无静差直流调速系统及其稳态参数计算课件

2.3.5 无静差直流调速系统及其稳态参数计算无静差直流调速系统及其稳态参数计算#系统组成系统组成工作原理工作原理稳态结构与静特性稳态结构与静特性参数计算参数计算1.系统组成系统组成图图1-48 无静差直流调速系统无静差直流调速系统+-+-M TG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVT VSUiTALIdR1C1UnUd-+MTG2.工作原理工作原理 图图1-45是一个无静差直流调速系统的实例，是一个无静差直流调速系统的实例，采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检测为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。当电流超过截止电流时，高于稳压管当电流超过截止电流时，高于稳压管VST的击穿的击穿电压，使晶体三极管电压，使晶体三极管VBT导通，则导通，则PI调节器的输调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器出电压接近于零，电力电子变换器UPE的输出电的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的。压急剧下降，达到限制电流的目的。3.稳态结构与静特性稳态结构与静特性 当电动机电流低于其截止值时，上述系统的当电动机电流低于其截止值时，上述系统的稳态结构图示于下图，其中代表稳态结构图示于下图，其中代表PI调节器的方框调节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用。以表明是比例积分作用。图图1-49 无静差直流调速系统稳态结构图（无静差直流调速系统稳态结构图（Id Idcr）Ks 1/CeU*nUcUnIdREnUd0Un+-无静差系统的理想静无静差系统的理想静特性如右图所示。特性如右图所示。当当 Id Idcr 时，电流截时，电流截止负反馈起作用，静特止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是性急剧下垂，基本上是一条垂直线。整个静特一条垂直线。整个静特性近似呈矩形。性近似呈矩形。OIdIdcrn1n2nmaxn图图1-50 带电流截止的无静差直流调带电流截止的无静差直流调速系统的静特性速系统的静特性 严格地说，严格地说，“无静差无静差”只是理论上的，只是理论上的，实际系统在稳态时，实际系统在稳态时，PI调节器积分电容两端调节器积分电容两端电压不变，相当于运算放大器的反馈回路开电压不变，相当于运算放大器的反馈回路开路，其放大系数等于运算放大器本身的开环路，其放大系数等于运算放大器本身的开环放大系数，数值最大，但并不是无穷大。因放大系数，数值最大，但并不是无穷大。因此其输入端仍存在，而不是零。这就是说，此其输入端仍存在，而不是零。这就是说，实际上仍有很小的静差，只是在一般精度要实际上仍有很小的静差，只是在一般精度要求下可以忽略不计而已。求下可以忽略不计而已。4.稳态参数计算稳态参数计算 无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时想情况下，稳态时 Un=0，因而，因而 Un=Un*，可以，可以按式（按式（1-67）直接计算转速反馈系数）直接计算转速反馈系数 电动机调压时的最高转速；电动机调压时的最高转速；相应的最高给定电压。相应的最高给定电压。nmaxU*nmax 电流截止环节的参数很容易根据其电路电流截止环节的参数很容易根据其电路和截止电流值和截止电流值 Idcr计算出。计算出。PI调节器的参数调节器的参数 Kpi和和可按动态校正的可按动态校正的要求计算。要求计算。+-UinR0RbalR1C1R1AUex5.准准PI调节器调节器 在实际系统中，为了避在实际系统中，为了避免运算放大器长期工作时的免运算放大器长期工作时的零点漂移，常常在零点漂移，常常在 R1 C1两两端再并接一个电阻端再并接一个电阻R1，其其值为若干值为若干M ，以便把放大，以便把放大系数压低一些。这样就成为系数压低一些。这样就成为一个近似的一个近似的PI调节器，或称调节器，或称“准准PI调节器调节器”（见图（见图1-51），系统也只是一个近似），系统也只是一个近似的无静差调速系统的无静差调速系统。图图1-51 准比例积分调节器准比例积分调节器 如果采用准如果采用准PI调节器，其稳态放大调节器，其稳态放大系数为系数为由由 Kp 可以计算实际的静差率。可以计算实际的静差率。2.3.6 系统设计举例与参数计算（一）系统设计举例与参数计算（一）稳态参数计算是自动控制系统设计的第一稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定了控制系统的基本构成环节，有了步，它决定了控制系统的基本构成环节，有了基本环节组成系统之后，再通过动态参数设计，基本环节组成系统之后，再通过动态参数设计，就可使系统臻于完善。近代自动控制系统的控就可使系统臻于完善。