山大《运动控制系统》课件第3章 多闭环调速控制系统的构造及PROFIBUS网络组态-4多环调速控制系统的构造过程及性能分析

1、第三章多闭环控制系统的构造及PROFIBUS网络组态本讲主要内容第四节 多环调速控制系统的构造过程及性能分析第331讲第341讲2第四节 多环调速控制系统的构造过程及性能分析 转速、电流双闭环调速系统的超调问题在理论上已经得到解决。为了尽可能的缩小第阶段的比例或根据实际工程的需求能够随意设置阶段宽度，必须解决对电流变化率进行控制的问题。 解决的思路是：根据反馈定理引一个电流微分负反馈就能解决对电流变化率进行控制目的。3一、带电流变化率内环的三环调速系统1.系统构成注意：1)调节电流调节器ACR的输出限幅值就能调节电流变化率的大小。4一、带电流变化率内环的三环调速系统1.系统构成注意： 2)电流

2、变化环为什么建立在电流环的内部？ 因为电流变化率出现的时间早于电流出现的时间，所以根据多环组合方法，电流变化率环应该建立在里面。5一、带电流变化率内环的三环调速系统1.系统构成注意：3)在任何情况下，电流变化率调节器ADR不能饱和。一般规律：与触发器的输入端直接相联的那个调节器在任何情况下都不允许产生饱和。6一、带电流变化率内环的三环调速系统1.系统构成注意： 4) 在起动的第阶段，ASR、ACR都处于饱和状态，只有ADR处于线性调节状态。 ASR饱和ACR饱和ASR饱和ACR饱和ACR输出饱和限幅为电流变化率环提供了恒值给定7一、带电流变化率内环的三环调速系统1.系统构成注意：4)在起动的第

3、阶段，ASR、ACR都处于饱和状态，只有ADR处于线性调节状态。 在起动的第阶段，电流调节器ACR退出饱和状态参与恒流调节控制。ASR饱和ACR饱和ASR饱和ACR饱和ASR输出饱和限幅为电流环提供了恒值给定8一、带电流变化率内环的三环调速系统1.系统构成注意：4)在起动的第阶段，ASR、ACR都处于饱和状态，只有ADR处于线性调节状态。 在起动的第阶段，电流调节器ACR退出饱和状态参与恒流调节控制。 在起动的最后阶段，转速调节器ASR退出饱和状态，参与恒速调节控制。即：电流调节器ACR先退出饱和状态，转速调节器ASR后退出饱和状态。ASR饱和ASR饱和ACR饱和9一、带电流变化率内环的三环调

4、速系统1.系统构成注意：4)在起动的第阶段，ASR、ACR都处于饱和状态，只有ADR处于线性调节状态。 在起动的第阶段，电流调节器ACR退出饱和状态参与恒流调节控制。 在起动的最后阶段，转速调节器ASR退出饱和状态，参与恒速调节控制。 即：电流调节器ACR先退出饱和状态，转速调节器ASR后退出饱和状态。ASR饱和ACR饱和10一、带电流变化率内环的三环调速系统1.系统构成注意：5) 我们引入电流微分负反馈的目的是为了能够实现电流变化率的可控性和减缓传动机械之间的冲击强度或满足某种工程上的特殊要求。11一、带电流变化率内环的三环调速系统2.系统特点 1)电流微分环可以明显地降低当电流发生断续时引

5、起触发器传递函数KS发生变化导致对整个调速控制系统的影响。12一、带电流变化率内环的三环调速系统2.系统特点1)电流微分环可以明显地降低当电流发生断续时引起触发器传递函数KS发生变化导致对整个调速控制系统的影响。因为当电枢电流发生断续时导致触发器传递函数KS发生变化。又因为触发器传递函数KS在电流微分环的前向通道上。所以根据抑制定理电流变化率环对触发器传递函数KS发生变化起抑制作用。2)当电网电压发生变化时所产生的动态速降与双闭环调速控制系统相比将会明显的降低。13探索与发现综上所述：我们发现了一个特点，每当适当地增加一个环，调速控制系统的抗干扰能力就能提高一个挡次。我们自然就会产生这样一个想

