双闭环控制的直流调速系统PPT课件

-,1,2.2转速、电流双闭环直流调速系统,双闭环问题的引入双闭环调速系统的稳态结构与稳态参数计算双闭环直流调速系统的动态数学模型与动态性能分析,-,2,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、制动过程（动态性能）未考虑对负载扰动的电流控制问题,*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、制动波形,-,3,理想的启、制动波形,时间最优的理想过渡过程,时间最优的理想过渡过程：在过渡过程中始终保持转矩为允许的最大值，使直流电动机以最大的加速度加、减速，缩短启、制动过程的时间。到达给定转速时，立即让电磁转矩与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。,电机轴上的动力学方程：,总结：控制转速的本质是控制转矩，对于恒磁通的直流电机，就是控制电枢电流。单环系统中转速、电流共用一个调节器，无法保证Id=Idm。,-,4,1、原理图,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。,一、双闭环调速系统的稳态结构与稳态参数计算,ASR-转速调节器ACR-电流调节器TA-电流互感器,-,5,图2-23双闭环直流调速系统的稳态结构框图转速反馈系数电流反馈系数,带限幅的PI调节器：ASR调节器的输出限幅电压决定了电流给定的最大值Uim*；ACR调节器的输出电压Ucm限制了电子电力变换器的最大输出电压Udm。,2、稳态结构,在启、制动过程中，电流闭环起作用，保持电流恒定，缩小系统的过渡过程时间。一旦到达给定转速，转速闭环起主导作用，而电流内环起跟随作用，使实际电流快速跟随给定值（转速调节器的输出），以保持转速恒定。,-,6,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：,3、双闭环调速系统的静特性,问题：如果nn0，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，。,-,7,AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm,n=n0。BC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm,nn0。,双闭环直流调速系统的静特性,ASR不饱和(AB段)：表现出来的静特性是转速双闭环系统的静特性，表现为转速无静差；ASR饱和(BC段)：表现出来的静特性是电流单闭环系统的静特性，表现为电流无静差，电流给定值是转速调节器的限幅值，得到过电流的自动保护。退饱和的条件:若负载电流减小，使得转速上升，ASR反向积分，使得ASR调节器退出饱和又回到线性调节状态。,-,8,反馈系数计算,转速反馈系数,电流反馈系数,-,9,二、双闭环直流调速系统的动态数学模型与动态性能分析,图2-25双闭环直流调速系统的动态结构框图WASR(s)转速调节器的传递函数WACR(s)电流调节器的传递函数,-,10,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Un*时的启动过程。按转速调节器ASR不饱和、饱和、退饱和分成三个阶段：I.电流上升阶段II.恒流升速阶段III.转速调节阶段,由静止状态开始启动时，转速和电流随时间变化的波形,1、动态特性-启动过程分析,-,11,第阶段：电流上升阶段（）,。,电流从0到达最大允许值Idm在t=0时，系统突加阶跃给定信号Un*，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下，Id很快上升，在Id上升到Idl之前，电动机转矩小于负载转矩，转速为零。当IdIdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id=Idm，Ui=U*im。,-,12,第阶段:恒流升速阶段（t1t2）,Id基本保持在Idm,电动机加速到了给定值n*。ASR调节器始终保持在饱和状态，转速环仍相当于开环工作。系统表现为使用PI调节器的电流闭环控制电流调节器的给定值就是ASR调节器的饱和值U*im，基本上保持电流Id=Idm不变电流环的闭环系统是型系统。电流调节系统的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差，而是略低于Idm。,-,13,第阶段：转速调节阶段（t2以后）,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，IdTi，所以要选择调节器零点与控制对象中大的时间常数极点对消,-,56,4、电流调节器的实现,模拟式电流调节器电路,U*i电流给定电压；Id电流负反馈电压；Uc电力电子变换器的控制电压。,图2-25含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器,-,57,二、转速调节器的设计,设计分为以下几个步骤：1.电流环的等效处理2.转速调节器结构的选择3.