《自动控制系统》PPT课件.ppt

自动控制系统,电气工程系 张和生,绪论,自动控制系统的几个概念 自动控制系统的分类 自动控制系统的组成 自动控制系统的性能指标 研究自动控制系统的方法 本课程与其它课程的连接本课程的主要内容 计算机控制系统的概念,一.自动控制系统的几个概念,1.自动控制 在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量自动地按预定的规律进行。 2.系统 研究自动控制共同规律的技术科学。,一.自动控制系统的几个概念,3.自动控制系统 能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。 4.自动控制理论 研究自动控制共同规律的技术科学。,一.自动控制系统的几个概念,5.拖动 应用各种原动机使生产机械产生运动，以完成一定的生产。 6.电力拖动 用各种电机作为原动机的拖动方式。,二.自动控制系统的分类,1.按输入量变化的规律 恒值控制系统 特点：系统的输入量是恒值，并要求系统的输出量相应保持恒值。 例子：自动调速系统、恒温控制系统、恒压、恒流系统,二.自动控制系统的分类,随动系统 特点：系统的输入量是变化的，并要求系统的输出量跟随输入量的变化。 例子：刀架跟随系统、火炮控制系统、雷达导引系统、机器人控制系统。,二.自动控制系统的分类,过程控制系统 特点：对生产过程自动提供一定的外界条件，例如：温度、压力、流量、粘度、浓度等参量保持恒定或按一定的程序变化。对其中的每一局部，可以是随动系统，也可以是恒值系统。 例子：化工厂控制系统。,二.自动控制系统的分类,2.按数学模型分类 数学模型 描述系统内部各物理量之间关系的数学表达式。 静态模型 变量各阶导数为零的条件下。,二.自动控制系统的分类,线性系统 定义：数学模型为线性微分方程式的控制系统。 特点： a.系统的输入量与输出量之间关系是线性 b.各环节和系统均可用线性微分。 c.可用叠加原理和拉氏变换。,二.自动控制系统的分类,非线性系统 定义：数学模型为非线性微分方程式的控制系统。 特点： 系统中有非线性环节。,二.自动控制系统的分类,3.按系统传输信号对时间的关系分类 连续控制系统 特点：控制作用的信号是连续量或模拟量。 例子：调速系统、随动系统。 数学模型用微分方程描述,二.自动控制系统的分类,离散控制系统 特点：控制作用的信号是断续量或数字量或采样数据量。 例子：计算机控制系统。 数学模型用差分方程描述,二.自动控制系统的分类,4.按系统有无反馈环节分类 开环控制系统 闭环控制系统,三.自动控制系统的组成,自动控制系统的基本功能 信号的传递、加工和比较。,四.自动控制系统的性能指标,控制系统的性能指标包含： 稳定性、稳态特性、动态特性 稳定性：系统的首要条件 稳态特性：稳态误差 动态特性：动态跟随特性， 动态抗扰特性,五.研究自动控制系统的方法,定性分析 建立数学模型 定量分析 对系统校正 工程实践,六.本课程与其它课程的关系,先修课程 电机学、自控原理、电子技术 后续课程 计算机控制系统,六.本课程与其它课程的关系,主要内容 直流电机自动控制系统 交流电机自动控制系统,六.本课程与其它课程的关系,要求 1.掌握基本的理论、分析方法、和典型的应用 2.学习本课程的思想，通过本课程的学习，不仅掌握知识，而且在学习能力、分析能力、综合能力上有提高。,六.本课程与其它课程的关系,如何学好本课程 1.复习+综合 2.学习做读书报告,七.计算机控制系统的概念,从本质上讲，计算机控制系统包括： 1.实时数据采集 2.实时决策 3.实时控制,七.计算机控制系统的概念,计算机控制系统分类： 1.联机在线方式 2.脱机离线方式,七.计算机控制系统的概念,实时的概念： 信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。 计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内做出相应。,交流调速系统简介,第六章 交流调速引导,第六章 交流调速引导,异步电机的特点： 高阶、非线性、多变量 异步电机的调速： n n1(1-s)60f1 (1-s)/p n-转子转速 n1-旋转主磁通的转速 s-转差频率 p-定子绕组的极对数 s=f(U1 、r1、x1、r2、 x2 ),6.1交流调速系统的基本类型,一.常见分类 降电压调整 电磁转差离合器调速 绕线转子异步电机转子串电阻调速 绕线转子异步电动机串级调速 变极对数调速 变频调速,6.1交流调速系统的基本类型,二.从定子传入转子的电磁功率 P2=(1-S) Pm-拖动负载的有效功率 Ps =S Pm -转差功率（转子铜耗） 1.转差功率消耗型 Ps转成热能形式 降电压调整 电磁转差离合交调速 绕线转子异步电机转子串电阻调速,6.1交流调速系统的基本类型,2.转差功率回馈型 Ps一部分被消耗掉，大部分通过变流装置回 馈电网或转化为机械能予以利用。 绕线转子异步电动机串级调速,6.1交流调速系统的基本类型,3.转差功率不变型 转子铜耗不可避免，无论转速高低， 转差功率的消耗基本不变。 效率最高。 变极对数只能有极调速，应用场合有限。 