，保持磁通为额定值不变；,在基速以上弱磁升速时，保持电压为额定值不变；,弱磁升速时由于转速升高，使转速反馈电压,U,n,也随着升高，因此必须同时提高转速给定电压,U,n,*,，否则转速不能上升。,TVD,AE,TG,n,ASR,ACR,U,*,n,RP,n,-,U,n,U,i,U,*,i,-,U,c,TA,V,M,-,U,d,I,d,UPE,-,AFR,+,U,if,+,UPEF,U,*,if,RP,e,AER,U,i,-,U,*,e,U,e,TAF,U,v,TG,M,+,U,cf,-,非独立控制励磁的调速系统,工作原理,E,=,K,e,n,，若能使,E,不变,，则,n,上升时，,减小。,引入,电动势调节器 AER,，利用电动势反馈，使励磁系统在弱磁调速过程中,保持电动势,E,基本不变,。,电动势的计算与,给定,直接检测电动势比较困难，采用间接计算的方法,E,=,U,d,RI,d,+,L,d,I,d,/d,t,由电动势运算器 AE，算出电动势,E,的反馈信号,U,e,。,由RP,2,提供电动势的给定电压,U,e,*,，并使,U,e,*,=,95%,U,N,。,基速以下调压调速,n,95%,n,N,时，,E,U,e,，,AER饱和，相当于电势环开环。,AER的输出限幅值为额定励磁给定，由AFR调节保持磁通为额定值。,用RP,1,调节转速，转速、电流双闭环系统起控制作用。,基速以上弱磁升速,提高转速给定电压，转速上升。,当,n,95%,n,N,时，,E,95%,U,N,，,U,e,*,U,e,，AER开始退饱和，减少励磁电流给定电压，从而减少磁通。,