第二章+双闭环直流调速系统ppt课件.ppt
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1、转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法,电力拖动与运动控制系统,第 2 章,内容提要,转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法,是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。我们将重点学习:,内容提要,双闭环调速系统的构成双闭环调速系统的稳态结构及其静特性双闭环调速系统的动态分析与设计,2.1 双闭环调速系统的构成,问题的提出 第1章中表明,采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是,如果对系统的动态性能要求较高,例如:要求快速起制动,突加负载动态速降小等等,单闭
2、环系统就难以满足需要。,1. 主要原因,是因为在单闭环系统中不能随心所欲地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是专门用来控制电流的,但它只能在超过临界电流值 Idc 以后,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。,b) 理想的快速起动过程,IL,n,Idm,a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统,直流调速系统起动过程的电流和转速波形,2. 理想的起动过程,IL,n,Idm,Idc,性能比较,带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图所示,起动电流达到最大值 Idm 后,受电流负反馈的作用降低下来,电机的电磁转矩也随之减小,加速
3、过程延长。,a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统,性能比较(续),理想起动过程波形如图,这时,起动电流呈方形波,转速按线性增长。这是在最大电流(转矩)受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。,b) 理想的快速起动过程,3. 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。,现在的问题是,我们希望能实现控制:起动过程,只有电流负反馈,没有转速负反馈;稳态时,只有转速负反馈,没有电流负反馈。 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈,
4、又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢?,2.1 双闭环调速系统的构成,转速、电流双闭环调速系统的组成 调节器输出限幅值的整定 调节器锁零 系统中调节器输入、输出电压极性的确定,2.1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成,为了实现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,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套(或称串级)联接如下图所示。,转速、电流双闭环直流调速系统结构,1. 系统的组成,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,图中,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
5、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。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。,2. 系统电路结构,为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器一般都采用 P I 调节器,这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性,它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的,并考虑到运算放大器的倒相作用。,系统原理图,双闭环直流调速系统电路原理图,+,+,-,+,-,M,TG,+,-,+,-,RP2,n,Un,R0,R0,Uc,Ufi,TA,L,Id,Ri,Ci,Ud,+,+,-,
6、R0,R0,Rn,Cn,ASR,ACR,LM,GT,V,RP1,Ufn,Ui,LM,UPE,+,+,+,-,-,图中表出,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Uim决定了电流给定电压的最大值, 完全取决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速度的需要。电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm表示对最小角cx的限制,限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。,2.1.2 调节器输出限幅值的整定,调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中很重要的一环。在具体分析一个系统时必须注意调节器输出限幅值所代表的具体物理意义及其计算和整定方法。,2.1.3 调节器锁零,为使调
7、速系统消除静差,并改善系统的动态品质,在系统中引入PI调节器作为较正环节。由于PI调节器的积分作用,在调速系统停车期间,调节器会因输入干扰信号的作用呈现出较大的输出信号,而使电动机爬行,这在控制上是不允许的,因此对调速系统中具有积分作用的调节器,在没有给出电动机起动指令之前,必须将它的输出“锁”到零电位上,简称为调节器锁零。,系统中调节器锁零是由零速锁零电路来实现的。并且系统对调节器锁零电路有如下具体要求:,系统处于停车状态时,调节器必须锁零;系统接到起动指令或正常运行时,调节器锁零立即解除(即开放)并正常工作。,根据上述要求,锁零电路只需两个信号来控制调节器“锁零”与“开放”两个状态。,停车
8、时: Un = Ufn =0,调节器锁零,无输出信号。起动时: Un 0, Ufn =0,调节器锁零解除,并处于正常工作状态。稳态运行时: Un = Ufn 0,调节器锁零解除,并处于正常工作状态。制动停车时: Un =0, Ufn 0,调节器锁零解除,并处于正常工作状态。,必须注意,对于可逆调速系统, Un=0, Ufn0 时,调节器不能锁零,以保证调节器对其进行制动停车控制。为使锁零电路对不可逆和可逆系统都具有通用性, Un=0, Ufn0 时,要求调节器不能锁零。调节器锁零可以采用场效管来实现,如下图所示。当Un=Ufn=0时,锁零电路使场效应管导通,从而使调节器锁零。,调节器锁零,2.