变频调速最有发展前途,6.2 闭环控制的交流变压调速系统,异步电机模型,异步电机模型,异步电机机械特性,当电机电路参数不变时,在一定转速下，转矩正比于电压的平方,异步电机机械特性,一:异步电动机改变电压时的机械特性,根据电机学原理，并假设： (1)忽略空间和时间的谐波。 (2)忽略磁饱和。 (3)忽略铁损。 1=1+ x1 /x2 = 1,一:异步电动机改变电压时的机械特性,异步电机在不同的电压下的机械特性。 高转子电阻电机在不同电压下的机械特性。,二 闭环控制的变压调速系统及其静特性,变压调速 D 小。 高转子电阻电机的机械特性软。 D=2以上时用带转速反馈的闭环控制系统,第七章异步电机变压变频调速系统(VVVF),-转差功率不变型调速系统,7-1变频调速的基本控制方式,电机调速时希望磁通量m为额定值不变 三相异步机每相电势 Eg=4.44f1N1KN1m f1-定子频率 KN1-基波绕组系数 N1-定子每相绕组串联匝数 m -每极气隙磁通量(Wb),一.基频以下调速,f1从额定f1n向下调。 要求： Eg /f1 =常数。 因为E不易控制，当E较大时，忽略定子绕组的漏感压降 U1 = Eg U1 /f1 =常数 低频时，x1大，不能忽略 所以U1 需提高。,二.基频以上调速,频率从f1n上升， U1只能升到U1n (额定电压)。 迫使m下降。 相当与直流电机弱磁升速 变频调速控制特性（P198）, 7-2 静止式变频装置,间接变频 AC-DC-AC 直接变频 ACAC,一:间接变频装置(AC-DC-AC),可控整流器变压 调压调频在两个环节上进行 U1/F1 较低时,电网端功率因数低 输出谐波大 2. 不控整流、斩波调压。逆变器变压 电网输入功率高 输出仍有谐波 3. 不控整流、PWM变压变频 电网功率因数高 谐波减少,二:直接变频装置(AC-AC),交交变频 周波变换,三:电压源和电流源变频器,1.电压源 输出电压阶梯波、矩形波。 2 电流源 输出电流矩形波、阶梯波。 根本区别:用什么储能元件缓冲无功能量,三:电压源和电流源变频器,电压源变频器: ACDC AC变频器中中间直流环节主要采用大电容滤波时，直流电压波形平直。理想情况下是一内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波 电流源变频器 ACDCAC变频器中中间直流环节采用大电感滤波时，直流回路中的电流波形比较平直。对负载来说是一个恒流源。 因为电机是感性负载，功率因数不会等于1.0， 所以中间直流环节与电动机之间总存在无功功率的交换。, 7-3 SPWM逆变器,电压频率协调控制 若整流器可控，则 （1）两个可控功率环节-复杂。 （2）中间环节大电感、大电容、系统动态响应缓慢。 （3）整流器可控，功率因数（供电）随频率下降而变差，并产生高次谐波电流。 （4） 输出为六阶梯波 1964年 德 A.schonung 提出PWM。, 7-3 SPWM逆变器,PWM方法 控制逆变器功率开关器件导通或断开，其输出端即获一系列宽度不等的矩形脉冲波形，从而决定开关动作的顺序和时间分配规律的控制方法。 改变矩形脉冲宽度-逆变器输出交流基波电压幅值。 改变调制周期-逆变器输出交流基波电压频率。, 7-3 SPWM逆变器,特点： （1）只有一个可控功率环节。 （2）用不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压大小无关而接近1。 （3）调频同时调压，与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应。 （4）输出电压波形好，能抑制或消除低次谐波。, 7-3 SPWM逆变器,一.SPWM逆变器的工作原理 思想 期望其输出电压是纯粹的正弦波形 把正弦波形半波分成N等分。把每一个等分的正弦曲线与横轴所包围的面积，都用一个与 面积相等的等高矩形脉冲来代替 矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合 因为各脉冲幅值相等 所以逆变器可由恒定的直流电源供电 整流电压=逆变器脉冲幅值 实现方法 软件计算 调制 （,一）工作原理 参考信号振荡器 其频率决定逆变器输出的基波频率 载波信号：公用 分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“负”的饱和输出 调节参考信号频率和幅值 可平滑调节逆变器输出的基波频率和幅值 控制方式 单极式 :正弦波半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断 双极式: 控制逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断,处于互补的工作方式,(二) 逆变器输出电压与脉宽的关系 单极式SPWM 脉冲幅值1/2Us.