电力拖动自动控制系统

1、电力拖动自动控制系统运动控制控制系统第1章 绪论运动控制电机学电力电子技术计算机控制技术控制理论信号检测与处理技术微电子技术现代控制技术是多门学科相互交叉的综合性学科运动控制系统电动机功率放大与变换装置控制器及相应的传感器磁链控制与转矩控制同样重要，不可偏废。通常在基速以下采用横刺痛，而在基速以上采用弱磁控制。转矩控制是运动控制的根本问题。生产机械的负载转矩特性直接影响运动控制系统控制方案的选择和系统的动态性能。负载转矩特性恒转矩负载恒功率负载风机，泵类负载特性位能性和反抗性转矩与转速成反比转矩与转速的平方成正比第一篇 直流调速系统电力拖动自动控制系统：电力拖动自动控制系统：调速系统，伺服系统

2、，张力控制系统，多电动机同步控制系统转速反馈控制的直流调速系统：转速反馈控制的直流调速系统：可控直流电源可控直流电源：相控整流器, 把交流电源直接转换为可控的直流电源直流脉宽变换器,先用不可控整流变成直流,然后用PWM脉宽调制方式调制输出的直流电压将直流电能转换为机械能的转动装置。电动机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。定子：励磁定子：励磁转子：电枢转子：电枢直流直流调速系统的可控直流电源：调速系统的可控直流电源：晶闸管整流器晶闸管整流器-电动机调速电动机调速GT：触发装置，把控制电压Uc转换成触发脉冲的触发延迟角V-M系统主电路的等效电

3、路图系统主电路的等效电路图理想空载瞬时值理想空载平均值电动机反电动势晶闸管整流器晶闸管整流器电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性电流连续时的电流连续时的V-M系统的机械特性系统的机械特性完整的完整的V-M系统的机械特性系统的机械特性电动机在额定磁通下的电动势系数电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性上翘，使电动机理想空载转速很高晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数晶闸管触发与整流装置的输入输晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和出特性和Ks的测定的测定晶闸管触发和整流装置的放大系数在动态过程中，晶闸管触发和整流装置看成是一个

4、纯滞后环节，纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的实效时间引起晶闸管触发与整流装置晶闸管触发与整流装置的时空时间的时空时间要明确几个电压之间的关系：控制电压，触发脉冲电压，输出电压。从Uc发生变化的时刻t2到Ud0响应变化的时刻t3之间，便有一段时空时间Ts准确的一阶惯性环节准确的一阶惯性环节近似近似的一阶惯性环节的一阶惯性环节直流直流PWM变换器变换器电动机系统电动机系统改变加在电枢平均电压值制动制动：这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候制动过程加在电枢上的平均电压下降以至于小于感应电动势造成电流反向。先控制VT1，真正制动开始后VT2和VD1作用。 虽然电流能够反向，而电压转速仍不能反向

5、。如果要求转速反向，需要再增加VT和VD直流直流PWM调速系统的机械特性调速系统的机械特性PWM控制器与变换器的动态数学模型控制器与变换器的动态数学模型Uc控制电压，通过控制器产生触发脉冲序列，去调节平均输出电压。拉普拉斯变换积分变换法积分变换法是通过积分变换，把已知的的时域函数变换成频域函数，从而把时域的微分方程化为频域函数的代数方程。运用拉氏变换法进行电路分析称为电路的一种复频域复频域分析方法。定义：反变换F(t)的象函数，拉普拉斯的基本性质拉普拉斯的基本性质：1. 线性性质2. 微分性质3. 积分性质4. 延迟性质电路响应的象函数通常可表示为两个实系数的s的多项式之比，即s的一个有理分式

6、：分解为若干个简单项之和，而这些简单项可以在拉氏变换表中找到，这种方法称为部分分式展开法，或称为分解定理。1. 如果D（s）=0有n个单根2. 如果D（s）=0有共轭复根3. 如果D（s）=0具有重根运算电路运算电路：1. 电阻等效转换2. 电感3. 电容电路直流直流PWM变换器变换器电动机系统：电动机系统：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压恒定的直流电源电压调制成频率一定，宽度可变的脉冲序列，从而改变平均输出的电压的大小，以调节电机转速。（hacheur）直流直流PWM调速系统的机械特性：调速系统的机械特性：所谓稳态稳态，是指电动机的平均电磁转矩和负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均

