电机及电力拖动自动控制系统第6章直流电动机调速控制系统

第6章直流电动机调速控制系统,主要内容,直流调速系统的组成及数学模型调速系统的控制要求和开环直流调速系统转速负反馈单闭环直流调速系统转速电流负反馈双闭环直流调速系统调节器的工程设计方法转速电流双闭环直流调速系统的设计,5.1直流调速系统的组成及数学模型,控制电压用来控制可控直流电源的输出直流电压，从而调节电动机转速。开环调速系统往往不能满足生产机械的性能要求。为了提高系统的各项调速性能指标，需要引入反馈控制，最常用的反馈变量是转速和电枢电流，分别由转速检测装置和电流检测装置得到反馈信号作用到反馈控制器，自动调节控制电压，使输出转速的性能满足要求。,5.1.1直流调速系统的组成,上世纪中期之前，可控直流电源主要是由一台交流电动机驱动一台直流发电机，通过改变直流发电机的励磁电流来控制直流发电机的输出电压。从60年代开始晶闸管控制的相控整流电源逐渐取代了旋转变流机组。随着全控型电力电子开关器件的进步，直流脉宽调制PWM变换电源发展很快，但在大功率及超大功率(兆瓦以上)直流调速范围内，相控整流电源是不可替代的。在要求快速响应的直流调速场合，特别在中、小容量的系统中，PWM变换电源已取代VM系统成为主要的直流调速方式。,5.1.2可控直流电源,相控整流电源PWM变换电源,1、相控整流电源,1957年晶闸管（SCR）问世，它是一种大功率半导体可控整流元件，简称“可控硅”，20世纪60年代起就已生产出成套的晶闸管整流装置，变流技术出现了根本性的变革。,单相半波可控整流带电阻性负载,单相桥式全控整流电阻性负载,（1）单相可控整流电路,（2）三相可控整流电路,三相半波不可控整流电路,三相半波可控整流电路,a=0a=30a=60,三相桥式全控整流电路,a=0,V-M系统工作原理,晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。,晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）,V-M系统的特点,与G-M系统相比较：晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。,V-M系统的问题,由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。,直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形,（1）脉宽调制（直流斩波器）的基本结构,2、脉宽调制（PWM）变换电源,（2）斩波器的基本控制原理,电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等.采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-PulseWidthModulation）。,PWM系统的优点,（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,小结,三种可控直流电源，V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。,5.1.3直流调速系统及数学模型,VT是晶闸管可控整流器，它可以是任意一种整流电路，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而改变整流输出电压平均值，实现电动机的平滑调速。晶闸管整流在经济性和可靠性上有很大提高，技术性能上更有很大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数大约在104以上，控制功率小，有利于微电子技术引入到强电领域，在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系统的动态性能。,1.相控整流电动机（V-M）系统,(1)等效电路分析,V-M系统主电路的等效电路图,瞬时电压平衡方程,R=Rrec+Ra+RL,整流电压的平均值计算全控整流电路，电流波形连续时,*U2是整流变压器二次侧额定相电压的有效值,1）可控直流电源的数学模型,（2）电流脉动及其波形的连续与断续,V-M系统主电路的输出,（3）抑制电流脉动的措施,脉动电流的影响会产生脉动的转矩，对生产机械不利，谐波分量大，对电网不利，同时增加电机的发热。抑制电流脉动的措施：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。,（4）晶闸管-电动机系统的机械特性,只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。,Ce=KeCe额定磁通下电动势系数,V-M系统机械特性,电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程复杂得多.,当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。,放大系数的计算,晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定.,2）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,放大系数估算,触发电路控制电压调节范围为Uc=010V相对应的整流电压的变化范围Ud=0220V可取Ks=220/10=22,（1）晶闸管触发与整流失控时间分析,（3）Ts值的选取,Ts可取其统计平均值Ts=Tsmax/2，并认为是常数。或按最严重的情况考虑，取Ts=Tsmax。,表1各种整流电路的失控时间（f=50Hz）,（2）最大失控时间计算,传递函数,（4）传递函数的求取,（5）近似传递函数,Ts很小，可忽略高次项，得,（6）晶闸管触发与整流装置动态结构,PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。,2直流PWM变换器电动机系统,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,3,2,A,B,4,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,桥式可逆PWM变换器,（1）桥式可逆PWM变换器-H形主电路结构,输出平均电压,(=21),调速范围的可调范围为01，10.5时，为正，电机正转；当4Tl，则Ud0、n间的传递函数可以分解成两个惯性环节，突加给定时，转速呈现单调变化；若Tm4Tl，则直流电动机是一个二阶振荡环节，机械和电磁能量互相转换，使电动机的运动过程带有振荡的性质。