山大《運動控制系統(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)實際工程的需求能夠隨意設(shè)置階段寬度，必須解決對電流變化率進行控制的問題。 解決的思路是：根據(jù)反饋定理引一個電流微分負反饋就能解決對電流變化率進行控制目的。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？ 因為電流變化率出現(xiàn)的時間早于電流出現(xiàn)的時間，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機械之間的沖擊強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 1)電流微分環(huán)可以明顯地降低當電流發(fā)生斷續(xù)時引

5、起觸發(fā)器傳遞函數(shù)KS發(fā)生變化導致對整個調(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1)電流微分環(huán)可以明顯地降低當電流發(fā)生斷續(xù)時引起觸發(fā)器傳遞函數(shù)KS發(fā)生變化導致對整個調(diào)速控制系統(tǒng)的影響。因為當電樞電流發(fā)生斷續(xù)時導致觸發(fā)器傳遞函數(shù)KS發(fā)生變化。又因為觸發(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)對觸發(fā)器傳遞函數(shù)KS發(fā)生變化起抑制作用。2)當電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時所產(chǎn)生的動態(tài)速降與雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)相比將會明顯的降低。13探索與發(fā)現(xiàn)綜上所述：我們發(fā)現(xiàn)了一個特點，每當適當?shù)卦黾右粋€環(huán)，調(diào)速控制系統(tǒng)的抗干擾能力就能提高一個擋次。我們自然就會產(chǎn)生這樣一個想

6、法：能否把一個調(diào)速控制系統(tǒng)的全部狀態(tài)變量都引出來免得遇到一個問題引入一個反饋環(huán)。14二、全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)(準全狀態(tài)反饋)1.狀態(tài)變量的確定 如果描述調(diào)速控制系統(tǒng)被控對象的狀態(tài)變量能夠全部找出來，那么反映被控對象任何一種情況下的狀態(tài)都能夠得到控制。 如下圖所示，被控對象能反映在任何一種情況下的變化過程的狀態(tài)變量有多少個呢？ 自動控制理論告訴我們：一個儲能元件決定一個狀態(tài)變量。15二、全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)(準全狀態(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，有三個儲能元件，所以有三個狀態(tài)變量。這三個狀態(tài)變量是：Ud0、Id、E。 16二、全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)(準全狀態(tài)反饋)1.狀態(tài)

7、變量的確定 但是科學發(fā)展到今天，Ud0和 E無法直接引出，我們可以通過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)。這個調(diào)速系統(tǒng)是一個準全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)。因為沒有真正引出Ud0和E這兩個物理量(不一定是壞事) 。 17二、全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)(準全狀態(tài)反饋)2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點1)電壓在最里面因為電壓這個物理量在這個調(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)(準全狀態(tài)反饋)2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點3) 電壓

8、反饋一定要進行電磁隔離或光電隔離。如果不進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。NOTE：P83圖2-31和下圖同是一個電壓反饋為什么引的位置不一樣？19三、帶能耗制動單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)從高速變低速時控制系統(tǒng)失控問題是最后一個問題，如果此問題不解決，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無法投入實際運行。 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(無源逆變)。20三、帶能耗制動單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng) 對于“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(無源逆變)”的方法中最簡單的一

9、種方法是“能耗制動”。21三、帶能耗制動單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng) 因為當可控整流裝置的輸出電壓由大變小時，電動機所儲存的能量無法回饋給電網(wǎng)，所以造成控制系統(tǒng)失控。最簡單的解決方案是“電機拖動”曾經(jīng)告訴我們：當能量不易回饋電網(wǎng)時，就采用能耗制動。如下圖所示的能耗制動方法，但是，沒有告訴我們電路的具體實現(xiàn)方法(能實現(xiàn)能耗制動方法的電路很多)。 右圖所示電路是一種比較典型的能耗制動控制電路。22三、帶能耗制動單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng) 因為當可控整流裝置的輸出電壓由大變小時，電動機所儲存的能量無法回饋給電網(wǎng)，所以造成控制系統(tǒng)失控。最簡單的解決方案是“電機拖動”曾經(jīng)告訴我們：當能量不易回饋電網(wǎng)時

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

11、。 在這里不作展開討論。25三、帶能耗制動單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)1.能耗控制電路外圍接線 邏輯控制信號由運動控制系統(tǒng)的輸出方程控制。 能耗制動電阻一般具有可變性：速度越小，所串電阻越小。 在這里不作展開討論。26三、帶能耗制動單元的全狀態(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)動制動開關(guān)GTR的電路，大功率管用GTR或 IGBT均可，電路的工作過程大致如下：當光耦合器 VLC得到信號而導通時，VLC導通且飽和，電阻R2上的電位使得V1導通，V2 隨即導通而V3 截止，使GTR導通，制動電流流經(jīng)制動電阻Rb。27三、帶能耗制動單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)2.能耗控

12、制電路工作原理 當VLC失去信號而截止時，VLC 也截止，電阻R2上沒有電位，V1處于關(guān)斷狀態(tài)，隨之V2截止，V3 導通，GTR得到反向偏壓而迅速截止。當V3導通時，電容C2上的電壓全部加到GTR的發(fā)射極與基極之間導致GTR關(guān)斷， V1和VD9構(gòu)成的非門保證了V1與V3的工作狀態(tài)相反。28三、帶能耗制動單元的全狀態(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提供過高的反向偏置電壓，在圖中增加了VD5VD8四個二極管來保護GTR。如下圖所示。29三、帶能耗制動單元的全狀態(tài)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)2.能耗控制電路工作原理實際電路中經(jīng)常在V2的輸出端增加一個電流反饋來保護V2，如下圖所示。30

13、到目前為止一個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限制的增加： 被控對象狀態(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：當考慮提高非儲能元件的抗干擾能力時，有時會出現(xiàn)閉環(huán)數(shù)目高于狀態(tài)變量的數(shù)目情況。當用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)滿足生產(chǎn)工藝要求時，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)學模型都是在電流連續(xù)的條件

14、下推導出來的，如果電流發(fā)生斷續(xù)，對于轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)如何解決此類問題呢？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)器進行控制時，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)測控制范疇。預(yù)測就是借助于對已知、過去和現(xiàn)在的分析得到對未知和未來的了解，預(yù)測控制是近年來發(fā)展起來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。它不需要被控對象的精確的數(shù)學模型，且無需事先知道過程模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的有關(guān)先驗知識，利用數(shù)字計算機的計算能力，將直接從生產(chǎn)現(xiàn)場檢測到的過程響應(yīng)(即脈沖響應(yīng)

15、或階躍響應(yīng))，實行在線的滾動優(yōu)化計算，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)器進行控制時，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)測控制范疇。預(yù)測就是借助于對已知、過去和現(xiàn)在的分析得到對未知和未來的了解，預(yù)測控制是近年來發(fā)展起來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。它不需要被控對象的精確的數(shù)學模型，且無需事先知道過程模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的有關(guān)先驗知識，利用數(shù)字計算機的計算能力，將直接從生產(chǎn)現(xiàn)場檢測到的過程響應(yīng)(即脈沖響應(yīng)或階躍響

16、應(yīng))，實行在線的滾動優(yōu)化計算，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-電動機所組成的調(diào)速控制系統(tǒng)經(jīng)常遇到電流斷續(xù)的問題，當電流出現(xiàn)斷續(xù)時，所有的調(diào)節(jié)器都失去正常的控制作用。為了解決此類問題，對于非可逆調(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)矩改變符號時所要求的觸發(fā)角，進行快速變化，改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(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