6、法：能否把一个调速控制系统的全部状态变量都引出来免得遇到一个问题引入一个反馈环。14二、全状态反馈调速控制系统(准全状态反馈)1.状态变量的确定 如果描述调速控制系统被控对象的状态变量能够全部找出来，那么反映被控对象任何一种情况下的状态都能够得到控制。 如下图所示，被控对象能反映在任何一种情况下的变化过程的状态变量有多少个呢？ 自动控制理论告诉我们：一个储能元件决定一个状态变量。15二、全状态反馈调速控制系统(准全状态反馈)1.状态变量的确定 从下面的结构图可以看出，有三个储能元件，所以有三个状态变量。这三个状态变量是：Ud0、Id、E。 16二、全状态反馈调速控制系统(准全状态反馈)1.状态

7、变量的确定 但是科学发展到今天，Ud0和 E无法直接引出，我们可以通过Ud和n代替Ud0和E，于是就有了如下图所示的带电压内环的三环调速系统。这个调速系统是一个准全状态反馈调速控制系统。因为没有真正引出Ud0和E这两个物理量(不一定是坏事) 。 17二、全状态反馈调速控制系统(准全状态反馈)2.系统结构特点1)电压在最里面因为电压这个物理量在这个调速系统中首先产生，所以根据多环组合方法应该建立在里面。2)此时的电压反馈应该尽可能地靠近可控整流输出端，这样能尽可能地接近理想的Udo。用Ud代替Udo还能提高系统的抗干扰能力。18二、全状态反馈调速控制系统(准全状态反馈)2.系统结构特点3) 电压

8、反馈一定要进行电磁隔离或光电隔离。如果不进行电磁隔离或光电隔离容易把主电路电压引到控制电路上来。NOTE：P83图2-31和下图同是一个电压反馈为什么引的位置不一样？19三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 双闭环调速系统从高速变低速时控制系统失控问题是最后一个问题，如果此问题不解决，双闭环调速系统无法投入实际运行。 解决的方法有两种：其一，把能量回馈给电网(有源逆变)；其二，把能量消耗在其它用电单元(无源逆变)。20三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 对于“把能量回馈给电网(有源逆变)”的方法将在第四章中给大家介绍。 在“把能量消耗在其它用电单元(无源逆变)”的方法中最简单的一

9、种方法是“能耗制动”。21三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 因为当可控整流装置的输出电压由大变小时，电动机所储存的能量无法回馈给电网，所以造成控制系统失控。最简单的解决方案是“电机拖动”曾经告诉我们：当能量不易回馈电网时，就采用能耗制动。如下图所示的能耗制动方法，但是，没有告诉我们电路的具体实现方法(能实现能耗制动方法的电路很多)。 右图所示电路是一种比较典型的能耗制动控制电路。22三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统 因为当可控整流装置的输出电压由大变小时，电动机所储存的能量无法回馈给电网，所以造成控制系统失控。最简单的解决方案是“电机拖动”曾经告诉我们：当能量不易回馈电网时

10、，就采用能耗制动。如下图所示的能耗制动方法，但是，没有告诉我们电路的具体实现方法(能实现能耗制动方法的电路很多)。 右图所示电路是一种比较典型的能耗制动控制电路。23三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统1.能耗控制电路外围接线 能耗控制电路外围接线如右图所示。其中开关器件不是一般的接触器，它不但具有触点允许大功率(高电压、大电流)，而且还要具有高速开关性能(控制过程中使用)。因此只有大功率晶体管才能充当此重任。如下图所示。 24三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统1.能耗控制电路外围接线 逻辑控制信号由运动控制系统的输出方程控制。 能耗制动电阻一般具有可变性：速度越小，所串电阻越小

11、。 在这里不作展开讨论。25三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统1.能耗控制电路外围接线 逻辑控制信号由运动控制系统的输出方程控制。 能耗制动电阻一般具有可变性：速度越小，所串电阻越小。 在这里不作展开讨论。26三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统2.能耗控制电路工作原理 下图是用分立元件组成的驱动制动开关GTR的电路，大功率管用GTR或 IGBT均可，电路的工作过程大致如下：当光耦合器 VLC得到信号而导通时，VLC导通且饱和，电阻R2上的电位使得V1导通，V2 随即导通而V3 截止，使GTR导通，制动电流流经制动电阻Rb。27三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统2.能耗控

