双闭环直流调速系统的设计ppt课件

1、双闭环直流调速系统设计双闭环直流调速系统设计 电工电子实验中心电工电子实验中心适用专业：自适用专业：自 动动 化化 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 主要内容主要内容1.1.双闭环调速系统的组成及其静特性双闭环调速系统的组成及其静特性2.2.数学模型和动态性能分析数学模型和动态性能分析3.3.调理器的工程设计方法调理器的工程设计方法4.4.双闭环系统调理器的设计双闭环系统调理器的设计*一、双闭环调速系统及其静特性一、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转速单闭环系统不能随意控制电流和转矩的动态过程。矩的动态过程。 采用电流截止负反响环节只能限制电流采用电流截止负反响

2、环节只能限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。波形。 理想的快速起动过程IdLntIdOIdm带电流截止负反响的单闭环调速系统带电流截止负反响的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrnn起动过程起动过程 希望能实现的控制希望能实现的控制在起动过程的主要阶段，只需在起动过程的主要阶段，只需 电流负反响，没有转速负反响。电流负反响，没有转速负反响。到达稳态后，只需转速负反响，到达稳态后，只需转速负反响，不让电流负反响发扬主要作用。不让电流负反响发扬主要作用。 +TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG内环外

3、 环ni 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统当当ASRASR不饱和时，不饱和时，ASRASR成为主导的调理器，成为主导的调理器，转速负反响起主要作用。转速负反响起主要作用。 Ks 1/CeUcIdEnUd0+-IdR R ACR-UiUPE当当ASRASR饱和时，相当于电流单闭环系统饱和时，相当于电流单闭环系统, ,实现实现“只需电流负反响，没有转速负反响只需电流负反响，没有转速负反响*imU双闭环直流调速系统的稳态构造框图双闭环直流调速系统的稳态构造框图转速反响系数转速反响系数 电流反响系数电流反响系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-Id

4、R R ACR-UiUPE 稳态构造框图稳态构造框图 调理器输出限幅的作用调理器输出限幅的作用 转速调理器转速调理器ASRASR的输出限幅电压的输出限幅电压U U* *imim决议决议 电流给定电压的最大值；电流给定电压的最大值； 电流调理器电流调理器ACRACR的输出限幅电压的输出限幅电压UcmUcm限制限制 了电力电子变换器的最大输出电压了电力电子变换器的最大输出电压UdmUdm。 静特性静特性 设计时，使ACR不会到达饱和形状。 至于ASR，在CA段未饱和，在AB段饱和。 n0IdIdmIdNOnABC1 1转速调理器不饱和转速调理器不饱和0*nnUnU*i U*im， Id Idm 2

5、 转速调理器饱和dm*imdIUI(n n0 )各变量的稳态任务点和稳态参数计各变量的稳态任务点和稳态参数计算算稳态任务中，两个调理器都不饱和0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU PI PI调理器的特点调理器的特点 比例调理器的输出量总是正比于其输入量。 PI调理器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，直到输入为零，才停顿积分。这时，输出量与输入无关，而是由它后面环节的需求决议的。 反响系数计算转速反响系数 电流反响系数 max*nmnUdm*imIUU*n Uc-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+1

6、1/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E二、数学模型和动态性能分析二、数学模型和动态性能分析起动过程分析起动过程分析 n OOttIdm Id IIIIIIt4 t3 t2 t1 *ndLI按转速调理器按转速调理器ASRASR不饱和、饱和、退不饱和、饱和、退饱和分成三个阶段：饱和分成三个阶段： I. I.电流上升阶段电流上升阶段II.II.恒流升速阶段恒流升速阶段III.III.转速调理阶段转速调理阶段 双闭环直流调速系统起动过程的特双闭环直流调速系统起动过程的特点点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) 动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 调速系统的动态

7、抗扰性能， 主要是抗负载扰动和抗电网 电压扰动的性能 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1. 抗负载扰动IdL2. 2. 抗电网电压扰动抗电网电压扰动-IdLUd 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E 转速和电流两个调理器的作用转速和电流两个调理器的作用 转速调理器的作用转速调理器的作用 1 1转速调理器是调速系统的主导转速调理器是调速系统的主导调理器，调理器， 它使转速它使转速 n n 很快地跟随给定电压变化，很快地跟随给定电压变化，稳态稳态 时可减小

