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1、1,运动控制系统Motion Control System,以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。控制电动机的转矩、转速和转角，实现运动机械的运动要求。,2,运动控制系统课程在自动化专业中的地位,专业知识综合应用和实际控制系统设计调试能力训练。,3,运动控制系统的种类,按驱动电机类型直流拖动控制系统闭环控制的DC调速系统双闭环系统的工程设计方法DC调速系统的数字控制位置随动系统交流拖动控制系统 笼型异步电动机的VVVF系统,4,按被控物理量,调速系统 以转速为被控量位置随动/伺服系统 以角位移或直线
2、位移为被控量按控制类型模拟模拟数字混合全数字,5,运动控制系统的特点,过渡过程短功率范围宽调速范围大可获得良好动静态性能电机空载损耗小、效率高，短时过载能力强可四象限运行,6,教学参考书,电力拖动自动控制系统 上海大学 陈伯时 机械工业出版社 2006年第3版 电机与运动控制系统 清华大学 杨耕等 清华大学出版社 2006年第1版运动控制系统 清华大学 尔桂花等 清华大学出版社 2002年第1版,7,1 闭环直流调速系统,为什么要采用闭环调速 制造业：钢连轧、电炉；加工机床、造纸、印刷、纺织、印染、起重、传送等 高新产业：机器人、电动汽车、电动舰船、高速列车等 生活：冰箱、空调、洗衣机、电梯等
3、,8,闭环控制的必要性举例,连轧机 每一电机都必须按照它所拖动轧辊前后钢板的厚度和钢板送入速度来控制自己的转速,9,开环控制与闭环控制1,开环：系统的输出量不被引回对系统的控制部分产生影响例 步进数控,10,开环控制与闭环控制2,闭环 按被控量的偏差进行控制 例 电炉箱恒温若炉温偏高，调节过程相反闭环反馈控制可以自动进行补偿。,11,直流调速的主要方案,直流电动机运行遵循的4个基本方程 1.改变电枢回路总电阻R简便、有级、特性软、高能耗 2.改变电机主磁通无级、ne、响应慢；3.改变电枢电压U 无级、快、ne。主流,12,1.1 直流调速系统用的可控直流电源,旋转变流机组 可在转矩允许范围内4
4、象限运行,13,2、静止式可控整流器,通过晶闸管(Thyristor)直接对交流电源电压进行可控整流：简称V-M系统功率放大倍数高，控制功率小；快速性较G-M高。单向，可逆运行须采用开关切换或两组设备反并联；只能滞后触发、功率因数低；需串联较大的平波电抗器。,14,3、脉冲宽度调制变换器PWM,pulse width modulation,电枢电压的平均值 开关频率高，电流易连续，低速性能好，调速范围宽，电机损耗小；功率元件少，控制方便。,15,桥式双极性PWM变换器,输出电压平均值,16,1.2 晶闸管整流开环调速系统的机械特性,V-M调速系统的机械特性电流连续时,17,电流断续时,非线性显
5、著：电压波形与反电势有关，即与转速有关。理想空载转速很高：电流为0时，反电势等于触发瞬间电压，对三相半波特性很软：电流为脉冲波，负载增大时，为提供足够平均电流，电流峰值高，即要求输出电压与反电势差要大：速降大。相当于整流内阻变大。,18,晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,非线性晶闸管整流放大系数的线性化处理,19,晶闸管整流传递函数的近似处理,晶闸管触发与整流的失控时间与纯滞后特性,20,晶闸管触发与整流装置的传递函数,考虑到平均失控时间很小，忽略高阶项，晶闸管触发与整流装置的传递函数可近似为一阶惯性环节。,21,1.3 直流PWM(Pulse Width Modulation)调速系
6、统,不可逆PWM变换器定义，对不可逆PWM变换器，特点：线路简单。电流不能反向，无制动能力，只能单象限运行。,22,有制动能力的不可逆PWM变换器,23,桥式可逆PWM变换器,特点：电流连续；可四象限运行；低速平稳。,24,直流PWM调速系统的机械特性,对双极桥式变换器：,25,直流PWM调速系统的传递函数,直流PWM放大器的失控时间与滞后特性传递函数与V-M系统具有相同的形式，但滞后时间远远小于V-M系统,26,1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计重点,一、转速控制的要求和调速指标1、调速：范围宽、无级2、稳速：精度高、抗扰强、波动小。3、加减速：快、平稳调速指标：生产机械要求电
