山大《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課件第3章 多閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)造及PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)組態(tài)-4多環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)造過(guò)程及性能分析

1、第三章多閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)造及PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)組態(tài)本講主要內(nèi)容第四節(jié) 多環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)造過(guò)程及性能分析第331講第341講2第四節(jié) 多環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)造過(guò)程及性能分析 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的超調(diào)問(wèn)題在理論上已經(jīng)得到解決。為了盡可能的縮小第階段的比例或根據(jù)實(shí)際工程的需求能夠隨意設(shè)置階段寬度，必須解決對(duì)電流變化率進(jìn)行控制的問(wèn)題。 解決的思路是：根據(jù)反饋定理引一個(gè)電流微分負(fù)反饋就能解決對(duì)電流變化率進(jìn)行控制目的。3一、帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)構(gòu)成注意：1)調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅值就能調(diào)節(jié)電流變化率的大小。4一、帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)構(gòu)成注意： 2)電流

2、變化環(huán)為什么建立在電流環(huán)的內(nèi)部？ 因?yàn)殡娏髯兓食霈F(xiàn)的時(shí)間早于電流出現(xiàn)的時(shí)間，所以根據(jù)多環(huán)組合方法，電流變化率環(huán)應(yīng)該建立在里面。5一、帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)構(gòu)成注意：3)在任何情況下，電流變化率調(diào)節(jié)器ADR不能飽和。一般規(guī)律：與觸發(fā)器的輸入端直接相聯(lián)的那個(gè)調(diào)節(jié)器在任何情況下都不允許產(chǎn)生飽和。6一、帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)構(gòu)成注意： 4) 在起動(dòng)的第階段，ASR、ACR都處于飽和狀態(tài)，只有ADR處于線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。 ASR飽和ACR飽和ASR飽和ACR飽和ACR輸出飽和限幅為電流變化率環(huán)提供了恒值給定7一、帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)構(gòu)成注意：4)在起動(dòng)的第

3、階段，ASR、ACR都處于飽和狀態(tài)，只有ADR處于線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。 在起動(dòng)的第階段，電流調(diào)節(jié)器ACR退出飽和狀態(tài)參與恒流調(diào)節(jié)控制。ASR飽和ACR飽和ASR飽和ACR飽和ASR輸出飽和限幅為電流環(huán)提供了恒值給定8一、帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)構(gòu)成注意：4)在起動(dòng)的第階段，ASR、ACR都處于飽和狀態(tài)，只有ADR處于線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。 在起動(dòng)的第階段，電流調(diào)節(jié)器ACR退出飽和狀態(tài)參與恒流調(diào)節(jié)控制。 在起動(dòng)的最后階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR退出飽和狀態(tài)，參與恒速調(diào)節(jié)控制。即：電流調(diào)節(jié)器ACR先退出飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR后退出飽和狀態(tài)。ASR飽和ASR飽和ACR飽和9一、帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)

4、速系統(tǒng)1.系統(tǒng)構(gòu)成注意：4)在起動(dòng)的第階段，ASR、ACR都處于飽和狀態(tài)，只有ADR處于線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。 在起動(dòng)的第階段，電流調(diào)節(jié)器ACR退出飽和狀態(tài)參與恒流調(diào)節(jié)控制。 在起動(dòng)的最后階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR退出飽和狀態(tài)，參與恒速調(diào)節(jié)控制。 即：電流調(diào)節(jié)器ACR先退出飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR后退出飽和狀態(tài)。ASR飽和ACR飽和10一、帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)構(gòu)成注意：5) 我們引入電流微分負(fù)反饋的目的是為了能夠?qū)崿F(xiàn)電流變化率的可控性和減緩傳動(dòng)機(jī)械之間的沖擊強(qiáng)度或滿足某種工程上的特殊要求。11一、帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.系統(tǒng)特點(diǎn) 1)電流微分環(huán)可以明顯地降低當(dāng)電流發(fā)生斷續(xù)時(shí)引

