电力拖动控制系统.ppt

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1、电力拖动控制系统,第六章 多环控制的直流调速系统,转速、电流双闭环调速系统及其静特性 双闭环调速系统的动态性能 调节器的工程设计方法 双闭环系统中转速、电流调节器的设计 转速微分负反馈 三环调速系统 弱磁控制的直流调速系统,61转速、电流双闭环调速系统及其静特性,多环系统：指一环套一环的嵌套结构组成的具有两个 或两个以上的闭环的控制系统，又称串级调速。相当于过程 控制中的串级控制系统。本章以转速、电流双闭环调速系统 为主。 一、问题的提出： 采用PI调节器的单闭环调速系统，即保证动态稳定性，又能 做到无静差很好解决动、静态矛盾，系统只有靠电流截止环 节限制起动电流，不能充分利用电机过载的条件下

2、获得最快 的动态响应，进一步解决方法对电流进行反馈控制。 理想起动过程 带电流截止负反馈,当电流从最大值降下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程拖长目的，缩短起制动时间。 方法：在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大加速度起动，到稳态转速后，电流下降，使转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。起动时，保持电流为最大值（电流负反馈）近似恒流，稳态转速后为转速负反馈。,二、转速、电流双闭环调速系统的组成 两个调节器的输出都是带限幅的，ASR输出的限幅值Uim* 决定ACR输入的最大值，ACR的输出限幅电压Uctm限制晶 闸管整流电压的最大值。,三、静、动态品质

3、静特性上看：饱和输出为恒值（不随输入变）；不饱和输出末达到限幅值。 饱和时：除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，饱和调节器隔断了输入和输出间的联系，使调节器开环。调节器不饱和，PI作用使输入偏差在稳态时为零。 稳态结构图如下：,正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态。电流 负反馈相当于一种扰动作用，只要转速调节器的放大倍 数足够大，则电流负反馈扰动作用受到抑制。只有转速 调节器饱和与不饱和两种情况。 转速调节器不饱和 两调节器均不饱和，稳态时输入偏差电压都是零。 静特性的n。A段 由于ASR不饱和 , Ui*Uim*IdIdm,T,（二）转速调节器饱和 转速调节器饱和时，nUn*时，输入U

4、n0,才开始使ASR输出电压降低下来，在整个升速过程中，ASR开环，只有恒流环起作用，在最大的电流下起动，直到超调后，转速环才能起作用，使转速稳定。,四、各变量的稳态工作点和稳态参数计算 当稳态工作中，两个调节器均不饱和 比例调节器输出与输入成正比，而PI调节器的输出量 的稳态值与输入无关，这里PI调节器的输出值由后面环 节需要决定的，后面的PI调节器需要多大值，它就能提 供多少，直到饱和为止。 参数 转速反馈系数 电流反馈系数,62双闭环调速系统的动态性能,一、动态数学模型,二、动态过程分析 区：0t1区，电流上升。突加给定电压Un*，Uct Ud Id，当IdIdl后，电机开始转动。因开始

5、时Un很 大，其输出很快达到限幅值Uim*，Id到Id=Idm时， Ui=Uim*，ASR由不饱和变成饱和。而电流调节器不饱和，保 证电流恒定。 区：t1_t2 恒流升速。此时ASR一直饱和，转速环开环 状态，电流调节器作用使Id保持恒定，转速呈线性增长，n E UdoUct Uct线性 增长。要求Un必须维持 一定的恒值， I d 应略小于Idm。,区：t2 以后， 转速调节阶段。 n=n*时，Un=0， 此时输出仍为Uim*，在最大电流上加速，使转速超调， UnIdl时转速仍然是上升的，到Id=Idl时则转速不在上 升极最高值，T3以后IdIdl，转速下降，ASR和ACR均不 饱和，ASR