9、1.4 系统中调节器输入、输出电压极性的确定,在转速、电流双闭环调速系统中,要构成转速、电流负反馈闭环,就必须使ASR、ACR的输入信号Un与Ufn, Ui与Ufi的极性相反,怎样确定这些信号的极性呢?,在实际组成双闭环调速系统时,要正确地确定上述信号的极性,必须首先考虑晶闸管触发电路的移相特性要求,并决定ACR输出电压Uc的极性,然后根据ACR和ASR输入端的具体接法(是同相输入还是反相输入)确定Ui和Un的极性,最后按照负反馈要求确定Ufi和Ufn的极性。,例如,当系统采用下图所示的锯齿波移相特性时,若要使晶闸管变流装置工作在整流状态,电动机工作在电动状态,则要求触发脉冲移相范围在9030
10、之间连续变化,这时要求ACR的输出电压Uc的极性为正,且应具有一定幅值。 只有ACR输出电压幅值达到+Ucm,才能保证足够的移相范围,使电动机获得满压。同时,由于系统中使用的调节器习惯上采用反相输入方式,因此调节器的输入与输出信号的极性应相反。,锯齿波移相特性,由此可接下述关系直接推出双闭环调速系统中两个调节器输入、输出信号的极性:,Uc(+),Ui(-),Un(+),Ufi(+),Ufn(-),ACR反号要求,ASR反号要求,负反馈极性要求,负反馈极性要求,其极性标在双闭环系统电路原理图所示的系统中。,若系统为双环以上的多环调速系统,则完全可以按同样的方法直接推出各个调节器的输入输出信号的极
11、性。但实际分析系统时,必须注意调节器的具体线路及其输入端的具体接法,以免搞错反馈极性使系统无法正常工作。,2.2 双闭环调速系统的稳态结构图及其静特性,为了分析双闭环调速系统的静特性,必须先绘出它的稳态结构图,如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来,只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。,2.2.1 双闭环调速系统的稳态结构图,双闭环直流调速系统的稳态结构图(采用运算放大器)转速反馈系数; 电流反馈系数,Ks,1/Ce,Un,Uc,Id,E,n,Ud,Ufn,+,+,-,ASR,+,Ui,-,R,ACR,Ufi,UPE,
12、+,-,限幅作用,存在两种状况: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;换句话说,饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系,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,正如1.6节中所阐明的那样,PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。,2.2.2 双闭环调速系统的静特性,实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。因此,对于静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 双闭环直流调速系统的静特性如图所示,,(1)转速调节器不饱和,式中, 转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得,从而得到
13、上图静特性的CA段。,静特性的水平特性,与此同时,由于ASR不饱和,Ui Uim,从上述第二个关系式可知: Id Idm。 这就是说, CA段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到 Id = Idm ,而 Idm 一般都是大于额定电流 IN 的。这就是静特性的运行段,它是水平的特性。,(2) 转速调节器饱和,这时,ASR输出达到限幅值Uim ,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。稳态时,式中,最大电流 Idm 是由设计者选定的,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。,静特性的垂直特性,上式所描述的静特性是上
14、图中的AB段,它是垂直的特性。 这样的下垂特性只适合于 n n0 的情况,因为如果 n n0 ,则Ufn Un ,ASR将退出饱和状态。,两个调节器的作用,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,这时,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,得到过电流的自动保护。,这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大,特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”时,静特性的两段实际上都略有
15、很小的静差,如上图中虚线所示。,2.2.3 双闭环调速系统的稳态工作点及其稳态参数计算,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,上述关系表明,在稳态工作点上, 转速 n 是由给定电压Un决定的; ASR的输出量Ui是由负载电流 IL 决定的; 控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id,或者说,同时取决于Un 和 IL。,这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量,而PI调节器则不然,其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。后面需要PI调节器提供多么大的输出值,它就能提供多少,直到饱和为止。,反馈系
16、数计算,鉴于这一特点,双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同,而是和无静差系统的稳态计算相似,即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,两个给定电压的最大值Unm和Uim由设计者选定,设计原则如下:Unm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制;Uim 为ASR的输出限幅值。,2.3 双闭环调速系统的动态分析与设计,内容提要:双闭环调速系统的动态数学模型具有限幅输出的PI调节器的动态响应双闭环调速系统的动态特性两个调节器的作用双闭环调速系统的工程设计,2.3.1 双闭环调速系统的动态数学模型,在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上,考虑双闭
