运动控制系统清华版课件第2章

运动控制系统,大连理工大学城市学院,电子与自动化学院 教 师：梅彦平 2010-2011学年春季学期,第2章 闭环控制的直流调速系统,本章主要内容 1、转速单闭环直流调速系统 2、转速、电流双闭环直流调速系统 3、转速、电流调节器的设计方法,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.1 转速单闭环直流调速系统,本节主要内容 1、转速单闭环系统结构、工作原理及各 部分间的稳态关系； 2、反馈控制规律； 3、限流保护：电流截止负反馈； 4、 PI调节器及控制规律,第2章 闭环控制的直流调速系统,一、系统工作原理及静特性分析,1、系统组成及工作原理,2.1 转速单闭环直流调速系统,一、系统工作原理及静特性分析,1、系统组成及工作原理,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.1 转速单闭环直流调速系统,一、系统工作原理及静特性分析,1、系统组成及工作原理,稳态特性方程：,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,一、系统工作原理及静特性分析,2、静特性分析（稳态性能分析）,2.1 转速单闭环直流调速系统,开环机械特性：,闭环机械特性：,（1）同样的负载扰动下：,（2）相同理想空载转速下：,（3）相同静差率时：,第2章 闭环控制的直流调速系统,一、系统工作原理及静特性分析,3、闭环系统改善性能的本质,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.1 转速单闭环直流调速系统,Id n Un Un n Ud0 Uc,一、系统工作原理及静特性分析,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,例2：对例1的开环系统，采用转速负反馈构成单闭环， 已知Ks30，=0.015Vmin/r，为了满足D=20，静 差率S5%的要求，计算放大器的电压放大系数KP。,解：系统开环放大系数： K（nOP/ncl)1= （275/2.63）1103.6 由K=KPKS/Ce得： KP = 46,一、系统工作原理及静特性分析,4、反馈控制规律,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.1 转速单闭环直流调速系统,（1）被调量是有静差的； （2）服从给定，抵抗干扰； （P38/P39) （3）系统的精度依赖于给 定和反馈检测精度。,二、转速单闭环直流调速系统的限流保护,1、问题的提出：,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.1 转速单闭环直流调速系统,起动的冲击电流 闭环调速系统突加给定起动的冲击电流 堵转电流,2、解决方法：引入电流反馈,电流截止负反馈电流大于设定值才起作用的一种电流反馈形式。,二、转速单闭环直流调速系统的限流保护,3、基本思路： 将电流反馈信号转换成电压信号IdRs，然后去和一个比较电压Ucom比较。当IdRs Ucom时，电流反馈信号起作用，当IdRs Ucom时，电流反馈信号截止。,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.1 转速单闭环直流调速系统,二、转速单闭环直流调速系统的限流保护,3、基本思路：,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.1 转速单闭环直流调速系统,二、转速单闭环直流调速系统的限流保护,4、电流截止负反馈的实现电路：,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.1 转速单闭环直流调速系统,二、转速单闭环直流调速系统的限流保护,5、静特性,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,（1）截止电流：,（2）IdIdcr:,（3）IdIdcr:,二、转速单闭环直流调速系统的限流保护,5、静特性,2.1 转速单闭环直流调速系统,Idbl = (1.5-2)IN Idcr（1.1-1.2）IN,第2章 闭环控制的直流调速系统,（4）堵转电流：,三、转速单闭环直流调速系统的动态数学模型,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,1、闭环系统传递函数动态数学模型,三、转速单闭环直流调速系统的动态数学模型,1、闭环系统传递函数动态数学模型,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,直流电动机传函：,三、转速单闭环直流调速系统的动态数学模型,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,直流电动机传函：,1、闭环系统传递函数动态数学模型,三、转速单闭环直流调速系统的动态数学模型,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,闭环动态结构图,闭环传递函数,1、闭环系统传递函数动态数学模型,三、转速单闭环直流调速系统的动态数学模型,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,2、动态稳定性分析,系统稳定条件：,三、转速单闭环直流调速系统的动态数学模型,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,解： 计算系统各时间常数：TlL/R0.00216/0.18 = 0.012s Tm = R/375CeCm = 0.098s TS = 0.00167s 系统开环放大倍数：,例3：对例2的闭环系统，已知晶闸管整流装置采用三相桥式 全控整流电路，电枢回路总电感L2.16mH，飞轮惯量 ，试分析系统的稳定性。,为使系统稳定，希望K103.6。可见稳态精度和动态稳定性的要求是矛盾的,因此必须进行动态校正。,四、PI控制规律及调节器的设计,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,1、校正的方法:,串联校正：利用运放构成，简单，要求不高时容易实现 反馈校正：极点配置，用于要求更高或更复杂的系统,2、串联校正环节的形式,PI调节器：滞后校正，以快速性换取稳态精度 PD调节器：超前校正，提高稳定裕度，获得足够的快速性， 但影响稳态精度 PID调节器：兼具PI、PD的优点，全面提高性能，但线路复 杂，调试麻烦。,一般调速系统要求以稳定和准确为主，快速性要求不高，通常采用PI调节器构成串联滞后校正环节。