在半个周波内有N个脉冲,个脉冲不等宽 但中心间距一样, 等三角波的周期 令 第 个矩形脉冲宽度为 其中心点相位角 因为从原点始只有半个三角波,因为输出电压波形 负半波左右对称,是一个奇次周期函数 把N个矩形脉冲代表的 代入上式,须先求的每个脉冲的起始和终止相位角 设 所需逆变器输出的正弦波电压幅值 Um,因为矩形脉冲面积=该区段正弦曲线的面积相等 第I个矩形的宽度 第i个脉冲起始角度 终止角 代入上式的:,K=1的输出电压的基波幅值 当半个周期内N较多时 较小 结论: 输出基波电压幅值U1m 与各次脉宽时,实现了对逆变器输出电压基波幅值的平衡调节 所以 Uim=Um 输出电压的基波正式调制时所要求的正弦波,(三)对脉宽调制的约束条件 逆变器主电路的开关器件在其输出电压半周内开关N次 器件本身的开关能力与主电路的结构及其换流能力有关 所以PWM用于交流调速系统受到约束 (1) 开关频率 开关频率限制其,(2) 调制度 调制的脉冲波有最小脉宽与最小间隙的限制 目的:保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间Ton与关断时间Toff 要求:参考信号幅值 不能超过 载波峰值的某一系列数 所以定义调制度 M=Um/Utm M,1,二:SPWM逆变器的同步调制和异步调制 定义 载波比N= 载波频率/调制波频率 1.同步调制 N=C 变频是 fr与ft同步变化 所以 逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数固定不变 缺点:输出频率低时 谐波显著上升,使负载电机产生较大的脉冲转矩和较强的噪音,2.异步调制 N C 一般使参考信号频率fr改变 ft载波频率不变 所以提高了低频时的载波比 缺点:难保证相位对称,3.分段同步调制 在一定频率范围内,采用同步调制,保持输出波形对称的优点当频率减小使载波比分段有级地增加 从输出接近正弦 N 好 从逆变器本身 N 不能太大 所以 N逆变器功率开关器件的允许开关频率/频段内最高的正弦参考信号频率,三:SPWM控制模式及其实现 摸电 数电 专用芯片 软件(计算机) (一)自然采样法 按正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度与间隙进行时间的采样,从而产生SPWM波形叫自然采样法 所以 在逆变器输出的一个周期内,正弦波与三角波有2N个交点,T2 逆变器功率开关器件导通时间脉冲时间 f1 t3-间隙时间 Tc=t1+t2+t3 设三角波幅值 所以正弦调制波 Ur=MsmW1 t W1 正弦调制波频率逆变器输出频率 因为A B 两点对三角波 载波中心线不对称 把t2分成 用相似,(二)规则采样法 弥补自然采样法的不足 设法使SPWM波形的每一个脉冲都与三角波中心线对应 使t1=t3 减少计算工作量 在三角波固定时刻(正峰值或负峰值) 找到正弦调制波上对应电压值,用值对三角波进行采样 用正峰值采样 用负峰值采样,脉宽: 间隙 多相 因为三角载波是共用的,可在同一 载波内获得三相SPWM 脉冲两侧间隙时间相等,(三)指定谐波消除法 从消除某些指定次数的谐波出发,来确定各个脉冲的开关时刻.严格意义上并非SPWM(即三角波和正弦波比较) (四)高开关频率的电流滞环控制SPWM逆变器 引入原因:电压源型逆变器当负载出现低阻抗或短路是,将产生严重的冲击电流 实行电流控制:由控制电路或微型机产生给定频率和幅值的正弦参考电流 与实际的电流检测信号 相比较,偏差经 HDC-滞环比较器 控制逆变器该相上下两个桥臂GTR的通或断,7-4异步电机电压频率协调控制的稳态机械特性,基频一下:恒压频比带定子压降补偿的控制方式,保持 不变 一:恒压恒频时异步电动机的机械特性 U1 W1恒定是 S很小忽略分母中的含S项 S很小时转矩近似与S成正比 S=1 忽略分母中,二:电压 频率协调控制下的机械特性 异步机带TL负载 1.恒压频比控制(U1/W1=C) 因为 带负载时转速降 机械特性基本平行下移 最大转矩 Temax随W1下降而下降,采取补偿定子压降增大Temax 适当的增加U1可增强带负载能力,2.恒Eg/W1控制 Eg气隙(互感)磁通在钉子每相绕组中的感应电势 Es 定子全磁通的感应电势 Er转子全磁通的感应电势(折合套定子边) 因为电磁转矩基本公式 S很小忽略分母中含 项 S=1忽略分母中,Eg/W1控制发生最大转矩是的转差率 最大转矩 3恒Er/W1控制 把U1/W1中U1继续提高,使之补偿 上压降得Er/W1检测 此时Te是一直线与直流机性能相似,如何得到Er/W1=C 因为气隙磁场幅值 对应于Eg 转子全磁通幅值 对应于Er 基频以上:电压不变,只提高频率的恒功率弱磁调速,7-4异步电机电压、频率协调控制的稳态机械特性,复习,异步电机等效模型,复习,异步电机等效模型(教材),R1, R2 :定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻 Ll1, Ll2 :定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感 Lm :定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感,复习,控制策略： 基频以下采用恒压频比带定子压降补偿的控制方式，保持磁通不变。,复习,一:恒压恒频时异步电动机的机械特性,当U1、1恒定时 异步电机正常运行时， S很小。可以忽略分母中含S的项。 此时转矩近似与S成正比。,一:恒压恒频时异步电动机的机械特性,当U1、1恒定时 异步电机低速运行时， S接近于1。可以忽略分母中含R2的项。 此时转矩近似与S成反比。