山大《运动控制系统》课件第2章 闭环控制的直流调速系统及计算机仿真-1开环调速控制系统的构造过程及静特性

1、本讲主要内容第一节 开环调速控制系统的构造过程及静特性闭环控制的直流调速系统及计算机第二章 仿真第211讲第2章 闭环控制的直流调速系统及计算机仿真本章主要内容： 1) 如何按照生产工艺所提出的静态指标要求建立控制系统 在“电机与拖动”这门课中所讲的：调速范围D；静差率S都属于静态指标(稳态指标)； 在“自动控制原理” 这门课中所讲的：上升时间tr、超调量和振荡次数N都属于动态指标。 在本章节内主要解决生产工艺所提出的静态指标要求。 在第三章和第四章当中解决生产工艺所提出的动态指标要求。 2）系统形成之后，如何进行计算机仿真和其它实际工作的改造才能投入系统实际运行。这是本章的重点内容第一节 开

2、环调速控制系统的构造过程及静特性 “物体恒值控制理论”都来源于控制系统对某种干扰所具有的抑制能力，要想分析控制系统的抑制能力就必须有一个“A”系统和“B”系统。 在传动控制系统中“A” 系统就是一个开环调速控制系统，那么具体结构是什么呢？一、开环调速控制系统的动、静态结构图 在工厂企业当中，几乎所有的机械运动都可归结为：由电动机旋转运动产生的，机械运动的快慢和准确性都是由电动机调速实现的. 为了集中精力研究控制系统的构造集成问题，更为了验证构造结果的方便性，一般采用直流电动机作为物体运动的动力源。那么为什么采用直流电动机就能方便、迅速地验证系统构造的结果呢？比较项目直流电机交流电机数学模型简单

3、复杂起动转矩大小应用场所环境清洁，控制精度要求比较高的场所。环境恶劣，控制要求比较粗糙的场所。(调速器价格+电动机价格)两者相等一、开环调速控制系统的动、静态结构图注意：1) Ud0和Ud的区别在于：Ud0 是不包括电源内阻Rn的电源输出电压即：一、开环调速控制系统的动、静态结构图注意：2)R电枢回路总电阻：R= Rn(电源内阻)+Ra(电枢电阻)+电枢回路中所串的其它电阻。2022/8/207一、开环调速控制系统的动、静态结构图 由电机学方面知识告诉我们：对于直流电机调压方案最好。因为：* 调速范围广（无论转速高低转速降n不变）。如右所示。* 损耗小（所串电阻为零R=0）尽管调压调速方案一次

4、性投资比较大，但是，在实际当中发现， 当采用调压调速方案之后，由于产品质量的提高、费品率的下降 及节省下来的电费，在不长时间内就可收回由于购置可调性电源所多花的成本费用。IdL一、开环调速控制系统的动、静态结构图 因此我们选用控制电机电枢电压的电压信号作为电动机的输入信号。如下图所示。什么器件组成的控制电路能为直流电动机的电枢提供可变的直流电压电源呢？ 考虑到电动机对于直流电源的基本要求是：直流电源的输出电压可变；功率足够大，两者缺一不可。选取什么样的直流电源才能满足电动机电枢调压的需求呢？ 由电力电子技术方面的知识告诉我们：采用晶闸管可控整流电路或者采用脉宽调制电路就可以实现。如上图所示。一

5、、开环调速控制系统的动、静态结构图 因此我们选用控制电机电枢电压的电压信号作为电动机的输入信号。如下图所示。什么器件组成的控制电路能为直流电动机的电枢提供可变的直流电压电源呢？ 考虑到电动机对于直流电源的基本要求是：直流电源的输出电压可变；功率足够大，两者缺一不可。选取什么样的直流电源才能满足电动机电枢调压的需求呢？ 由电力电子技术方面的知识告诉我们：采用晶闸管可控整流电路或者采用脉宽调制电路就可以实现。如上图所示。一、开环调速控制系统的动、静态结构图 到目前为止，一个基本的可行的开环控制系统就构造完成了，由于电动机要驱动的被控对象的不确定性，因此我们定义的基本的可行的开环控制系统：就是由电动

6、机和晶闸管整流器所组成的开环控制系统，如图所示。一、开环调速控制系统的动、静态结构图 为了满足生产工艺提出某些要求，我们要研究分析这个基本的开环控制系统，利用它构造出满足生产工艺要求的自动控制系统原理结构图，然后要对我们所构造的系统进行仿真和评价：判定它是否满足生产工艺提出的某些要求？判定它是否可以投入实际运行了？等等。 我们需要对自己设计出的系统进行仿真和评价就离不开它的数学模型。那么此开环控制系统的数学模型是什么呢？一、开环调速控制系统的动、静态结构图1、电动机的数学模型电动机的等效结构图。如右图所示。假设：电枢电流Id是连续的，负载电流为IdL，由右图可得：其中：L 为电枢回路总电感；R

