电力拖动自动控制系统PPT电子课件教案-第二章_闭环控制直流调速系统的稳态分析与计算.pptVIP

第二章 闭环控制直流调速系统的稳态分析和计算,本章主要内容： 2.1直流调速系统的静态调速指标及开环系统存在的问题 2.2单闭环直流调速系统的稳态分析 2.3转速、电流双闭环调速系统稳态分析及计算,2.1 直流调速系统的静态调速指标及开环系统存在的问题,2.1.1生产工艺对转速控制的要求和调速指标 一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速系统都有一定的要求，归纳起来有以下三个方面： 1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速； 2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量； 3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起/制动尽量平稳。,1、调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 d 表示，即,其中，nmax和nmin一般都指电动机在额定负载时的最高和最低转速，对于不要求恒功率调速系统来说，电动机的最高转速就是额定转速。,2、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的转速降落nn，与理想空载转速n0之比，称作静差率s，即,或用百分数表示,式中 = n0 - nn,（2-2）,（2-3）,显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。一般变压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，如图2-1中的特性曲线a和b,图2-1 不同转速下的静差率,根据式(2-2)的定义，由于 ，所以 。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。例如：当理想空载转速为1000r/min时，额定速降为10r/min，静差率为1%；当理想空载转速为100r/min时，额定速降同样为10r/min，则静差率却为10%。,由此可见，在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时就自然地满足要求了。因此，静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。,3、调速范围、静差率和额定速降之间的关系,电机额定转速 ，转速降落为 。 值一定时，对静差率要求越高，即要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。,例题2-1,某直流调速系统电动机额定转速为 额定速降 ，当要求静差率 时，允许多大的调速范围？如果要求静差率 ，试求最低运行速度及调速范围。,解 要求 时，调速范围为,例题（续）,若要求 ，最低空载转速为,最低运行转速为,调速范围为,2.1.2 开环调速系统存在的问题,开环调速系统往往不能满足静差率要求。 反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差， 它就会自动产生纠正偏差的作用。,2.2单闭环直流调速系统的稳态分析和计算,图2-2中，转速调节器asr为比例调节器；符号 为用电压值表示的转速给定信号 ； 为用电压值表示的转速反馈信号 。,(a) 闭环调速系统稳态结构图,图2-2 采用比例调节的转速单闭环调速系统的稳态结构框图,单闭环直流调速系统的稳态分析(续）,只考虑转速给定作用时的闭环系统稳态结构图,只考虑负载扰动作用时的闭环系统稳态结构图,图2-2 采用比例调节的转速单闭环调速系统的稳态结构框图,闭环系统的静态方程,依据稳态结构图，当asr为比例调节器时，转速负反馈单闭环直流调速系统中各环节的稳态关系如下：,电压比较环节,放大器,电力电子变换器,调速系统开环机械特性,测速反馈环节,闭环系统的静态方程（续）,以上各关系式中， 为比例调节器的比例系数； 为电力电子变换器的变换系数； 为转速反馈系数（ ）； 为电力电子变换器理想空载输出电压（v）（变换器内已 并入电枢回路总电阻中）,闭环系统的静态方程（续）,从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即 得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式,闭环系统的理想空载转速,闭环系统的稳态降速,闭环系统的开环放大系数,稳态速降,上式表明： 1、转速闭环后将使同一负载下静态速降降低到原开环系统的 倍。 2、asr为比例调节器的单闭环直流调速系统是有静差调速系统，静差大小为 ，并且，静差只能减小而不能消除，这是因为系统的开环放大倍数 不可能为无穷大( )。,调速范围,如果电动机最高转速是额定转速 ，对静差率要求为s，则闭环系统的调速范围为：,闭环调速系统稳态特性分析,图2-3 闭环系统的静特性与开环机械特性比较,、为系统开环系统机械特性； 为闭环系统静特性,闭环调速系统稳态特性分析（续）,图中，设原始工作点为a，负载电流为 ，当负载增大到 时，开环系统的转速必然降到 点所对应的数值，闭环后，由于反馈调节作用，电压可升到 ，使工作点成为b。这样，在闭环系统中，每增加一点负载，就相应提高一点电枢电压，因而就改换了一条机械特性。闭环系统的静特性就是这样在许多开环机械特性上各取一个相应的工作点，如上图中的a、b、c、d、,再由这些工作点连接而成的。,闭环调速系统稳态特性分析（续）,由闭环系统静特性曲线绘制过程可以看出，闭环静特性与开环机械特性相比硬度大大提高，其根本原因是闭环系统能够减少稳态速降，在于它能随着负载的变化而改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。 当闭环调速系统选用比例调节器时，一般称为有静差系统。其调节器输出的控制电压 的大小与转速偏差电压 成正比。如果偏差 为零，则控制信号 为零（即不能产生控制作用），因而使系统不能工作。