7、动机能提供的最高转速和最低转速之比：,27,静差率,静差率S的实用算式(最大静差率)调速范围D、静差率和静态速降是相互关联的：,28,稳速精度,指在规定的电网质量和负载扰动条件下，在规定的运行时间(如1小时或8小时)内，在某一指定的转速下，t时间(通常取1秒)内平均转速最大值和另一t时间内平均转速最小值的相对误差百分数。一般闭环调速系统高速运行时稳速精度比较容易达到，稳速精度指标通常被用来确定调速范围的速度下限。,29,开环系统调速的问题,从控制理论的立场分析，速度指令可视为阶跃型输入指令 DnN实际是额定状态下系统输出对阶跃输入的稳态误差，在开环状态下，当静差率要求较高即S较小时，系统所能达
8、到的调速范围D是很小的。,30,闭环调速系统的组成及静特性,静特性：假定：1、忽略非线性2、忽略电源、电位器内阻电压比较放大器 电力电子变换器 调速系统开环特性 测速反馈：,31,静态结构图,32,开环机械特性与闭环静特性的关系,开环特性 闭环静特性 硬度【在相同负载下两者 的速降关系为】静差率：对相同理想空载转速调速范围：对相同静差率、相同额定转速结论：闭环可获得比开环硬得多的稳态特性，在保证一定静差率要求下提高调速范围,33,闭环系统静态速降低于开环的原因,从电动机运行特性的立场分析，闭环系统能大大提高稳速性能的原因是系统在负载变化时可通过闭环调节使电枢电压自动跟踪负载变化，补偿电枢电流在
9、回路电阻上的压降损失，从而维持转速基本不变。稳速原理可从图所示的闭环与开环转速特性间的关系得到理解。,34,比例单闭环反馈控制规律,规律1、仅比例调节，必存在静差2、对作用于前向通道的扰动有较强的抑制作用3、对作用于给定和反馈通道的扰动无抑制作用，系统精度依赖于给定和反馈精度。,35,稳态参数的计算,【例14】V-M系统额定数据为DCM：10kW,220V,55A,1000r/min,电枢电阻0.5W；晶闸管三相桥式全波可控整流，电压放大系数44；电枢回路总电阻1W；永磁直流测速发电机110V，1900r/min。要求：D10，s=5%，计算稳态参数。解：满足指标要求的额定负载下稳态速降：,3
10、6,闭环系统应有的开环放大系数,注意：电机电势常数计算与电机以外电路参数无关。开环速降与电枢回路参数有关。,37,转速反馈系数,取，1000r/min时，。运算放大器比例放大系数 设输入电阻为10K，则比例电阻为240K。习题1-4,1-6,1-8,1-10,38,比例单闭环Matlab仿真,无电流限制的比例单闭环调速系统仿真,39,比例单闭环仿真,电流尖峰=210A2倍额定电流110A,40,限流保护电流截止负反馈,问题的提出：起动、严重过载、堵转过流损坏功率器件,41,2、对策：电流截止负反馈,42,电流负反馈的作用相当于主电路中串入大电阻，特性急剧下垂;,比较电压与转速给定作用一致，理想
11、空载转速大幅提高 堵转电流 截止电流,43,电流截止比例单闭环Matlab仿真,结构图仿真,44,电流截止比例单闭环仿真,最大电流尖峰=90A系统不稳定、存在静差,45,1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计 重点,数学模型 UPE：DCM 电枢回路的电磁时间常数，R、L分别为电枢回路总电阻 总电感,46,数学模型,由转矩平衡方程：系统的机电时间常数 由电势平衡方程：反电势与转速之间的传递函数为,47,直流电动机的动态结构图重,由图可见，直流电动机动态运行时是一个双输入单输出系统。其中，电枢电压为参考输入或指令输入，负载转矩为扰动输入。负载扰动输入常常被等效为“负载电流”的形式，以
12、使结构图更加简洁，但这种表达方式容易引起物理概念上的误解，因为事实上并不存在负载电流，它只是负载转矩的一种数学上的等效。,48,结构图变换,49,单转速闭环比例型直流调速系统动态结构图,50,系统开环传递函数,51,对给定的闭环传递函数,52,稳定条件,由Routh判据，稳定条件为：或：K：比例型单转速闭环系统开环放大系数例15，16，17【阅读】习题 1-12,1-15,53,1.6 动态校正PI调节器设计重点,问题的提出：稳定性与静差指标的矛盾对策：串联校正：对调速系统，一般采用PI结构一、PID调节器 实践证明，对于特性为 和等控制对象，PID控制是一种最优的控制算法。,54,PID控制
13、参数,比例因子增大，可使响应速度加快。但偏大时会使振荡次数增多，调节时间变长，太大时系统会趋于不稳定。过小又会使系统响应缓慢。积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制精度。但积分控制带来的相角滞后会使系统的稳定性下降、幅值衰减会使系统响应减缓.微分控制可以改善动态品质，如减小超调、缩短调节时间等。但微分控制作用过强也会使系统对不希望高频噪声的抑制能力显著降低，稳态性能下降。对电机闭环调速系统，由于反馈检测信号中常富含高频噪声,一般不采用。,55,二、模拟PI调节器的组成与响应特性,按控制理论对传递函数的符号约定，其输出对输入绝对值间的传递函数为,56,PI调节器的饱和限幅特性,在调速系统中使用的