8、转速误差，假设采用时可减小转速误差，假设采用PIPI调理调理器，那么器，那么 可实现无静差。可实现无静差。 2 2对负载变化起抗扰作用。对负载变化起抗扰作用。 3 3输出限幅值决议电机允许的最输出限幅值决议电机允许的最大电流。大电流。 2. 2. 电流调理器的作用电流调理器的作用1 1作为内环的调理器，在外环转速的作为内环的调理器，在外环转速的调理过程中，它的作用是使电流紧紧跟随调理过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环调理器的输出量变化。外环调理器的输出量变化。2 2对电网电压动摇起及时抗扰作用。对电网电压动摇起及时抗扰作用。3 3在转速动态过程中，保证获得电机在转速动态过程中，保证获得电机允

9、许的最大电流，从而加快动态过程。允许的最大电流，从而加快动态过程。4 4当电机过载甚至堵转时，限制电枢当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动维护作用。电流的最大值，起快速的自动维护作用。三、调理器的工程设计方法三、调理器的工程设计方法1 1概念清楚、易懂；概念清楚、易懂；2 2计算公式简明、好记；计算公式简明、好记；3 3不仅给出参数计算的公式，而且指明不仅给出参数计算的公式，而且指明 调整参数的方向；调整参数的方向；4 4能思索饱和非线性控制的情况，同样能思索饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；给出简单的计算公式；5 5适用于各种可以简化成典型系统的反适用于各种可

10、以简化成典型系统的反响控制系统。响控制系统。工程设计方法的根本思绪工程设计方法的根本思绪 设计任务分两步走：设计任务分两步走：1. 1.选择调理器的构造，使系统典型化，以确选择调理器的构造，使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。2.2.再选择调理器的参数，以满足动态性能目再选择调理器的参数，以满足动态性能目的的要求。的的要求。调理器构造的选择调理器构造的选择系统校正控制对象 调理器 输入输出典型系统 输入输出选择调理器，将控制对象校正成为典型系统。选择调理器，将控制对象校正成为典型系统。 典型I型系统)(sR) 1(TssK)(sC T 系统

11、的惯性时间常数； K 系统的开环增益。T1c1cT选择参数，保证选择参数，保证 或或 ，使系统足够，使系统足够稳定。稳定。 典型典型型系统型系统 保证系统足够稳定保证系统足够稳定T11cT或控制系统的动态性能目的控制系统的动态性能目的 1.跟随性能目的 2.抗扰性能目的 调速系统的动态目的以抗扰性能为主，而随动系统的动态目的那么以跟随性能为主。 系统典型的阶跃呼应曲线系统典型的阶跃呼应曲线5%或2% )(tCCCCmaxmaxCC0 tOtrts阶跃呼应跟随性能目的阶跃呼应跟随性能目的 tr 上升时间 超调量 ts 调理时间突加扰动的动态过程和抗扰性能目突加扰动的动态过程和抗扰性能目的的max

12、C1C2C5%或2% CFFO ttmtvCb 抗扰性能目的 Cmax 动态降落 tv 恢复时间 I型和型和型系统在稳态误差上的区别。型系统在稳态误差上的区别。 典型典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，小，但抗扰性能稍差， 典型典型型系统的超调量相对较大，抗扰性型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。能却比较好。典型典型I I型系统和典型型系统和典型型系统的比较型系统的比较典型I型系统跟随性能目的与参数的关系0)(RtRtvtR0)(2)(20tatR 1稳态跟随性能目的：不同输入信号 作用下的稳态误差 稳态跟随性能目的稳态跟随性能目的在