6、外环处于主导作用；ACR内环作用是使Id尽快 地跟随ASR的输出量Ui*，是一个电流随动子系统 小结：起动过程三个特点 （一）饱和非线性控制 不同情况下为不同结构的线性系统 分段线性化的 处理方法：ASR饱和，转速环开环，恒值电流调节的单 闭环系统；ASR不饱和，转速环闭环，整个系统为无静 差调速系统，电流内环表现为电流随动系统。 （二）准时间最优控制 恒流升速阶段，电流恒定为最大，使起动过程尽可能最 快时间最优控制,（三）转速超调 转速退出饱和，要求必须转速超调，ASR退出饱和 三、动态性能和两个调节器的作用 动态跟随性能 起动和升速过程，很好的跟随性能；减速过程，由 于电路的不可逆性，跟随

7、性变差 动态抗扰性能 单闭环调速系统中，就静特性而言，对两种扰动的 抗扰效果是一样的。但对双闭环系统而言就有很大不同 了，抗负载扰动：在电流环之后只能靠ASR来抗扰（ASR 有好的抗扰性能，ACR有好的跟随性能）；抗电网电压扰 动：被包围在电流环内，有电流环及时调节。所以双闭 环调速系统中，电网电压波动引起的速降比单闭环系统 中小得多。,（三）两个调节器的作用 转速调节器： （1）使转速n跟随给定电压 变化，稳态无静差 （2）对负载的变化有抗扰作用 （3）其输出限幅值决定允许的最大电流 电流调节器： （1）起动时保证获得允许的最大电流 （2）对电网电压波动起及时抗扰作用 （3）在转速调节过程中

8、，使电流跟随给定电压变化 （4）电机过载或堵转时，限制电枢电流最大值，起快速安全保护作用，故障消失时，系统自动恢复正常。,四、调节器的设计问题 先设计内环，后设计外环。电动机整流装置等按负 载工艺要求选择和设计；转速和电流反馈系数按稳态参 数计算；转速和电流调节器的结构与参数在满足稳态精 度的要求下，按工程设计方法设计 小结；双闭环调速系统中，转速调节器的作用是对转速 的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅值决定 允许的最大电流。电流调节器的作用是电流跟随、过流 自动保护和及时抑制电压扰动,63调节器的工程设计方法,思想： 掌握把多种多样的控制系统简化和近似成少数典型的低阶 系统结构，首先

9、对典型系统作研究，把它们的开环对数频率特 性当作预期特性，弄清楚它们的参数和性能指标的关系，写成 简单的公式和制成简明的图表，在设计系统时只要把它校正或 简化成典型系统的形式，利用现成的公式和图表进行参数计算。 设计遵循原则： （1）理论概念清晰，易懂； （2）计算公式简明，好记； （3）计算参数而且指出参数调整趋势； （4）除线性系统外，也要考虑饱和非线性系统，给出简单的 计算公式； （5）对一般调速系统、随动系统及类似反馈控制系统都能适 用,一、工程设计基本思路 突出主要矛盾，简化问题。选择调节器结构，保证稳定及满足稳态精度；选择调节器参数，满足动态指标。 二、典型系统 系统开环传函 =0

10、、1、2等分别称为0型、型、型系统。 0型系统在稳态时有差，而型及以上的系统很难稳定，所 以多用型、型系统。,典型型系统,K大，c大，系统响应快；但变小稳定性变差。K取不同值可平移。,典型型系统,比T大得越多，系统越稳定。,引入一个中频宽,据振荡指标法会得出,三、控制系统的动态性能指标 稳态指标：D、S、ess 动态指标：跟随性能指标和抗扰性能指标 跟随性能指标： 给定信号R（t）作用下C(t)的变化情况，通常以输出量 的初始值为零，给定阶跃信号作用下的过渡过程作为典 型的跟随过程。又称此动态响应为阶跃响应。 C(t)与 C的偏差越小越好，达到稳态值的时间越快越好。 1上升时间tr：快速性，输

