电力拖动与运动控制3速度闭环控制的直流调速系统

第二章速度闭环控制的直流调速系统马昕北京化工大学计算机模拟与系统平安工程研讨中心教育部化工平安工程研讨中心国家平安消费监视管理总局危险化学品消费系统缺点预防及监控根底实验室北京化工大学信息科学与技术学院2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统2开环调速系统开环调速系统的机械特性开环调速系统的性能和存在的问题速度单闭环控制的调速系统速度闭环调速系统的组成及其静特性单闭环调速系统的限流维护速度闭环控制调速系统的动特性分析无静差调速系统多环控制直流调速系统转速电流双闭环调速系统的组成及静特性双闭环调速系统的启动过程分析双闭环调速系统的动态性能主要内容重点内容2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统3开环调速系统开环调速系统的机械特性开环调速系统的性能和存在的问题速度单闭环控制的调速系统多环控制直流调速系统主要内容2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统4开环调速系统1.开环调速系统的机械特性加载在直流电动机上的电压是晶闸管整流安装的输出瞬时电压ud和平均电压Ud，假设把整流安装内阻上的电压降移到整流安装外面，当做负载电路电压降的一部分，整流电压便可用其理想空载值ud0和Ud0来替代。此时，瞬时电压平衡方程式可以写为：2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统5开环调速系统1.开环调速系统的机械特性2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统6开环调速系统1.开环调速系统的机械特性开环调速系统的机械特性在方式上与直流电动机的电动势平衡方程式类似，但是两者有本质的不同2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统7开环调速系统1.开环调速系统的机械特性改动晶闸管控制角，就可以改动Ud0。晶闸管整流安装可以看成是一个线性的可控电压源经过改动触发或驱动电路的控制电压来改动功率变换电路的输出平均电压，到达调理电动机转速的目的控制电压与输出转速之间只需顺向作用而无反向联络，输出转速并不影响控制电压，属于开环调速系统开环调速系统适用于消费机械对静差率要求不高的场所，构造简单，能实现一定范围内的无级调速2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统8许多需求无级调速的消费机械经常对静差率提出较严厉的要求，不能允许很大的静差率，此时，开环调速系统不能满足较高的性能目的要求开环调速系统2.开环调速系统的性能和存在的问题2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统9开环调速系统2.开环调速系统的性能和存在的问题2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统10开环调速系统速度单闭环控制的调速系统速度闭环调速系统的组成及其静特性单闭环调速系统的限流维护速度闭环控制调速系统的动特性分析无静差调速系统多环控制直流调速系统主要内容2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统11速度单闭环控制的调速系统2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统12速度单闭环控制的调速系统2.2.1速度闭环调速系统的组成及其静特性2.2.1.1单闭环调速系统的组成2.2.1.1转速负反响单闭环调速系统的静特性2.2.1.3开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较2.2.1.4单闭环调速系统的根本特征2.2.2单闭环调速系统的限流维护2.2.2.1问题的提出2.2.2.2电流截止负反响环节2.2.2.3带电流截止负反响的单闭环转速负反响调速系统2.2.3速度闭环控制调速系统的动特性分析2.2.3.1动态数学模型2.2.3.2稳定性分析2.2.4无静差调速系统2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统13速度单闭环调速系统的组成Backto反响控制规律Backto系统各单元静特性〔一〕速度单闭环调速系统的组成及其静特性1.速度单闭环调速系统的组成比较环节控制器晶闸管触发安装驱动电路主电路反响环节2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统14静特性：闭环系统中电动机转速与负载电流的稳态关系分析速度单闭环调速系统的静特性时，需做出如下假设：假定各环节的输入输出关系是线性的；假定系统开环机械特性是延续的；忽略直流电源和电位器的内阻〔一〕速度单闭环调速系统的组成及其静特性2.转速负反响单闭环调速系统的静特性2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统15Backto动态数学模型速度单闭环调速系统组成表示图〔一〕速度单闭环调速系统的组成及其静特性2.转速负反响单闭环调速系统的静特性2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统16转速负反响调速系统稳态构造图〔一〕速度单闭环调速系统的组成及其静特性2.转速负反响单闭环调速系统的静特性2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统17速度单闭环调速系统的静特性方程如下：闭环系统理想空载转速闭环系统静态转速降闭环系统的开环放大倍数〔一〕速度单闭环调速系统的组成及其静特性2.转速负反响单闭环调速系统的静特性2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统18〔一〕速度单闭环调速系统的组成及其静特性3.开环系统机械特性与闭环系统静特性比较闭环系统静特性比开环系统机械特性的硬度大大提高当理想空载转速一样时，闭环系统的静差率要小得多当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可以大大提高当给定电压一样时，闭环系统的理想空载转速大大降低2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统19〔一〕速度单闭环调速系统的组成及其静特性闭环系统必需引入放大器3.