,一:恒压恒频时异步电动机的机械特性,二:电压、频率协调控制下的机械特性,1.恒压频比控制(U1 /1 =C),对统一转矩，s 1 基本不变。,二:电压、频率协调控制下的机械特性,1.恒压频比控制(U1 /1 =C),二:电压、频率协调控制下的机械特性,2.恒Eg/ 1控制,Eg气隙(互感)磁通在定子每相绕组中的感应电势 Es 定子全磁通的感应电势 Er转子全磁通的感应电势(折合套定子边),二:电压、频率协调控制下的机械特性,S很小忽略分母中含s项，转矩和s成正比。 S=1忽略分母中R2，转矩和s成反比。,二:电压、频率协调控制下的机械特性,电压频率协调控制时，恰当提高电压，使之克服定子压降，能维持Eg/ 1 恒定。 Eg/ 1 控制发生最大转矩是的转差率,二:电压、频率协调控制下的机械特性,3 恒Er/ 1 控制 把U1 /1中U1 继续提高，使之补偿Ll2 上压降得Er/ 1控制。,机械特性是一条直线。,二:电压、频率协调控制下的机械特性,如何得到Er/ 1 =C 因为气隙磁场幅值m对应于Eg 转子全磁通幅值rm对应于Er Er=4.44f1N1KN1rm 转子全磁通幅值rm=C控制。,7-5 转速开环，恒压频比控制的变频调速系统,引言,恒压频比控制可获得较硬的机械特性。 若生产机械对调速系统静动态性能要求不高，可采用转速开环恒压频比控制。 分类： 电压源变频器 电流源变频器 例子： 风机、水泵、压缩机。 锅炉、空调、电梯等等。,一转速开环的交-直-交电压源变频调速系统,1.结构 可控整流-用电压控制环节控制其输出电流电压 电压源逆变器用频率控制环节控制其输出。,一转速开环的交-直-交电压源变频调速系统,1.给定积分器,因为转速开环，阶跃信号会使电机产生大的冲击电流，所以加了GI 给定积分器。 GI: 将U*转变成按给定率逐渐变化的斜率信号Ugi ，从而使电机电压和电流都能平缓递变化。 软启动器,1.给定积分器,第一级：高放大倍数的极性鉴别器。（ R1 100R0） U1饱和。只管极性不管大小。 第二级：反向器 第三级：积分器,1.给定积分器,2.绝对值变换器,引入原因 电机旋转方向取决于变频电压的相序不需在电压和频率的控制上反映极性，所以 用绝对值变换器电路将Ugi变换成其绝对值信号Uabs。,分析时注意： Ugi与给定极性相反。,2.绝对值变换器,3.电压控制环节,采用电压、电流双闭环,内环：ACR限制动态电流，兼起保护作用。 外环：AVR控制电压输出。 电压频率控制信号加到AVR前，要通过GF（函数发生器），把给定电压提高一些以补偿定子阻抗压降。,3.电压控制环节,1.Uabs =0， 输入Ub， Kgf =(R1+ R2 )/ R0 2.Uabs 0， 输入Ub, Uabs Kgf =(R1+ R2 )/ R0 当Uabs 增大，输出变正。 3.当Uabs 增大，使二极管导通， Kgf = R2/ R0 。,4.频率控制环节,压频振荡器、环形分配器、脉冲放大器组成。,GVF压频振荡器：电压转换成脉冲。 DRC环形分配器：六分频作用的计数器。 AP脉冲放大器：保证脉冲功率和宽度。,二转速开环的交-直-交电流源变频调速系统,1.结构 可控整流-用电压控制环节控制其输出电流电压 电流源逆变器用频率控制环节控制其输出电压。 差别在于滤波环节。,二转速开环的交-直-交电流源变频调速系统,电流源：滤波环节。 电压控制：控制目的。 易于实现四象限运行。,二转速开环的交-直-交电流源变频调速系,电流源：滤波环节。 电压控制：控制目的。 易于实现四象限运行。,二转速开环的交-直-交电流源变频调速系,回馈制动和四象限运行 电流源变频调速系统的显著特点。,7-6 转速闭环，转差频率控制的变频调速系统,引言,可采用转速开环、恒压频比控制适于生产机械对调速系统静动态性能要求不高。 如何提高控制系统的动态特性？ 控制转矩。,如何控制电压电流和频率来控制转矩？,一转差频率控制的基本概念,直流电机 转矩和电流成正比，控制电流可控制转矩。 异步电机 电流源变频调速系统的显著特点。,一转差频率控制的基本概念,一转差频率控制的基本概念,S很小时，控制气隙磁通不变，转矩和转差频率成正比。,二转差频率控制规律,恒Eg/ 1控制,当s较小时，转矩和转差频率成正比。,二转差频率控制规律,如何使磁通恒定,当s =0时， I1 = I0 当s时趋于无穷时，,二转差频率控制规律,转差频率控制规律： s = sm ,转矩和转差频率成正比。 按图示函数关系控制定子电流，保持气隙磁通恒定。,第一章 直流调速系统分析和设计方法,引言,一.直流电动机的转速和其他参量的关系：,其中： R： 电枢回路总电阻 C e：电势常数 I a：电枢电流,引言,调节转速的方法 减弱励磁磁通 改变电枢回路电阻R 调节电枢供电电压U 改变磁通-额定转速之上 改变电阻-有级调速 改变电压-平滑调速,引言,二.直流调速系统的可控直流电源. 旋转变流机组 静止可控整流器 直流斩波与PWM,引言,三.机械特性 他励直流电机 改变电压时的机械特性,n,正向电动,正向制动,引言,他励直流电机 改变电枢电阻机械特性,R1R2,引言,闭环调速系统设计方法 总体设计 基本部件的选择和稳态参数设计 建立原始系统的动态数学模型 检查稳定性和动态性能 校正系统,1-1 单闭环系统的稳态设计,命题解释： 稳态：系统各变量导数为零 分析与设计的对象 直流电机的稳态 直流电机在某一转速下稳定运行,1-1 单闭环系统的稳态设计,问题？ 