12、制电路工作原理 当VLC失去信号而截止时，VLC 也截止，电阻R2上没有电位，V1处于关断状态，随之V2截止，V3 导通，GTR得到反向偏压而迅速截止。当V3导通时，电容C2上的电压全部加到GTR的发射极与基极之间导致GTR关断， V1和VD9构成的非门保证了V1与V3的工作状态相反。28三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统2.能耗控制电路工作原理 为了避免向GTR提供过高的反向偏置电压，在图中增加了VD5VD8四个二极管来保护GTR。如下图所示。29三、带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统2.能耗控制电路工作原理实际电路中经常在V2的输出端增加一个电流反馈来保护V2，如下图所示。30

13、到目前为止一个功能较为完善的双闭环调速系统可以投入使用了，但是我们发现了一种系统构造的现象：好像是环越多越好！这种想法正确吗？31四、闭环数目的限制与带预控制调节器的闭环系统1.闭环数目的限制 经过上述分析，好像是环越多越好，但是，控制系统的闭环数目受到如下条件的限制不能无限制的增加： 被控对象状态变量多少的限制 控制系统自然稳定条件的限制 生产工艺性能要求及控制效果的限制注意：当考虑提高非储能元件的抗干扰能力时，有时会出现闭环数目高于状态变量的数目情况。当用双闭环调速系统满足生产工艺要求时，就尽量不要使用三环调速系统。（为什么？）32Id 到目前为止，我们所使用的数学模型都是在电流连续的条件

14、下推导出来的，如果电流发生断续，对于转速电流双闭环系统如何解决此类问题呢？33四、闭环数目的限制与带预控制调节器的闭环系统2.带预控制调节器的闭环系统 当受到某种条件的限制或控制效果的限制，不能用常规PID调节器进行控制时，在工业控制中，一般首先考虑选用预控制调节器，预控制调节器属于预测控制范畴。预测就是借助于对已知、过去和现在的分析得到对未知和未来的了解，预测控制是近年来发展起来的一类新型控制策略，这种控制策略和传统控制理论有着明显的不同。它不需要被控对象的精确的数学模型，且无需事先知道过程模型的结构和参数的有关先验知识，利用数字计算机的计算能力，将直接从生产现场检测到的过程响应(即脉冲响应

15、或阶跃响应)，实行在线的滚动优化计算，从而取得较好的综合控制效果。34四、闭环数目的限制与带预控制调节器的闭环系统2.带预控制调节器的闭环系统 当受到某种条件的限制或控制效果的限制，不能用常规PID调节器进行控制时，在工业控制中，一般首先考虑选用预控制调节器，预控制调节器属于预测控制范畴。预测就是借助于对已知、过去和现在的分析得到对未知和未来的了解，预测控制是近年来发展起来的一类新型控制策略，这种控制策略和传统控制理论有着明显的不同。它不需要被控对象的精确的数学模型，且无需事先知道过程模型的结构和参数的有关先验知识，利用数字计算机的计算能力，将直接从生产现场检测到的过程响应(即脉冲响应或阶跃响

16、应)，实行在线的滚动优化计算，从而取得较好的综合控制效果。35四、闭环数目的限制与带预控制调节器的闭环系统2.带预控制调节器的闭环系统 用晶闸管-电动机所组成的调速控制系统经常遇到电流断续的问题，当电流出现断续时，所有的调节器都失去正常的控制作用。为了解决此类问题，对于非可逆调速系统一般调速器都采用带电流预控制器的闭环系统。36四、闭环数目的限制与带预控制调节器的闭环系统2.带预控制调节器的闭环系统 此预控制调节器，能根据电流连续和断续状态或转矩改变符号时所要求的触发角，进行快速变化，改善调节系统的动态响应，控制效果和抗干扰能力方面都优于带电流微分环节的三环调速控制系统。37四、闭环数目的限制与