第3章 转速闭环控制的直流调速系统.ppt

第三章速度闭环控制直流速度控制系统，第三章目录，3.1静态速度闭环直流速度控制系统(系统结构和静态特性分析，闭环直流速度控制系统的反馈控制规则，稳定性分析)3.2静态速度无闭环直流速度控制系统(比例积分控制规则，稳态参数计算)3.3速度闭环直流速度控制系统的电流限制3.1.1比率控制速度闭环直流速度控制系统的结构和静态特性，速度开环系统控制系统的问题：对负载扰动没有抑制作用，3.1.1比率控制速度闭环直流速度控制系统的结构和静态特性，由基于负反馈、负反馈的“故障检测的纠错”原理组成的系统，输出反馈转发路径形成闭环，因此称为闭环控制系统。 在直流调速系统中调节的量是速度，由用于速度反馈控制的直流调速系统组成。具有图3-1速度负反馈的闭环直流速度控制系统方框图，电压比较链路比例调节器速度测量反馈链接电源电子转换器直流电动机，Kp比例调节器的比例系数，3354速度反馈系数(Vmin/r)，静态特性方程，图3-2速度负反馈闭环直流速度控制系统稳态结构框图，(a)闭环速度控制系统，图3-2速度负反馈闭环直流速度控制系统稳态框图，(b)仅考虑给定的活动闭环系统，图3-2速度负反馈闭环直流速度控制系统稳态结构块开环系统的机械特性和比例控制闭环系统的静态特性的关系开环机械特性表示(3-2)式开环系统理想空载速度，表示开环系统稳态速度下降。比例控制闭环系统的静态特性为(3-3)式，表示闭环系统的理想空载速度，表示闭环系统的稳态速调。速度负反馈闭环直流速度控制系统稳态结构方框图，(1)闭环系统静态特性可以比开环系统机械特性硬得多，在相同负荷扰动下开环系统速度着陆闭环系统的速度着陆它们的关系是(3-4)，(2)闭环系统的静态速度比开环系统大得多(3)如果所需的停车率恒定，闭环系统可以显着提高速度范围，如果电动机的最大速度为nN，最慢停车率为s，那么开环、闭环(3-6)、结论3360比控制的直流调速系统可以获得比开环系统强得多的稳态特性。 也就是说，由于负载引起的速度着陆减少，根据一定停车率的要求，可以获得更宽的速度调节范围。问题：电枢电路的总电阻没有改变，但速度着陆为什么减少了，速度负反馈闭环直流调速系统的稳态结构方框图，图3-3闭环系统的静态特性和开环系统的机械特性之间的关系，闭环系统如何减少负载引起的速度着陆？开环系统IDN示例：图3-3中的工作点在aa 闭环系统idnunununucnud0中工作。例如，图3-3的工作点是，在ab尺度下控制直流调速系统时，稳态速度降低的本质是根据负载的变化适当地改变电枢电压，以补偿电枢电路电阻压降的变化。示例3-1，示例2-2中的惨败要求D=20，s5%，已知Ks=30，=0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，0.2Vmin/r，在：中，开环系统额定速度下降为=275r/min，闭环系统额定速度下降为2.63r/min，放大器的放大系数大于46(3-4)。只有反馈控制律，比例放大器的反馈控制系统，其调节量仍然是静态的。只能使K=成为ncl=0，这是不可能的。k值太大可能会导致系统不稳定。反馈控制系统的作用是抵抗扰动，服从给定的东西。一方面，可以有效地抑制负反馈环路中包含的所有前向通道的扰动。另一方面，如果紧跟着给定的信号，对给定信号的所有变化都是随机的。反馈控制律，图3-4闭环调速系统的给定作用和扰动作用，系统的准确度取决于给定和反馈检测的准确度。反馈控制系统无法确定给定信号的正常调节还是外部电压波动。反馈信道有速度测量反馈系数，也有扰动引起的波动。不能抑制，因为不是由反馈循环包围的正向通道。反馈控制法，问题：可以增加比例调节器的比例系数，从而减少速度着陆，扩大速度调节范围，理论比例系数为无穷大时，系统基本上可以无速度降落，速度调节范围为无穷大，比例系数为无穷大吗？