11、出量从零起第一次上升到稳 态值所经过的时间称为上升时间。 2超调量%：阶跃响应中，输出量超出稳态值的最大 偏差量与稳态值之比，反映系统相对稳定性的，超调量 小，则相对稳定性好，动态响应平稳。,3调节时间ts：从给定阶跃变化起到输出量完全稳定下 来为止的时间。通常取在稳态值的5%（或 2%）的范 围作为允许误差带。 抗扰性能指标：以系统稳定运行中突加一个使输出量降 低的扰动N以后的过渡过程作为典型的抗扰过程 1动态降落Cmax%：系统稳定运行，突加一个约定 的标准负扰动量，在过渡过程中所引起的输出量最大降 落值Cmax。调速系统的动态降落就是动态速nmax% 2稳态降落,。,3恢复时间tv：从阶

12、跃扰动作用开始，到输出量基本 恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准量Cb的5%（或 2%）范围所需的时间。 四、典型型系统参数和性能指标的关系 （一）典型型系统跟随性能指标与参数关系 1、稳态跟随性能指标 阶跃输入下稳态误差为零；斜坡输入下有恒值误差；加 速度输入下稳态误差为无穷。所以型系统不能用于加 速度输入的随动系统 2、动态跟随性能指标,在典型型系统中，取,0.9,动态响应快时阻尼比小KT值大；如果要求超调小时阻尼比要大。通常取最佳阻尼比为0.707，KT=0.5,（二）典型型系统抗扰性能指标与参数关系,R=0,R=0,五、典型型系统参数及性能指标 （一）典型型系统跟随性能指标与参数关系

13、1、稳态跟随性能指标 在阶跃和斜坡输入下，型系统的稳态误差是零，加 速度输入下误差为恒值为a。/K 2动态跟随性能指标,C(s)=Wcl(s)R(s)可得出参数表如书所示。h=5调节时间最短。 h大超调量小但恢复时间长,（二）典型型系统抗扰性能指标与参数的关系,可以求出C（s）表达式然后 查表就可以了。h 越小抗扰性能 越好，但超调量大。快速性和 稳定性矛盾。通常取h=5,六、调节器结构的选择和传递函数的近似处理非典 型系统的典型化 大部分控制对象配以适当的调节器，就可以校成典型系 统，实际中有时需要将实际系统作近似处理，在用前述 方法设计。 （一）选择调节器的结构配成典型系统的形式 型系统：

14、超调小，但抗扰性能稍差。 型系统：超调量大，但抗扰性能好。 确定采用哪一种典型系统之后，选择调节器的方法利用 传函的近似处理，将控制对象与调节器的传函配成典型 系统的形式。,控制对象为双惯性型的 T1T2设计成典型型系统; 选用PI调节器 控制对象为积分-双惯性型的 T1T2设计成典型型系统; 选用PID调节器,KpiK2/1=K,（二）小惯性环节的近似处理 把多阶小惯性环节降为一阶小惯性环节，指小时间常数 的惯性环节（如Ts）等，指高频段 当三个小惯性环节时 同理 （三）高阶系统的近似处理 当高次项系数小到一定程度时就可以略去不计,a、b、c均为常数， 且系统稳定。bca,（四）大惯性环节的

15、近似处理 低频段 所以有些近似只适用于动态性能的分析和设计，若考 虑稳态精度时仍采用原来的传递函数 七、调节器的最佳整定设计法 最佳：调节器的最佳参数整定。二阶最佳（模最佳）； 三阶最佳（对称最佳）。 （一）模最佳整定（二阶最佳）实验上只能是闭环系统幅频特性的模趋近于1。 在一定频带范围内模趋近于1的条件就是 （二）对称最佳整定（三阶最佳）,6-4 双闭环调速系统电流调节器和转速调节器设计,从内环开始，一环一环遂步向外扩展 转速、电流滤波环节：抑制反馈信号中的交流成份但同时给反馈信号带来延滞。所以要在前向通路中加给定滤波环节，平衡电流检测信号中的延滞环节。,电流调节器设计 （一）结构图简化 1