转速调节器的参数计算4.转速调节器的实现,-,58,二、转速调节器的设计,1、电流环的等效闭环传递函数,电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，其闭环传递函数,忽略高次项，,电流环在转速环中应等效为:,-,59,原来是双惯性环节的电流环控制对象,电流环的改造效果：,电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。,等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节,-,60,2、转速调节器结构的选择,a）用等效环节代替电流环,(首先要进行转速环的动态结构框图简化),b)等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理,-,61,转速调节器的比例系数；,转速调节器的超前时间常数。,c)ASR调节器选择(应采用PI调节器),d)校正后成为典II系统,问题：转速环的抗扰性能指标很重要，选择典II系统。选择PI调节器。典II系统的转速超调量是否会很大？,-,62,3、转速调节器的参数计算(、),回忆典系统参数关系：,Mrmin准则下：,一般以选择,-,63,4、转速调节器的实现,转速调节器参数与电阻、电容值的关系为,图2-49含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器,U*n转速给定电压；n转速负反馈电压；Ui*电流调节器的给定电压。,-,64,三、转速调节器退饱和时转速超调量的计算,如果调节器没有饱和限幅的约束，调速系统可以在很大范围内线性工作，则双闭环系统起动时的转速过渡过程超调量较大。（ASR不饱和）实际上，突加给定电压后，转速调节器ASR很快就进入饱和状态，输出恒定的限幅电压Uim*，使电动机在恒流条件下起动，起动电流IdIdm=Uim*/，而转速则按线性规律增长。起动过程慢。只有当转速上升到给定值时，转速偏差电压变成负值，ASR退出饱和。,知识回忆：,-,65,图：调速系统起动过程,a)ASR不饱和b)ASR饱和,图b说明：ASR开始退饱和时，IdIdL，电动机仍继续加速，直到IdIdl时，转速才降低下来，因此在起动过程中转速必然超调。但是，这已经不是按线性系统规律的超调，而是经历了饱和非线性区域之后的超调，称作“退饱和超调”。退饱和超调量不等于典型II型系统跟随性能指标中的超调量。,-,66,分析线性系统跟随性能时，初始条件为：n(0)=0，Id(0)=0；讨论退饱和超调时，初始条件是：n(0)=n*，Id(0)=Idm。,（1）ASR退饱和后系统的结构框图,（2）计算退饱和超调量的捷径,ASR选用PI调节器时，图a绘成图b。,图a,图b,-,67,稳态转速n*以上的超调部分，即实际转速与给定转速的差值。坐标原点从o移到o，动态结构框图变成图c初始条件则转化为n(0)=0，Id(0)=Idm。,图c,-,68,把n的负反馈作用反映到主通道第一个环节的输出量上来，得图d。为了保持图d和图c各量间的加减关系不变，图d中Id和IdL的+、-号作相应的变化。,图d,比较：讨论典型II型系统抗扰所用的图,-,69,在典II系统抗扰性能指标中，C的基准值Cb和扰动量F,F=Idm-IdL,退饱和转速超调的基准值:,（3）计算退饱和超调量,作为转速超调量n，其基准值应该是n*，退饱和超调量可以由表2-5列出的数据经基准值换算后求得，即,电动机允许的过载倍数，,z负载系数，,-,70,2.4.4设计举例,某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，基本数据如下：直流电动机：额定电压,额定电流,额定转速，电动机电势系数，允许过载倍数；晶闸管装置放大系数：,Ts=0.0017s；,-,71,电枢回路总电阻：；时间常数：，；电流反馈系数：（）；转速反馈系数：()。电流滤波时间常数：Toi=0.002s转速滤波时间常数：Ton=0.01s设计要求：静态指标：无静差动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。,-,72,1.电流环的设计,确定时间常数整流装置滞后时间常数：Ts=0.0017s电流滤波时间常数：Toi=0.002s电流环小时间常数之和：按小时间常数近似处理，Ti=Ts+Toi=0.0037s。,选择电流调节器结构设计要求:,稳态电流无差,可按典型I型系统设计电流调节器，采用PI型电流调节器。,-,73,电流环的设计,ACR的比例系数：,电流环开环增益：,计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：,要求，取,-,74,电流环的设计,满足晶闸管整流装置传递函数的近似条件：,校验近似条件电流环截止频率：,满足忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：,满足电流环小时间常数近似处理条件：,-,75,2转速环的设计,确定时间常数电流环等效时间常数1/KI：已取KITi=0.5，则转速滤波时间常数：转速环小时间常数：按小时间常数近似