14、模拟PI调节器，通常都采用运算放大器构成，受其工作电压限制，运算放大器都有自然饱和限幅特性，其输出达到一定数值后将不可能继续增大。为了保证放大器正负输出特性对称，使用中常不直接用其自然限幅而另设限幅电路。PI调节器工作时是否进入饱和限幅状态对系统动态调节影响很大，正确理解限幅输出的PI调节器动态响应特点，对分析与设计双环调速系统和采用此类调节器的自动控制系统是十分重要的。,57,限幅输出的PI调节器,当PI调节器的输入即误差信号E大小和变化规律不同时，PI调节器的输出变化情况会有很大差异 输入误差信号为阶跃形式:当系统运行中负载过重电机发生堵转时出现，比例部分在0时刻突跳，积分部分按时间常数线
15、性增长，经过一个很短的时间，调节器输出即达到饱和限幅值。,58,误差衰减比较慢时,系统无过载、反馈无断路、主电路工作正常，一般误差仅会在一开始输出还来不及变化时跃变，随着调节器输出的控制作用，系统输出增长，误差便逐渐减小，调节器输出的比例部分相应减小 积分部分继续增大 但增大速率减缓。当被控对象的等效 惯性时间常数远远 大于调节器积分时 间常数时，输出增长 比较慢即误差衰减比 较慢，调节器输出的积分部分增长速度快于比例部分下降的速度，在误差尚未衰减到零时调节器输出仍会达到饱和限幅值。,59,误差衰减较快时,如果被控对象的等效惯性时间常数较小，误差衰减较快，会使调节器输出的比例部分下降速率快于积
16、分增长，在经历一个初始的最大值后逐渐下降，到t1时刻误差等于零时，比例部分输出也为零 而积分部分保持t1时 刻的值不变，调节器 的输出完全由积分部 分确定，调节器完全 工作在线性区,60,PI调节器特性讨论1,在系统闭环控制的动态过程中，PI调节器是否饱和，对系统输出影响很大。从积分器的原理可知，PI调节器一旦饱和，只有输入的误差信号变号，它才可能退出饱和输出状态，误差变号意味着系统输出值大于指令值，而系统正常工作时调节器应当工作在线性区，所以调节器饱和再回到线性工作区意味着系统输出必然产生超调。,61,PI调节器特性讨论2,分析PI调节器动态响应输出时特别要注意它与P调节器的区别。误差信号变
17、化时，比例部分立即将此变化按比例放大输出，马上产生调节作用，积分部分需根据比例因子和积分时间常数共同确定的斜率随时间增长逐渐变化产生输出，调节作用相对缓慢。但当误差消失为零时，比例部分输出也为零，而积分部分可保持误差消失瞬间的输出值，由积分部分决定的调节器输出值代表了误差消失前全部误差变化的积累效应。误差很小时，虽然比例部分也很小，积分部分却能持续变化，只要误差不为零，积分输出的变化在调节器饱和以前不会停止，这也是采用PI调节器的系统稳态时能达到无静差的原因。,62,PI调节器特性讨论3,PI调节器的输出由比例和积分两部分共同决定，不能简单地根据误差的增减来判断调节器输出值的增减。调节器输出的
18、变化应当通过对 线性部分两边求导来分析 PI调节器输出的变化趋势由 决定。总之，误差较大时主要由P起快速调节作用，误差较小时则主要靠I的累积记忆产生的调节作用来消除静差。,63,动态校正,设计工具：Bode图最小相位系统稳定裕度的一般要求 希望特性：中频段以20dB/dec 斜率穿越0dB线，并覆 盖足够频带宽截止频率wc越高，快速性越好低频段斜率陡、增益高：稳态精度高高频段衰减快：抗高频噪声干扰强,64,对不稳定比例型单转速闭环直流调速系统用PI调节器校正,电动机额定数据为：10kW,220V,55A,1000r/min,Ra=0.5W,Tl=0.017s，Tm=0.075s,Ce=0.19
19、25Vmin/r；UPE：Ks=44，Ts0.00167s；电枢回路总电阻R=1 W；比例调节器：Kp=21转速反馈系数：a=0.01158 Vmin/r；,65,校正前,原始系统开环传递函数为转折频率,66,比例单环仿真,67,改用PI调节器校正,考虑原系统已采用比例调节，现换为PI调节，需先除去原比例影响：取,68,PI调节器校正,校正后系统有足够的稳定裕度，但快速性下降许多。,69,PI调节器串联校正,70,无静差直流调速系统及其稳态参数计算,采用PI调节，实现无静差；电流截止负反馈限制动态过程电流冲击。稳态时，,71,主要结论,1、闭环调速系统可在允许负载范围内，依靠自动调节UPE输出电压获得比开环硬得多的机械特性和大得多的调速范围。2、对比例型系统，比例系数越大，系统静差越小，但过大会导致系统不稳定。3、采用PI调节，在允许负载范围内，依靠自动调节UPE输出电压可获得无静差机械特性。4、稳态时，PI调节器输入为0，输出保持某一固定值。5、PI调节器中比例主要起快速调节作用，积分主要起消除静差作用。,