,4.直流电动机调压调速系统,控制电压uc控制直流电源的输出电压，从而调节电动机的转速，实现调压调速.,1.控制要求,（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（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。,5.2.1转速控制的要求和调速指标,5.2调速系统的要求及开环系统的问题,虽然开环调速系统能实现一定范围内的无级调速，可以适于某些用途。但是，许多生产场合常常对静差率有一定的要求，此时开环调速系统往往不能满足要求。,5.2.2开环调速系统及其存在的问题,例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是为了保证工件表面的加工精度和加工后的表面光洁度，就要求加工过程中的速度基本稳定，也就是说静差率不能太大，一般要求，调速范围D=2040，静差率s5%。又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材的拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围D=310，静差率s0.20.5%。,下面通过实例来研究开环系统的静态和动态特性。,例5-1某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW、440V、140A、1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18，电动机电动势系数Ce=0.416。采用三相全控桥整流供电的VM系统结构，电枢回路总电阻R=0.25，电枢回路总电感L=5mH。如果要求调速范围D=20，静差率5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？,解当电流连续时，V-M系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为这已超过了5%的要求,显然最低速时的静差率更大了。,1.静态特性分析,如果要求D=20，s5%，则而开环调速系统的额定速降是84.13r/min，而生产工艺要求却只有2.63r/min，相差很多！由此开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。,在启动或大范围阶跃升速时，动态电枢电流可能远远超过电机额定电流，因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。开环系统对于负载扰动是有静差的，必须采用闭环反馈控制消除扰动静差。,5.开环直流调速系统的局限性,通过控制可调直流电源的输入信号uc，可以连续调节直流电动机的电枢电压Ud，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，存在以下问题：,1.单闭环调速系统的组成,5.3转速负反馈单闭环直流调速系统,5.3.1单闭环调速系统的组成及静特性,调速系统的稳态结构图,根据自动控制原理，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。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。,2、闭环静特性与开环机械特性的比较,断开反馈回路，系统的开环机械特性,闭环时的静特性,特性比较,（1）闭环系统静硬得多,（2）闭环系统的静差率要小得多。,（3）闭环系统调速范围大,（4）闭环系统必须设置放大器,结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。,例5-2某龙门刨床工作台的拖动直流电动机额定数据为：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18，电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r，转速反馈系数=0.015Vmin/r。整流装置放大系数Ks=30，要求D=20，s5%，如何采用闭环系统满足此要求？,解：当电流连续时，V-M系统的额定速降为,而为了满足D=20，s5%的调速要求，则,，,放大器的放大倍数为,开环放大倍数为,只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所需的稳态性能指标。,稳态分析条件,假定:（1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段；（2）忽略控制电源和电位器的内阻。,稳态关系,电压比较环节,放大器,电力电子变换器,开环机械特性,测速反馈环节,转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式,3、闭环系统的静特性,式中,闭环系统静特性和开环机械特性的关系,闭环系统的稳态结构框图,3、闭环系统的静特性,闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。,4、反馈控制规律,转速反馈闭环调速系统具三个基本特征（1）只用比例放大器的反馈控制作用，被调量有静差。（2）反馈控制系统的作用：抵抗扰动，服从给定。（3）只用比例放大器的反馈控制作用，被调量有静差。,调速系统的扰动源,负载变化的扰动（使Id变化）；交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；电动机励磁的变化的扰动（造成Ce变化）；放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）；温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；检测误差的扰动（使变化）。各种扰动作用在稳态结构框图上表示出来，这些因素最终都要影响到转速。,（1）抗扰能力,反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能例如：UsUd0nUnUnnUd0Uc但是，在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。