第2章闭环控制系统课件.ppt
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1、2.2 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统tOnn转速负反馈系统,只能对转速的转速负反馈系统,只能对转速的稳态值稳态值进行控制。进行控制。n不能控制转速(或转矩)的动态过程。不能控制转速(或转矩)的动态过程。n动态控制场合:一是起、制动的时间控制,二是动态控制场合:一是起、制动的时间控制,二是负载扰动的恢复时间负载扰动的恢复时间控制控制。2.2.1 问题的提出问题的提出引入电流负反馈引入电流负反馈图图2-21 时间最优的理想过渡过程时间最优的理想过渡过程(1)理想的过渡过程理想的过渡过程(2)双闭环调速系统的原理图)双闭环调速系统的原理图 图图2-22 转速、电流双闭环直
2、流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统Amplifier for speed regulator(3)(3)带限幅作用的输出带限幅作用的输出nASR调节器和调节器和ACR调节器的输出带限幅作用调节器的输出带限幅作用.nASR调节器的输出限幅电压决定了电流给定的调节器的输出限幅电压决定了电流给定的最大值最大值Uim*。nACR调节器的输出电压调节器的输出电压Ucm限制了电子电力变限制了电子电力变换器的最大输出电压换器的最大输出电压Udm。2.2.2 双闭环系统的数学模型双闭环系统的数学模型(1)稳态数学模型(稳态结构图)稳态数学模型(稳态结构图)电流反馈系数电流反馈系数(2)动态数学模型)动态数
3、学模型2.2.3 起动过程分析起动过程分析n起动过程分为:起动过程分为:n电流上升阶段电流上升阶段n恒流升速阶段恒流升速阶段n转速调节阶段。转速调节阶段。1.电流上升阶段(电流上升阶段(0t1)ASRASR 饱和饱和,获取最大电流获取最大电流,ACR,ACR不饱和不饱和,对电流调节对电流调节 。2.恒流升速阶段恒流升速阶段(t1t2)电流略小的原因电流略小的原因(Ui)A点能否稳定运行?点能否稳定运行?A3.转速调节阶段转速调节阶段1(t2t3)BB点能否稳定运行?点能否稳定运行?转速超调,转速超调,ASRASR 退饱和。退饱和。3.转速调节阶段转速调节阶段2(t4t5)C点能否稳定运行?点能
4、否稳定运行?CD点能否稳定运行?点能否稳定运行?Dn理论上,线性系统的输出过程要到t=才稳定,但实际上,由于各种非线性因素及惯性的存在,逐渐衰减趋于稳定。结论结论4.起动过程的三个特点:起动过程的三个特点:n饱和非线性控制。饱和非线性控制。n转速超调。转速超调。n准时间最优控制。准时间最优控制。5.起动过程对比起动过程对比结论n在双闭环系统突加给定过程中,表现为一在双闭环系统突加给定过程中,表现为一个恒流调速系统,在稳态和接近稳态过程个恒流调速系统,在稳态和接近稳态过程中又表现为无静差系统,满足理想起动过中又表现为无静差系统,满足理想起动过程要求,因此,双闭环系统可行。程要求,因此,双闭环系统
5、可行。2.2.4双闭环系统的动态抗扰性能双闭环系统的动态抗扰性能 n双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了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。一个电流反馈环和电流调节器。n调速系统,最主要的抗扰性能是指调速系统,最主要的抗扰性能是指抗负载抗负载扰动扰动和和抗电网电压扰动抗电网电压扰动性能,性能,n闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关。关。1.抗负载扰动抗负载扰动 图2-27 直流调速系统的动态抗扰作用 2.抗电网电压扰动抗电网电压扰动 图2-27 直流调速系统的动态抗扰作用 3.3.转速调节器的作用转速调节器的作用n1)使被调量转
6、速跟随给定转速变化,)使被调量转速跟随给定转速变化,保证稳态无静差;保证稳态无静差;n2)其稳态输出值正比于电动机稳态工)其稳态输出值正比于电动机稳态工作电流值(由负载大小而决定),输作电流值(由负载大小而决定),输出限幅值取决于电动机允许最大电流出限幅值取决于电动机允许最大电流(或负载允许最大转矩);(或负载允许最大转矩);n3)对负载扰动起抗扰作用。)对负载扰动起抗扰作用。n1)起动过程保证电动机能获得最大)起动过程保证电动机能获得最大允许的动态电流;允许的动态电流;n2)在起动过程,使电流跟随电流给)在起动过程,使电流跟随电流给定值而变化;定值而变化;n3)对交流电网电压的波动有较强的)
7、对交流电网电压的波动有较强的抗扰能力;抗扰能力;n4)有自动过载保护作用,且在过载)有自动过载保护作用,且在过载故障消失后能自动恢复正常工作。故障消失后能自动恢复正常工作。4.电流调节器的作用电流调节器的作用2.2.5 静特性及稳态参数静特性及稳态参数(1)静特性)静特性(2)稳态参数)稳态参数 n在稳态时,在稳态时,PI调节器的作用使得输入偏差调节器的作用使得输入偏差电压电压U总为零。总为零。2.3 调节器的调节器的工程工程设计方法设计方法2.3.1 问题的提出问题的提出n采用伯德图的调节器的设计方法较麻烦,需要有熟练的设计技巧,在工程上不够实用。n需要一种简单,实用的工程设计方法。2.3.