,串联校正、并联校正和反馈校正,四、PI控制规律及调节器的设计,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,四、PI控制规律及调节器的设计,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,3、PI控制规律,（1）积分调节器及其控制规律,四、PI控制规律及调节器的设计,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,3、PI控制规律,（1）积分调节器及其控制规律,四、PI控制规律及调节器的设计,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,3、PI控制规律,（1）积分调节器及其控制规律,积分调节器控制特点：（P49） 当输入量不等于零时，输出量就线性增加，直到达到输出饱和值； 当输入量等于零时，输出量停止增加，保持在当前值上； 突加输入时，输出量不能突变，线性增加，表现出相对于输入滞后的特点；,四、PI控制规律及调节器的设计,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,3、PI控制规律,（2）有静差系统与无静 差系统的比较,有静差调速系统,无静差调速系统,结论：（P49） 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史,四、PI控制规律及调节器的设计,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,3、PI控制规律,（3）比例积分调节器及其控制规律,四、PI控制规律及调节器的设计,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,4、PI调节器的设计,（1）系统设计的基本步骤： 系统建模：进行总体设计，包括基本部件的选择和稳态参数的 计算，形成基本控制系统，或原始系统。 系统分析：对系统进行稳定性和其他动态性能分析分析，画出 伯德图，确定原始系统能否满足给定的性能指标。 系统设计：如果原始系统不能满足要求，引入适当的校正装置 进行动态校正。,四、PI控制规律及调节器的设计,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,4、PI调节器的设计,（2）校正环节的设计方法：分频段设计（试凑法）,1、中频段：以20db/dec的斜率穿过零 分贝线，且占足够的宽度，保证系统 有一定的相对稳定性。 2、具有尽可能大的开环截止频率c， 以提高系统的快速性。 3、低频段的斜率要陡、增益要高，从而 保证系统的稳态精度。 4、高频段衰减要快，即应有较大斜率， 以提高系统抵抗高频噪声干扰的能力,四、PI控制规律及调节器的设计,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,4、PI调节器的设计,（2）校正环节的设计方法：分频段设计（试凑法）,四、PI控制规律及调节器的设计,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,4、PI调节器的设计,（2）校正环节的设计方法：分频段设计（试凑法）,四、PI控制规律及调节器的设计,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,4、PI调节器的设计,（2）校正环节的设计方法：分频段设计（试凑法）,2.1 转速单闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,本节重点掌握内容 1、系统工作原理、各部分稳态关系，与开环系 统比较（S,D,n等）； 2、反馈控制规律：图2-5 3、限流保护：图2-8、2-9； 4、 PI调节器及控制规律：图2-14、2-15 、2-17 思考题：P105 2.1 2.2 2.3 2.4 习 题：P107 2.5,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,本节主要内容 1、双闭环调速系统的组成及控制规律； 2、双闭环调速系统的静特性及稳态参数计算； 3、双闭环调速系统动态结构及启动过程分析； 4、双闭环调速系统的动态抗扰性能及调节器的 作用分析。,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,一、问题的引出,1、从对转速控制的要求出发： 开环系统解决了转速能够调节的问题 转速单闭环系统解决了稳速的问题 转速单闭环带电流截止负反馈系统解决了电流过 大的问题 引入调节器解决了稳态指标与动态稳定性的矛盾,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,一、问题的引出,2、加减速控制问题动态性能指标,第2章 闭环控制的直流调速系统,分析：,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,一、问题的引出,3、解决思路 按照反馈控制规律，要保持某个物理量不变可以引入该量的负反馈，则采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程； 进一步，系统要求起动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；而稳态时，转速和电流反馈共同作用，并且转速反馈起主要作用，电流反馈起跟随作用； 设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。转速调节器在外，而电流调节器在内。,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,二、双闭环系统的组成及控制规律,1、系统组成（P55 图2-22）,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,二、双闭环系统的组成及控制规律,1、系统组成,第2章 闭环控制的直流调速系统,TA：电流检测电路电流互感器（特种变压器）,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,二、双闭环系统的组成及控制规律,1、系统组成,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,二、双闭环系统的组成及控制规律,1、系统组成,第2章 闭环控制的直流调速系统,限幅：ASR输出限幅值 决定电流给定电压最大值 ACR输出限幅值 决定UPE最大输出电压,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,二、双闭环系统的组成及控制规律,2、稳态结构图（P56 图2-23）,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,二、双闭环系统的组成及控制规律,3、静特性（稳态特性）,第2章 闭环控制的直流调速系统,AB段：即负载电流小于Idm时表现为转 速无静差，这时ASR、ACR均不饱 和，转速反馈起主要调节作用。 BC段：即当负载电流达到Idm后，ASR饱 和，ACR起主要调节作用，系统 表现为电流无静差，实现过电流 的自动保护。