电力拖动自动控制系统运动控制系统第4章

Shanghaiuniversity第4章转速、电流双闭环控制的直流调速系统运动控制系统Shanghaiuniversity问题的提出开环系统转速闭环P静态性能不好电流截止负反馈堵转电流过大转速闭环PI静差动态性能？动态性能要求:对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。Shanghaiuniversity如何控制动态性能？电力拖动系统的运动方程：结论：要得到好的动态性能，必须控制好转矩，即控制好电流。dtdnGDTTLe3752dtdnCGDIImLd3752Shanghaiuniversity在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。Shanghaiuniversity图4-1时间最优的理想过渡过程Shanghaiuniversity单闭环系统的问题转速单闭环系统不能控制电流（或转矩）的动态过程。电流截止负反馈环节只是用来限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。Shanghaiuniversitya)理想的快速起动过程IdLntIdOIdmb)带电流截止负反馈的单闭环调速系统n理想的起动过程IdLntIdOIdmIdcrnShanghaiuniversity解决思路为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。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。Shanghaiuniversity4.1.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成两个调节器在系统中如何连接？系统结构是怎样的？电流调节器的输入-电流给定如何确定呢？把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统）。Shanghaiuniversity图4-2(a)转速、电流反馈控制直流调速系统原理图MTGASRACRUPETA~nnUnUn*UiUcUdIdIUi*Shanghaiuniversity图4-2(b)双闭环直流调速系统电路原理图MTGUPETA~Un*UiUcUdIdUi*RiCiR0R0UnRnR0CnASRACRR0表示限幅作用Shanghaiuniversity图4-3双闭环直流调速系统的稳态结构图α——转速反馈系数β——电流反馈系数4.1.1稳态结构图与参数计算Shanghaiuniversity1.稳态结构图和静特性转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，设计合理的电流调节器不进入饱和状态。当调节器饱和时，输出达到限幅值，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；当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。Shanghaiuniversity（1）转速调节器不饱和两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，即转速、电流均无静差。diinnIUUnnUU*0*dmdII0*nUnn(4-1)Shanghaiuniversity（2）转速调节器饱和ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时(4-2)dmimdIUI*ShanghaiuniversityAB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm,n=n0。BC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm,nn0。图4-4双闭环直流调速系统的静特性Shanghaiuniversity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时，转速调节器为饱和输出U*im，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差。采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。当ASR处于饱和状态时，Id=Idm，若负载电流减小，IdIdm，使转速上升，nn0，Δn0，ASR反向积分，使ASR调节器退出饱和。Shanghaiuniversity2．各变量的稳态工作点和稳态参数计算双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系(4-3)(4-4)(4-5)0*nnUUnndLdiiIIUU*sdLnesdesdcKRIUCKRInCKUU/*0Shanghaiuniversity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(4-6)电流反馈系数(4-7)两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。max*nUnmdmimIU*Shanghaiuniversity4.2转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析4.2.1转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型图4-5双闭环直流调速系统的动态结构图Shanghaiuniversity4.2.2转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析对调速系统而言，被控制的对象是转速。跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。Shanghaiuniversity1．起动过程分析-以拖动反抗性负载为例电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n*。起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。Shanghaiuniversity图4-6双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形Shanghaiuniversity第Ⅰ阶段：电流上升阶段（0~t1）ⅠⅡⅢnn*ttt1t2t3t4IdIdLIdm00电流从0到达最大允许值dmI。Shanghaiuniversity在t=0时，系统突加阶跃给定信号Un*，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下，Id很快上升，在Id上升到Idl之前，电动机转矩小于负载转矩，转速为零。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，ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id=Idm，Ui=U*im。Shanghaiuniversity第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）ⅠⅡⅢnn*ttt1t2t3t4IdIdLIdm00Id基本保持在Idm,电动机加速到了给定值n*。ShanghaiuniversityASR调节器始终保持在饱和状态，转速环仍相当于开环工作。系统表现为使用PI调节器的电流闭环控制，电流调节器的给定值就是ASR调节器的饱和值U*im，基本上保持电流Id=Idm不变，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是Id略低于Idm。Shanghaiuniversity第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）ⅠⅡⅢnn*ttt1t2t3t4IdIdLIdm00起始时刻是n上升到了给定值n*。Shanghaiuniversityn上升到了给定值n*，ΔUn=0。因为IdIdm，电动机仍处于加速过程，使n超过了n*，称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了ΔUn0，ASR退出饱和状态，Ui和Id很快下降。转速仍在上升，直到t=t3时，Id=Idl，转速才到达峰值。在t3~t4时间内，IdIdl，转速由加速变为减速，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡的过程。在第Ⅲ阶段中，ASR和ACR都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统。Shanghaiuniversity双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制（2）转速超调（3）准时间最优控制Shanghaiuniversity2.制动过程分析-以拖动位能性负载为例ⅡⅢnttIdIdL-Idm00tUc0IV0tⅠ3t2t1t4t图4-7双闭环直流调速系统正向制动过渡过程波形Shanghaiuniversity正向电枢电流衰减阶段（t0~t1）ⅡⅢnttIdIdL-Idm00tUc0IV0tⅠ3t2t1t4t收到停车指令，转速调节器的输入偏差电压为较大负值，其输出电压很快下降达到反向限幅值-，电流环强迫电枢电流迅速下降到0，标志着这一阶段结束。电流调节器的输入偏差电压，调节器输出控制电压快速下降，电枢电压也随之快速下降。转速调节器很快进入并保持饱和状态。*imU*iimiUUUShanghaiuniversity反向电枢电流建立阶段（）1t~2t）转速调节器输出始终处在反向饱和状态，转速环相当于开环，系统成为在恒值给定控制下的电流单环系统，强迫电流在时刻反向增加至-Idm。电流调节器输入仍为负值，电枢电流的快速下降，电流调节器中比例输出在快速增加，待电枢电流下降到一定值后，输出控制电压和电枢电压开始上升，但只要,电流继续下降。这个阶段电机处于反接制动状态，所占时间也很短，转速仍来不及产生明显下降。ⅡⅢnttIdIdL-Idm00tUc0IV0tⅠ3t2t1t4tdUEShanghaiuniversity恒流制动阶段（）转速仍旧开环，系统仍为恒值给定-控制下的电流单环系统，除短暂的电流调节阶段外，在恒流制动阶段中反电动势线性下降，为维持，控制电压线性降低，电枢电压也随之线性下降。由于电流调节系统的扰动量是电动机的反电动势，它是一个线性渐减的扰动量，而扰动作用点之前只有一个积分环节，所以系统做不到无静差，而是接近于。2t~3t-*imUdmdIIShanghaiuniversityⅡⅢnttIdIdL-Idm00tUc0IV0tⅠ3t2t1t4tShanghaiuniversity2．动态抗扰性能分析双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个电流反馈环和电流调节器。调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰动和抗电网电压扰动性能，闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关。Shanghaiuniversity（1）抗负载扰动负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，要求有较好的抗扰性能指标。图4-8直流调速系统的动态抗扰作用负载扰动Shanghaiuniversity（2）抗电网电压扰动电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，使抗扰性能得到改善。在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。图4-8直流调速系统的动态抗扰作用电网电压扰动Shanghaiuniversity1.转速调节器的作用转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化,如果采用PI调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。Shanghaiuniversity2.电流调节器的作用在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。Shanghaiuniversity4.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计4.3.1控制系统的动态性能指标