運(yùn)動控制系統(tǒng)課件第4章第2節(jié)

1、4.2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)過程分析轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型起動過程分析（轉(zhuǎn)速、電流）制動過程分析（轉(zhuǎn)速、電流）4.2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)過程分4.2.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型圖4-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電機(jī)電源電流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器4.2.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型圖4-54.2.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)過程分析對調(diào)速系統(tǒng)而言，被控制的對象是轉(zhuǎn)速。跟隨性能可以用階躍給定下的動態(tài)響應(yīng)描述。能否實現(xiàn)所期望的恒加速過程，最終以時間最優(yōu)的形式達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，是

2、設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要的追求目標(biāo)。能否實現(xiàn)最優(yōu)起動？4.2.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)過程分析對調(diào)速圖4-6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形圖4-6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形1起動過程分析-以拖動反抗性負(fù)載為例電流Id從零增長到Idm，然后在一段時間內(nèi)維持其值等于Idm不變，以后又下降并經(jīng)調(diào)節(jié)后到達(dá)穩(wěn)態(tài)值IdL。轉(zhuǎn)速波形先是緩慢升速，然后以恒加速上升，產(chǎn)生超調(diào)后，到達(dá)給定值n*。起動過程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個階段中經(jīng)歷了不飽和、飽和以及退飽和三種情況。1起動過程分析-以拖動反抗性負(fù)載為例電流Id從零增長到Id第階段：

3、電流上升階段（0t1）電流從0到達(dá)最大允許值第階段：電流上升階段（0t1）電流從0到達(dá)最大允許值在t=0時，系統(tǒng)突加階躍給定信號Un*，在ASR和ACR兩個PI調(diào)節(jié)器的作用下， Id很快上升，在Id上升到Idl之前，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為零。當(dāng) Id IdL 后，電機(jī)開始起動，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，ASR輸入偏差電壓仍較大， ASR很快進(jìn)入飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。直到Id = Idm ， Ui = U*im 。第階段：電流上升階段（0t1）在t=0時，系統(tǒng)突加階躍給定信號Un*，在ASR和ACR兩個第階段:恒流升速階段（t1t2） 第階段:恒流升速階段（t1t2）

4、ASR調(diào)節(jié)器始終保持在飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)仍相當(dāng)于開環(huán)工作。系統(tǒng)表現(xiàn)為使用PI調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的給定值就是ASR調(diào)節(jié)器的飽和值U*im，基本上保持電流Id = Idm不變，電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動是電動機(jī)的反電動勢，它是一個線性漸增的斜坡擾動量，系統(tǒng)做不到無靜差，而是Id略低于Idm。 第階段:恒流升速階段（t1t2） ASR調(diào)節(jié)器始終保持在飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)仍相當(dāng)于開環(huán)工作。系統(tǒng)第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2以后） 起始時刻是n上升到了給定值n*。 第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2以后） 起始時刻是n上升到了給定n上升到了給定值n*，Un=0。因為IdIdm，電動機(jī)仍處于加速過程，使n超過了n*

5、，稱之為起動過程的轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速的超調(diào)造成了Un0，ASR退出飽和狀態(tài)，Ui和Id很快下降。轉(zhuǎn)速仍在上升，直到t=t3時，Id= Idl ，轉(zhuǎn)速才到達(dá)峰值。在t3t4時間內(nèi)， Id Idm，電動機(jī)仍雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點： （1）飽和非線性控制 （2）轉(zhuǎn)速超調(diào) （3）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點： 2.制動過程分析-以拖動位能性負(fù)載為例圖4-7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)正向制動過渡過程波形正向電流衰減反向電樞電流建立恒流制動轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)2.制動過程分析-以拖動位能性負(fù)載為例圖4-7雙閉環(huán)直流調(diào)正向電樞電流衰減階段（ t0t1 ）正向電樞電流衰減階段（ t0

6、t1 ）正向電樞電流衰減階段 收到停車指令，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓為較大負(fù)值，其輸出電壓很快下降達(dá)到反向限幅值- ，電流環(huán)強(qiáng)迫電樞電流迅速下降到0，標(biāo)志著這一階段結(jié)束。電流調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓 ，調(diào)節(jié)器輸出控制電壓 快速下降，電樞電壓也隨之快速下降。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)。正向電樞電流衰減階段 收到停車指令，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓反向電樞電流建立階段（ ）反向電樞電流建立階段（ ）反向電樞電流建立階段（ ）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出始終處在反向飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值給定 控制下的電流單環(huán)系統(tǒng)，強(qiáng)迫電流在 時刻反向增加至-Idm 。電流調(diào)節(jié)器輸入仍為負(fù)值，電樞電流的快速下降

7、，電流調(diào)節(jié)器中比例輸出在快速增加，待電樞電流下降到一定值后，輸出控制電壓 和電樞電壓開始上升，但只要 , 電流繼續(xù)下降。這個階段電機(jī)處于反接制動狀態(tài)，所占時間也很短，轉(zhuǎn)速仍來不及產(chǎn)生明顯下降。反向電樞電流建立階段（ ）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出始終處在反向飽恒流制動階段（ ）恒流制動階段（ ）恒流制動階段（ ）轉(zhuǎn)速仍舊開環(huán)，系統(tǒng)仍為恒值給定- 控制下的電流單環(huán)系統(tǒng)，除短暫的電流調(diào)節(jié)階段外，在恒流制動階段中反電動勢 線性下降，為維持 ，控制電壓線性降低，電樞電壓也隨之線性下降。由于電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的擾動量是電動機(jī)的反電動勢，它是一個線性漸減的擾動量，而擾動作用點之前只有一個積分環(huán)節(jié)，所以系統(tǒng)做不到無靜差，而是接

8、近于 。- 恒流制動階段（ ）轉(zhuǎn)速仍舊開環(huán)，系統(tǒng)仍為恒值給定- 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ ）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ ）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ 以后）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR由于積分作用還維持在限幅值-Uim ，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出反向退飽和， 電樞電流 跟隨給定，反向快速下降到零后建立正向電樞電流，只要 ，轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，直到 = 時，轉(zhuǎn)速 到達(dá)反向最大值。此后，電動機(jī)又開始反向減速，直到電機(jī)停轉(zhuǎn)。反電動勢很小，電樞電壓主要用于改變電樞電流，控制電壓變化趨勢與電流波形相似，但相位超前。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，最后還會有一段振蕩過程。ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使 盡快地跟隨其給定值

9、 。- = 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ 以后）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR由于積分作用還維持2動態(tài)抗擾性能分析雙閉環(huán)系統(tǒng)與單閉環(huán)系統(tǒng)的差別在于多了一個電流反饋環(huán)和電流調(diào)節(jié)器。調(diào)速系統(tǒng)，最主要的抗擾性能是指抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動性能，閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾能力與其作用點的位置有關(guān)。 2動態(tài)抗擾性能分析雙閉環(huán)系統(tǒng)與單閉環(huán)系統(tǒng)的差別在于多了一個（1）抗負(fù)載擾動負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計ASR時，要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 圖4-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用負(fù)載擾動（1）抗負(fù)載擾動負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器A（2）抗電網(wǎng)電壓擾動電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，使抗擾性能得到改善。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 圖4-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用電網(wǎng)電壓擾動（2）抗電網(wǎng)電壓擾動電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速很快地跟隨給定電壓變化, 如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。對負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動機(jī)允許的最大電流。1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使2. 電流調(diào)節(jié)器的作用在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)