5、起觸發(fā)器傳遞函數(shù)KS發(fā)生變化導(dǎo)致對(duì)整個(gè)調(diào)速控制系統(tǒng)的影響。12一、帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.系統(tǒng)特點(diǎn)1)電流微分環(huán)可以明顯地降低當(dāng)電流發(fā)生斷續(xù)時(shí)引起觸發(fā)器傳遞函數(shù)KS發(fā)生變化導(dǎo)致對(duì)整個(gè)調(diào)速控制系統(tǒng)的影響。因?yàn)楫?dāng)電樞電流發(fā)生斷續(xù)時(shí)導(dǎo)致觸發(fā)器傳遞函數(shù)KS發(fā)生變化。又因?yàn)橛|發(fā)器傳遞函數(shù)KS在電流微分環(huán)的前向通道上。所以根據(jù)抑制定理電流變化率環(huán)對(duì)觸發(fā)器傳遞函數(shù)KS發(fā)生變化起抑制作用。2)當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)速降與雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)相比將會(huì)明顯的降低。13探索與發(fā)現(xiàn)綜上所述：我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)特點(diǎn)，每當(dāng)適當(dāng)?shù)卦黾右粋€(gè)環(huán)，調(diào)速控制系統(tǒng)的抗干擾能力就能提高一個(gè)擋次。我們自然就會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)想

6、法：能否把一個(gè)調(diào)速控制系統(tǒng)的全部狀態(tài)變量都引出來(lái)免得遇到一個(gè)問(wèn)題引入一個(gè)反饋環(huán)。14二、全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)(準(zhǔn)全狀態(tài)反饋)1.狀態(tài)變量的確定 如果描述調(diào)速控制系統(tǒng)被控對(duì)象的狀態(tài)變量能夠全部找出來(lái)，那么反映被控對(duì)象任何一種情況下的狀態(tài)都能夠得到控制。 如下圖所示，被控對(duì)象能反映在任何一種情況下的變化過(guò)程的狀態(tài)變量有多少個(gè)呢？ 自動(dòng)控制理論告訴我們：一個(gè)儲(chǔ)能元件決定一個(gè)狀態(tài)變量。15二、全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)(準(zhǔn)全狀態(tài)反饋)1.狀態(tài)變量的確定 從下面的結(jié)構(gòu)圖可以看出，有三個(gè)儲(chǔ)能元件，所以有三個(gè)狀態(tài)變量。這三個(gè)狀態(tài)變量是：Ud0、Id、E。 16二、全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)(準(zhǔn)全狀態(tài)反饋)1.狀態(tài)

7、變量的確定 但是科學(xué)發(fā)展到今天，Ud0和 E無(wú)法直接引出，我們可以通過(guò)Ud和n代替Ud0和E，于是就有了如下圖所示的帶電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)準(zhǔn)全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)。因?yàn)闆](méi)有真正引出Ud0和E這兩個(gè)物理量(不一定是壞事) 。 17二、全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)(準(zhǔn)全狀態(tài)反饋)2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1)電壓在最里面因?yàn)殡妷哼@個(gè)物理量在這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)中首先產(chǎn)生，所以根據(jù)多環(huán)組合方法應(yīng)該建立在里面。2)此時(shí)的電壓反饋應(yīng)該盡可能地靠近可控整流輸出端，這樣能盡可能地接近理想的Udo。用Ud代替Udo還能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。18二、全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)(準(zhǔn)全狀態(tài)反饋)2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3) 電壓

8、反饋一定要進(jìn)行電磁隔離或光電隔離。如果不進(jìn)行電磁隔離或光電隔離容易把主電路電壓引到控制電路上來(lái)。NOTE：P83圖2-31和下圖同是一個(gè)電壓反饋為什么引的位置不一樣？19三、帶能耗制動(dòng)單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)從高速變低速時(shí)控制系統(tǒng)失控問(wèn)題是最后一個(gè)問(wèn)題，如果此問(wèn)題不解決，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無(wú)法投入實(shí)際運(yùn)行。 解決的方法有兩種：其一，把能量回饋給電網(wǎng)(有源逆變)；其二，把能量消耗在其它用電單元(無(wú)源逆變)。20三、帶能耗制動(dòng)單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng) 對(duì)于“把能量回饋給電網(wǎng)(有源逆變)”的方法將在第四章中給大家介紹。 在“把能量消耗在其它用電單元(無(wú)源逆變)”的方法中最簡(jiǎn)單的一