,闭环调速系统稳态特性分析（续）,通过静特性分析看出，闭环调速系统的开环放大倍数k值越大，静特性就越硬，静态速降就越小。在保证所要求的静差率下其系统的调速范围就越大。总之，转速闭环控制，改善了系统的静态性能。但是有静差系统的开环放大倍数k值的大小还要受到系统稳定性的制约，即系统开环放大倍数k过大将导致系统的不稳定，因此有静差调速系统在静态参数计算结束之后，必须进行稳定性校验，这是不可忽视的。,asr采用pi调节器的转速单闭环直流调速系统,1、稳态结构框图,需要指出，稳态情况下，pi调节器只能用其输出特性来表示它的比例积分作用。,图2-4 asr采用pi调节器时的转速单闭环直流调速系统的稳态框图,右图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un的波形如图所示，则输出波形中比例部分和 un 成正比，积分部分是 un 的积分曲线，而pi调节器的输出电压 uc 是这两部分之和+。可见， uc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的应用。,分析结果,由此可见，比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。,2、稳态特性方程,当系统达到稳态时，有 ，即 于是可知闭环系统的稳态速降近似为 ，其特征方程式为:,为电动机最高转速（r/min） 为对应的最大给定电压（v）,式中,3、稳态特性曲线,因采用pi调节器的单闭环直流调速系统，在稳态时(对应)，求出点 。由点 可以做出一条平直的静态特性曲线，如图虚线所示。实际上开环放大倍数不可能无穷大，因此采用pi调节器的转速单闭环直流调速系统实际上的静态特性曲线并非为水平线，而是有一定倾斜，如图实线所示。,图2-5 采用pi调节器的转速单闭环调速系统静特性曲线,带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统稳态分析,1、稳态结构图,带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统中，电流截止负反馈环节的输入/输出特性如图所示。,当输入信号 时，输入和输出为线性关系；当 为负值时，输出恒为零。这是一个非线性环节（两段线性环节）。,图2-6 电流截止负反馈环节的输入/输出特性,-,将电流截止负反馈环节画在方框中，再和系统的其它部分连接起来，便得到带电流截止负反馈的转速负反馈单闭环调速系统的静态结构图,asr,图中 表示电流负反馈信号， 表示转速负反馈信号，asr为pi调节器。,图2-7 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的稳态结构图,2、稳态特性方程,因此,1)当 时，由于（ ）为负值，电流负反馈被截止。因此可写出静特性方程为：,2)当 时，( )为正值，电流负反馈起作用，稳态时，pi调节器输入偏差电压为零， 即,3、稳态特性曲线,图2-8 带电流截止负反馈的转速负反馈单闭环调速系统的静特性,由图可知：,1、在 时，系统的转速是无静差的，静特性是平直的。,2、当 时，a-b段的静特性则很陡，静态速降很大。,无静差，近似一水平线,电流负反馈起作用,例题,带有电流截止负反馈的转速负反馈单闭环直流调速系统如图所示：,图1-24 电流截止负反馈闭环直流调速系统的原理框图,例题（续）,已知数据有：,电动机：,功率放大器：,设计指标：,，额定转速时的给定电压为,堵转电流 ，临界截止电流 。,例题（续）,(1)写出系统的静特性方程式； (2)计算出满足稳态要求的放大器的放大倍数 ； (3)求出比较电压和电流反馈系数 ； (4)分析 ， ， 等参数变化对系统静特性的影响。,解：,(1)由题设可知系统的静特性方程式分为两段：,当 时，电流负反馈被截止，此时系统的静特性方程式如下：,例题（续）,当 时，电流负反馈起作用，则系统的静特性方程式为,上式中， 。,(2-20),例题（续）,(2),开环系统的稳态速降为:,例题（续）,系统允许的稳态速降为,则放大器的放大倍数应为,例题（续）,(3)稳压管的稳压值 ，堵转时 ， ，将其带入式(2-20)可得:,一般 ，因此,于是有,所以,则,(4) 增大时，工作段静特性变硬； 不变， 减小时，下垂段特性向右平行移动； 不变， 减小时，下垂段特性向左平行移动。,2.3 转速、电流双闭环调速系统稳态分析及计算,图2-9 双闭环直流调速系统的稳态结构框图,1、稳态结构图,如图2-9所示。,存在两种状况： 饱和输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。 不饱和输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，pi 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。,2、稳态特性方程,实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 双闭环直流调速系统的静特性如图所示,（1）转速调节器不饱和,式中， 转速和电流反馈系数。 由第一个关系式可得,从而得到上图静特性的n0a段。,(2-23),静特性的水平特性,与此同时，由于asr不饱和，u*i u*im，从上述第二个关系式可知: id idm。 这就是说， ca段静特性从理想空载状态的 id = 0 一直延续到 id = idm ，而 idm 一般都是大于额定电流 idn 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。,（2） 转速调节器饱和,这时，asr输出达到限幅值u*im ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时,式中，最大电流 idm 是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。,(2-24),静特性的垂直特性,式（2-24）所描述的静特性是上图中的ab段，它是垂直的特性。 这样的下垂特性只适合于 n n0 ，则un u*n ，asr将退出饱和状态。,两个调节器的作用,双闭环调速系统的静特性在负载电流小于idm