双闭环直流调速系统

Wearecoming 双闭环调速控制系统 1双闭环问题的引入2转速 电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性3双闭环直流调速系统的动态数学模型和动态性能分析4调节器的工程设计方法5双闭环调速系统的设计 考虑转速单闭环调速系统的局限性 仅考虑了静态性能 没考虑启动过程 动态性能 知识回顾 转速闭环 P 开环 加电流截至负反馈 转速无静差系统 PI 特性太软 堵转电流过大 系统有静差 启动波形 启动波形 启动品质有谁决定 电机轴上的动力学方程 如何获得最佳启动波形 充分利用电机过载能力 Id Idm 总结 控制转速的本质是控制转矩 对于直流电机 就是控制电枢电流 要实现电机的快速起动 必须在启动过程中保持电枢电流最大 单环系统中转速 电流共用一个调节器 无法保证Id Idm 转速 电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 转速 电流双闭环的优势 将电流 转速调节器分开 分别用两个调节器 转速环为外环 转速环的输出作为电流环的给定 ASR的输出电压Ui 是ACR的电流给定信号 其限幅值Uim为最大电流给定值 ASR的限幅值完全取决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速度的需要 ACR的输出电压限幅值Ucm 表示对最小角的限制 也表示对晶闸管整流输出电压的限制 调节器输出限幅 当调节器ASR不饱和时 ASR ACR均不饱和 其输入偏差电压均为零 转速不变 满足 双闭环调速系统的稳态结构框图 问题 如果n n0 ASR如何变化 对于静特性来说 有两种情况 稳态时 当调节器ASR饱和时 ASR输出达到限幅值 转速外环呈开环状态 电流不变 双闭环调速系统的静特性 ASR不饱和 CA段 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差 转速负反馈起主要调节作用 ASR饱和 AB段 当负载电流达到Idm时 对应于转速调节器的饱和输出Uim 这时 电流调节器起主要调节作用 系统表现为电流无静差 得到过电流的自动保护 比较 电流截止负反馈 ASR不饱和 CA段 ASR饱和 AB段 启动方向 cf 带电流截至 转速负反馈无静差直流调速系统的静特性 Idcr和IdbL均小于Idm 稳态时 两个调节器均不饱和 输入偏差为零 偏差的积分使调节器有恒定的电压输出 输出没有达到饱和值 双环系统稳态参数计算 ASR饱和时 U i U im 反馈系数 PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分 到达稳态时 输入为零 输出的稳态值与输入无关 而是由它后面环节的需要决定的 稳态时 P调节器的输出量总是正比于其输入量 而PI调节器未饱和时 其输出量的稳态值是输入的积分 最终使PI调节器输入为零 才停止积分 ACR的输出 ASR的输出 双环系统PI调节器的特点 双闭环调速系统中已知数据为 电动机 UN 220v IN 20A nN 1000r min 电枢回路总电阻R 1 设Unm Uim Ucm 10V 电枢回路最大电流Idm 40A Ks 40 ASR与ACR均采用PI调节器 试求 1 电流反馈系数 和转速反馈系数 2 当电动机在最高转速发生堵转时的Ud Ui Ui和Uc值 双闭环调速系统中 转速调节器和电流调节器的输出限幅值分别应按什么要求整定 2 2 1双闭环直流调速系统的动态结构图 讨论 分析限幅输出的PI调节器的动态响应 ASR ACR 2 2双闭环直流调速系统的动态数学模型和动态性能分析 具有限幅输出的PI调节器的动态响应 分三种情况分析PI调节器的动态响应 1 偏差信号 U是阶跃信号时 2 偏差信号 U最初为突加 然后随着输出Uout的增长而缓慢降低时 3 偏差信号 U最初为突加 然后随着输出Uout的迅速增长而急剧下降时 采用一个PI调节器的调速系统动态结构图 对调速系统而言 Uin为恒值 PI调节器输出Uc 由比例部分Ucp和积分部分Uci组成 即 图 a 偏差信号 U是阶跃信号图 b 偏差信号 U最初为突加 然后随着输出Uout的增长而缓慢降低时被控对象的惯性时间常数远大于调节器的积分时间常数 系统的输出Uout缓慢上升 U缓慢下降 Uc的比例部分Ucp随着 U的下降而下降 Uc的积分部分Uci会因 U衰减慢 积累时间长而不断增大 Uc在 U衰减到零以前达限幅值 图 c 偏差信号 U最初为突加 然后随着输出Uout的迅速增长而急剧下降时被控对象的时间常数较小 U因Uout的迅速增长而急剧下降 Ucp衰减很快 Uci仍使Uc增长 但 U衰减过快 