电力拖动自动控制系统PPT课件

1、作业 思考题 3-4, 3-7, 3-10, 习题 3-1，3-11第1页/共102页内 容 提 要 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型 转速、电流反馈控制直流调速系统调节器的工程设计方法 第2页/共102页3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性 对于经常正、反转运行的调速系统要求：(1).缩短起、制动过程的时间是提高生产效率的重要因素。 在(2).起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。 当到达(3)稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩

2、相平衡，从而迅速转入稳态运行。第3页/共102页起动电流呈矩形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程。 图3-1 时间最优的理想过渡过程第4页/共102页转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。 在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流， 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。形成了转速、

3、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统）。第5页/共102页图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 第6页/共102页+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE系统原理图第7页/共102页 电流检测电路电流检测电路 TA电流互感器TA第8页/共102页限幅电路二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD2第9页/共102页 稳态结构图和静特性一、稳态结构图2.当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有

4、反向的输入信号使调节器退出饱和； 电流反馈系数mdscmdmimimUKUIUU0*1. 1第10页/共102页3。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。4。对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。第11页/共102页二、双闭环调速系统的静特性（1） 转速调节器不饱和 两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。 diinnnIUUnUnUU*dmdII*0*idnUInUn(3-1) sdLnesdesdcKRIUCKRInCKUU/*0改变Un*即可改变转速n第12页/共102页（2）转速调节器

5、饱和 ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。 dmimdmimdIUIUI*为最大的过载电流，此时 ASR为非线性状态，对转速偏差再无调节作用，为过载状态，C点为堵转点第13页/共102页 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 在C点为堵转状态。图3-4 双闭环直流调速系统的静特性第14页/共102页电流环的作用（1）电流的快速跟随。 当Ui*为阶跃信号时，由于 ACR的比例积分特性，Uc很快 上升，Ud快速上升，Id快速上升，一旦上升到使UiUi*时，使Uc回落，使Id

6、最终等于Id=Ui*/。Id对Ui*的响应时间小于10ms。（2）限流由于ACR为PI调节器，在稳态时Ui=Ui*，Id=Ui*/ ,只要限制了Uim*，就限制了Idm第15页/共102页 （3）抗干扰 在Id稳定后，Uc、Ud均为稳定值，若电网电压波动，如U2Ud Id Ui UiUcUd，从而使Id回升，保持Id=Ui*/ 。此扰动调节过程很快，对转速的影响很小 ，因此抗扰性能很好。第16页/共102页转速调节器的作用(1)转速跟随作用，（可实现无静差）。（2）抗扰作用（对负载变化起抗扰作用）。（3）限流作用（其输出限幅值决定电动机允许的最大电流）。第17页/共102页3.2 转速、电流反

7、馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图第18页/共102页转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析 对调速系统而言，被控制的对象是转速。 跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。 能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。第19页/共102页1阶跃给定起动过程分析 电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。 转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n*。起

8、动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段， 转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。第20页/共102页第阶段：电流上升阶段（0t1）电流从0到达最大允许值dmI。 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 Id IdL 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 。第21页/共102页第阶段:恒流升速阶段（t1t2） Id基

9、本保持在Idm,电动机加速到了给定值n*。 (1)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， (2)UnIdL，电动机仍处于加速过程，使nn* ，称之为起动过程的转速超调。(2)转速的超调造成了UnUn*UnIdL转速就仍上升，直到t=t3时，Id= Idl ，转速到达峰值。(3)在t3t4时间内， Id Idl，转速由加速变为减速，直到稳定n=Un*/。(4)在第阶段中， ASR和ACR都不饱和.第23页/共102页2动态抗扰性能分析n双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个电流反馈环和电流调节器。n调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰

10、动和抗电网电压扰动性能，n闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关。 第24页/共102页（1）抗负载扰动 负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。 在稳态时，若负载突增即 IdLnUnUi*UiUcUdIdn 负载扰动在新的负载电流下，Id=IdL=Ui*/，n=Un*/,转速只与Un*有关，与负载大小无关，但会引起转速的短暂波动。第25页/共102页（2）抗电网电压扰动 电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，使抗扰性能得到改善。 在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。 电网电压扰动第26页/共102页3.3 转速、电流反馈控制