9、種方法是“能耗制動(dòng)”。21三、帶能耗制動(dòng)單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng) 因?yàn)楫?dāng)可控整流裝置的輸出電壓由大變小時(shí)，電動(dòng)機(jī)所儲(chǔ)存的能量無(wú)法回饋給電網(wǎng)，所以造成控制系統(tǒng)失控。最簡(jiǎn)單的解決方案是“電機(jī)拖動(dòng)”曾經(jīng)告訴我們：當(dāng)能量不易回饋電網(wǎng)時(shí)，就采用能耗制動(dòng)。如下圖所示的能耗制動(dòng)方法，但是，沒(méi)有告訴我們電路的具體實(shí)現(xiàn)方法(能實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)方法的電路很多)。 右圖所示電路是一種比較典型的能耗制動(dòng)控制電路。22三、帶能耗制動(dòng)單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng) 因?yàn)楫?dāng)可控整流裝置的輸出電壓由大變小時(shí)，電動(dòng)機(jī)所儲(chǔ)存的能量無(wú)法回饋給電網(wǎng)，所以造成控制系統(tǒng)失控。最簡(jiǎn)單的解決方案是“電機(jī)拖動(dòng)”曾經(jīng)告訴我們：當(dāng)能量不易回饋電網(wǎng)時(shí)

10、，就采用能耗制動(dòng)。如下圖所示的能耗制動(dòng)方法，但是，沒(méi)有告訴我們電路的具體實(shí)現(xiàn)方法(能實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)方法的電路很多)。 右圖所示電路是一種比較典型的能耗制動(dòng)控制電路。23三、帶能耗制動(dòng)單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)1.能耗控制電路外圍接線 能耗控制電路外圍接線如右圖所示。其中開(kāi)關(guān)器件不是一般的接觸器，它不但具有觸點(diǎn)允許大功率(高電壓、大電流)，而且還要具有高速開(kāi)關(guān)性能(控制過(guò)程中使用)。因此只有大功率晶體管才能充當(dāng)此重任。如下圖所示。 24三、帶能耗制動(dòng)單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)1.能耗控制電路外圍接線 邏輯控制信號(hào)由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的輸出方程控制。 能耗制動(dòng)電阻一般具有可變性：速度越小，所串電阻越小

11、。 在這里不作展開(kāi)討論。25三、帶能耗制動(dòng)單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)1.能耗控制電路外圍接線 邏輯控制信號(hào)由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的輸出方程控制。 能耗制動(dòng)電阻一般具有可變性：速度越小，所串電阻越小。 在這里不作展開(kāi)討論。26三、帶能耗制動(dòng)單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)2.能耗控制電路工作原理 下圖是用分立元件組成的驅(qū)動(dòng)制動(dòng)開(kāi)關(guān)GTR的電路，大功率管用GTR或 IGBT均可，電路的工作過(guò)程大致如下：當(dāng)光耦合器 VLC得到信號(hào)而導(dǎo)通時(shí)，VLC導(dǎo)通且飽和，電阻R2上的電位使得V1導(dǎo)通，V2 隨即導(dǎo)通而V3 截止，使GTR導(dǎo)通，制動(dòng)電流流經(jīng)制動(dòng)電阻Rb。27三、帶能耗制動(dòng)單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)2.能耗控

12、制電路工作原理 當(dāng)VLC失去信號(hào)而截止時(shí)，VLC 也截止，電阻R2上沒(méi)有電位，V1處于關(guān)斷狀態(tài)，隨之V2截止，V3 導(dǎo)通，GTR得到反向偏壓而迅速截止。當(dāng)V3導(dǎo)通時(shí)，電容C2上的電壓全部加到GTR的發(fā)射極與基極之間導(dǎo)致GTR關(guān)斷， V1和VD9構(gòu)成的非門(mén)保證了V1與V3的工作狀態(tài)相反。28三、帶能耗制動(dòng)單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)2.能耗控制電路工作原理 為了避免向GTR提供過(guò)高的反向偏置電壓，在圖中增加了VD5VD8四個(gè)二極管來(lái)保護(hù)GTR。如下圖所示。29三、帶能耗制動(dòng)單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)2.能耗控制電路工作原理實(shí)際電路中經(jīng)常在V2的輸出端增加一個(gè)電流反饋來(lái)保護(hù)V2，如下圖所示。30