17、环控制的结构,即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图,如下图所示。,双闭环直流调速系统的动态结构图,Un,Uc,-IL,n,Ud,Ufn,+,-,-,+,-,Ufi,WASR(s),WACR(s),Ks,Tss+1,1/R,Tl s+1,R,Tms,Ui,Id,1/Ce,+,E,图中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,2.3.2 具有限幅输出的PI调节器的动态响应,由于双闭环系统是按照串级调节的原则组成的,同时ASR、ACR均是具有输出限幅的PI调节器。因此,讨论具有限幅输出的PI调节器的动态响应的基本规律,对今后分析系统的动态性能
18、很有必要。设采用一个PI调节器的调速系统动态结构图如下图所示。,采用PI调节器的自动调速系统,图中Wa(s)是被控对象的传递函数,Usr和Usc分别是系统的输入输出信号,且对调速系统而言,Usr为恒值,PI调节器的输入偏差U=Usc-Usr,输出Ua由比例部分Uap和积分部分Ual组成,即,下面分三种情况分析PI调节器的动态响应。,(1) 偏差信号 是阶跃信号时的动态响应 当 为阶跃信号时,PI调节器的输出波形如图a所示。这时 , 经过 tm 后,调节器饱和, Ua达限幅值Uam 。由 得:,(2) 偏差信号最初为突加,然后随着Usc输出的增长而缓慢降低时的动态响应。 当被控对象的惯性时间常数
19、远大于调节器的积分时间常数时,系统的输出Usc缓慢上升,相应地U缓慢下降。虽然Ua的比例部分Uap随着U的下降而下降,但Ua的积分部分Ua1会因U衰减慢,积累时间长而不断增大,致使Ua在U衰减到零以前达限幅值,如图b所示。,(3) 偏差信号U最初为突加,然后随着输出Usc的迅速增长而急剧下降时的动态响应 当被控对象的时间常数较小时, U会因Usc的迅速增长而急剧下降,调节器输出Ua的比例部分衰减很快。虽然Ua的积分部分Ua1仍使增长,但因为U衰减过快,Ua还未达限幅值Uam, U就已下降至零。此时调节器不饱和,Ua被PI调节器的积分记忆作用保持在低于限幅值的某一值Ua1上,如图c所示。,(a)
20、为阶跃信号时 (b) 为缓慢衰减信号 (c)衰减很快时具有限幅输出的PI调节器的动态响应特性,结论:, 在恒值控制的调速系统中PI调节器的输出电压是否达限幅,对系统的输出影响很大。调节器一旦饱和,只有当U极性变反这里即U =Usr-Usc由正变负时,才有可能使调节器退出饱和而进入线性工作状态。因此,如果系统最后能达到稳定状态,则只要调节器饱和,系统的输出Usc就必然超调。 如果系统最后能达到稳定状态,若被控对象Wa(s)中含有积分环节,则不论调节器是否饱和,系统输出Usc也一定会超调。由于Wa(s)中含有积分环节,若Ua不等于零,则Usc将一直积累下去,只有当Ua=0时,Usc才可能达稳态值,
21、而这又需要U 改变极性,才能把调节器输出Ua拉回到零,因此,即使调节器不饱和,系统输出Usc也会超调。,2.3.3 双闭环调速系统的动态特性,一般来说调速系统的动态性能主要指系统对给定输入(阶跃给定)的跟随性能和系统对扰动输入(阶跃扰动)的抗扰性能而言。两者综合在一起就能完整地表征一个调速系统的动态性能或称动态品质。,1. 双闭环调速系统突加给定时的起动过程,前已指出,设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程,因此在分析双闭环调速系统的动态性能时,有必要首先探讨它的起动过程。 双闭环直流调速系统突加给定电压Un由静止状态起动时,转速和电流的动态过程示于下图。,双闭环直流调速系统起
22、动时的转速和电流波形,由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况,整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。,第I阶段电流上升的阶段(0 t1),突加给定电压 Un 后,Id 上升,当 Id 小于负载电流 IL 时,电机还不能转动。当 Id IL 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 Uim,强迫电流 Id 迅速上升。,第I阶段(续),第 I 阶段(续),直到,Id = Idm , Ui = Uim 电流调节器很快就压制 了Id 的增长,标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中
23、,ASR很快进入并保持饱和状态,而ACR一般不饱和。,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Uim 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。,第 II 阶段(续),第 II 阶段(续),与此同时,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, Ud和 Uc 也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,也就是说, Id 应略低于 Idm。,
24、第 II 阶段(续),恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。 为了保证电流环的主要调节作用,在起动过程中 ACR是不应饱和的,电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地,这些都是设计时必须注意的。,第 阶段转速调节阶段( t2 以后),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Uim ,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, Ui 和 Id 很快下降。但是,只要 Id 仍大于负载电流 IL ,转速就继续上升。,第 阶段(续),第 阶段(续),直到Id = IL时,转矩Te= TL ,则dn
25、/dt = 0,转速n才到达峰值(t = t3时)。,第 阶段(续),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 ), Id IL ,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。,第 阶段(续),在这最后的转速调节阶段内,ASR和ACR都不饱和,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 Ui ,或者说,电流内环是一个电流随动子系统。,2. 分析结果,综上所述,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。,(1)饱和非线性控制,根据ASR的饱和与不饱
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