典型Ⅱ型系统.ppt
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1、转速、速、电流双流双闭环直流直流调速系速系统和和调节器的工程器的工程设计方法方法 电力拖动自动控制系统第第 2 2 章章 主要内容主要内容1.1.双闭环调速系统的组成及其静特性双闭环调速系统的组成及其静特性2.2.数学模型和动态性能分析数学模型和动态性能分析3.3.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法4.4.双闭环系统调节器的设计双闭环系统调节器的设计*5.5.转速超调的抑制转速超调的抑制*6.6.弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统一、双闭环调速系统及其静特性一、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转速单闭环系统不能随意控制电流和转矩的动态过程。矩的动态过
2、程。采用电流截止负反馈环节只能限制电流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的冲击,并不能很好地控制电流的动态波形。波形。理想的快速起动过程理想的快速起动过程IdLntIdOIdm带电流截止负反馈的单闭环调速系统带电流截止负反馈的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrnn 起动过程起动过程 希望能实现的控制希望能实现的控制在起动过程的主要阶段,只有在起动过程的主要阶段,只有 电流负反馈,没有转速负反馈。电流负反馈,没有转速负反馈。达到稳态后,只要转速负反馈,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。不让电流负反馈发挥主要作用。+TGnASRAC
3、RU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG内环外 环ni 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统当当ASRASR不饱和时,不饱和时,ASRASR成为主导的调节器,成为主导的调节器,转速负反馈起主要作用。转速负反馈起主要作用。Ks 1/CeUcIdEnUd0+-IdR R ACR-UiUPE当当ASRASR饱和饱和时时,相当于电流单闭环系统,相当于电流单闭环系统,实现实现“只有电流负反馈,没有转速负反馈只有电流负反馈,没有转速负反馈”双闭环直流调速系统的稳态结构框图双闭环直流调速系统的稳态结构框图 转速反馈系数转速反馈系数 电流反馈系数电流反馈系数 Ks
4、 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE 稳态结构框图稳态结构框图 调节器输出限幅的作用调节器输出限幅的作用 转速调节器转速调节器ASRASR的输出限幅电压的输出限幅电压U U*imim决定决定 电流给定电压的最大值;电流给定电压的最大值;电流调节器电流调节器ACRACR的输出限幅电压的输出限幅电压U Ucmcm限制限制 了电力电子变换器的最大输出电压了电力电子变换器的最大输出电压U Udmdm。静特性静特性 设计时,使,使ACR不会达到不会达到饱和状和状态。至于至于ASR,在,在CA段未段未饱和,在和,在AB段段饱和。和。n0IdIdmIdNO
5、nABC(1 1)转速调节器不饱和)转速调节器不饱和(U*i U*im,Id Idm)(2 2)转速调节器饱和转速调节器饱和(n n0)各变量的稳态工作点和稳态参数计算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 PI调节器的特点调节器的特点 比例调节器的输出量总是正比于其输比例调节器的输出量总是正比于其输入量。入量。PIPI调节器未饱和时,其输出量的稳态调节器未饱和时,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。是由它后面环节的需要决定
6、的。反馈系数计算转速反馈系数 电流反馈系数 U*n Uc-IdLnUd0Un+-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E二、数学模型和动态性能分析二、数学模型和动态性能分析起动过程分析起动过程分析 n OOttIdm Id IIIIIIt4 t3 t2 t1 按转速调节器按转速调节器ASRASR不饱和、饱和、退不饱和、饱和、退饱和分成三个阶段:饱和分成三个阶段:I.电流上升阶段电流上升阶段II.恒流升速阶段恒流升速阶段III.转速调节阶段转速调节阶段 双闭环直流调速系统起动过程的特点双闭环直流调速系统起动过程的特点(1)饱和非线性控制饱和
7、非线性控制(2)转速超调转速超调(3)准时间最优控制准时间最优控制(有限制条件的有限制条件的最短时间控制最短时间控制)动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 调速系统的动态抗扰性能,调速系统的动态抗扰性能,主要是主要是抗负载扰动抗负载扰动和和抗电网抗电网 电压扰动电压扰动的性能的性能 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1.抗负载扰动IdL2.2.抗电网电压扰动抗电网电压扰动-IdLUd 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E 转速和电流两个调节器的作用转速和电流
8、两个调节器的作用 1.1.转速调节器的作用转速调节器的作用 (1 1)转速调节器是调速系统的主导调节器,)转速调节器是调速系统的主导调节器,它使转速它使转速 n n 很快地跟随给定电压变化,稳态很快地跟随给定电压变化,稳态 时可减小转速误差,如果采用时可减小转速误差,如果采用PIPI调节器,则调节器,则 可实现无静差。可实现无静差。(2 2)对负载变化起抗扰作用。)对负载变化起抗扰作用。(3 3)输出限幅值决定电机允许的最大电流。)输出限幅值决定电机允许的最大电流。2.2.电流调节器的作用电流调节器的作用(1 1)作为内环的调节器,在外环转速的)作为内环的调节器,在外环转速的调节过程中,它的作