U下降至零时Uc未达限幅值Ucm 此时调节器不饱和 Uc Uci Ucm 结论 PI调节器一旦饱和 只有当 U极性变反 才有可能使调节器退出饱和而进人线性工作状态 因此 只要调节器饱和 系统的输出Uout就必然超调 若被控对象W s 中含有积分环节 则不论调节器是否饱和 系统输出Uout也一定会超调 由于W s 中含有积分环节 若Uc不等于零 则Uout将一直积累下去 只有当Uc 0时 Uout才可能达稳态值 U改变极性 才能把调节器输出Uc拉回到零 因此 即使调节器不饱和 系统输出Uout也会超调 设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想启动过程 因此首先讨论双闭环调速系统突加给定电压U时的启动过程 在启动过程中 转速调节器ASR将经历不饱和 饱和 退饱和三个阶段 因此整个启动过程分为三个阶段 由静止状态开始启动时 转速和电流随时间变化的波形 对比 理想的起动过程 带电流截止负反馈的单闭环无静差调速系统起动过程和双闭环调速系统起动过程 动态特性 启动过程分析 第I阶段 0 t1 由静止状态开始启动时 转速和电流随时间变化的波形 第I阶段是电流上升阶段 由于转速变化慢 转速调节器很快饱和 饱和时转速环相当于开环 ASR输出限幅值 突加给定电压Un 后 Uc Udo Id都上升 在Id没有达到负载电流IdL以前 电机还不能转动 当Id IdL后 电机开始起动 ASR的输入偏差电压的数值仍较大 其输出电压保持限幅值 强迫电流Id迅速上升 直到Id Idm Ui Ui 电流调节器很快就压制了Id的增长 这一阶段结束 在这一阶段 ASR很快进入并保持饱和状态 而ACR不饱和 以确保电流环的调节作用 由静止状态开始启动时 转速和电流随时间变化的波形 第II阶段是恒流升速阶段 电机在最大电流Uin 下的电流调节系统 基本上保持电流恒定 加速度恒定 转速呈线性增长 电机的反电动势E也按线性增长 对电流调节系统来说 E是一个线性渐增的扰动量 为了克服它的扰动 Udo和Uc也必须基本上按线性增长 才能保持恒定 ACR采用PI调节器 Id应略低于Idm ASR饱和 转速环相当于开环 ACR不能饱和 保证电流环的恒流调节作用 恒流调节过程一直伴随着对反电势扰动的调节过程 第II阶段 t1 t2 第III阶段 t2以后 由静止状态开始启动时 转速和电流随时间变化的波形 第 阶段是转速调节阶段 当电机转速上升到大于给定转速时 ASR退饱和 转速超调后 ASR输入偏差电压变负 开始退出饱和状态 Ui 和Id很快下降 只要Id仍大于负载电流IdL 转速就继续上升 直到Id IdL时 转矩Te TL 则dn dt 0 转速n到达峰值 此后 电动机开始在负载的阻力下减速 Id IdL 直到稳定 ASR ACR都不饱和 同时起调节作用 ASR处于主导地位 它使转速迅速趋于给定值 并使系统稳定 ACR的作用是使Id尽快地跟随ASR的输出Ui变化 是一个电流随动子系统 1 启动过程具有三个特点 饱和非线性控制不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这种系统 可以用分段线性化方法来处理 同时 分析过渡过程时 还应注意初始状态转速一定有超调只有转速超调 才能使 ASR退出饱和 若工艺上不允许转速超调 则应在ASR中引入转速微分负反馈 这样 不仅可以抑制或消灭转速超调 而且可以大大降低动态速降 准时间最优控制 2 2 4两个调节器的作用 1 转速调节器的作用 转速调节器是调速系统的主导调节器 它使转速n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PI调节器 则可实现无静差 对负载变化起抗扰作用 其输出限幅值决定电机允许的最大电流 2 电流调节器的作用 在外环转速的调节过程中 它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压变化 对电网电压的波动起及时抗扰的作用 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 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 一旦故障消失 系统立即自动恢复正常 这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的 控制系统的动态性能指标 跟随性能指标 上升时间 超调量 调节时间抗扰性能指标通常 调速系统的动态指标以抗扰性能为主 而随动系统的动态指标以跟随性能为主 1 动态降落 Cmax 系统稳定运行时 由阶跃扰动所引起的输出量最大降落值 Cmax 用输出量原稳态值C 的百分数来表示