开环系统机械特性与闭环系统静特性比较2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统20〔一〕速度单闭环调速系统的组成及其静特性综合上述四条特点，可得出以下结论：闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，在保证一定静差率的要求下，大大提高了调速范围。但是闭环系统必需设置检测安装和电压放大器。调速系统之所以产生稳态速降，根本缘由在于负载电流引起了电枢回路电阻压降。闭环系统静态速降减少，并不是由于闭环后能使电枢回路电阻减小，而是闭环系统具有自动调理作用，它能随着负载的变化相应地改动整流安装输出电压。3.开环系统机械特性与闭环系统静特性比较2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统21运用比例调理器的闭环系统是有静差的控制系统闭环系统绝对服从于给定输入闭环系统对于被包围在负反响环内的一切主通道上的绕动作用都能有效地加以抑制对给定电源和反响检测元件中的误差无能为力速度单闭环调速系统组成表示图〔一〕速度单闭环调速系统的组成及其静特性4.单闭环调速系统的根本特征——反响控制规律2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统22电流负反响的引入不能影响电动机正常任务时的静特性电流截止负反响：正常运转时不起作用；一旦电流超越规定值，电流负反响即投入运转限流维护的详细方法即为：引入电流截止负反响环节限流维护是为理处理反响闭环调速系统的启动和堵转时电流过大的问题而采取的一种限流措施过大的电流会损坏电动机和晶闸管反响控制原理：要维持哪一个物理量根本不变，就应该引入那个物理量的负反响〔二〕单闭环调速系统的限流维护1.问题的提出电流负反响2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统23电流截止负反响安装原理接线〔1〕用直流电源做比较电压〔二〕单闭环调速系统的限流维护2.电流截止负反响环节2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统24电流截止负反响安装原理接线〔2〕用稳压管的击穿电压做比较电压〔二〕单闭环调速系统的限流维护2.电流截止负反响环节2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统25电流截止负反响环节的输入输出特性电流截止负反响环节的输入输出特性是一个非线性环节〔两段线性环节〕：〔二〕单闭环调速系统的限流维护2.电流截止负反响环节2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统26带电流截止负反响环节的速度闭环调速系统稳态构造图转速负反响调速系统稳态构造图〔二〕单闭环调速系统的限流维护3.带电流截止负反响的单闭环转速负反响调速系统2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统27〔二〕单闭环调速系统的限流维护3.带电流截止负反响的单闭环转速负反响调速系统2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统28由可得〔二〕单闭环调速系统的限流维护堵转：电动机正常运转时，将转子堵住，强迫其停顿转动，此时电枢电流将迅速上升3.带电流截止负反响的单闭环转速负反响调速系统2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统29带电流截止负反响速度闭环调速系统的静特性下垂特性挖土机特性〔二〕单闭环调速系统的限流维护3.带电流截止负反响的单闭环转速负反响调速系统2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统30建立线性系统数学模型的根本步骤：写出描画各环节动态过程的微分方程式；求出各环节的传送函数；组成系统的动态构造图并求出系统的传送函数速度单闭环调速系统组成〔三〕速度闭环控制调速系统的动特性分析1.动态数学模型2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统31放大器晶闸管触发电路及整流安装转速反响环节晶闸管安装的失控时间〔三〕速度闭环控制调速系统的动特性分析1.动态数学模型2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统32直流电动机电枢回路总电感电枢回路电磁时间常数〔三〕速度闭环控制调速系统的动特性分析1.动态数学模型2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统33直流电动机负载电流机电时间常数〔三〕速度闭环控制调速系统的动特性分析1.动态数学模型2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统34直流电动机〔三〕速度闭环控制调速系统的动特性分析1.动态数学模型2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统35速度闭环调速系统的数学模型和传送函数〔三〕速度闭环控制调速系统的动特性分析速度闭环调速系统的动态构造图Backto双环调速系统动特性分析Backto无静差调速系统1.动态数学模型2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统36速度闭环调速系统的数学模型和传送函数〔三〕速度闭环控制调速系统的动特性分析1.动态数学模型2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统37速度闭环调速系统的数学模型和传送函数〔三〕速度闭环控制调速系统的动特性分析1.动态数学模型2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统38〔三〕速度闭环控制调速系统的动特性分析2.稳定性分析2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统39PI调理器原理接线图〔四〕采用PI调理器的单闭环无静差调速系统1.比例积分调理器和比例积分控制规律2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统40PI调理器输出呼应1.比例积分调理器和比例积分控制规律〔四〕采用PI调理器的单闭环无静差调速系统2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统412.