在系统必须稳定的前提下分析系统的静态特性。3.1.4比控制旋转闭环系统的稳定性，2 .速度反馈控制直流调速系统的动态数学模型，建立系统动态数学模型的基本步骤如下。根据系统中每个链路的物理定律，列出描述该链路动态过程的微分方程。查找每个链接的传递函数。配置系统的动态结构框图，找到系统的传递函数。比例放大器的传递函数功率电子转换器的传递函数速度测量反馈的传递函数，(2-33)，(2-42)，(2-43)，(3-5)，图3-5他表示主电路电流连续，动态电压方程式为(3-3-)电枢电路电磁时间常数(s)电拖动系统机电时间常数(s)，清理的(3-13)(3-14)式，负载电流(a)，在零初始条件下，电压和电流之间的传递函数(3-15)电流和电动势之间的传递函数(3-16)，图2-21额定励磁直流电动机的动态结构块(a)电压电流之间的结构块(b)电流扰乱输入量。如果不需要在图表中显示电流，则在移动扰动的和点之前执行等效转换(图2-22)。额定激励下的直流电动机是二次线性链路，时间常数Tm表示机电惯性时间常数Tl表示电磁惯性。(图3-7直流电动机动态结构方框图转换)，图3-8速度反馈控制直流速度控制系统的动态结构方框图，速度反馈控制直流速度控制系统的开环传输功能，(3-19)，表达式，速度反馈控制直流速度控制系统的闭环传输功能，(2) 在案例3-1中，通过三相桥式控制整流电路、已知电枢电路的总电阻、电感3mH、系统动作部分的飞轮转动惯量来测试系统的稳定性。解决方案：电磁时间常数机电时间常数晶闸管装置的延迟时间常数是为了保证系统稳定性必须满足的稳定性条件。闭环系统的动态稳定性和示例3-1的稳态性能要求是矛盾的。，示例3-3，从上述闭环直流速度控制系统切换到完全控制设备的PWM速度控制系统时，电动机保持不变，电枢电路参数为：PWM开关频率为8。根据相同的稳态性能指标，系统是否稳定？如果对停车率的要求是固定的，在保证稳定的时候，系统能达到的最大速度调节范围是多少？解决方案：根据、的不同，稳态性能指标、要求PWM速度调节系统在满足稳态性能指标要求的情况下运行稳定。(请参见示例2-2)、0，集成调节器的输出Uc继续增长；必须达到un=0，Uc才能停止上升。只有当un变为负数时，Uc才会下降。当un=0时，Uc为非零固定值Ucf，在突然负载时，由于Idl的增加，速度n减少， un变为正数，由于集成调节器的作用，Uc上升，电枢电压Ud上升以克服Idl增加的压力降，最终进入新的正常状态。图3-11积分控制非平稳速度控制系统突然负载时的动态过程，积分控制定律和比例控制定律之间的根本区别：比例调节器的输出仅取决于输入偏差量的当前状态，积分调节器的输出包含输入偏差量的整个历史。积分调节器中的稳态时 un=0，只要历史中有 un，该积分就有一定的值，足以产生正常运行所需的控制电压。3.2.2比例积分控制律，比例积分控制器(PI调节器)的输入输出关系为(3-25)式的UinPI调节器的输入，UexPI调节器的输出。传输函数为(3-26)的Kp，PI调节器的比例放大系数，作为积分系数，1=kpa的情况下，PI调节器的传输函数也可以用(3-27)格式编写，表示PI调节器可以使用积分和比例差分两种连接表示。其中1微分项的前置时间常数也是可能的。使用运算放大器实现pi调节器的输入极性和输出极性是相反的；(3-28)式的Rbal是运算放大器的同相输入端的平衡电阻。图3-12 PI(比例积分)调节器结构，PI控制整合了比例控制和积分控制两个法则的优点，克服了各自的缺点。比例部分快速响应控制作用，积分部分最终消除稳态偏差。t=0时，Uex(t)=KpUin，可实现快速控制。Uex(t)根据积分规律增加。t=在t1中，Uin=0。图3-13PI调节器的输入输出特性，在闭环调速系统中使用PI调节器的输出部分Uc与比例部分 un成比例，积分部分表示t=0到此时刻 un (t)的积分值，Uc表示这两部分的和。