如何控制直流电机使其输出转速保持恒定？ 一.定性分析 1.如何实现控制目标？ 2.从何处入手分析？,1-1 单闭环系统的稳态设计,控制目标与方法,n,I,n1,I1,电机机械特性,控制方法,1-1 单闭环系统的稳态设计,定性分析的结果 从改变电机电枢电压入手控制输出，得到硬的机械特性?/! 采用闭环控制使输出恒定?/!,1-1 单闭环系统的稳态设计,二.定量分析 1.转速控制的要求和调速指标 设计控制系统的依据,生产设备量化的技术指标,闭环系统的稳态和动态性能指标,折算,1-1 单闭环系统的稳态设计,转速控制要求 调速：在一定范围内。 稳速：在一定精度内。 加减速：在一定时间内。 稳态分析和设计时仅涉及调速和稳速。,1-1 单闭环系统的稳态分析,调速系统稳态性能指标 a.调速范围（D） 电动机最高转速和最低转速之比。 b. 静差率（S） 系统在某一转速下，负载有理想空载增加到额定值所对应的转速降落与理想空载转速之比。,1-1 单闭环系统的稳态分析,2)调速系统稳态性能指标间关系,ne,S点,1-1 单闭环系统的稳态分析,小结： 调速范围和静差率同时提才有意义！ 以电动机的额定转速为最高转速。 以系统要求的D和S确定最低转速,1-1 单闭环系统的稳态分析,S,=,nmin,=,=,=,D,=,=,1-1 单闭环系统的稳态分析,某调速系统额定转速1430/min，额定速降115/min S30%时 D=1430*0.3/115(1-0.3)=5.3 S20%时 D=1430*0.2/115(1-0.2)=3.1,1-1 单闭环系统的稳态分析,2.开环调速系统的性能 例子：某龙门刨床工作台拖动采用直流电机：Z2-93型、60kW、220V、305A、1000r/min。要求：D=20,S5%。 采用V_M系统，已知主回路R=1.8欧，电动机Ce=0.2Vmin/r,1-1 单闭环系统的稳态分析,当电流连续时,=,nnom,=,=,275r/min,Snom,=,=,=,0.216,nnom,=,=,2.63r/min,1-1 单闭环系统的稳态分析,3.闭环调速系统 a.组成,1-1 单闭环系统的稳态分析,b.闭环调速系统各环节稳态关系 Un= Un*-Un Uct = KpUn Kp放大器电压放大系数 Ud0 = KsUct Ks电压放大系数 n =(Ud0 IdR)/Ce Utg = an,1-1 单闭环系统的稳态分析,n,=,KsKpUn*-IdR,Ce(1+KsKpa/ Ce),=,KsKpUn*,Ce(1+K),-,IdR,Ce(1+K),K= KsKpa/ Ce 闭环系统开环放大系数,1-1 单闭环系统的稳态分析,c.闭环调速系统静特性 表示闭环系统电动机转速和负载电流的稳态关系。,1-1 单闭环系统的稳态分析,d.闭环调速系统静特性与开环系统机械特性的比较,闭环系统：,开环系统：,1-1 单闭环系统的稳态分析,d.闭环调速系统静特性与开环系统机械特性的比较 闭环静特性比开环机械特性硬的多,ncl,=,IdR,Ce(1+K),ncl,=,nop,Ce(1+K),1-1 单闭环系统的稳态分析,比较同一n0 ,闭环系统静差率要小,Sop,=,nop,n0op,1-1 单闭环系统的稳态分析,比较同一S ,闭环系统可以大大提高调速范围,Dcl,=,Dop (1+K),Dcl,=,nnomS, ncl (1-S),Dop,=,nnomS, nop (1-S),1-1 单闭环系统的稳态分析,要取得以上三个优点 ,闭环系统需设置放大器 V-M系统参数：Ce=0.2, Ks=30,a=0.015,K,=,nop,ncl,- 1 = 103.6,Kp,=K/KsaCe = 46,1-1 单闭环系统的稳态设计,问题？ 调速系统的稳态速降是由电枢电阻决定，闭环系统能减少稳态速降，是闭环系统减少电阻吗？,1-1 单闭环系统的稳态设计,三.带比例放大器反馈控制规律 被调量有静差 抵抗扰动和服从给定 系统精度依赖于给定和反馈检测精度,1-1 单闭环系统的稳态设计,四.稳态参数计算 直流调速系统， 电动机： 10kW、220V、55A、1000r/min、Ra=0.5。 整流触发环节：Ks=44 V-M系统内阻R=1.0 采用V_M系统，已知主回路R=1.8欧， 测速发电机23.1W,110V,0.21A,1900r/min 生产机械要求D=10, S5%。,1-1 单闭环系统的稳态设计,ncl,=,=,5.26r/min,K,=,RInom,Cencl,- 1 ,- 1 = 53.3,Ce,=,Unom-InomR,nnom,=,= 0.1925,1-1 单闭环系统的稳态设计,测速发电机电动势转速比,a=b Cetg,测速发电机与主电动机相连，在电机最高转速时， 反馈电压为,Un = 10000.0579 0.2=11.58,分压电阻的分压系数b=0.2,= 0.0579 0.2=0.1158,1-1 单闭环系统的稳态设计,Rp2,=,分压电阻的功率,= 1379,电位器选择：考虑测速发电机输出为最高电压时， 其电流为额定值的20%，测速机电枢压降对检测信号 影响较小。