11、直流调速系统的设计控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标：（1）对给定输入信号的跟随性能指标（2）对扰动输入信号的抗扰性能指标。第27页/共102页1、动态跟随性能指标 （1）以输出量的初始值为零，给定信号为阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程， （2）跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。 （3）常用的阶跃响应跟随性能指标：有上升时间tr、超调量和调节时间ts。 第28页/共102页输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差 0v0 / K0)(RtRtvtR0)(2)(20tatR I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差00 0)(RtRt

12、vtR0)(2)(20tatRKa /0型系统在不同输入信号作用下的稳态误差第29页/共102页图3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标%100maxCCC上升时间 峰值时间 调节时间 超调量 第30页/共102页2抗扰性能指标 （1）当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量降低（或上升）的扰动量F之后，输出量由降低（或上升）到恢复稳态值的过渡过程就是一个抗扰过程。 （2）常用的抗扰性能指标为：动态降落Cmax和恢复时间tv。 第31页/共102页图3-9 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标动态降落 恢复时间 第32页/共102页调节器的工程设计方法 工程设计方法： 在设计时，把实际系统校正或

13、简化成典型系统，可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程简便得多。第33页/共102页 控制系统的开环传递函数都可以表示成（3-9）。 为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统（ r =0），至少是型系统（ r =1）；当给定是斜坡输入时，则要求是型系统（ r =2）才能实现稳态无差。 选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。由于型（ r =3）和型以上的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。因此常把型和型系统作为系统设计的目标。n1jjrm1ii)1sT(s)1s(K)s(W第34页/共102页1典型型系统 作为典型的I型系统，其开环传递函数选择为 （3-10）式中，

14、T系统的惯性时间常数； K系统的开环增益。 对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线，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。 只包含开环增益K和时间常数T两个参数，时间常数T往往是控制对象本身固有的，唯一可变的只有开环增益K 。设计时，需要按照性能指标选择参数K的大小。) 1()(TssKsW第35页/共102页图3-10典型型系统(a)闭环系统结构图(b)开环对数频率特性1.中频段以-20db/dec的斜率穿越0db线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性越好。2.截止频率c越高，则系统的快速性越好3.低频段的斜率陡、增益高，则系统的稳态精度

15、好。4.高频段衰减越快，说明系统抗高频噪声干扰的能力超强第36页/共102页 典型型系统的对数幅频特性的幅值为 得到 相角裕度为 K值越大，截止频率 c 也越大，系统响应越快，相角稳定裕度 越小，快速性与稳定性之间存在矛盾。 在选择参数 K时，须在快速性与稳定性之间取折衷。 ccKlg20) 1lg(lg20lg20cK（当Tc1时） 18090arctg90arctgccTT第37页/共102页（1）动态跟随性能指标n典型型系统的闭环传递函数为 式中， 自然振荡角频率； 。n 1，欠阻尼的振荡特性，n 1，过阻尼的单调特性； 阻尼比n = 1，临界阻尼。 n过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计

16、成欠阻尼，即 0 Ti，选择i= Tl ，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点， 希望电流超调量i 5%，选 =0.707， KI Ti =0.5，则 ) 1() 1(/)(sTsKsTsRKKsWiIiisiopiRKKTKisiiciI21)(22ilsisliTTKRTKRTK(3-52) 第70页/共102页图3-20 校正成典型I型系统的电流环(a)动态结构图 (b）开环对数幅频特性 第71页/共102页 （4）数字调节器的设计dtteKteKKuiiii)()()( PI调节器的时域表达式e(t)为输入误差函数。将上式转换为差分方程，得数字PI调节器的表达式，其K拍的输出 为

17、（位置式算法）isamIicisamiIiiikisamiiiTKTTkukeKkeKkukeKieTKkeKKu241T) 1()()()()()()()(sam1取为采样周期（电流环）可项的值为上一拍计算的总积分) 1( kui只要算出式中的KI，i，采样周期Tsam，就可算出第K拍的输出u (k)，即触发电路的控制电压Uc第72页/共102页例题3-1 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： 直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5； 晶闸管装置放大系数：Ks=40； 电枢回路总电阻：R=0

18、.5 ； 时间常数：Tl=0.03s， Tm=0.18s； 电流反馈系数：=0.05V/A（10V/1.5IN）。 设计要求 设计电流调节器，要求电流超调量5%i第73页/共102页解 1）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=2ms=0.002s。 电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。2）选择电流调节器结构 要求i5%，并保证稳态电流无差，按典型I型系统设计电流调节器。用PI型电流调节器。 检查对电源电压的抗扰性能： 参看表3-2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。11. 80037.