例如UnUnUcUd0n因此，反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。,（2）给定作用在反馈环外的给定作用，如转速给定信号，它的些微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。,（3）系统的精度依赖于给定和反馈检测精度给定精度由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。检测精度反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。,结论反馈控制系统的规律是：抵抗扰动，服从给定一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。,稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定了控制系统的基本构成环节，有了基本环节组成系统之后，再通过动态参数设计，就可使系统臻于完善。近代自动控制系统的控制器主要是模拟电子控制和数字电子控制，由于数字控制的明显优点，在实际应用中数字控制系统已占主要地位，但从物理概念和设计方法上看，模拟控制仍是基础。,5.3.2直流闭环调速系统稳态参数的计算,系统稳态参数计算,电动机：额定数据10kW，220V，55A，1000r/min,电枢电阻Ra=0.5；晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压U2l=230V，电压放大系数Ks=44；V-M系统电枢回路总电阻：R=1.0；测速发电机：永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min；直流稳压电源：15V。若生产机械要求调速范围D=10，静差率5%，试计算调速系统的稳态参数（暂不考虑电动机的起动问题）。,例5-3,解（1）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为=5.26r/min（2）求闭环系统应有的开环放大系数先计算电动机的电动势系数：,=Vmin/r=0.1925Vmin/r,则开环系统额定速降为闭环系统的开环放大系数应为,r/min=285.7r/min,（3）计算转速反馈环节的反馈系数和参数转速反馈系数包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器的分压系数2，即=2Cetg根据测速发电机的额定数据，先试取2=0.2，再检验是否合适。现假定测速发电机与主电动机直接联接，则在电动机最高转速1000r/min时,转速反馈电压为V=11.58V稳态时Un很小，U*n只要略大于Un即可，现有直流稳压电源为15V，完全能够满足给定电压的需要。因此，取2=0.2是正确的。,于是，转速反馈系数的计算结果是=0.01158Vmin/r,（4）计算运算放大器的放大系数和参数根据调速指标要求，前已求出，闭环系统的开环放大系数应为K53.3，则运算放大器的放大系数Kp应为实取=21。根据所用运算放大器的型号，取R0=40k，则,内容提要,反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件动态校正PI调节器的设计系统设计举例与参数计算,5.3.3单闭环调速系统的动态分析,前面讨论了闭环调速系统的稳态性能及其分析与设计方法，引入转速负反馈，且放大系数足够大时就可以满足系统的稳态性能要求。但是放大系数太大又会引起系统不稳定，这就需要增加动态校正装置，才能保证系统正常工作，此外还须满足系统的各项动态性能指标的要求。因此必须进一步分析系统的动态性能。,调速系统的开环传递函数,K=KpKs/Ce,1.转速负反馈调速系统的动态结构图,闭环传递函数,5.3.3单闭环调速系统的动态分析,2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为,整理后得,当KKcr时，系统将不稳定。稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。,电动机：额定数据10kW，220V，55A，1000r/min,Ra=0.5；晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压U2l=230V，电压放大系数Ks=44；V-M系统电枢回路总电阻：R=1.0；Ce=0.1925Vmin/r，系统运动部分的飞轮惯量GD2=10Nm2。根据稳态性能指标D=10，s0.05计算，系统的开环放大系数应有K53.3，试判别这个系统的稳定性。,系统稳定性分析,例题5-4,平波电抗器的设置与计算,单相桥式全控整流电路三相半波整流电路三相桥式整流电路,例题5-4在例题5-4中，已知R=1.0，Ks=44，Ce=0.1925Vmin/r，系统运动部分的飞轮惯量GD2=10Nm2。根据稳态性能指标D=10，s0.05计算，系统的开环放大系数应有K53.3，试判别这个系统的稳定性。,系统稳定性分析,解首先应确定主电路的电感值，用以计算电磁时间常数。对于V-M系统，为了使主电路电流连续，应设置平波电抗器。前边例题给出的是三相桥式可控整流电路，为了保证最小电流时电流仍能连续，应采用式,计算电枢回路总电感量，即,取=17mH=0.017H,计算系统中各环节的时间常数：电磁时间常数机电时间常数对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为Ts=0.00167s,为保证系统稳定，开环放大系数应满足式（1-59）的稳定条件按稳态调速性能指标要求K53.3，因此，闭环系统是不稳定的。,例5-5在上例5-4的闭环直流调速系统中，如果改用IGBT脉宽调速系统，电动机不变，电枢回路参数为：R=0.6，L=5mH，Ks=44，Ts=0.1ms（开关频率为10kHz）。按同样的稳态性能指标D=10，s5%，该系统能否稳定？,，,按照稳态性能指标要求，闭环系统稳态速降应为ncl5.26r/min，而脉宽调速系统的开环额定转速降为：,为保持稳态性能指标，闭环系统的开环放大系数应满足,显然，系统完全能在满足稳态性能的条件下稳定运行。,解：采用脉宽调速系统时，各环节时间常数为,例5-6上例5-5中的闭环脉宽调速系统在临界稳定的条件下，如果静差率指标不变，最多能达到多大的调速范围？