16、、忽略反电动势的条件：理想空载时Idl=0时 条件： 2、（通常情况下Tm远大于Tl，电流调节过程比转速过程（E）过程快得多。所以反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用） 条件： （Toi、Ts远远地小于Tl）,（二）电流调节器的选择 型系统超调小、型系统对电网电压扰动及时调节性 能好也就是抗扰性能好。一般情况下，TL/Ti10，按 典型型系统设计， 其中： 条件：,（三）电流调节器参数的选择 一般情况下，超调量小于等于5%时可取阻尼比为0.707， Ki Ti=0.5，因此 于是可求出Ki （四）电流调节器的实现,小结:ACR的设计步骤与计算公式,1.确定时间常数 （12）Toi=3

17、.33; Toi=2ms； Ti=Ts+Toi 2.选ACR的结构 5%，TL/Ti10，按典型型系统设计， 3.ACR的参数 4.校验条件 条件: 调节器的电阻和电容 R0=40K,转速调节器的设计 （一）电流环等效闭环传函,阻尼比为0.707，KT=0.5,（二）转速调节器结构的选择,转速环校正成典型型系统，可实现转速无静差，同时又具有较好的抗扰性能。采用PI调节器,（三）转速调节器参数的选择,无特殊要求时h=5。,（四）转速调节器的实现,三、转速调节器退饱和时转速超调量的计算 分ASR饱和时和退饱和时进行讨论。在退饱和时与典型 型系统跟随性能指标中的超调量不等，但同典型型系统 抗扰性能过

18、程完全一样，Id由Idm降到Idl一个动态长高与 恢复过程是突卸负载的过程。 电机过载系数=Idmax/Idnom；负载系数z=Idl/Idnom ASR的设计步骤与计算公式 1、确定时间常数 电流环时间常数2Ti；转速环滤波时间常数Ton=0.01s； Tn=2 Ti +Ton,2、选择调节器的结构 转速环校正成典型型系统，可实现转速无静差，同时又 具有较好的抗扰性能。 采用PI调节器， 3、选择ASR参数 无特殊要求时h=5； 4、校验近似条件 KN=1cn =cn/n,5、计算调节器的电阻和电容 6、校核转速超调量,R0=40K,能满足设计要求。,注意事项： 1、电流环可以忽略反电动势，

19、而转速环不能忽略反电动势。 比较电流环和转速环的开环频率特性，cicn 外环一定 比内环慢。,65 转速微分负反馈,作用:可以抑制超调直至消灭超调,同时大大降低动态速 降。 一、 工作原理 1、电路 2、动态结构图,转速微分滤波时间常数,转速微分时间常数,3、对起动过程的影响 带微分负反馈的双闭环调速系统，因有可能在进入线性 闭环系统之后没有超调就趋于稳定，提前退饱和。 微分电容Cdn作用：对转速信号进行微分。 滤波电阻Rdn的作用：滤去微分后带来的高频噪声。 二、退饱和时间和退饱和转速 引入微分负反馈后，退饱和时间提前，抵制超调。 其初始条件是退饱和点的转速和电流 当ttt时，ASR饱和 I

20、d=Idm,当t= tt时，ASR开始退饱和，输入信号之和恒为零,于是得 因此退饱和时间为 退饱和转速为 结论：与末加微分反馈相比，退饱和时间的提前量是 而退饱转速的提前量是 转速微分负反馈参数的工程设计方法同前 小结：（1）引入微分负反馈，提早退饱和，可有效抑制以 至消除超调，同时也增强调速系统的抗扰性能。 （2）在负载扰动下动态降落也大大降低。 （3）必须带滤波电阻，否则将引入新的干扰。,67 弱磁控制的直流调速系统,电枢控制与励磁配合控制 他励电动机的调速方法 1.调压调速：是从基速往下调，在不同的 转速下容许的输出转矩恒定,恒转矩调速。 2.弱磁升速:是从基速往上调,不同转速下 容许的