采用PI调理器的单闭环无静差调速系统速度单闭环调速系统动态构造图〔四〕采用PI调理器的单闭环无静差调速系统2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统422.采用PI调理器的单闭环无静差调速系统〔四〕采用PI调理器的单闭环无静差调速系统2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统43结论：积分控制和比例积分控制的调速系统都是无静差的2.采用PI调理器的单闭环无静差调速系统〔四〕采用PI调理器的单闭环无静差调速系统2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统44开环调速系统速度单闭环控制的调速系统多环控制直流调速系统转速电流双闭环调速系统的组成及静特性双闭环调速系统的启动过程分析双闭环调速系统的动态性能主要内容2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统45多环控制直流调速系统2.3.1转速电流双闭环调速系统的组成及静特性2.3.1.1问题的提出2.3.1.1转速、电流双闭环调速系统的组成2.3.1.3转速、电流双闭环调速系统的静特性2.3.2双闭环调速系统的启动过程分析2.3.2.1启动过程的三个阶段2.3.2.2启动过程特点2.3.3双闭环调速系统的动态性能2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统46多环控制系统：是指按一环套一环的嵌套构造组成的具有两个或两个以上闭环的控制系统相当于过程控制中的串级控制系统多环控制直流调速系统2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统47带电流截止负反响的单闭环调速系统启动时的电流和转速波形直流电动机理想启动过程波形〔一〕转速电流双闭环调速系统的组成及静特性1.问题的提出2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统48理想启动特性：当电动机最大电流遭到限制时，在过渡过程中电流一直坚持最大值，电动机以最大转矩加速，调速系统具有最大启动加速度到达给定转速时，电流立刻降低，使转速与负载到达平衡，转入稳定运转形状〔一〕转速电流双闭环调速系统的组成及静特性1.问题的提出2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统49为实如今允许条件下的最快启动，关键是获得一段电流维持在最大值的恒流过程欲维持电流在最大值处和负载电流值处为恒值，引入电流负反响转速电流双闭环直流调速系统的研讨目的：快速平安启动〔一〕转速电流双闭环调速系统的组成及静特性1.问题的提出2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统50转速电流双闭环直流调速系统转速调理器电流调理器外环内环〔一〕转速电流双闭环调速系统的组成及静特性2.转速、电流双闭环调速系统的组成2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统51对转速和电流分别进展控制，设置两个调理器ASR：转速调理器ACR：电流调理器转速：主控信号，有外加给定值，外环电流：稳定运转时受负载决议，内环ASR的输出作为ACR的输入，ACR的输出控制触发安装〔一〕转速电流双闭环调速系统的组成及静特性2.转速、电流双闭环调速系统的组成2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统52转速、电流双闭环直流调速系统稳态构造图PI调理器，输出限幅PI调理器，输出限幅〔一〕转速电流双闭环调速系统的组成及静特性3.转速、电流双闭环调速系统的静特性2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统53正常运转时，电流不会到达最大值，因此ACR一直不会饱和，只需ASR涉及能否饱和问题〔一〕转速电流双闭环调速系统的组成及静特性3.转速、电流双闭环调速系统的静特性2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统54〔一〕转速电流双闭环调速系统的组成及静特性3.转速、电流双闭环调速系统的静特性2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统55双闭环调速系统的静特性〔一〕转速电流双闭环调速系统的组成及静特性3.转速、电流双闭环调速系统的静特性2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统56〔一〕转速电流双闭环调速系统的组成及静特性3.转速、电流双闭环调速系统的静特性2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统57启动过程的3个阶段：电流上升阶段恒流升速阶段转速调理阶段启动过程分析设置双闭环的重要目的是获得接近理想启动特性的启动过程，整个启动过程按照ASR处于不饱和、饱和、退饱和的不同形状分为三个阶段〔二〕双闭环调速系统的启动过程分析1.启动过程的三个阶段2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统58启动过程特点：〔１〕饱和非线性控制ASR饱和：恒值电流调理ASR不饱和：电流随动，无静差调速〔２〕准时间最优控制〔３〕退饱和转速超调〔二〕双闭环调速系统的启动过程分析2.启动过程特点2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统59系统动态性能：〔１〕动态跟随性能〔２〕动态抗扰性能：抗负载扰动、抗电网电压扰动调速系统动态抗干扰才干分析速度单闭环调速系统动态构造图ASR和ACR的作用：ASR：转速稳态无静差；抵抗负载扰动；限制最大电流ACR：抵抗内环扰动；最大启动电流；限制电流最大值；电流跟随作用〔三〕双闭环调速系统的动态性能2024/1/9第二章速度闭环控制的直流调速系统60本章小结速度闭环调速系统是直流电动机调速系统的一种根本方式，具有反响控制的根本规律限流维护是为理处理反响闭环调速系统的启动和堵转时电流过大问题而采取的一种限流措施，限流维护的根本方法之一是电流截止负反响调速系统采用比例调理时系统有静差，为消除静差可在调速系统中引入积分环节，使之成为比例积分调速系统，可同时满足稳定精度高和动态呼应快的要求2024/1/9第