19、003. 0ilTT第74页/共102页3）计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.03s。 电流环开环增益：取KiTi=0.5， ACR的比例系数为1 .1350037. 05 . 05 . 0iITK013. 105. 0405 . 003. 01 .135siIiKRKK第75页/共102页4）校验近似条件 电流环截止频率ci=KI=135.1s-1（1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 （2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 （3）校验电流环小时间常数近似处理条件 1 .1960017. 03131sT1s1s1s 82.4003. 018. 01313

20、lmTT 8 .180002. 00017. 0131131oisTTcicici第76页/共102页2转速调节器的设计 按典型型系统设计的电流环的闭环传递函数为 降价近似条件为 (3-58) 式中，cn转速环开环频率特性的截止频率。1211221111) 1(1) 1(/)()()(222*sTsTsTsKsKTsTsKsTsKsUsIsWiiiIIiiIiIidcli121)(sTsWicliiIcnTK31第77页/共102页 电流环在转速环中等效为 电流的闭环控制把双惯性环节的电流环控制对象近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节， 加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一

21、个重要功能。121)()()(*sTsWsUsIicliid第78页/共102页2转速调节器的设计图3-22 转速环的动态结构图及其简化(a)用等效环节代替电流环 1）动态结构图Ton一般取10ms第79页/共102页图3-22 转速环的动态结构图及其简化(b)等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理n把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/ ，把时间常数为 1 / KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并oninTTT2第80页/共102页2）校正成典型的II型系统 A。转速环的控制对象是由一个积分环节和一个惯性环节组成，IdL(s)是负载扰动。 B。系统实现无静

22、差的必要条件是：在负载扰动点之前必须含有一个积分环节。也能满足系统动态抗扰性能的要求 C。转速开环传递函数应共有两个积分环节，按典型型系统设计。 3） ASR采用PI调节器ssKsWnnnASR) 1()(（3-61） 第81页/共102页 4)ASR参数选择 调速系统的开环传递函数为 令转速环开环增益KN为 ) 1() 1() 1() 1()(2sTsTCsRKsTsTCRssKsWnmennnnmennnnmennNTCRKK) 1() 1()(2sTssKsWnnNn则第82页/共102页图3-22 转速环的动态结构图及其简化(c)校正后成为典型型系统nnhTmennnNTCRKThhK

23、2221nmenRThTChK2) 1(无特殊要求时，一般以选择h=5 为好。第83页/共102页 （4）数字式转速调节器的设计项的值为上一拍计算的总积分速度环采样周期，可取为输入误差函数) 1(6 . 0212 . 121)() 1()()()()()(1kuThThTKKTTTtekukeKkeKieTKteKKunnncnsamnnNncnsamsamnNnkisamnnn第84页/共102页例题3-2 在例题3-1中，除已给数据外，已知：转速反馈系数=0.07Vmin/r（10V/nN）， 要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量n10%。 试按工程设计方法设计转速调节器，并校

24、验转速超调量的要求能否得到满足。第85页/共102页解 1）确定时间常数 （1）电流环等效时间常数。 由例题3-1，已取KITi=0.5，则 （2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。 （3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取sTKiI0074. 00037. 0221sTKTonIn0174. 001. 00074. 01第86页/共102页2）选择转速调节器结构 选用PI调节器，3）计算转速调节器参数 取h=5，则ASR的超前时间常数为 转速环开环增益： ASR的比例系数为ssKsWnnnASR) 1()(shTnn087. 00174. 05222

25、224 .3960174. 052621sThhKnN7 .110174. 05 . 0007. 05218. 0132. 005. 062) 1(nmenRThTChK第87页/共102页4）检验近似条件 转速环截止频率为（1）电流环传递函数简化条件 满足简化条件（2）转速环小时间常数近似处理条件 115 .34087. 04 .396sKKnNNcn7 .630037. 01 .1353131iITK7 .3801. 01 .1353131onITK1s1scncn满足近似条件第88页/共102页3转速调节器退饱和时转速超调量的计算 当转速超过给定值之后，转速调节器ASR由饱和限幅状态进入线性调节状态，此时的转速环由开环进入闭环控制，迫使电流由最大值Idm降到负载电流Idl 。 ASR开始退饱和时，由于电动机电流Id仍大于负载电流Idl ，电动机继续加速，直到Id0UcUd .。在稳态时，n不变，由于积分的作用，Uc比之前增加了，所以Ud , Ud