8、2 控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标 自动控制系统的动态性能指标包括:跟随性能指标跟随性能指标抗扰性能指标抗扰性能指标 1.跟随性能指标跟随性能指标图图2-34 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标典型的阶跃响应过程和跟随性能指标2.抗扰性能指标抗扰性能指标 图图2-35 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标突加扰动的动态过程和抗扰性能指标2.3.3 工程设计方法的基本思路工程设计方法的基本思路 作为工程设计方法,应作为工程设计方法,应简单,实用简单,实用,突出主,突出主要矛盾。要矛盾。1.选择调节器结构选择调节器结构。原则:原则:满足所需的稳态精度。满足所需的稳态精度。2.设计调节器的参
9、数。设计调节器的参数。原则:原则:系统稳定,系统稳定,满足动态性能指标的要求满足动态性能指标的要求。一、一、选择调节器结构选择调节器结构WR(s)原始系统原始系统典型系统典型系统典型典型型系统型系统典型典型型系统型系统1.典型典型I型系统型系统n(1)结构图与传递函数 (2)开环对数开环对数频率频率特性特性(3)快速性与稳定性之间的矛盾)快速性与稳定性之间的矛盾nK值越大,截止频率值越大,截止频率 c 也越大,系统也越大,系统响应越快,相角稳定裕度响应越快,相角稳定裕度 越小越小,n说明快速性与稳定性之间存在矛盾。说明快速性与稳定性之间存在矛盾。n在选择参数在选择参数 K时,须在二者之间取折时
10、,须在二者之间取折衷。衷。2.典型典型型系统型系统n(1)结构图和传递函数 (2)开环对数开环对数频率频率特性特性3.调节器结构选择举例调节器结构选择举例WR(s)原始系统原始系统典型典型系统系统3.调节器结构选择举例调节器结构选择举例WR(s)原始系统原始系统典型典型系统系统调节器结构的选择调节器结构的选择 调节器特性调节器特性=预期特性预期特性-原始系统特性原始系统特性结论结论二、二、选择调节器的参数选择调节器的参数n典型型系统:n参数:K,Tn典型型系统n参数:K,T,1.典型典型型系统参数选择型系统参数选择n典型典型型系统的闭环传递函数:型系统的闭环传递函数:(1)跟随性能指标和参数的
11、关系)跟随性能指标和参数的关系参数关系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比超调量 上升时间 tr峰值时间 tp 相角稳定裕度 截止频率c 1.0 0%76.30.243/T 0.8 1.5%6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3%4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5%3.3T4.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3%2.4T3.2T 51.8 0.786/T表表2-1 典型典型型系统动态跟随性能指标型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系和频域指标与参数的关系(2)抗扰性能指标和参数的关系)抗扰性能指标和参数的关系电流环的扰动
12、作用点:电流环的扰动作用点:某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的扰动作用点。定的扰动作用点。阶跃扰动作用下的输出变化量阶跃扰动作用下的输出变化量n在阶跃扰动下,在阶跃扰动下,n在选定在选定KT=0.5时,时,55.5%33.2%18.5%12.9%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4表表2-2 典型典型I型系统动态抗扰性能指标型系统动态抗扰性能指标 与参数的关系(与参数的关系(KT=0.5,Cb=FK2/2)2.典型典型型系统参数选择型系统参数选择(1)跟随性能指标与参数的关系)跟随性能指标与参数的关系表表2-4 典型
13、典型型系统阶跃输入跟随性能型系统阶跃输入跟随性能指标指标(按按 Mrmin 准则确定参数关系准则确定参数关系)h 3 4 56 7 8 9 10 tr/Tts/T k 52.6%2.412.15 3 43.6%2.65 11.65 237.6%2.85 9.55 2 33.2%3.0 10.45 129.8%3.1 11.30 127.2%3.2 12.25 125.0%3.3 13.25 1 23.3%3.35 14.20 1(2)抗扰性能指标和参数的关系)抗扰性能指标和参数的关系转速环的负载扰动作用点转速环的负载扰动作用点表表2-5 典型典型型系统动态抗扰性能指标型系统动态抗扰性能指标 与
14、参数的关系与参数的关系 h 3 4 56 7 8 9 10 Cmax/Cbtm/T tv/T 72.2%2.4513.60 77.5%2.70 10.4581.2%2.85 8.80 84.0%3.00 12.9586.3%3.15 16.8588.1%3.25 19.8089.6%3.30 22.80 90.8%3.40 25.85Cb=2FK2T WR(s)原始系统典型系统典型典型型型典型典型型型典型结构三、传递函数的近似三、传递函数的近似 处理处理PPIPID(1)高频段小惯性环节的近似处理)高频段小惯性环节的近似处理 小惯性环节可以合并近似相等的条件近似相等的条件 频率特性频率特性 对
15、频率特性的影响对频率特性的影响图图2-42 高频段小惯性群近似处理对频率特性的影响高频段小惯性群近似处理对频率特性的影响T=T1+T2 当系统有一组小惯性群时,在一定的条当系统有一组小惯性群时,在一定的条件下,可以将它们近似地看成是一个小惯件下,可以将它们近似地看成是一个小惯性环节,其时间常数等于小惯性群中各时性环节,其时间常数等于小惯性群中各时间常数之和。间常数之和。结论结论(2)高阶系统的降阶近似处理)高阶系统的降阶近似处理近似相等的条件近似相等的条件(3)低频段大惯性环节的近似处理)低频段大惯性环节的近似处理n近似条件 基本环节波特图基本环节波特图表表2-6 校正成典型校正成典型I型系统
