6第六讲(无静差调速系统).ppt

成功 自信 意志力 积极心目标 希望 热情成功 想象 潜能 努力成功取决于信念 态度 目标 潜意识和习惯 美国成功学之父 拿破仑 希尔 1 1 3比例积分控制规律和无静差调速系统 第一章单闭环直流调速系统 一 系统无静差的实现二 积分调节器及其特点三 比例积分调节器四 采用比例积分调节器的单闭环无静差调速系统 组成 稳态分析 动态抗扰调节过程的分析 2 要求 一 理解比例积分调节器的工作原理及其特点二 掌握单闭环无静差调速系统的组成原理及其稳态分析方法三 掌握闭环系统动态抗扰调节过程的分析方法作业 3 一 问题的提出 采用比例 P 调节器的有静差调速系统 Kp越大 系统精度越高 但Kp过大 将降低系统稳定性 使系统动态不稳定 静差产生的原因 由于采用比例调节器 转速调节器的输出为Uc Kp Un Un 0 Uc 0 电动机运行 Un 0 Uc 0 电动机停止 因此 采用比例调节器控制的系统是依靠输入偏差运行的 是有静差系统 如何消除系统稳态误差 4 系统无静差 当系统达稳态时 调节器的输入偏差为零 系统的被调量等于给定量 实现系统无静差的方法 在系统中引入积分控制规律 如用积分调节器或比例积分调节器代替比例调节器即可实现无静差 二 系统无静差 Steady statedeviation 的实现 5 三 积分调节器和积分控制规律 1 积分调节器 IntegralRegulator C Uo Rbal Uin R0 A i i 6 Uo Uin Uom t Uin Uo O a 阶跃输入时的输出特性 L dB O L 20dB 1 O 2 b Bode图 积分调节器 2 积分调节器的特性 7 Uo Uin Uom t Uin Uo O 阶跃输入时的输出特性 3 积分调节器的特点 延缓作用 当输入信号突变时 输出不能突变 而是逐渐积分线性渐增 积累作用 只要输入信号不为零 积分就会进行 记忆作用 其输出始终保持在输入信号为零时那个瞬间的值不变 正是利用后两个特点来消除系统静差 8 3 积分调节器的传递函数 积分调节器的传递函数为 9 问题1 引入积分控制规律后系统是如何实现无静差的呢 只有当调节器的输入偏差为零时 系统才能达稳态 采用积分控制的系统只有动态偏差而无稳态偏差 10 只要出现过 Un 0 其输出就不会为零 当 Un 0时 Uc 0 而是保持某定值不变 系统维持恒速运行 4 转速的积分控制规律 11 图1 45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 输入和输出动态过程 12 分析结果 采用积分调节器 当转速在稳态时达到与给定转速一致 系统仍有控制信号 保持系统稳定运行 实现无静差调速 13 当负载转矩由TL1突增到TL2时 有静差调速系统的转速n 偏差电压 Un和控制电压Uc的变化过程示于右图 5 比例与积分控制的比较 比例控制的有静差调速系统突加负载的动态抗扰过程 14 积分控制规律和比例控制规律的根本区别在于 只要历史上有过 Un 即使现在 Un 0 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 积分控制的无静差调速系统突加负载时的动态抗扰过程 15 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状 而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史 结论 16 积分控制的缺点 由于积分过程需要一定时间 控制电压Uc的值只能逐渐增长 使系统动态响应变慢 尤其当 较大时 控制电压Uc增长更慢 会使系统动态响应变得很慢 因此 积分控制不宜单独应用于快速调节系统中 17 Uo 比例积分 PI 调节器 i0 i1 四 比例积分 PI 调节器 Proportional IntegralRegulator 1 PI的输入输出关系 18 2 PI调节器的传递函数 当初始条件为零时 通过拉氏变换得PI调节器的传递函数 19 3 PI调节器输入输出特性 Uex Uin Uexm t Uin Uex O KpiUin O t O t Uc Uc Un 1 2 1 2 b 一般输入时 a 阶跃输入时 20 突加输入信号时 由于电容C1两端电压不能突变 相当于两端瞬间短路 在运算放大器反馈回路中只剩下电阻R1 电路等效于一个放大系数为Kpi的比例调节器 在输出端立即呈现电压KpiUin 实现快速控制 发挥了比例控制的长处 此后 随着电容C1被充电 输出电压Uo开始积分 其数值不断增长 直到稳态 稳态时 C1两端电压等于Uo R1已不起作用 又和积分调节器一样了 这时又能发挥积分控制的优点 实现了稳态无静差 21 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 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 PI调节器还是提高系统稳定性的校正装置 因此 在调速系统和其它控制系统中获得了广泛的应用 22 四 采用PI的单闭环无静差调速系统1 系统组成 a 无静差直流调速系统示例 23 1 系统组成 RP2 n RP1 Un R0 R0 Rbal Uc VBT VS Ufi1 TA Id R1 C1 Un Ud b 无静差直流调速系统示例 UPE 交流互感器 24 2 工作原理 图b 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 当电流超过截止电流时 高于稳压管VS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 25 由于机械惯性和静摩擦阻力矩作用 电动机转速n不能立即建立起来 此时 Un Un PI调节器的比例输出Ucp Kp Un达最大值 而积分输出Uci Unt 很小 随着Uc的增长 转速n上升 Un增大 致使 Un逐渐减小 当 Un 0时 Uc稳定在某值以维持电动机恒速运行 其输入输出动态特性如右图所示 1 当突加阶跃信号Un起动时 26 结论 在系统起动过程中 PI调节器输出的比例控制作用Ucp由强变弱 对系统起动过程有强烈作用 促使系统响应加速 其积分控制作用Uci则由弱到强 最终消除静差 而Uc是Ucp与Uci之和 它既具有快速性 又足以消除调速系统的静差 27 2 系统的抗扰调节过程 板书其调节过程 1 PIR的比例控制作用 Ucp Kpi Un 2 PIR的积分控制作用 28 结论在调节过程的初 中期 比例控制起主要作用 保证了系统的快速响应 在调节过程后期 积分控制起主要作用 并依靠它最后消除静差 29 问题4 无静差调速系统能否实现转速动态无静差 无静差调速系统只是在稳态时转速无静差 而在动态调节过程中转速是有静差的 30 3 稳态结构与静特性 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数表示 一般画出它的输出特性 以表明是比例积分作用 无静差直流调速系统稳态结构框图 Id Idcr Un Uc Un IdR E n Ud Un 31 稳态结构与静特性 续 无静差系统的理想静特性如右图所示 当IdIdcr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 O Id Idcr n1 n2 nmax n 带电流截止的无静差直流调速系统的静特性 32 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 数值最大 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 33 4 稳态参数计算 在理想情况下 稳态时 Un 0 因而Un Un 转速反馈系数 34 PI调节器的参数Kpi和 可按动态校正的要求计算 电流反馈系数 35 Uin R0 Rbal R1 C1 R 1 A Uex 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R1C1两端再并接