雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課件

Wearecoming…Wearecoming…雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)

雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)

1雙閉環(huán)問題的引入

2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性

3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析4調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法

5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1雙閉環(huán)問題的引入考慮轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性：僅考慮了靜態(tài)性能，沒考慮啟動(dòng)過程（動(dòng)態(tài)性能）*知識回顧*轉(zhuǎn)速閉環(huán)（P）開環(huán)加電流截至負(fù)反饋轉(zhuǎn)速無靜差系統(tǒng)（PI）特性太軟堵轉(zhuǎn)電流過大系統(tǒng)有靜差啟動(dòng)波形考慮轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性：*轉(zhuǎn)速閉環(huán)（P）開環(huán)加電流截啟動(dòng)波形啟動(dòng)品質(zhì)有誰決定？電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程：如何獲得最佳啟動(dòng)波形？充分利用電機(jī)過載能力：Id=Idm

總結(jié)：控制轉(zhuǎn)速的本質(zhì)是控制轉(zhuǎn)矩，對于直流電機(jī)，就是控制電樞電流。要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速起動(dòng)，必須在啟動(dòng)過程中保持電樞電流最大。單環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速、電流共用一個(gè)調(diào)節(jié)器，無法保證Id=Idm。

啟動(dòng)波形啟動(dòng)品質(zhì)有誰決定？電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程：如何獲得最佳

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

組成及其靜特性

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的優(yōu)勢：將電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器分開，分別用兩個(gè)調(diào)節(jié)器；轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出作為電流環(huán)的給定。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

組成及其靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ppt課件ASR的輸出電壓Ui*是ACR的電流給定信號，其限幅值Uim為最大電流給定值，ASR的限幅值完全取決于電動(dòng)機(jī)所允許的過載能力和系統(tǒng)對最大加速度的需要。ACR的輸出電壓限幅值Ucm，表示對最小角的限制，也表示對晶閘管整流輸出電壓的限制。調(diào)節(jié)器輸出限幅ASR的輸出電壓Ui*是ACR的電流給定信號，其限幅值Uim當(dāng)調(diào)節(jié)器ASR不飽和時(shí)，ASR、ACR均不飽和，其輸入偏差電壓均為零。轉(zhuǎn)速不變，。滿足：

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

問題：如果n>n0，ASR如何變化？對于靜特性來說，有兩種情況

(穩(wěn)態(tài)時(shí))當(dāng)調(diào)節(jié)器ASR飽和時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，電流不變，，。當(dāng)調(diào)節(jié)器ASR不飽和時(shí)，ASR、ACR均不飽和，其輸入偏差電

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性ASR不飽和(CA段)：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。ASR飽和(AB段)：當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時(shí)，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出Uim*，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。比較：電流截止負(fù)反饋。ASR不飽和(CA段)ASR飽和(AB段)啟動(dòng)方向雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性ASR不飽和(CA段)：雙閉環(huán)調(diào)cf：帶電流截至，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，Idcr和IdbL均小于Idm

cf：帶電流截至，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，Id穩(wěn)態(tài)時(shí)：兩個(gè)調(diào)節(jié)器均不飽和（輸入偏差為零，偏差的積分使調(diào)節(jié)器有恒定的電壓輸出，輸出沒有達(dá)到飽和值）

雙環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算ASR飽和時(shí):U*i=U*im，

反饋系數(shù)：穩(wěn)態(tài)時(shí)：兩個(gè)調(diào)節(jié)器均不飽和（輸入偏差為零，偏差的積分使調(diào)PI調(diào)節(jié)器的輸出量在動(dòng)態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。穩(wěn)態(tài)時(shí)：P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器未飽和時(shí)，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值是輸入的積分，最終使PI調(diào)節(jié)器輸入為零，才停止積分。ACR的輸出：ASR的輸出：

雙環(huán)系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)：PI調(diào)節(jié)器的輸出量在動(dòng)態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中已知數(shù)據(jù)為：電動(dòng)機(jī)：UN=220v，IN=20A，nN=1000r/min，電樞回路總電阻R=1Ω。設(shè)Unm*=Uim*=Ucm=10V，電樞回路最大電流Idm=40A，Ks=40，ASR與ACR均采用PI調(diào)節(jié)器。試求：（1）電流反饋系數(shù)β和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α。（2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)的Ud，Ui*，Ui和Uc值。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅值分別應(yīng)按什么要求整定？雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中已知數(shù)據(jù)為：電動(dòng)機(jī)：UN=220v，IN=22.2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖討論：分析限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)？ASR、ACR：2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析2.2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖討論：分析限幅輸出具有限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分三種情況分析PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。(1)偏差信號△U是階躍信號時(shí)(2)偏差信號△U最初為突加，然后隨著輸出Uout的增長而緩慢降低時(shí)(3)偏差信號△U最初為突加，然后隨著輸出Uout的迅速增長而急劇下降時(shí)采用一個(gè)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖:對調(diào)速系統(tǒng)而言，Uin為恒值。PI調(diào)節(jié)器輸出Uc，由比例部分Ucp和積分部分Uci組成，即