9、用是使电流紧紧跟随调节过程中,它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化。外环调节器的输出量变化。(2 2)对电网电压波动起及时抗扰作用。)对电网电压波动起及时抗扰作用。(3 3)在转速动态过程中,保证获得电机)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。允许的最大电流,从而加快动态过程。(4 4)当电机过载甚至堵转时,限制电枢)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。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三、调节器的工程设计方法(1 1)概念清楚、易懂;)概念清楚、易懂;(2 2)计算公式简明、好记;)计算公式简明、好记
10、;(3 3)不仅给出参数计算的公式,而且指明)不仅给出参数计算的公式,而且指明 调整参数的方向;调整参数的方向;(4 4)能考虑饱和非线性控制的情况,同样)能考虑饱和非线性控制的情况,同样给出简单的计算公式;给出简单的计算公式;(5 5)适用于各种可以简化成典型系统的反)适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。馈控制系统。工程设计方法的基本思路工程设计方法的基本思路 设计工作分两步走:设计工作分两步走:1.1.选择调节器的结构,使系统典型化,以确选择调节器的结构,使系统典型化,以确保系统稳定,同时满足所需的稳态精度保系统稳定,同时满足所需的稳态精度。2.2.再选择调节器的参数,以满足动态性
11、能指再选择调节器的参数,以满足动态性能指标的要求标的要求。调节器结构的选择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,选择调节器,将控制对象校正成为典型系统。将控制对象校正成为典型系统。典型典型I型系统型系统 T T 系统的惯性时间常数;系统的惯性时间常数;K K 系统的开环增益。系统的开环增益。选择参数,保证选择参数,保证 或或 ,使系统足够,使系统足够稳定。稳定。典型典型型系统型系统 保证系统足够稳定保证系统足够稳定或控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标 1.1.跟随性能指标跟随性能指标 2.2.抗扰性能指标抗扰性能指标 调速系统的动态指标以抗扰
12、性调速系统的动态指标以抗扰性能能为主为主,而随动系统的动态指标,而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。则以跟随性能为主。系统典型的阶跃响应曲线系统典型的阶跃响应曲线5%(或2%)0 Otrts阶跃响应阶跃响应跟随性能指标跟随性能指标 t tr r 上升时间上升时间 超调量超调量 t ts s 调节时间调节时间突加扰动的动态过程和抗扰性能指标突加扰动的动态过程和抗扰性能指标5%(或2%)O tmtvCb 抗扰性能指标 C Cmaxmax 动态降落动态降落 t tv v 恢复时间恢复时间 n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,n典型典型 I 型系统在跟随性能上可以做到
13、超调型系统在跟随性能上可以做到超调小,但抗扰性能稍差,小,但抗扰性能稍差,n典型典型型系统的超调量相对较大,抗扰性型系统的超调量相对较大,抗扰性能却比较好能却比较好。这是设计时选择典型系统的重要依据。nI型和型和型系统型系统在稳态误差上的区别。在稳态误差上的区别。n典型典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调型系统在跟随性能上可以做到超调小,但抗扰性能稍差,小,但抗扰性能稍差,n典型典型型系统的超调量相对较大,抗扰性型系统的超调量相对较大,抗扰性能却比较好。能却比较好。典型典型I I型系统和典型型系统和典型型系统的型系统的比较比较典型I型系统跟随性能指标与参数的关系输入信号入信号阶跃输入入斜坡
14、斜坡输入入加速度加速度输入入 稳态误差差 0v0/K(1)稳态跟随性能指标:不同输入信号 作用下的稳态误差 稳态跟随性能指标稳态跟随性能指标在阶跃输入下的在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无差的;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,且与但在斜坡输入下则有恒值稳态误差,且与 K 值成反比;值成反比;在加速度输入下稳态误差为在加速度输入下稳态误差为 。因此,因此,I型系统不能用于具有加速度输入型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。的随动系统。(2)动态跟随性能指标参数关系参数关系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比阻尼比 超超调量量 上升上升时间 tr峰峰值时间
15、tp 相角相角稳定裕度定裕度 截止截止频率率 c 1.0 0%76.30.243/T 0.8 1.5%6.6T8.3T 69.90.367/T 0.707 4.3%4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5%3.3T4.7T 59.2 0.596/T 0.5 16.3%2.4T3.2T 51.8 0.786/T典型典型I I型系统的抗扰性能指标型系统的抗扰性能指标典型I型系统 扰动作用下的典型扰动作用下的典型I I型系统型系统 只讨论抗扰性能时,输入作用只讨论抗扰性能时,输入作用 R R=0=0。取取,则则阶跃扰动作用下的输出变化量阶跃扰动:阶跃扰动:输出变化量:输出变化量:当当
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