,Cetg nnom,20%Inom,Pp2,=,= 2.43W,Cetg nnom 20%Inom,1-1 单闭环系统的稳态设计,Kp,=,20.14,Ce K,aKs,运算放大器的放大系数和参数,作业,教材P20 例题 例题习题集 P4例1-3、1-5、1-6 推导单闭环系统动态数学模型 做 P15 1-13、1-15、1-17、1-20、1-21、1-29、1-38,第一章第二节 单闭环系统的动态分析与设计,引言,闭环调速系统设计方法 总体设计 基本部件的选择和稳态参数设计 建立原始系统的动态数学模型 检查稳定性和动态性能 校正系统,1-2 单闭环系统的动态分析,问题？ 为什么要进行动态分析？ 如何进行动态分析？ 从系统的动态数学模型入手,1-2 单闭环系统的动态分析,单闭环系统的动态数学模型 额定励磁下的直流电动机 R, L均包括整流器内阻和平波电抗器内阻及电感,+,_,R,L,+,_,E,TL,n,Te,1-2 单闭环系统的动态分析,微分方程： Assume: 电流连续 Ud0=RId+LdI/dt+E E = Cen 额定励磁下的感应电动势 Te-TL=GD2/375dn/dt Te = Cm Id 额定励磁下的电磁转矩,1-2 单闭环系统的动态分析,定义下列时间常数： 电枢回路电磁时间常数 拖动系统机电时间常数,1-2 单闭环系统的动态分析,Ud0-E=R(Id+TLdI/dt) Id+IdL=Tm/R dE/dt IdL=TL/Cm 负载电流,零初始条件下、取等式两边的拉氏变换,1-2 单闭环系统的动态分析,1-2 单闭环系统的动态分析,Ud0(s),+,IdL(s),R(Tl+1),1/Ce TmTls2+Tms+1,n(s),1-2 单闭环系统的动态分析,晶闸管触发和整流系统,1-2 单闭环系统的动态分析,闭环调速系统的数学模型,1-2 单闭环系统的动态分析,二.稳定条件 反馈控制系统的特征方程,S3 +,Tm(Tl+Ts ),1+K,S2 +,1+K,S +1=0,Tm+Ts,1-2 单闭环系统的动态分析,一般的闭环系统最初设计时，通常稳态精度和动态稳定性及裕度存在矛盾。这主要是对被控对象认识不准确、或者没有经验。这时，要进行动态校正。 分析工具：波特图,1-2 单闭环系统的动态分析,理想波特图特性： 中频以20db/dec斜率穿越0分贝线。 截止频率（或剪切频率）c 越高，系统快速性越好。 低频段斜率高、增益高，表示系统稳态精度好 高频段衰减得越快，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。,1-2 单闭环系统的动态分析,三.动态校正 主要的动态校正器 PD:超前校正，提高快速性和稳定裕度。稳态精度可能受影响。 PI：滞后校正，保证稳态精度。牺牲快速性。 PID：滞后超前校正。调试复杂。,1-2 单闭环系统的动态分析,Uex = Uin,+,=KpiUin +,1,Wpi =Kpi+,s,1,Kpi s +1,s,=,=Kpi,1s +1,1s,1-2 单闭环系统的动态分析,PI调节器积分时间常数,PI调节器超前时间常数,1-2 单闭环系统的动态分析,1.3无静差调速系统,一积分控制规律,Uex =,=,1,0,t,uin,uin,uex,uex,二.比例积分控制规律,Uex = Uin,+,=KpiUin +,1,Wpi =Kpi+,s,1,Kpi s +1,s,=,=Kpi,1s +1,1s,二.比例积分控制规律,1s +1,PI调节器积分时间常数,PI调节器超前时间常数,二.比例积分控制规律,二.稳态抗扰误差分析,Idl(s),Ks TsS+1,Uct,Ud0,Kp,1/Ce TmTlS2+TmS+1,R(TlS+1),Un*(s),+,-,+,-,Un,n,比例控制时的稳态抗扰误差,n,= -,RIdL,Ce(1+K),二.稳态抗扰误差分析,积分控制时的稳态抗扰误差,n,= 0,二.稳态抗扰误差分析,比例积分控制时的稳态抗扰误差,n,= 0,Idl(s),Ks TsS+1,Uct,Ud0,1/Ce TmTlS2+TmS+1,R(TlS+1),Un*(s),+,-,+,-,Un,n,1.4 带电流截止反馈的调速系统,一问题的提出,电机全电压启动 负载特别重 生产机械的电机堵转时 主要的原因是电机反电势与电枢电压差值太大,至使电流太大。,二电流截止环节,实现电路： P23 图1-28 习题P17 图1-11 输入输出特性：,三带电流截止环节的系统,Uct,Ud0,Kp,Un*(s),+,-,+,Un,带电流截止反馈系统的稳态结构图,Ks,Rs,R,! Ce,n,Id,-,-,+,Ucom,-,Ui,三带电流截止环节的系统,带电流截止反馈系统的理想静特性,n,Id,Id,n,1.5 电压反馈电流补偿的调速系统,一问题的提出,采用测速发电机测量转速精度和复杂性 电压能够反映转速 主要的原因是电机电枢电阻不是太大，使用电压来反映转速，要考虑误差。 