电力拖动自动控制系统第六讲.ppt

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1、第六讲,要求：1. 了解积分调节器的控制规律； 2. 掌系统握无静差直流调速构成和稳 态参数计算； 3. 掌握电压负反馈直流调速系统的控 制规律； 4.掌握电流正反馈和补偿控制规律 5.理解不同控制规律的特点,1.6 比例积分控制规律和无静差 调速系统 1.6.1 积分调节器和积分控制规律,1 积分调节器 原理图 图示由运算放大器构成了一个积分电路。,图143 积分调节器（a）原理图, 时域方程 由图可得： 式中， 积分时间常数。,积分调节器的输出特性 当初始值为零时，在阶跃输入作用下，对上式积分运算，得积分调节器的输出,图143 积分调节器（b）阶跃输特性入时的输出时间, 积分调节器的传递函

2、数 积分调节器的传递函数为,伯德图 如下,图143 积分调节器（c）伯德图,2 转速的积分控制规律 比例调节器的特点 在比例调节器调速系统中，调节器输出是电力电子变换器控制电压 只要电动机在运行，就必须有 ，因而也必须有转速偏差电压 ，这是采用积分调节器的调速系统有静差的根本原因； 当负载转矩由 突增到 时，有静差调速系统的转速n、偏差电压 和控制电压 的变化过程示于图144。,图144 有静差调速系统突加负载时的动态过程,积分调节器的特点 如果采用积分调节器，按照积分调节器原理，应有 如果 是阶跃函数，则按线性规律增长，每一时刻的大小和与横轴所包围的面积成正比，如图145（a）所示。,145

3、 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,负载变化时的电压波形 图b绘出的 是负载变化时的偏差电压波形，按照 与横轴所包围面积的正比关系，可得相应的 曲线， 图中 的最大值对应于的拐点。 注：以上均是初值为零的情况。 若初值不是零，还应加上初始电压 ，则积分式变成,积分控制的特点 在图1-45(b)中，动态时，当 变化时，只要其极性不变，即只要仍是 ，积分调节器的输出 便一直增长； 当达到 ， 0， 才停止上升； 不到 变负， 不会下降。 需要强调的是，当 =0时， 并不是零，而是一个终值 ； 如果 不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点。,无静差调速 采用积

4、分调节器后，当转速在稳态时达到与给定转速一致时，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。,负载突增时积分控制调速系统的变化 A.当负载突增时，积分控制的无静差调速系统动态过程曲线示于下图。在稳态运行时，转速偏差电压 必为零。 如果 不为零，则 继续变化，就不是稳态了。,B.在突加负载时，引起动态速降，系统从一个稳态进入另一个稳态， 又恢复为零，但 已从 上升到 ，电枢电压由 上升到 ，以克服负载电流增加的压降。 在这里，Uc的改变并非仅仅依靠 本身，而是依靠Un在一段时间内的积累。,3 比例与积分控制的比较 归纳以上分析，可知 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

5、器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。虽然现在 =0，只要历史上有过 ，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Uc。,积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。,1.6.2 比例积分控制规律 1、比例调节器和积分调节器的比较 从无静差的角度来看，积分控制优于比例控制，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。 具体来说，如前所述，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。,2、比例积分控制 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。,A.比

6、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。 B.PI调节器输出是由比例和积分两部分相加而成的。,C. 图147绘出了比例积分调节器的输入和输出动态过程。 假设输入偏差电压 的波形如图所示，则输出波形中比例部分和 成正比，积分部分是 的积分曲线，而PI调节器的输出电压 是这两部分之和+。,图147 PI调节器的输入和输出动态过程,可见，比例积分调节器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

7、的应用。,1.6.3 无静差直流调速系统及其稳 态参数计算 图1-48是一个无静差直流调速系统的实例，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。,1、系统原理图,图148 无静差直流调速系统,2、工作原理 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VBT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 稳态结构图 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

8、数表示，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用）。,图149 无静差直流调速系统稳态结构图（ ）,静特性 无静差系统的理想静特性如图150所示。 当 时，系统无静差，静特性是不同转速时的一族水平线。 当 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。,图150 带电流截止的无静差直流调速系统的静特性,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，数值很大，但并不是无穷大。 因此其输入端仍存在很小的 ，而不是零。 这就是说，实际上

9、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 = 0，因而 可以按下式直接计算转速反馈系数： 电动机调压时的最高转速； 相应的最高给定电压；,电流截止环节的参数很容易根据其电路和截止电流值 Idcr计算出。PI调节器的参数和可按动态校正的要求计算。,5、准PI调节器 在实际系统中，为了避免运算放大器长期工作时的零点漂移，常常在 两端再并接一个电阻 ，其值为若干M ，以便把放大系数压低一些。 这样就成为一个近似的PI调节器，或称“准PI调节器”（见图151），系统也只是一个近似的无静差调速系统。,图151 准P

10、I调节器,如果采用准PI调节器，其稳态放大系数为 ，由 可以计算实际的静差率。,1.7 电压反馈电流补偿控制的 直流调速系统,采用电压反馈和电流补偿控制方案原因 对于调速指标要求不高的系统来说，采用转速检测装置进行反馈控制是一种比较麻烦的事情，因此提出了简易的电压反馈和电流补偿控制方案。,1.7.1 电压负反馈直流调速系统 1.适用范围 电动机转速不很低 2.原因 此时反电动势比电枢压降大得多，因而可近似认为反电动势与端电压相等，即电动机转速与端电压成反比,3原理图,图152 电压负反馈直流调速系统 原理图,图152的检测电压元件是一个起分压作用的电位器， 反馈电压：,4稳态结构框图,图153

11、 比例控制电压负反馈直流调速系统稳态结构框图 （a）整个系统的稳态结构框图,反馈电压与电阻 由图153（a）可知，反馈电压取自电枢端电压 ，须把电枢回路电阻R分成 进而有：,静特性方程式 对图153（a）依照输入分解为三部分，如图153(a)(b)(c)，分别求出各部分的输入输出关系，即可得到电压负反馈的直流调速系统的静特性方程式： ， 其中,图153 比例控制电压负反馈直流调速系统稳态结构框图 （b）只有给定输入 时的结构框图（c）只有扰动输入 时的结构框图（d）只有扰动输入 时的结构框图,电阻的影响 从稳态结构框图和静特性方程式可以看出 A.只有电力电子装置内阻引起的稳态速降被减少到 B.