7、转速与平均转矩的关系。PWM控制器与变换器的动态数学模型：控制器与变换器的动态数学模型：PWM控制器PWM变换器UcUgUdUc 变化时，Ud按线性规律变化，但其响应会有延迟直流直流PWM调速系统的电能回馈和泵升电压：调速系统的电能回馈和泵升电压：不可逆，是因为Ud始终大于零只能向滤波电容供电，造成直流侧电压升高，叫做泵升电压稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性：稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性：对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：1. 调速2. 稳速3. 加，减速为了进行定量分析，针对前两项要求定义两个调速指标，称为“调速范围调速范围”和“静差率静差率”。这两个指标合称为调

8、速系统的稳态性能指标稳态性能指标。调速范围：静差率：直流调速系统的机械特性直流调速系统的机械特性：开环调速系统的机械特性：转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统：采用转速闭环可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。静特性： 表示闭环系统电动机转速与负载电流之间的稳态关系。电动机在额定电压和额定励磁下的机械特性称作电动机固有机械特性将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后比较后的偏差值对系统进行控制的偏差值对系统进行控制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响。转速反馈控制的直流调速系统：转速反馈控制的直流调速系统：带转速反馈的闭环直流调速系统原理框图带转速

9、反馈的闭环直流调速系统原理框图电动机轴上安装测速发电机用以得到与被测转速成正比的反馈电压Un闭环与开环控制系统的主要差别就在于转速n经过测量元件反馈到输入参与控制。动态数学模型：动态数学模型：一个带有储能环节的线性物理系统的动态过程可以用线性微分方程描述，微分方程的解即系统的动态过程，它包括两部分：动态响应动态响应和稳态解稳态解。在动态过程中，从施加给定输入值的时刻开始，到输出达到稳态值以前，是系统的的动态响应动态响应；系统达到稳态后，即可用稳态解来描述系统的稳态特性。比例控制的直流调速系统：比例控制的直流调速系统：开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系：比例控制的直流调速系统可以获得

10、比开环调速系统硬的多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此需要设置电压放大器和转速检测装置。闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化反馈控制规律反馈控制规律：1. 比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统2. 抵抗扰动，服从给定3. 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性：比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性：比例控制的闭环直流调速系统的稳态误差小与稳定性是

11、矛盾的，对于自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。比例积分控制的无静差直流调速系统比例积分控制的无静差直流调速系统：在电力拖动自动控制系统中，常用串联校正和反馈校正，对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案积分控制的作用：积分控制的作用：积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。比例积分控制规律：比例积分控制规律：比例积分调节器的输出有比例和积分两部分叠加而成：如何选择参数Kp和1，在自动控制理论中，可以利用根轨迹法根轨迹法，频率法。其中频率法中的博德图博德图是用的较多的方法。衡量系统控制的

12、准确度的是系统对给定输入的跟随能力；衡量系统抗干扰能力的是系统抑制负载电流Idl的抗扰能力。O型系统对于节约给定输入稳态有差，被称做有静差调速系统；I型系统对于阶跃给定输入稳态无差，被称作无静差调速系统直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制：微机数字控制的特殊问题：1. 把连续信号变成脉冲信号，这就是信号的离散化离散化。2. 采样后的离散信号本质上还是模拟信号，还需经过数字量化，即用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这就是信号的数字化数字化。转速检测的数字化：1. 旋转编码器2. 数字测速方法的精度指标3. M法测速数字数字PI调节器调节器：位置式和增量式两种算法在控

13、制系统中，常需要对调节器的输出实施限幅对调节器的输出实施限幅转速反馈控制直流调速系统的限流保护转速反馈控制直流调速系统的限流保护：在起、制动过程中和堵转状态时，必须限制电枢电流。当电流大到一定程度时才出现电流负反馈，叫做电流截止负反馈。带电流截止负反馈环节的直流调速系统：UiIdRs-Ucom带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的稳态结构框带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性图和静特性：（a）带电流截止负反馈环）带电流截止负反馈环节的输入节的输入-输出特性输出特性（b）带电流截止负反馈环节的闭环）带电流截止负反馈环节的闭环直流调速系统稳态结构框图直流调速系统稳态结

14、构框图转速、电流反馈的直流调速系统为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。基于稳态模型的异步电动机调速系统基于稳态模型的异步电动机调速系统常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速调压调速和变压变频调速变压变频调速两类。稳态数学模型：稳态数学模型：等效电路和机械特性所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。机械特性方程式：机械特性方程式：基于稳态模型的异步电动机调速系统基于稳态模型的异步电动机调速系统异步电动机的调压调速：异步电动机的调压调速：为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电压可以降低气隙磁通，这样也可以降低铁损和励磁电流。但是，如果过分降低电压和磁通，转子电流Ir必