,闭环系统的调速范围最多能够达到,比较这三个例题，可以看出，由于IGBT的开关频率高，PWM装置的滞后时间常数Ts非常小，同时主电路不需要串接平波电抗器，电磁时间常数Tl也不大，因此闭环的脉宽调速系统容易稳定。或者说，在保证稳定的条件下，脉宽调速系统的稳态性能指标可以大大提高。,解：根据上例计算结果，系统保证稳定的条件是K49.4，临界稳定时K=49.4，系统开环额定速降为nop=171.4r/min。此时闭环系统的稳态速降可达,将比原来的调速范围D=10高得多。,主要内容,积分调节器和积分控制规律比例积分控制规律无静差直流调速系统及其稳态参数计算系统设计举例与参数计算,5.4无静差调速系统和积分控制规律,采用比例（P）放大器控制的有静差的调速系统，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。进一步分析静差产生的原因，由于采用比例调节器，转速调节器的输出为Uc=KpUn。Uc0，电动机运行，即Un0；Uc=0，电动机停止。因此，在采用比例调节器控制的自动系统中，输入偏差是维系系统运行的基础，必然要产生静差，因此是有静差系统。如果要消除系统误差，必须寻找其他控制方法，比如：采用积分调节器或比例积分（PI）调节器来代替比例放大器。,5.4.1比例（P）放大器,5.4.2积分调节器和积分控制规律,1.积分调节器,当初始值为零，阶跃输入作用下，输出,积分调节器的传递函数,转速的积分控制规律,输入和输出动态过程,若初值不是零，,由上图b可见，在动态过程中，当Un变化时，只要其极性不变，即只要仍是Un*Un，积分调节器的输出Uc便一直增长；只有达到Un*=Un，Un=0时，Uc才停止上升；不到Un变负，Uc不会下降。在这里，特别强调的是，当Un=0时，Uc并不是零，而是一个终值Ucf；如果Un不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点。,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。,2比例积分控制规律,从无静差的角度突出地表明了积分控制优于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。,两种调节器特性比较,既要稳态精度高，又要动态响应快，该怎么办呢？把比例和积分两种控制结合起来，这便是比例积分控制。,（1）PI调节器,在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现PI调节器。,Uex,（2）PI输入输出关系,（3）传递函数,令，则传递函数也可以写成如下,（4）PI调节器输出时间特性,PI调节器输出特性曲线,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。,5.4.3无静差直流调速系统及其稳态参数计算,1.系统组成,工作原理,无静差直流调速系统，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。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。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VT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。,无静差直流调速系统稳态结构图（IdR，因此,（4）电流截止负反馈环节参数设计,Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取Idbl=（1.52）IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取Idcr（1.11.2）IN,5.6转速电流双闭环直流调速系统,一、问题的提出采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。,1.主要原因,单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值Idcr以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。,5.6.1双闭环调速系统的组成及静特性,2.理想的起动过程,b)理想的快速起动过程,IdL,n,Idm,a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统,直流调速系统起动过程的电流和转速波形,IdL,n,Idm,Idcr,3.解决思路,为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。实现控制：稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。如何才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？采用转速电流双闭环调速系统。,转速、电流双闭环直流调速系统结构,二、系统的组成,ASR转速调节器ACR电流调节器TG测速发电机TA电流互感器UPE电力电子变换器,内环,外环,系统电路结构,两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。,1.系统稳态结构图,三、稳态结构图和静特性,2.限幅作用,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。,3.系统静特性,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。,（1）转速调节器不饱和,(静特性的CA段),ASR不饱和，U*iU*im，从第二个关系式可知:IdU*n，ASR将退出饱和状态。,4.两个调节器的作用,双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，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。,四、各变量的稳态工作点和稳态参数计算,双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系,表明：在稳态工作点上，转速n是由给定电压U*n决定的；ASR的输出量U*i是由负载电流IdL决定的；控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于U*n和IdL。