实现电路： P44 图1-55,二电压负反馈系统,Uct,Ud0,Kp,Un*(s),+,-,+,Un,电压负反馈系统的稳态结构图,Ks,Ra,Rrec,! Ce,n,Id,-,+,Ud,E,-,三电压负反馈电流补偿系统,Uct,Ud0,Kp,Un*(s),+,-,+,Un,电压负反馈电流补偿系统的稳态结构图,Ks,Ra,Rrec +Rs,! Ce,n,Id,-,+,Ud,E,-,+,Ui,三电压负反馈电流补偿系统,n,=,Kp Ks Un*,Ce(1+K),(Rrec +Rs ) Id,Ce(1+K),-,+,Kp Ks Id,Ce(1+K),-,Ra Id,Ce,小结,稳态分析和动态分析和设计 基本概念： 调速 范围、 静差率、机械特性 基本结构 转速闭环稳态系统、动态系统 带电流截止反馈系统 电压反馈、电流补偿系统,复习上节内容,2.3 调节器的工程设计方法,引言,问题 为什幺要引入工程设计方法? 经典校正方法设计调节器，要同时解决稳、准、快及抗干扰的问题。需要扎实的理论基础、丰富的实际经验和熟练的设计技巧。 电力拖动系统可以简化成典型的低阶系统。对典型系统进行深入的研究，结果可作为系统设计的主要参考。,一.工程设计方法的基本思路,总原则 简化问题，突出主要矛盾。 设计步骤 选择调节器的结构，保证稳定性和稳态参数。 选择调节器的参数，满足动态性能指标。,二.控制系统的动态参数指标,跟随性能指标 零初始状态，给定阶跃信号的过渡过程 上升时间 超调量 调节时间,二.控制系统的动态参数指标,抗扰性能指标 衡量动态过程中系统抵抗扰动的能力。 动态降落 恢复时间,三.典型系统,典型型系统 典型型系统,四.典型型系统参数和性能指标的关系,典型性型系统,四.典型型系统参数和性能指标的关系,1.稳态跟随性能,四.典型型系统参数和性能指标的关系,2.动态跟随性能指标,四.典型型系统参数和性能指标的关系,2.动态跟随性能指标 选择参数时， 要求动态响应快，阻尼比=0.50.6 要求超调小，可取阻尼比=0.81.0 无特殊要求，阻尼比=0。707， KT=0.5,四.典型型系统参数和性能指标的关系,3.抗扰性能指标,四.典型型系统参数和性能指标的关系,3.抗扰性能指标 抗扰性能与其结构，扰动作用点以前的传递函数、扰动性质有关。,四.典型型系统参数和性能指标的关系,当控制对象的两个时间常数相距较大时，动态降落减小，但恢复时间增加。（书P64） 取基准植为：,五.典型型系统参数和性能指标的关系,典型性型系统,五.典型型系统参数和性能指标的关系,1.稳态跟随性能,五.典型型系统参数和性能指标的关系,2.动态跟随性能指标 引入新的变量-中频宽h: 中频宽h:斜率为-20db/dec的宽度。,五.典型型系统参数和性能指标的关系,2.动态跟随性能指标 选择参数时，选择h 和c ,相当于选择K,五.典型型系统参数和性能指标的关系,2.动态跟随性能指标 (书P66), 选择h=5,五.典型型系统参数和性能指标的关系,3.抗扰性能指标(67) 当h=5时抗扰指标较好,六.调节器结构的选择和传递函数的近似处理,根据不同的情况，把系统校正成典型、系统 典型、系统适合于不同情况的稳态要求。 典型系统在动态跟随性能上可以做到超调小、抗扰性能稍差。 典型系统超调相对大一些、抗扰性能比较好。,六.调节器结构的选择和传递函数的近似处理,2.根据不同的情况，把系统校正成典型、系统的具体例子（P69表2-8、2-9） 有时用P、I、D及其组合难以满足要求，需要对系统进行简化。 3.小惯性环节的近似处理 多个小惯性环节简化成一个小惯性环节，其时间常数等于系统各小时间常数之和。 注意：频带变小。,六.调节器结构的选择和传递函数的近似处理,4.高阶系统的降阶处理 特征方程高次项的系数小到一定程度时可忽略不计。 注意：频带变小。 5.大惯性环节的近似处理 变成积分环节。 注意：频带变化。,复习上节内容,根据不同的情况，把系统校正成典型、系统 典型、系统适合于不同情况的稳态要求。 典型系统在动态跟随性能上可以做到超调小、抗扰性能稍差。 典型系统超调相对大一些、抗扰性能比较好。,复习上节内容,2.根据不同的情况，把系统校正成典型、系统的具体例子（P69表2-8、2-9） 有时用P、I、D及其组合难以满足要求，需要对系统进行简化。 3.小惯性环节的近似处理 多个小惯性环节简化成一个小惯性环节，其时间常数等于系统各小时间常数之和。 注意：频带变小。,复习上节内容,4.高阶系统的降阶处理 特征方程高次项的系数小到一定程度时可忽略不计。 注意：频带变小。 5.大惯性环节的近似处理 变成积分环节。 注意：频带变化。,2-4按工程设计方法设计ASR、ACR,引言,设计多环控制系统的一般原则： 从内环开始，一环一环逐步向外扩展。 设计转速电流双闭环系统的原则： 从电流环开始，然后转速环。,引言,增加滤波环节，抑制反馈信号中的交流分量。,一.电流调节器的设计,电流环结构图的简化 问题：如何解决反电势的交叉反应？ 电流调节过程比转速调节过程快得多。 反电势对电流环来说只是缓变的作用，可认为E基本不变。设计电流环时，不考虑反电势的动态作用，将反电势反馈作用断开。,一.电流调节器的设计,一.电流调节器的设计,近似处理为小惯性环节的条件 忽略E的条件 SCR作为一阶惯性环节,一.电流调节器的设计,调节器结构的选择 确定为典型型系统。 采用PI调节器,一.电流调节器的设计,一.电流调节器的设计,电流调节器参数的选择 选择放大倍数和超前时间常数,一.电流调节器的设计,电流调节器电路实现,二.转速调节器的设计,电流环等效闭环传递函数 当转速环截止频率较低时,二.转速调节器的设计,n,Un*/ ,Un,+,-,二.