16、的几种调节器选择型系统的几种调节器选择控制对象调节器参数配合T1、T2 T3T1 T2表表2-7 校正成典型校正成典型II型系统的几种调节器选择型系统的几种调节器选择控制对象调节器参数配合认为:认为:2.3.4 双闭环系统的调节器设计双闭环系统的调节器设计n用工程设计方法来设计转速、电流双用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器,先内环闭环调速系统的两个调节器,先内环后外环,即从内环开始,逐步向外扩后外环,即从内环开始,逐步向外扩展。展。n首先设计电流调节器,然后把整个电首先设计电流调节器,然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环流环看作是转速调节系统中的一个环节,再设计转
17、速调节器。节,再设计转速调节器。-IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+E Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 Tons+1U*n(s)n(s)电流环电流环图2-44 双闭环调速系统的动态结构框图 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统E(s)设计分为以下几个步骤:1.电流环结构图的简化2.电流调节器结构的选择3.电流调节器的参数计算4.电流调节器的实现一、电流调节器的设计一、电流调节器的设计Ud0(s)-+-UiACR1/RTl s+1U*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id To
18、is+11 T0is+1电流环E(s)1.电流环结构图的简化电流环结构图的简化存在反电动势的交叉反馈问题存在反电动势的交叉反馈问题n忽略反电动势的动态影响忽略反电动势的动态影响 Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc(s)Ks Tss+1Id(s)Tois+11 Tois+1简化的近似条件为:n等效成单位负反馈系统等效成单位负反馈系统 +-ACRUc(s)Ks/R(Tss+1)(Tl s+1)Id(s)U*i(s)Tois+1小惯性环节近似 Ti=Ts+Toi+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)+-ACRUc(s)Ks/R(
19、Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)n小惯性环节近似处理小惯性环节近似处理 简化的近似条件为:Ti=Ts+Toi K I s(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)2.电流调节器结构的选择电流调节器结构的选择n校正后电流环的校正后电流环的对数幅频对数幅频特性特性 图2-24 校正成典型I型系统的电流环 OL/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decTi3.电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算n由表2-1,KI Ti=0.5,则K I s(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)4.电流调节器的实现电流调节器的实现设计分为以下几个步骤:设计分为以下几个步骤:1.电流环的
20、等效闭环传递函数电流环的等效闭环传递函数2.转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择3.转速调节器参数的选择转速调节器参数的选择4.转速调节器的实现转速调节器的实现二、二、转速调节器的设计转速调节器的设计1.电流环的等效闭环传递函数电流环的等效闭环传递函数K I s(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)n传递函数化简传递函数化简近似条件:K I s(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)n电流环等效传递函数电流环等效传递函数 这样,原来是双惯性环节的电流环控制对象,这样,原来是双惯性环节的电流环控制对象,经闭环控制后,可以近似地等效成只有较小时间经闭环控制后,可以近似地等效成只有较小时间常数
21、的一阶惯性环节。常数的一阶惯性环节。这就表明,这就表明,电流的闭环控制改造了控制对象,电流的闭环控制改造了控制对象,加快了电流的跟随作用,这是局部闭环(内环)加快了电流的跟随作用,这是局部闭环(内环)控制的一个重要功能控制的一个重要功能。2.转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择n(s)+-Un(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)Tons+11 Tons+1U*i(s)+-IdL(s)电流环电流环n(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)/Tns+1+-IdL(s)n(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)/Tns+1+-IdL(s)令转速环开环增益为则 n校正
22、后的系统结构校正后的系统结构 n(s)+-U*n(s)3.转速调节器的参数计算转速调节器的参数计算 转速调节器的参数包括 Kn 和 n。按照典型型系统的参数关系,由式(2-81)再由式(2-82)因此 4.转速调节器的实现转速调节器的实现3.转速调节器退饱和时转速超调量的计算转速调节器退饱和时转速超调量的计算线性系统线性系统3.转速调节器退饱和时转速超调量的计算转速调节器退饱和时转速超调量的计算非线性系统非线性系统进入线性状态进入线性状态退饱和超调退饱和超调n两个系统的异同:两个系统的异同:n系统的结构,微分方程完全相同系统的结构,微分方程完全相同n同一系统结构,在不同的初始条件下,其同一系统
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