13、到目前為止一個(gè)功能較為完善的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以投入使用了，但是我們發(fā)現(xiàn)了一種系統(tǒng)構(gòu)造的現(xiàn)象：好像是環(huán)越多越好！這種想法正確嗎？31四、閉環(huán)數(shù)目的限制與帶預(yù)控制調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)1.閉環(huán)數(shù)目的限制 經(jīng)過(guò)上述分析，好像是環(huán)越多越好，但是，控制系統(tǒng)的閉環(huán)數(shù)目受到如下條件的限制不能無(wú)限制的增加： 被控對(duì)象狀態(tài)變量多少的限制 控制系統(tǒng)自然穩(wěn)定條件的限制 生產(chǎn)工藝性能要求及控制效果的限制注意：當(dāng)考慮提高非儲(chǔ)能元件的抗干擾能力時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)閉環(huán)數(shù)目高于狀態(tài)變量的數(shù)目情況。當(dāng)用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)滿足生產(chǎn)工藝要求時(shí)，就盡量不要使用三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。（為什么？）32Id 到目前為止，我們所使用的數(shù)學(xué)模型都是在電流連續(xù)的條件

14、下推導(dǎo)出來(lái)的，如果電流發(fā)生斷續(xù)，對(duì)于轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)如何解決此類問(wèn)題呢？33四、閉環(huán)數(shù)目的限制與帶預(yù)控制調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2.帶預(yù)控制調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng) 當(dāng)受到某種條件的限制或控制效果的限制，不能用常規(guī)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制時(shí)，在工業(yè)控制中，一般首先考慮選用預(yù)控制調(diào)節(jié)器，預(yù)控制調(diào)節(jié)器屬于預(yù)測(cè)控制范疇。預(yù)測(cè)就是借助于對(duì)已知、過(guò)去和現(xiàn)在的分析得到對(duì)未知和未來(lái)的了解，預(yù)測(cè)控制是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類新型控制策略，這種控制策略和傳統(tǒng)控制理論有著明顯的不同。它不需要被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，且無(wú)需事先知道過(guò)程模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的有關(guān)先驗(yàn)知識(shí)，利用數(shù)字計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，將直接從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的過(guò)程響應(yīng)(即脈沖響應(yīng)

15、或階躍響應(yīng))，實(shí)行在線的滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算，從而取得較好的綜合控制效果。34四、閉環(huán)數(shù)目的限制與帶預(yù)控制調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2.帶預(yù)控制調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng) 當(dāng)受到某種條件的限制或控制效果的限制，不能用常規(guī)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制時(shí)，在工業(yè)控制中，一般首先考慮選用預(yù)控制調(diào)節(jié)器，預(yù)控制調(diào)節(jié)器屬于預(yù)測(cè)控制范疇。預(yù)測(cè)就是借助于對(duì)已知、過(guò)去和現(xiàn)在的分析得到對(duì)未知和未來(lái)的了解，預(yù)測(cè)控制是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類新型控制策略，這種控制策略和傳統(tǒng)控制理論有著明顯的不同。它不需要被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，且無(wú)需事先知道過(guò)程模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的有關(guān)先驗(yàn)知識(shí)，利用數(shù)字計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，將直接從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的過(guò)程響應(yīng)(即脈沖響應(yīng)或階躍響

16、應(yīng))，實(shí)行在線的滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算，從而取得較好的綜合控制效果。35四、閉環(huán)數(shù)目的限制與帶預(yù)控制調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2.帶預(yù)控制調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng) 用晶閘管-電動(dòng)機(jī)所組成的調(diào)速控制系統(tǒng)經(jīng)常遇到電流斷續(xù)的問(wèn)題，當(dāng)電流出現(xiàn)斷續(xù)時(shí)，所有的調(diào)節(jié)器都失去正常的控制作用。為了解決此類問(wèn)題，對(duì)于非可逆調(diào)速系統(tǒng)一般調(diào)速器都采用帶電流預(yù)控制器的閉環(huán)系統(tǒng)。36四、閉環(huán)數(shù)目的限制與帶預(yù)控制調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2.帶預(yù)控制調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng) 此預(yù)控制調(diào)節(jié)器，能根據(jù)電流連續(xù)和斷續(xù)狀態(tài)或轉(zhuǎn)矩改變符號(hào)時(shí)所要求的觸發(fā)角，進(jìn)行快速變化，改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，控制效果和抗干擾能力方面都優(yōu)于帶電流微分環(huán)節(jié)的三環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。37四、閉環(huán)數(shù)目的限制與