13、阶跃输入下的在阶跃输入下的 I I 型系统稳态时是无差的；型系统稳态时是无差的；但在斜坡输入下那么有恒值稳态误差，且但在斜坡输入下那么有恒值稳态误差，且与与 K K 值成反比；值成反比；在加速度输入下稳态误差为在加速度输入下稳态误差为 。 因此，因此，I I型系统不能用于具有加速度输型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。入的随动系统。2动态跟随性能目的典型典型I I型系统的抗扰性能目的型系统的抗扰性能目的0)(sR)(2sW)(1sW)(sF)()(sCsC)(sN)(11sW)(sW)(sC典型I型系统 )(sF扰动作用下的典型扰动作用下的典型I I型系统型系统 只讨论抗扰性能时，输入作用

14、 R = 0。 ) 1()()()(21TssKsWsWsW) 1() 1()(211TsssTKsW) 1()(222sTKsW取取，那那么么阶跃扰动作用下的输出变化量阶跃扰动：阶跃扰动：sFsF)()(1() 1()(222KsTssTTsFKsC输出变化量：输出变化量：TtmeTtememmmmFKtCTtTtTt2sin2cos)1 ()1(1222)()2/()2/(/2225 . 0KT当当 时时221TTTTm51101201301%100maxbCC典型典型I I型系统动态抗扰性能目的与型系统动态抗扰性能目的与参数的关系参数的关系KT=0.5,Cb=FK2/2)KT=0.5,C

15、b=FK2/2) 典型典型II II型系统性能目的和参数的关系型系统性能目的和参数的关系 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：12Th) 1() 1()(2TsssKsW典型典型型系统的开环对数幅频特性型系统的开环对数幅频特性dB/L0 11T12hKlg20-20 40 -40 / s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec中频宽参数之间的一种最正确配合参数之间的一种最正确配合采用采用“振荡目的法中的闭环幅频特性振荡目的法中的闭环幅频特性峰值最小准那么，可以找到和两个参峰值最小准那么，可以找到和两个参数之间的一种最正确配合，数之间的一种

16、最正确配合， 122hhc211hc那那么么 hT2222112121)1(21ThhhhThKc0)(RtRtvtR0)(2)(20tatRKa /01 1稳态跟随性能目的稳态跟随性能目的 不同输入信号作用下的稳态误差不同输入信号作用下的稳态误差 典型II型系统跟随性能目的和参数的关系 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。 2 2动态跟随性能目的动态跟随性能目的按Mrmin准那么确定参数关系时典型典型型系统抗扰性能目的和参数的关型系统抗扰性能目的和参数的关系系+ ) 1() 1(1TsshTsKsK2)(sF)(sC0)(1sW)(2sW 在阶

17、跃扰动下， 11212) 1(12)(222332222hTssThhsThhTsTFKhhsC 阶跃扰动的输出呼应Cb = 2FK2TsFsF/)(取输出量基准值为取输出量基准值为 典型典型II II型系统动态抗扰性能目的与参数的型系统动态抗扰性能目的与参数的关系关系参数关系符合最小参数关系符合最小MrMr准那么准那么校正成典型I型系统的几种调理器选择) 1)(1)(1(3212sTsTsTK) 1)(1(212sTsTKT1、T2 T312TsK) 1(2TssK) 1)(1)(1(3212sTsTsTK321,TTT ssK11pi) 1(sKipKsss) 1)(1(21ssK11pi

18、) 1(11T2211,TT3211,TTTTT1 T2 传送函数近似处置1 1高频段小惯性环节的近似处置高频段小惯性环节的近似处置 ) 1)(1)(1() 1()(321sTsTsTssKsW小惯性环节可以合并1)(1) 1)(1(13232sTTsTsT近似条件近似条件32c31TT2 2高阶系统的降阶近似处置高阶系统的降阶近似处置设三阶系统设三阶系统a，b，c都是正数，且都是正数，且bc a，即系统是稳定的。，即系统是稳定的。降阶处置：忽略高次项，得近似的一阶系统降阶处置：忽略高次项，得近似的一阶系统近似条件近似条件 ：1)(23csbsasKsW1)(csKsW),1min(31cac

19、b3 3低频段大惯性环节的近似处置低频段大惯性环节的近似处置 时间常数特别大的惯性环节，可以近似为积分环节，即 11TsTs1近似条件：近似条件： T3c四、双闭环系统调理器的设计四、双闭环系统调理器的设计 用工程设计方法设计转速、电流双闭环调速系统的两个调理器，先内环后外环，即从内环开场，逐渐向外扩展。 首先设计电流调理器，然后把整个电流环看作是转速调理系统中的一个环节，再设计转速调理器。 -IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+E Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 Tons+1U*n(s)