,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,二、双闭环系统的组成及控制规律,4、稳态参数计算( ),转速反馈系数：,电流反馈系数：,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,三、双闭环系统的动态性能分析,1、动态结构图（P58 图2-25）,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,三、双闭环系统的动态性能分析,2、启动过程分析（P58 图2-26）,第2章 闭环控制的直流调速系统,第I阶段：电流上升,第II阶段：恒流升速,第III阶段：转速调节,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,三、双闭环系统的动态性能分析,2、启动过程分析（P58 图2-26）,第2章 闭环控制的直流调速系统,第I阶段：电流上升,1）Id：0 Idm 2）ASR进入饱和，ACR不饱和 3）当IdIdl时，n开始上升,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,三、双闭环系统的动态性能分析,2、启动过程分析（P58 图2-26）,第2章 闭环控制的直流调速系统,1）IdIdm，n继续上升 2）ASR维持饱和，ACR仍不 饱和,第II阶段：恒流升速,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,三、双闭环系统的动态性能分析,2、启动过程分析（P58 图2-26）,第2章 闭环控制的直流调速系统,1）由于Idm Idl ，转速出现 超调，使ASR退出饱和 2）ASR和ACR同时作用，最终 使IdIdm，n=n,第III阶段：转速调节,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,三、双闭环系统的动态性能分析,2、启动过程分析（P58 图2-26）,第2章 闭环控制的直流调速系统,I II III 系统：建立Idm 保持Idm 进入稳态 ASR: 进入饱和 维持饱和 退出饱和 ACR： 始终不饱和,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,三、双闭环系统的动态性能分析,3、启动过程特点,第2章 闭环控制的直流调速系统,饱和非线性控制 转速超调 准时间最优控制,4、动态抗扰性能（与单环比较）,抗负载扰动 抗电网电压扰动,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,三、双闭环系统的动态性能分析,第2章 闭环控制的直流调速系统,4、动态抗扰性能（与单环比较）,抗负载扰动,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,三、双闭环系统的动态性能分析,第2章 闭环控制的直流调速系统,4、动态抗扰性能（与单环比较）,抗电网电压扰动,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,三、双闭环系统的动态性能分析,第2章 闭环控制的直流调速系统,5、ASR和ACR作用总结（P61),ASR：1、使转速跟随给定变化，保证稳态无静差； 2、抵抗负载扰动； 3、输出限幅值取决于电机最大允许电流Idm。,ACR：1、保证起动时获得Idm ,转速调节时，使Id跟 随其给定值变化； 2、抵抗电网电压波动的影响； 3、过载或堵转时限制最大电流，起到过流 保护作用。,2.2 转速、电流双闭环直流调速系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,本节重点掌握内容 1、双环系统原理图、结构图：图2-22、2-23及各 部分间输入输出关系等； 2、静特性：图2-24及各段的表达物理过程； 3、稳态参数计算：、； 4、起动过程分析：图2-26，3个阶段各自特点。 5、ASR及ACR的主要作用。 思考题： P105 2.5 2.11 2.13 习 题： P108 2.11,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.4 调节器的设计方法,本节主要内容 1、控制系统的动态性能指标； 2、调节器的工程设计方法： （1）基本思路 （2）典型系统及其参数与性能指标的关系 （3）非典型系统的典型化 （4）按工程设计方法设计双闭环系统的调节器,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.4 调节器的设计方法,一、控制系统的动态性能指标,2.4 调节器的设计方法,一、控制系统的动态性能指标,1、跟随性能指标： 描述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。,tr 上升时间 超调量 ts 调节时间,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.4 调节器的设计方法,一、控制系统的动态性能指标,第2章 闭环控制的直流调速系统,2、抗扰性能指标：标志着控制系统抵抗扰动的能力。,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（伺服系统）的动态指标则以跟随性能为主。,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,第2章 闭环控制的直流调速系统,1、基本思路：,（1）按单环系统调节器的设计方法：对数幅频特性,（2）工程设计方法查表法,选定常用的典型系统，找到典型系统参数与系统动态性能指 标的关系制表； 根据控制要求，确定要设计的系统为哪种典型系统； 适当选择调节器的结构，使原系统变成所选的典型系统； 采用查表法计算确定调节器的参数。,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,第2章 闭环控制的直流调速系统,1、基本思路：,（2）工程设计方法查表法,查表,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,第2章 闭环控制的直流调速系统,2、典型系统及其参数与动态性能指标间关系,控制系统开环传递函数表达式,自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，而型和型以上的系统很难稳定。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。