7、 为电枢回路总电阻。所谓的求数学模型就是寻找电动机的输出与输入之间的函数关系2022/8/2013一、开环调速控制系统的动、静态结构图1、电动机的数学模型电动机的等效结构图。如右图所示。假设：电枢电流Id是连续的，负载电流为IdL，由右图可得：其中：L 为电枢回路总电感；R 为电枢回路总电阻。注意：电枢电流Id和转速n之间的函数关系是什么关系？2022/8/2014一、开环调速控制系统的动、静态结构图1、电动机的数学模型电动机的等效结构图。如右图所示。假设：电枢电流Id是连续的，负载电流为IdL，由右图可得：其中：L 为电枢回路总电感；R 为电枢回路总电阻。2022/8/2015一、开环调速控

8、制系统的动、静态结构图1、电动机的数学模型电动机的等效结构图。如右图所示。假设：电枢电流Id是连续的，负载电流为IdL，由右图可得：其中：L 为电枢回路总电感；R 为电枢回路总电阻。2022/8/20162022/8/20172022/8/2018令：上式可变为：(电枢回路电磁时间常数)(机电时间常数)2022/8/2019令：上式可变为：(电枢回路电磁时间常数)(机电时间常数)2022/8/2020上式两边同取Laplance变换可得：将上式整理可得：2022/8/2021上式两边同取Laplance变换可得：将上式整理可得：2022/8/2022将上式整理可得： 根据上式我们可以得到电动机

9、的动态结构图,而且是两种不同结构图的动态结构图，是这两种什么动态结构图呢？2022/8/2023将上式整理可得： 根据上式我们可以得到电动机的动态结构图,而且是两种不同结构图的动态结构图，是这两种什么动态结构图呢？一、开环调速控制系统的动、静态结构图由上式可得电动机的动态结构图,如下图所示一、开环调速控制系统的动、静态结构图由上式可得电动机的动态结构图,如下图所示一、开环调速控制系统的动、静态结构图由上式也可得电动机的另外一种动态结构图，如下图所示：E一、开环调速控制系统的动、静态结构图由上式也可得电动机的另外一种动态结构图，如下图所示：E 我们能够证明上面这两个形式的动态结构图是完全等效的，

10、都是直流电动机的数学模型。两者主要区别在于下者不显含电枢电流，对于分析具有电流反馈功能的控制系统不方便。上者电枢电流位置比较明显对于分析具有电流反馈功能的控制系统比较方便。 我们能够证明上面这两个形式的动态结构图是完全等效的，都是直流电动机的数学模型。两者主要区别在于下者不显含电枢电流，对于分析具有电流反馈功能的控制系统不方便。上者电枢电流位置比较明显对于分析具有电流反馈功能的控制系统比较方便。2022/8/2030 Notes：1）以后只要见到上述中的一个图，就要想到这是直流电动机的数学模型或动态结构。 2） t，=S0，则动态结构图就变为静态结构图，如上图所示。一、开环调速控制系统的动、静

11、态结构图Notes：3 ）积分环节的动态结构图当t, = S0时变为静态结构图的表示方法如下图所示。 一、开环调速控制系统的动、静态结构图2、晶闸管整流器装置的传函因为晶闸管整流器与触发装置的输入信号(触发角)为：Uct（t）；输出信号为：Ud0(t-ts)（如下图所示）。 晶闸管整流装置的触发角与输出电压有简单的线性关系,为什么还要研究它数学模型?2022/8/2033一、开环调速控制系统的动、静态结构图 TS是失控时间不是一个固定值，它的大小与Uct变化时刻有关，但是最大可能的失控时间是一个常数(两个自然换向点之间的宽度)。对于脉宽调制电路可认为是零；对于晶闸管整流器控制电路正常情况下TS

12、数值也很小，但是一般不能忽略。TS定义如下： 由电力电子技术知识可知，某一相晶闸管一旦被触发导通，如果控制电压Uct发生变化，其输出电压Ud0不会立即发生变化，必须等到下相到来时，才能引起晶闸管整流器的输出发生电压变化(如右图所示)。2022/8/2034一、开环调速控制系统的动、静态结构图 TS是失控时间不是一个固定值，它的大小与Uct变化时刻有关，但是最大可能的失控时间是一个常数(两个自然换向点的宽度)。对于脉宽调制电路可认为是零；对于晶闸管整流器控制电路正常情况下TS数值也很小，但是一般不能忽略。TS定义如下： 由电力电子技术知识可知，某一相晶闸管一旦被触发导通，如果控制电压Uct发生变