转速调节器的设计,原来的电流环的控制对象是双惯性环节，加入电流调节器后变成无阻尼二阶振荡环节。 转速调节器结构的选择 稳态无静差：扰动作用点前设置积分环节 动态性能要好， 用PI调节器。利用其饱和特性减少超调。,二.转速调节器的设计,转速调节器参数的选择,二.转速调节器的设计,二.转速调节器的设计,转速调节器电路实现,三.转速调节器退饱和时转速超调量的计算,自学。应知道结论。,四.设计举例,看板书。,复习上节内容,增加滤波环节，抑制反馈信号中的交流分量。,复习上节内容,复习上节内容,近似处理为小惯性环节的条件 忽略E的条件 SCR作为一阶惯性环节,复习上节内容,调节器结构的选择 确定为典型型系统。 采用PI调节器,复习上节内容,复习上节内容,电流调节器参数的选择 选择放大倍数和超前时间常数,复习上节内容,电流调节器电路实现,复习上节内容,电流环等效闭环传递函数 当转速环截止频率较低时,复习上节内容,复习上节内容,转速调节器参数的选择,复习上节内容,复习上节内容,转速调节器电路实现,小结,ACR设计步骤： 确定时间常数 按整流电路型式确定整流装置的滞后时间常数Ts 按整流电路型式确定整流滤波时间常数Toi 按小时间常数近似处理，确定电流环小时间常数Ti,小结,2.选择ACR结构,小结,3.选择ACR参数 按超调要求查表得KITI。计算出Ki,小结,4.校验近似条件： 近似处理为小惯性环节的条件 忽略E的条件 SCR作为一阶惯性环节,小结,5.计算ACR的电阻电容值：,小结,ASR设计步骤： 确定时间常数 电流环时间常数2Ti 转速滤波时间常数Ton按所用测速机纹波大小决定，一般取Ton0.01s 按小时间常数近似处理，确定转速环小时间常数Tn Ton+ 2Ti,小结,2.选择ASR结构,小结,3.选择ASR参数 对于一般的系统h=5,小结,4.校验近似条件：,小结,5.计算ASR的电阻电容值：,小结,核算超调量,2.5转速超调的抑制,引言,问题：为何要抑制超调？ 双闭环 调速系统有良好的稳态和动态性能。 缺点：转速有超调 解决办法：转速调节器中加入微分负反馈。,带微分负反馈的基本原理,带微分负反馈的基本原理,带微分负反馈的基本原理,测验,典型、型系统参数与性能指标的关系。 按工程设计方法设计ASR、ACR的步骤。,第二章 多环控制的 直流调速系统,引言,1.概念 多环： 一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或以上的控制系统。 2.问题 为什幺要引入多环控制系统? 增加独立控制量，改善系统性能。,引言,3.转速电流双闭环的引入 增加对电流的控制,引言,电网波动、快速启动、快速制动均是通过惯性环节或者积分环节才表现到转速的变化上。,引言,4.转速电流双闭环的引入的几条理由 快速启动，启动时获得最大的启动电流。 电网波动的及时调节 5.理想起动特性,引言,6.如何在转速环中加入电流环 电流环、转速环两个环节。 起动、运行两个阶段。 起动过程中只有电流反馈、正常运行时转速反馈。 7.分析的关键 放大器饱和相当于开环。,2.1 双闭环调速系统的组成和静特性,一.双闭环系统的组成,一.双闭环系统的组成,二.双闭环系统的静特性,分析静特性的关键是分清PI调节器的两种工作状态。 饱和-输出达到限幅值、闭环不起作用。 不饱和-输出未达限幅值、闭环工作。 转速调节器不饱和的稳态-转速无静差。 Un* = Un =n Ui* = Ui = Id n= Un* / 转速调节器饱和的稳态-电流无静差。 Id = Idm = Ui* /,二.双闭环系统的静特性,n,Idm,I,Inom,三.双闭环系统的稳态计算,稳态指两个PI调节器都不饱和。 Un* = Un =n Ui* = Ui = Id Uct= Ud0 / Ks = (Ce n+ IdR) / Ks n= Un* /-转速由给定电压决定 Ui* =Id -ASR输出负载电流决定 Uct= (Ce n+ IdR) / Ks -控制电压由Un* 、 Id 决定,三.双闭环系统的稳态计算,转速反馈系数 = Unm*/nmax 电流反馈系数 = Uim*/Idm,2.2 双闭环调速系统的动态性能,一.动态数学模型,二.起动过程分析（重点）,起动过程中ASR的三个阶段 不饱和、饱和、退饱和。,t,IdL,Id,Idm,t1,t2,t3,t4,t,n*,n,二.起动过程分析（重点）,第一阶段0-t1电流上升阶段 加入Un*后，两个调节器作用，使Uct 、Ud0 、Id都上升。 Id IdL时，电机开始起动。 因为电机的惯性，转速变化不大。所以Un数值较大，ASR很快达到限幅值，强迫电流以最大给定值跟随。 ASR饱和、ACR不饱和。,二.起动过程分析（重点）,第二阶段t1-t2恒流升速阶段 转速调节器饱和，转速环相当于开环 开始：电流升到最大值 结束：转速达到额定值 由于反电势的影响， Uct 、Ud0 必须按比例增长。 Uim* - Ui 必须维持恒值 ASR饱和、ACR不饱和。,二.起动过程分析（重点）,第三阶段t2以后-转速调节阶段 转速调节器退饱和，转速环闭环 开始：转速达到额定值 结束：转速达到额定值 要经过若干阶段的调节。 ASR不饱和、ACR不饱和。,二.起动过程分析（重点）,起动过程的特点： 饱和非线性控制 分段线性化，注