12、而电枢电阻压降则没有变化； 因为电力电子装置在反馈环内，而电枢电阻在反馈环外。 注：为了尽量减小稳态速降，电压负反馈信号的引出线应尽量靠近电动机电枢两端。,另外，由于电力电子变换器是对交流电进行整流，因此其输出量还含有交流成分，这个交流分量在引入运算放大器时，不仅不起调节作用，而且会产生干扰，甚至造成放大器局部饱和，从而破坏了线性工作，为此，电压反馈信号需经滤波才可接入。,此外，采用电位器引出反馈信号的同时，使主电路和控制电路有了直接联系，因此从安全角度上是不合适的，因此在中大容量的电动机系统来说，就需要使用隔离变压器，而采用电位器仅在小容量的场合使用。,1.7.2 电流正反馈和补偿控制规律

13、1、使用原因 仅采用电压反馈的系统，由于不能补偿电枢压降造成的转速降落，因此其调速性能不如转速负反馈系统，为了弥补这种缺陷,使电压负反馈系统具有比拟转速负反馈系统的性能，可以添加电流正反馈补偿措施。,2、原理图 图154是附加电流正反馈的电压负反馈的直流调速系统原理图，它与电压负反馈的直流调速系统原理图区别主要是在主电路中串入了采样电阻 ，根据 的大小给出电流正反馈的作用。,图154 附加电流正反馈的电压负反馈的直流调速系统原理图,注意：应注意串接 的位置，使 的极性与给定信号 一致，与电压负反馈信号 的极性相反,3、电阻值的确定 在运算放大器的输入端，转速给定信号电阻和电压负反馈电阻都是 ，

14、而为了获得适当的电流反馈系数，电流正反馈电阻应满足：,电流补偿控制 当负载增大使转速降落增加时，电流正反馈也增大，通过运算放大器使电力电子变换器的控制电压也随之增大，从而补偿转速降落，因此，电流正反馈的作用也称作电流补偿控制。,4、稳态结构框图 根据原理图可绘出带电压负反馈和电流正反馈的直流调速系统稳态结构框图,图155 带电压负反馈和电流正反馈的直流调速系统稳态结构框图,5、静特性方程式 再利用结构框图的运算原则，可得到系统的静特性方程式： 其中,（171）,由式（171）可见，电流正反馈 可以补偿后两项造成的稳态速降，从而减少静差。 进一步观察上式，如果使,那么由电枢回路电阻压降造成的转速

15、降落就可以得到完全的补偿，实现无静差调速。 由假想可得，当 时实现无静差,6、全补偿、过补偿和欠补偿 图156是不同补偿情况下系统静特性。 全补偿：采用电流补偿使静差为零的方法，如图156 中平行线,图156 补偿控制和电压负反馈的静特性,过补偿 如果 ，则特性上翘，叫做过补偿，如图156 中上翘线； 欠补偿 如果 ，则特性下顷，叫做欠补偿，如图156 中下顷线；,另外， 代表只有电压负反馈系统的静特性； 代表开环系统的机械特性,7、单纯电流正反馈的补偿控制 如果没有电压负反馈，那么根据静特性方程式可得新的静特性方程式： 此时的全补偿条件是： ， 也就是说单纯采用电流正反馈控制也可以将静差降到

16、零。,8、两种控制方式的比较 A.由被调量负反馈构成的反馈控制和由扰动量正反馈构成的补偿控制是性质不同的两种控制规律； B.反馈控制只能使静差减小，补偿控制能够消除静差；,C.但是反馈控制是通过自动调节来减小静差，无论环境如何变化；而补偿控制则要参数的配合，当参数受温度等因素影响而发生变化时，补偿条件受到破坏，消除静差的效果就改变了； D.反馈控制对反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能，补偿控制只是针对某一种扰动起作用。,E.结论 首先，在实际的调速系统中，很少单独使用电流正反馈补偿控制，它通常是配合电压负反馈系统或者转速负反馈系统作为减少静差的补充措施； 其次绝不可使用全补偿这种临界状态

17、，因为在这种补偿状态下，一旦参数发生变化，就有可能成为过补偿，使静特性上撬，出现动态不稳定。,F.特殊的欠补偿措施 在欠补偿状态下，如果电流正反馈作用恰好抵消电枢电阻的那部分速降，即有： 那么有： 于是带电流补偿控制的电压负反馈系统和转速负反馈系统的静特性方程式是完全一样的。但这只是参数的巧妙配合，系统的本质未改变。,课后思考,积分调节器具有哪些控制规律？ 如何构成系统无静差直流调速？它的静特性如何？什么是准PI调节器？如何计算它们的稳态参数？ 电压负反馈直流调速系统如何构成？其控制规律是什么？ 带有电流正反馈系统如何构成？它的静特性如何？如何实现补偿控制？种类有哪些？ 两种控制方法有何不同特点？,课后习题,习题114,