20、n(s)电流环 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统E(s)添加了滤波环节添加了滤波环节设计分为以下几个步骤：设计分为以下几个步骤：1. 1.电流环构造图的简化电流环构造图的简化2.2.电流调理器构造的选择电流调理器构造的选择3.3.电流调理器的参数计算电流调理器的参数计算4.4.电流调理器的实现电流调理器的实现电流调理器的设计电流调理器的设计+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)简化后的电流环构造图简化后的电流环构造图按典型按典型I I型系统设计，

21、型系统设计，ACRACR选选PIPI调理器。调理器。liTRKKKisiI，K I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s) 动态构造框图 开环对数幅频特性开环对数幅频特性:1OL/dBci-20dB/dec /s-1-40dB/decTi校正后电流环的构造和特性校正后电流环的构造和特性设计步骤：设计步骤：1. 1.电流环的等效闭环传送函数电流环的等效闭环传送函数2.2.转速调理器构造的选择转速调理器构造的选择3.3.转速调理器参数的选择转速调理器参数的选择4.4.转速调理器的实现转速调理器的实现 转速调理器的设计转速调理器的设计111)()()(Icli*idsKsWsUsI 电流环等效

22、传送函数 原来双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只需较小时间常数的一阶惯性环节。 电流闭环控制的意义电流闭环控制的意义 电流闭环控制改造了控制对象，加快了电流闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是部分闭环内环电流的跟随作用，这是部分闭环内环控制的一个重要功能。控制的一个重要功能。 简化后的转速环构造n (s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) / Tns+1+-IdL (s)转速调理器选择ASR采用采用PI调理器调理器ssKsWnnnASR) 1()(mennNTCRKK令令那么那么) 1() 1()(n2nNnsTssKsWn (s)+-U*n

23、(s) 1() 1(n2nNsTssK校正后的调速系统转速调理器的参数计算 按照典型型系统的参数关系，nn hT2n2N21ThhKnmen2) 1(RThTChK因此因此 转速环与电流环的关系转速环与电流环的关系 外环的呼应比内环慢，这是按上外环的呼应比内环慢，这是按上 述工程设计方法设计多环控制系统的特点。述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试环本身都是稳定的，对系统的组成和调试任务非常有利。任务非常有利。 转速调理器退饱和超调转速调理器退饱和超调 起动时，转速调理系统不服从典型系统

24、的线性规律，超调量不等于典型II型系统跟随性能目的中的数值,而是阅历了饱和非线性过程后的超调，称作“退饱和超调。 分析阐明，可以利用典型II型系统抗扰性能目的中负载由 突降到 的动态速升与恢复过程来计算退饱和超调量。dmIdLIn OOttIdm Id IIIIIIt4 t3 t2 t1 *ndLI退饱和转速超调退饱和转速超调 n n的基准值的基准值 在典型II型系统抗扰性能目的中， C的基准值： medLdmnbTCIIRTn)(2换算到退饱和转速超调换算到退饱和转速超调 n n的基准值：的基准值：由于由于 ， ，TFKCb22mnNTTnz)(2dLdmIIFmeTCRK 2nTT那那么么

25、其中其中 ， ，dNdmIIdNdLzIIedNCRIn 退饱和超调量退饱和超调量 转速超调量转速超调量 的基准值应该是的基准值应该是 mnNbbbnTTnnzCCnnCC*max*max)(2)(*n经基准值换算后得经基准值换算后得 n一、目的：一、目的：1联络实践，对可控硅直流调整系统进展综合性研讨，联络实践，对可控硅直流调整系统进展综合性研讨，加深对所学加深对所学课程的认识和了解，并掌课程的认识和了解，并掌握分析系统的方法。握分析系统的方法。2熟习自动控制系统中元部件及系统参数的测定和计熟习自动控制系统中元部件及系统参数的测定和计算方法。算方法。3掌握可控硅直流调整系统中各单元部件和控制