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转速、电流双闭环直流调速系统 和调节器的工程设计方法

电力拖动自动控制系统. 第 2 章. 转速、电流双闭环直流调速系统 和调节器的工程设计方法. 主要内容. 1. 双闭环调速系统的组成及其静特性 2. 数学模型和动态性能分析 3. 调节器的工程设计方法 4. 双闭环系统调节器的设计 * 5. 转速超调的抑制 * 6. 弱磁控制的直流调速系统. 一、双闭环调速系统及其静特性. 转速单闭环系统不能随意控制电流和转 矩的动态过程。 采用电流截止负反馈环节只能限制电流 的冲击，并不能很好地控制电流的动态 波形。. I d. I d. O. O. t. t. 起动过程. n. n.

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Presentation Transcript

  1. 电力拖动自动控制系统 第 2 章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

  2. 主要内容 1.双闭环调速系统的组成及其静特性 2.数学模型和动态性能分析 3.调节器的工程设计方法 4.双闭环系统调节器的设计 *5.转速超调的抑制 *6.弱磁控制的直流调速系统

  3. 一、双闭环调速系统及其静特性 转速单闭环系统不能随意控制电流和转 矩的动态过程。 采用电流截止负反馈环节只能限制电流 的冲击，并不能很好地控制电流的动态 波形。

  4. Id Id O O t t 起动过程 n n Idm Idm n Idcr n IdL IdL 带电流截止负反馈的单闭环调速系统 理想的快速起动过程

  5. 希望能实现的控制 • 在起动过程的主要阶段，只有 电流负反馈，没有转速负反馈。 • 达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用。

  6. 外 环 M 内环 TG 转速、电流双闭环直流调速系统 TA i Ui + + Id U*i Uc - U*n M UPE ACR ASR Ud + + - - Un - n n TG

  7. Id  R Ui UPE ACR Uc -IdR Ud0 n - + 1/Ce Ks E + 当ASR饱和时，相当于电流单闭环系统,实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈” 当ASR不饱和时，ASR成为主导的调节器， 转速负反馈起主要作用。

  8. 稳态结构框图 Id  R Ui UPE ASR ACR U*i U*n Uc -IdR Ud0 n - + + 1/Ce Ks E + - Un  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

  9. 调节器输出限幅的作用 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定 电流给定电压的最大值； 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。

  10. n C A n0 B O IdN Idm Id 静特性 设计时，使ACR不会达到饱和状态。 至于ASR，在CA段未饱和，在AB段饱和。

  11. （1）转速调节器不饱和 （U*i < U*im， Id < Idm） （2） 转速调节器饱和 (n < n0)

  12. 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 稳态工作中，两个调节器都不饱和

  13. PI调节器的特点 比例调节器的输出量总是正比于其输入量。 PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，直到输入为零，才停止积分。这时，输出量与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。

  14. 反馈系数计算 转速反馈系数 电流反馈系数

  15. -IdL n U*n Id - U*i R Ks 1/R 1/Ce WASR(s) WACR(s) Tms Tl s+1 + + Tss+1 - - Ud0 E Uc Un Ui   二、数学模型和动态性能分析

  16. n III I II O t Idm Id t1 t2 t3 t4 O t 起动过程分析 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

  17. 双闭环直流调速系统起动过程的特点 （1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制(有限制条件的最短时间控制)

  18. 动态抗扰性能分析 调速系统的动态抗扰性能， 主要是抗负载扰动和抗电网 电压扰动的性能

  19. ±∆IdL Ud0 U*i Id U*n E n Ks 1/R R 1/Ce ACR ASR Tms Tl s+1 Tss+1 + - - - Ui Un   1. 抗负载扰动

  20. Ud0 U*i Id U*n E n Ks 1/R R 1/Ce ACR ASR Tms Tl s+1 Tss+1 + - - - Ui Un   2. 抗电网电压扰动 ±∆Ud -IdL

  21. 转速和电流两个调节器的作用 • 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）输出限幅值决定电机允许的最大电流。

  22. 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外环调节器的输出量变化。 （2）对电网电压波动起及时抗扰作用。 （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。

  23. 三、调节器的工程设计方法 （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 调整参数的方向； （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。

  24. 工程设计方法的基本思路 设计工作分两步走： 1.选择调节器的结构，使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。 2.再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

  25. 输入 输出 调节器 控制对象 系统校正 典型系统 输入 输出 调节器结构的选择 选择调节器，将控制对象校正成为典型系统。

  26. 典型I型系统 T —系统的惯性时间常数； K —系统的开环增益。 选择参数，保证 或 ，使系统足够稳定。

  27. 典型Ⅱ型系统 保证系统足够稳定 或

  28. 控制系统的动态性能指标 1.跟随性能指标 2.抗扰性能指标 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。

  29. ±5%（或±2%） O 0 ts tr 系统典型的阶跃响应曲线

  30. 阶跃响应跟随性能指标 tr—上升时间  —超调量 ts—调节时间

  31. 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标 ±5%（或±2%） Cb O tm tv

  32. 抗扰性能指标 • Cmax—动态降落 • tv—恢复时间

  33. 典型I型系统和典型Ⅱ型系统除了在稳态误差上的区别以外，在动态性能中，典型I型系统和典型Ⅱ型系统除了在稳态误差上的区别以外，在动态性能中， • 典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差， • 典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。 这是设计时选择典型系统的重要依据。 典型I型系统和典型Ⅱ型系统的比较 • I型和Ⅱ型系统在稳态误差上的区别。 • 典型I 型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差， • 典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。

  34. 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：不同输入信号 作用下的稳态误差

  35. 稳态跟随性能指标 • 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。

  36. （2）动态跟随性能指标

  37. 典型I型系统的抗扰性能指标 典型I型系统

  38. 扰动作用下的典型I型系统 只讨论抗扰性能时，输入作用 R = 0。 取 ， 则

  39. 阶跃扰动作用下的输出变化量 阶跃扰动： 输出变化量： 当 时

  40. 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（KT=0.5,Cb=FK2/2)典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（KT=0.5,Cb=FK2/2)

  41. 典型II型系统性能指标和参数的关系 时间常数T是控制对象固有的，而待定的参数有两个： K 和  。 定义中频宽：

  42. 典型Ⅱ型系统的开环对数幅频特性 中频宽 –40dB/dec –40 -20 –20dB/dec  / s-1 0 =1 c –40dB/dec -40

  43. 参数之间的一种最佳配合 采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合，

  44. 则

  45. 典型II型系统跟随性能指标和参数的关系 （1）稳态跟随性能指标 不同输入信号作用下的稳态误差

  46. 在阶跃和斜坡输入下，II型系统稳态时均无差；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。

  47. （2）动态跟随性能指标 按Mrmin准则确定参数关系时

  48. + 0 - 典型Ⅱ型系统抗扰性能指标和参数的关系

  49. 阶跃扰动的输出响应 在阶跃扰动下， 取输出量基准值为 Cb = 2FK2T

  50. 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 （参数关系符合最小Mr准则）

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