电力拖动自动控制系统(陈伯时)第二章课件

北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法第2章北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性；双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析；调节器的工程设计方法；按工程设计方法设计双闭环系统的调节器内容提要北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity2.1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性问题的提出转速、电流双闭环直流调速系统的组成稳态结构图和静特性各变量的稳态工作点和稳态参数计算本节提要北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity原因分析单闭环系统不能有效控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节只能在超过临界电流值Idcr之后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程IdLntIdOIdmIdcr起动电流达到最大值Idm后，受电流负反馈的作用降下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversityIdLntIdOIdm直流调速系统期望的理想快速起动过程起动电流呈方形波，转速按线性增长。在最大电流（转矩）受限制时调速系统能获得最快的起动过程。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity解决思路为实现在允许条件下的最快起动，需使电流保持为最大值Idm。起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态过程，只有转速负反馈，没有电流负反馈。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity2.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换器内环外环北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity双闭环直流调速系统的电路原理图++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity2.1.2双闭环直流调速系统稳态结构图—转速反馈系数;—电流反馈系数Ks1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-RACR-UiUPE北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity限幅作用饱和—输出达到限幅值当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；即饱和的调节器相当于使该调节环开环。不饱和—输出未达到限幅值当调节器不饱和时，PI调节器作用使输入偏差电压在稳态时总是零。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity双闭环直流调速系统静特性n0IdIdmIdnomOnABC北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity（1）转速调节器不饱和di*i0n*nIUUnnUU式中，—转速和电流反馈系数由第一个关系式可得0*nnUn从而得到上图静特性的CA段。由于ASR不饱和，U*iU*im，可知:IdIdm。CA段静特性从理想空载状态的Id=0一直到Id=Idm，而Idm一般都是大于额定电流IdN的。水平特性北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity（2）转速调节器饱和ASR输出达到限幅值U*im，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。dm*imdIUI式中，最大电流Idm取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。对应于上图静特性的AB段。该下垂特性只适合于nn0的情况。如果nn0，则UnU*n，ASR将退出饱和状态。垂直特性北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity调节器作用双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，过电流的自动保护。比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，静特性的两段实际上如上图中虚线所示。说明：北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity2.1.3各变量的稳态工作点和稳态参数计算0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU转速n由给定电压U*n决定；ASR的输出量U*i由负载电流IdL决定；控制电压Uc的大小同时取决于n和Id，即同时取决于U*n和IdL。比例环节的输出量总是正比于其输入量，PI调节器输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的，直到饱和为止。PI调节器不同于P调节器的特点北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity反馈系数计算根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数转速反馈系数电流反馈系数max*nmnUdm*imIU两个给定电压最大值U*nm和U*im的设计原则：U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；U*im为ASR的输出限幅值。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析双闭环直流调速系统的动态数学模型起动过程分析动态抗扰性能分析转速和电流两个调节器的作用本节提要北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity2.2.1双闭环直流调速系统动态结构图U*nUc-IdLnUd0Un+--+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity动态数学模型WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversitynOOttIdmIdLIdn*IIIIIIt4t3t2t12.2.2起动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity第I阶段—电流上升的阶段（0~t1）突加给定电压U*n后，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电机还不能转动。当Id≥IdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U*im，强迫电流Id迅速上升。直到，Id=Idm，Ui=U*im。电流调节器很快就压制Id了的增长,第I阶段的结束。起动过程ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversityIdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3t2t1tt北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity第II阶段—恒流升速阶段（t1~t2）在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud0和Uc必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，Id应略低于Idm。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversitynIdLIdn*IdmOOIIIIIIt4t3t2t1tt北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity第III阶段—转速调节阶段（t2之后）当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*i和Id很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（t3~t4），IdIdL，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Id尽快地跟随其给定值U*i，电流内环是一个电流随动子系统。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversityIdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3t2t1tt北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity双闭环直流调速系统起动过程的特点（1）饱和非线性控制当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（2）转速超调；采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。（3）准时间最优控制。在设备允许条件下实现最短时间的控制。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity2.2.3动态抗扰性能分析对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。抗负载扰动抗电网电压扰动北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACRU*iUi--EId双闭环直流调速系统的动态抗扰作用±∆Ud-