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。,五、反馈系数计算,双闭环调速系统的稳态参数计算与无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：,转速反馈系数,电流反馈系数,两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定，设计原则：U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；U*im为ASR的输出限幅值。,1.系统动态结构,5.6.2双闭环调速系统的动态数学模型,2.数学模型,WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有,5.6.3起动过程分析,设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，首先探讨它的起动过程。闭环直流调速系统突加给定电压U*n,由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图。,双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形,1.起动过程,由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个段。,第I阶段:电流上升的阶段（0t1）,直到，Id=Idm，Ui=U*im电流调节器很快就压制了Id的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。,突加给定电压U*n后，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电机还不能转动。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，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U*im，强迫电流Id迅速上升。,第II阶段恒流升速阶段（t1t2）,第II阶段恒流升速阶段（t1t2）,在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，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，Ud0和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中ACR是不应饱和的，电力电子装置UPE的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。,第阶段:转速调节阶段（t2以后）,第阶段:转速调节阶段（t2以后）,当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*i和Id很快下降。但是，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才到达峰值（t=t3时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（t3t4），IdIdL，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Id尽快地跟随其给定值U*i，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。,2.分析结果,（1）饱和非线性控制根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（2）转速超调由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，ASR的输入偏差电压Un为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。（3）准时间最优控制起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。,起动过程有三个特点：（1）饱和非线性控制；（2）转速超调；（3）准时间最优控制,注意：对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。,5.6.4动态抗扰性能分析,一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。,1.抗负载扰动,负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。,2.抗电网电压扰动,-IdL,3.对比分析,在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。,4.分析结果,双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。,1.转速调节器的作用,（1）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。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。,转速和电流两个调节器的作用,2.电流调节器的作用,（1）作为内环的调节器，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（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）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。（4）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。,5.7调节器的工程设计方法,一、问题的提出必要性：用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。,可能性：大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。