图3-14闭环系统中PI调节器的输入和输出动态过程，无静态速度的单闭环直流调速系统的稳态参数设计，(3-29)，(3-30)，输出的稳态值与输入无关，但由其后的环确定，以确保输入为零。3.3速度反馈控制直流速度控制系统的电流限制保护，3.3.1速度反馈控制直流速度控制系统的过流问题速度反馈控制在直流速度控制系统中指定的电压突然添加时，电枢电压立即达到最大值，因此电动机的情况相当于总压力开始，可能会发生电动机过流。直流电动机切断时，电流远远超过允许值。仅依赖过流继电器或保险丝进行保护时，如果发生过载，就会跳闸。系统必须具有自动限制电枢电流的链接。可以引入电流负反馈，使其不超过允许值。但是，此功能应仅在启动和关闭时存在，并在正常运行时再次取消。只有在电流达到一定程度时才会出现的电流负反馈称为电流阻断负反馈。具有3.3.2电流切断负反馈环的直流速度控制系统，图3-16电流切断负反馈链路(a)使用独立直流电源作为比较电压(b)用稳定管生成比较电压，1 .电流阻断负反馈链路，连接到电动机电枢电路的小电阻电阻电阻Rs中的电流反馈信号与电流成比例。图3-16(a)中的各个直流电源用作比较电压Ucom，大小可以添加到放大器中，调整电位器，在IdRc和Ucom之间连接二极管VD，IdRcUcom的二极管传导，电流负反馈信号Ui。IdRcUcom上的二极管关闭，Ui消失。图3-16(b)中，使用稳定管VST的击穿电压Ubr作为比较电压Ucom。截止电流Idcr=Ucom/Rs，输入信号IdRc-Ucom0时输出Ui=IdRc-Ucom，IdRc-Ucom0时输出Ui=0。图3-17电流截止负反馈连接的输入和输出特性，图3-18电流截止负反馈的闭环直流速度控制系统的稳态框图，2。具有电流截止负反馈率的闭环直流速度控制系统的稳态方框图和静态特性，IdIdcr关闭时电流负反馈被切断，静态特性与速度负反馈速度控制系统的静态特性相同(3-32) IdIdcr后，电流负反馈、静态特性(3-33)比较电压要求理想的空载速度为(3-34)、n=0、截止电流Iabl、(3-35)常规KpKsRsR，因此(3-36)Iabl必须小于电动机允许的最大电流，通常为IablIdcr=(1.1至1.2)IN，3。具有电流阻塞功能的静态直流速度控制系统；图3-20没有静态直流速度控制系统；检测TA电流的交流变压器；整流后的电流反馈信号Ui。当电流达到截止电流Idcr时，如果Ui高于稳定管VS的击穿电压，则PI调节器的输出电压Uc达到了限制电流的目的，如果忽略晶体管VBT传导、晶体晶体管VBT传导压降，则PI调节器的输出电压Uc为0，电力电子转换器UPE的输出电压Ud=0。3.4速度反馈控制直流速度控制系统仿真，简要介绍了MATLAB/SIMULINK仿真平台中速度闭环控制速度控制系统仿真平台构建仿真分析系统操作过程。3.4.1速度闭环直流速度控制系统仿真平台，直流电动机：型号Z4-132-1，额定电压400V，额定电流52.2A，额定速度2610r/min，反电动势系数=0.1459Vmin/r，PWM转换器切换频率：8KHz，放大系数：=107.5；(538/5=107.5)电枢电路的总电阻：时间常数：电枢电路电磁时间常数=0.0144s，电力牵引系统机电时间常数=0.18s速度反馈系数；对应于额定速度下给定的电压。，图3-21比例积分控制的直流调速系统的模拟方块图，3.4.2模拟模型的建立，图3-22SIMULINK模块浏览器窗口，进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏上的SIMULINK图标或SIMULINK单击SIMULINK工具栏上新模型的图标，或选择FileNewModel菜单项来执行此操作。(2)复制相关模块：双击打开所