具有限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分三種情況分析PI調(diào)節(jié)器圖(a)：偏差信號△U是階躍信號圖(b)：偏差信號△U最初為突加，然后隨著輸出Uout的增長而緩慢降低時(shí)

被控對象的慣性時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。系統(tǒng)的輸出Uout緩慢上升，△U緩慢下降。Uc的比例部分Ucp隨著△U的下降而下降，Uc的積分部分Uci會因△U衰減慢、積累時(shí)間長而不斷增大，Uc在△U衰減到零以前達(dá)限幅值。圖(c)：偏差信號△U最初為突加，然后隨著輸出Uout的迅速增長而急劇下降時(shí)

被控對象的時(shí)間常數(shù)較小。△U因Uout的迅速增長而急劇下降，Ucp衰減很快。Uci仍使Uc增長，但△U衰減過快，△U下降至零時(shí)Uc未達(dá)限幅值Ucm。此時(shí)調(diào)節(jié)器不飽和，Uc=Uci<Ucm。圖(a)：偏差信號△U是階躍信號結(jié)論

PI調(diào)節(jié)器一旦飽和，只有當(dāng)△U極性變反，才有可能使調(diào)節(jié)器退出飽和而進(jìn)人線性工作狀態(tài)。因此，只要調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)的輸出Uout就必然超調(diào)。若被控對象W(s)中含有積分環(huán)節(jié)，則不論調(diào)節(jié)器是否飽和，系統(tǒng)輸出Uout也一定會超調(diào)。由于W(s)中含有積分環(huán)節(jié)，若Uc不等于零，則Uout將一直積累下去，只有當(dāng)Uc=0時(shí)，Uout才可能達(dá)穩(wěn)態(tài)值?！鱑改變極性，才能把調(diào)節(jié)器輸出Uc拉回到零，因此，即使調(diào)節(jié)器不飽和，系統(tǒng)輸出Uout也會超調(diào)。結(jié)論設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想啟動(dòng)過程，因此首先討論雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U時(shí)的啟動(dòng)過程。在啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR將經(jīng)歷不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，因此整個(gè)啟動(dòng)過程分為三個(gè)階段。由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間變化的波形對比：理想的起動(dòng)過程，帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程

動(dòng)態(tài)特性

--啟動(dòng)過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想啟動(dòng)過程，因第I階段（0-t1）由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間變化的波形第I階段是電流上升階段,由于轉(zhuǎn)速變化慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快飽和――飽和時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，ASR輸出限幅值。突加給定電壓Un*后，Uc、Udo、Id都上升，在Id沒有達(dá)到負(fù)載電流IdL以前，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)Id>=IdL后，電機(jī)開始起動(dòng)。ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。直到Id=Idm，Ui=Ui*，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了Id的增長，這一階段結(jié)束。在這一階段，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR不飽和，以確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第I階段（0-t1）由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流第I階段由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間變化的波形第II階段是恒流升速階段，電機(jī)在最大電流Uin*下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。電機(jī)的反電動(dòng)勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，Udo和Uc也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。ACR采用PI調(diào)節(jié)器，Id應(yīng)略低于Idm。ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)。ACR不能飽和，保證電流環(huán)的恒流調(diào)節(jié)作用。恒流調(diào)節(jié)過程一直伴隨著對反電勢擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過程。第II階段（t1-t2）由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流第II階段是恒流升速階段，電第III階段（t2以后）由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間變化的波形第Ⅲ階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到大于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，ASR退飽和。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，開始退出飽和狀態(tài)，Ui*和Id很快下降。只要Id仍大于負(fù)載電流IdL，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到Id=IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te=TL，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n到達(dá)峰值。此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，Id<IdL，直到穩(wěn)定。ASR、ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。ASR處于主導(dǎo)地位，它使轉(zhuǎn)速迅速趨于給定值，并使系統(tǒng)穩(wěn)定；ACR的作用是使Id盡快地跟隨ASR的輸出Ui變化，是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。第III階段（t2以后）由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流第Ⅲ(1)啟動(dòng)過程具有三個(gè)特點(diǎn)飽和非線性控制不能簡單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)，可以用分段線性化方法來處理。同時(shí)，分析過渡過程時(shí)，還應(yīng)注意初始狀態(tài)轉(zhuǎn)速一定有超調(diào)只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，才能使．ASR退出飽和。若工藝上不允許轉(zhuǎn)速超調(diào)，則應(yīng)在ASR中引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋，這樣，不僅可以抑制或消滅轉(zhuǎn)速超調(diào)，而且可以大大降低動(dòng)態(tài)速降。準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制(1)啟動(dòng)過程具有三個(gè)特點(diǎn)飽和非線性控制2.2.4兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用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n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)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機(jī)允許的最大電流。2.電流調(diào)節(jié)器的作用：在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓變化。對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。2.2.4兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用:

控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)跟隨性能指標(biāo):上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間

抗擾性能指標(biāo)通常，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主?？刂葡到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)跟隨性能指標(biāo):上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)（1）動(dòng)態(tài)降落△Cmax％

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由階躍擾動(dòng)所引起的輸出量最大降落值△Cmax。用輸出量原穩(wěn)態(tài)值C∞的