,5.7.1工程设计方法的基本思路,设计方法的原则（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。,工程设计方法的基本思路,1.选择调节器结构,使系统稳定,同时满足所需的稳态精度。2.设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。,5.7.2典型系统及其参数与性能指标的关系,控制系统的开环传递函数,自动控制理论证明，0型系统稳态精度低，而型和型以上的系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用I型和II型系统。,一、典型系统,1.典型I型系统,结构图与开环传递函数,O,开环对数频率特性,性能特性,性能特性典型的I型系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以20dB/dec的斜率穿越0dB线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量，即选择参数满足,或,于是，相角稳定裕度,2.典型型系统,结构图和传递函数,O,性能特性典型的II型系统也是以20dB/dec的斜率穿越零分贝线。由于分母中s2项对应的相频特性是180，后面还有一个惯性环节，在分子添上一个比例微分环节（s+1），是为了把相频特性抬到180线上，以保证系统稳定，即应选择参数满足,或,且比T大得越多，系统的稳定裕度越大。,二、控制系统的动态性能指标,典型阶跃响应曲线和跟随性能指标,跟随性能指标抗扰性能指标,1.跟随性能指标：在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有tr上升时间超调量ts调节时间,突加扰动的动态过程和抗扰性能指标,2.抗扰性能指标,抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标有Cmax动态降落tv恢复时间一般来说，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则以跟随性能为主。,三、典型I型系统性能指标和参数的关系,开环传递函数包含两个参数：开环增益K和时间常数T。其中，时间常数T在实际系统中往往是控制对象本身固有的，能够由调节器改变的只有开环增益K，也就是说，K是唯一的待定参数。设计时，需要按照性能指标选择参数K的大小。,K与开环对数频率特性的关系,K与截止频率c的关系,当c1/T时，特性以20dB/dec斜率穿越零分贝线，系统有较好的稳定性。,所以K=c,（当c时）,K值越大，截止频率c也越大，系统响应越快，但相角稳定裕度=90arctgcT越小，这也说明快速性与稳定性之间的矛盾。在具体选择参数K时，须在二者之间取折衷。,I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差,1.典型I型系统跟随性能指标与参数的关系,（1）稳态跟随性能指标：系统的稳态跟随性能指标可用不同输入信号作用下的稳态误差来表示。,由表可见：在阶跃输入下的I型系统稳态时是无差的；但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与K值成反比；在加速度输入下稳态误差为。因此，I型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。,（2）动态跟随性能指标,闭环传递函数：典型I型系统是一种二阶系统，其闭环传递函数的一般形式为,二阶系统的性质当1时，系统动态响应是欠阻尼的振荡特性，当1时，系统动态响应是过阻尼的单调特性；当=1时，系统动态响应是临界阻尼。,由于在典I系统中KT0.5。因此在典型I型系统中应取下面列出欠阻尼二阶系统在零初始条件下的阶跃响应动态指标计算公式,性能指标和系统参数之间的关系,超调量,上升时间,峰值时间,表3-3典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系,=0.707,k=0.5/T，=4.3%。为二阶最佳系统具体选择参数时，应根据系统工艺要求选择参数以满足性能指标。,2.典型I型系统抗扰性能指标与参数的关系,扰动F作用下的典型I型系统,由于抗扰性能与W1(s)有关，因此抗扰性能指标也不定，随着扰动点的变化而变化。这里，针对常用的调速系统分析。,表5-4典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系已选定的参数关系KT=0.5,看出，当控制对象的两个时间常数相距较大时，动态降落减小，但恢复时间却拖得较长。,四、典型II型系统性能指标和参数的关系,可选参数：在典型II型系统的开环传递函数中，时间常数T也是控制对象固有的。待定参数有两个：K和，这就增加了选择参数工作的复杂性。为了分析方便起见，引入一个新变量，令,中频宽hh是斜率为20dB/dec的中频段的宽度（对数坐标），称作“中频宽”。由于中频段的状况对控制系统的动态品质起着决定性的作用，因此h值是一个很关键的参数。只要按照动态性能指标的要求确定了h值，就可以代入这两个公式计算K和，并由此计算调节器的参数。,=Th,典型型系统的开环对数幅频特性,典型型系统的开环对数幅频特性和中频宽,中频宽度,II型系统在不同输入信号作用下的稳态误差,（1）稳态跟随性能指标,1.典型II型系统跟随性能指标和参数的关系,可知：在阶跃和斜坡输入下，II型系统稳态时均无差；加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比。,表3-6典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mrmin准则确定关系时）,（2）动态跟随性能指标,抗扰系统结构,2.典型型系统抗扰性能指标和参数的关系,扰动系统的输出响应,在阶跃扰动下，,表3-7典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（控制结构和阶跃扰动作用点，参数关系符合最小Mr准则）,一般来说，h值越小，Cmax/Cb也越小，tm和tv都短，因而抗扰性能越好，这个趋势与跟随性能指标中超调量与h值的关系恰好相反，反映了快速性与稳定性的矛盾。但是，当h|Ud0|时，产生Id，因而产生与提升重物同方向的转矩，起制动作用，使重物平稳下降。电动机处于反转制动状态，成为受重物拖动的发电机，将重物的位能转化成电能，通过晶闸管装置