21、输出功率相同.转速越高时容许 转矩越小,恒功率调速方法。 对于恒转矩性质的负载，拖动系统采用恒转矩调速方案 对于恒功率性质的负载，拖动系统采用恒功率调速方案 如机床的主传动，当负载要求调速范围超过这个数值（弱 磁调速的允许调速范围有限）就采用调压和弱磁联合调 速，基速以下调节电枢电压，而在基速以上弱磁升速，起 动时采用额定磁通以下的升压起动，以达到大的起动转 矩，当电压到额定值后，减弱磁通升速。,独立控制的励磁调速系统的 单独设置一个励磁电流调节器 原理：必须保证在满磁下调压，而当电枢电压提高到额 定值时和才允许弱磁升速。 在调节调压电位器时，调磁电位器应放在满磁位置，并 保持不变，只有当电枢

22、电压和转速达到额定值时，才允 许减小调磁电位器给定电压，这时随着转速升高，测速 反馈电压也升高必须同时相应地提高调压电位器的输出 电压，才能保证电枢电压不变，否则转速升不上去，上 述要求也可以由逻辑电路自动实现，但终究麻烦。 非独立控制系统励磁调速系统 调压和弱磁升速用同一个电位器或其它给定装置操作 1问题的提出,无论升压还是弱磁，调压电位器的给定电压都是需要不断 地提高的，调磁电位器在升高时有一个不变的，只在弱磁 升速时才需调节，所以升压时有一定不变的满磁给定电压 即可，而在弱磁能找到一个信号使电压降低。 2、电路图：如书所示。 3、工作情况： （1）基速以下，保持励磁为额定值不变，改变电枢

23、电压 改变调速电位器给定电压即改变电动机转速，n95%nmax 时,E95%Enom，经过AE得到电动势信号UeUe*，AER一直处 于饱和，电动势开环，ASR输出限幅值电压，通过AFR调节 ，保证额定的励磁电流不变，满磁给定，在基速下完全靠转 速、电流双闭环调节电枢电压控制电流。,（2）基速以上弱磁升速，保持电枢电动势恒定 nUe*，AER退饱和，输出降 低，AFR弱磁升速，UnUn*，nnnom,则Ue企图上升，经 过AER、AFR使励磁电流减少，转速上升； 只有当Un=Un*，稳定运行，稳态时Ue=Ue*，反电动势维 持恒定。基速以上ASR起调节作用，ACR的输出限幅值限 制了最大电枢电

24、压，由于E恒定，电流受ACR调节，转速 升高，但电枢电压却不再升高，AER和AFR则在维持反电 动势不变的条件下控制励磁电流。 AE运算器：如图中所示。,1、某一V-M系统,已经电动机参数如 下:2.8Kw,220V,15.6A,1500r/min 、Ra=1.5、Rrec=1、Ks=37。 试求：（1）系统开环工作时，D=30时的S值； （2）D=30、S=10%时系统的稳态速降； （3）如转速负反馈有静差调速系统，要求D=30,S=10%在 U*=10V时使电动机在额定点工作,试计算放大器放大系数Kp和 转速反馈系数 2、一V-M系统,已经电动机参数如下:2.5Kw,220V,15A、 1500r/min 、Ra=2；整流装置内阻Rrec=1、触发整流环 节Ks=30。要求调速范围D=20、S=10% （1）计算开环系统的稳态速降和调速要求所允许的的稳 态速降； （2）绘制转速负反馈的稳态结构图； （3）调整系统，使U*n=20V，转速n=1000r/min，此时 转速反馈系数应为多少？（U*n=U） （4）计算所需放大器放大倍数。,