,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,2、典型系统及其参数与动态性能指标间关系,（1）典型I型系统,T 惯性时间常数（已知） K 开环增益（待定查表）,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,2、典型系统及其参数与动态性能指标间关系,（1）典型I型系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,2、典型系统及其参数与动态性能指标间关系,（1）典型I型系统,表是如何得到的：,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,2、典型系统及其参数与动态性能指标间关系,（1）典型I型系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,K值越大，系统的快速性越好，稳定性越差 “二阶最佳”：KT=0.5,=0.707,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,2、典型系统及其参数与动态性能指标间关系,（1）典型I型系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,表2-2 典型型系统的动态抗扰性能指标与参数的关系,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,2、典型系统及其参数与动态性能指标间关系,（2）典型型系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,T 惯性时间常数（已知） 微分时间常数（待定） K 开环增益（待定）,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,2、典型系统及其参数与动态性能指标间关系,（2）典型型系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,表是如何得到的：,典型型系统的开环对数幅频特性和中频宽,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,2、典型系统及其参数与动态性能指标间关系,（2）典型型系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,表是如何得到的：,Mrmin（最小闭环幅频特性峰值）准则：,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,2、典型系统及其参数与动态性能指标间关系,（2）典型型系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,表2-4 典型型系统的动态跟随性能指标（按Mrmin准则确定参数关系）,h值越大，超调越小，调节时间越长 最佳参数：h=5,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,2、典型系统及其参数与动态性能指标间关系,（2）典型型系统,第2章 闭环控制的直流调速系统,表2-5 典型型系统的动态抗扰性能指标（按Mrmin准则确定参数关系）,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,2、典型系统及其参数与动态性能指标间关系,第2章 闭环控制的直流调速系统,两种典型系统的比较: 比较分析的结果可以看出，典型I型系统和典型型系统 除了在稳态误差上的区别以外，在动态性能中： 典型I型系统超调小，但抗扰性能稍差； 典型型系统超调量相对大，抗扰性能却比较好。 这是设计时选择典型系统的重要依据。,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,3、非典型系统的典型化(近似处理）,第2章 闭环控制的直流调速系统,（1）高频段小惯性环节的近似处理,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,第2章 闭环控制的直流调速系统,（1）高频段小惯性环节的近似处理,3、非典型系统的典型化(近似处理）,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,第2章 闭环控制的直流调速系统,（2）高阶系统的降阶近似处理,（3）低频段大惯性环节的近似处理,3、非典型系统的典型化(近似处理）,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,第2章 闭环控制的直流调速系统,例1,2.4 调节器的设计方法,二、调节器的工程设计方法,例2：已知某系统的开环传递函数如下，请对其进行校 正，使其转速超调 。选择调节器的类 型，并确定调节器传递函数中的参数。,第2章 闭环控制的直流调速系统,2.4 调节器的设计方法,三、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器,一般原则：先内环（电流环）后外环（转速环）,第2章 闭环控制的直流调速系统,基本步骤： 1、对电流环的对象进行近似处理； 2、选择ACR的结构； 3、确定ACR参数； 4、将电流环近似处理，等效为转速环的一个环节； 5、按同样步骤设计ASR。,2.4 调节器的设计方法,三、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器,第2章 闭环控制的直流调速系统,T0i 电流反馈滤波时间常数 T0n 转速反馈滤波时间常数,2.4 调节器的设计方法,三、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器,第2章 闭环控制的直流调速系统,1、电流调节器的设计,（1）电流环结构图的简化：,忽略反电动势的动态影响,2.4 调节器的设计方法,三、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器,第2章 闭环控制的直流调速系统,1、电流调节器的设计,（1）电流环结构图的简化：,等效成单位负反馈系统,2.4 调节器的设计方法,三、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器,第2章 闭环控制的直流调速系统,1、电流调节器的设计,（1）电流环结构的简化：,小惯性环节近似处理,Ti = Ts + Toi,2.4 调节器的设计方法,三、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器,第2章 闭环控制的直流调速系统,1、电流调节器的设计,（2）选择目标系统：,典型I型系统,2.4 调节器的设计方法,三、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器,第2章 闭环控制的直流调速系统,1、电流调节器的设计,（3）调节器结构及参数选择：,2.4 调节器的设计方法,三、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器,第2章 闭环控制的直流调速系统,1、电流调节器的设计,（4）调节器参数计算：