13、化，其输出电压Ud0不会立即发生变化，必须等到下相到来时，才能引起晶闸管整流器的输出发生电压变化(如右图所示)。2022/8/2035一、开环调速控制系统的动、静态结构图 也就是说在本相之内触发脉冲发生变化不会立即引起输出电压的变化，因此就产生了一个失控时间TS。其定义如右图所示。图2-11一、开环调速控制系统的动、静态结构图2、晶闸管整流器装置的传函因为晶闸管整流器与触发装置的输入信号为：Uct（t）；输出信号为：Ud0(t-ts)（如下图所示）。将上图两边同取Laplance变换可得：一、开环调速控制系统的动、静态结构图根据传递函数的定义可得：假设：当触发角不发生变化时晶闸管整流装置的放大

14、倍数为： 一、开环调速控制系统的动、静态结构图根据传递函数的定义可得：假设：当触发角不发生变化时晶闸管整流装置的放大倍数为： 一、开环调速控制系统的动、静态结构图又考虑到当TS0时 ：故得到晶闸管整流器装置的传函：2022/8/2040到此为止我们已经推导出开环控制系统的动、静态结构图，也就是推导出“A”系统的动态结构图(P73图2-13a)、静态结构图(P73图2-13b) 开环调速系统动态结构图开环调速系统静态结构图2022/8/2041到此为止我们已经推导出开环控制系统的动、静态结构图，也就是推导出“A”系统的动态结构图(P73图2-13a)、静态结构图(P73图2-13b) 开环调速系

15、统动态结构图开环调速系统静态结构图2022/8/2042到此为止我们已经推导出开环控制系统的动、静态结构图，也就是推导出“A”系统的动态结构图(P73图2-13a)、静态结构图(P73图2-13b) 脉动直流电源对电动机的机械特性有什么影响?2022/8/2043二、晶闸管电动机系统的特殊问题1、控制系统的主电路电流比较小时出现断续现象由于晶闸管的输出电压是脉动的，所以当电流比较小时电流出现断续现象。如图下所示2022/8/2044二、晶闸管电动机系统的特殊问题1、控制系统的电流比较小时出现断续现象由于晶闸管的输出电压是脉动的，所以当电流比较小时电流出现断续现象。如图下所示对于晶闸管电动机系统

16、降低断续区的主要方法是串联平波电抗器现象电流出现断续现象2022/8/2045二、晶闸管电动机系统的特殊问题2、晶闸管电动机的机械特性分断续区和连续区由于控制系统出现断续和连续两种情况导致其机械特性出现两段如下图所示2022/8/2046二、晶闸管电动机系统的特殊问题3、电动机所储存的能量不能直接回馈给电网 由于晶闸管的单向导电性，导致电动机在突然降速时不能将所储存的机械能变成电能回馈给电网。二、晶闸管电动机系统的特殊问题4、开环晶闸管电动机的机械特性比较软，无法满足一般静态指标的要求 一般开环调速控制系统都不能满足生产工艺所提出的静态指标要求.负载转速变化情况电磁转矩的变化情况负载变化情况

17、所谓满足生产工艺要求是指：当控制系统所具有的转速降不大于调速范围为D和静差率S所决定的转速降时，称为满足生产工艺要求的静态指标。假设：控制系统所具有的转速降为n系统调速范围为D和静差率S所决定的转速降为n要求如果控制系统满足生产工艺要求的静态指标，那么下面的等式应该成立： n系统 n要求DS2022/8/2049例1： 有一个晶闸管直流调速控制系统如右图所示，电动机为Ued=220V，Ied=15A，ned=1500rpm，Ra=2，Rn=1 ，触发器-晶闸管的放大倍数KS=30，生产工艺要求调速范围为D=20，静差率为S=10%。试求：1）试画出该调速控制系统的静态结构图。 2）该调速控制系

18、统（固有）的静态转速降是多少？（开环静态转速降是多少？） 3）生产工艺要求的静态转速降是多少？该调速控制系统是否能满足生产工艺要求？例1： 有一个晶闸管直流调速控制系统如右图所示，电动机为Ued=220V，Ied=15A，ned=1500rpm，Ra=2，Rn=1，触发器-晶闸管的放大倍数KS=30，生产工艺要求调速范围为D=20，静差率为S=10%。试求：1）试画出该调速控制系统的静态结构图。 2）该调速控制系统（固有）的静态转速降是多少？（开环静态转速降是多少？） 3）生产工艺要求的静态转速降是多少？该调速控制系统是否能满足生产工艺要求？例1：例1：例1：解：1）该调速控制系统的静态结构图如右图所示。2）由系统的静态结构图可得（根据自动控制理论和电机与拖动知识）：例1：解：1）该调速控制系统的静态结构图如右