近代自动控制系统的控制器主要是模拟电子控制和数字电子控制，由制器主要是模拟电子控制和数字电子控制，由于数字控制的明显优点，在实际应用中数字控于数字控制的明显优点，在实际应用中数字控制系统已占主要地位，但从物理概念和设计方制系统已占主要地位，但从物理概念和设计方法上看，模拟控制仍是基础。法上看，模拟控制仍是基础。系统稳态参数计算系统稳态参数计算例题例题1-4 1-4 ：用线性集成电路运算放大器作为电压放大用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如下图所示，主电器的转速负反馈闭环直流调速系统如下图所示，主电路是晶闸管可控整流器供电的路是晶闸管可控整流器供电的V-MV-M系统。系统。-+MDTGRPRoRoR1UdRp2例2-6 已知数据如下：电动机：额定数据为10kW，220V，55A，1000r/min，电枢电阻 Ra=0.5；晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压 U2l=230V，电压放大系数 Ks=44；V-M系统电枢回路总电阻：R=1.0；测速发电机：永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min；直流稳压电源：15V。若生产机械要求调速范围D=10，静差率5%，试计算调速系统的稳态参数（暂不考虑电动机的起动问题）。解解 （1）为满足调速系统的稳态性能指标，）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为额定负载时的稳态速降应为 =5.26r/min（2）求闭环系统应有的开环放大系数）求闭环系统应有的开环放大系数先计算电动机的电动势系数：先计算电动机的电动势系数：Vmin/r =0.1925Vmin/r则开环系统额定速降为则开环系统额定速降为 r/min=285.7r/min闭环系统的开环放大系数应为闭环系统的开环放大系数应为（3）计算转速反馈环节的反馈系数和参数）计算转速反馈环节的反馈系数和参数 转速反馈系数转速反馈系数 包含测速发电机的电动势系包含测速发电机的电动势系数数Cetg和其输出电位器的分压系数和其输出电位器的分压系数 2，即，即 =2 Cetg 根据测速发电机的额定数据，根据测速发电机的额定数据，=0.0579Vmin/r 先试取先试取 2=0.2，再检验是否合适。，再检验是否合适。现假定测速发电机与主电动机直接联接，则在现假定测速发电机与主电动机直接联接，则在电动机最高转速电动机最高转速1000r/min时，转速反馈电压为时，转速反馈电压为 V=11.58V 稳态时稳态时Un很小，很小，U*n只要略大于只要略大于 Un 即可，现即可，现有直流稳压电源为有直流稳压电源为15V，完全能够满足给定电压，完全能够满足给定电压的需要。因此，取的需要。因此，取=0.2是正确的。是正确的。于是，转速反馈系数的计算结果是于是，转速反馈系数的计算结果是 Vmin/r=0.01158Vmin/r 电位器的选择方法如下：为了使测速发电机的电位器的选择方法如下：为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，电枢压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的的20%，则，则 =1379 此时所消耗的功率为此时所消耗的功率为 为了使电位器温度不致很高，实选瓦为了使电位器温度不致很高，实选瓦数应为所消耗功率的一倍以上，故可为选数应为所消耗功率的一倍以上，故可为选用用10W，1.5k的可调电位器。的可调电位器。（4）计算运算放大器的放大系数和参数）计算运算放大器的放大系数和参数 根据调速指标要求，前已求出，闭环系统的开根据调速指标要求，前已求出，闭环系统的开环放大系数应为环放大系数应为 K 53.3，则运算放大器的放大，则运算放大器的放大系数系数 Kp 应为应为 实取实取=21。系统稳定性分析系统稳定性分析例题例题2-7 在例题在例题2-6中，已知中，已知 R=1.0 ，Ks=44，Ce=0.1925Vmin/r，系统运动部分的飞轮，系统运动部分的飞轮惯量惯量GD2=10Nm2。根据稳态性能指标根据稳态性能指标 D=10，s 0.5计算，计算，系统的开环放大系数应有系统的开环放大系数应有K 53.3，试判别这，试判别这个系统的稳定性。个系统的稳定性。解解 首先应确定主电路的电感值，用以计算电磁首先应确定主电路的电感值，用以计算电磁时间常数。时间常数。对于对于V-M系统，为了使主电路电流连续，系统，为了使主电路电流连续，应设置平波电抗器。例题应设置平波电抗器。例题2-6给出的是三相桥给出的是三相桥式可控整流电路，为了保证最小电流时电流仍式可控整流电路，为了保证最小电流时电流仍能连续，电枢回路总电感量，即能连续，电枢回路总电感量，即现在 则 取 L=17mH=0.017H。计算系统中各环节的时间常数：计算系统中各环节的时间常数：电磁时间常数电磁时间常数 机电时间常数机电时间常数 对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为：常数为：Ts=0.00167 s 为保证系统稳定，开环放大系数应满足式（为保证系统稳定，开环放大系数应满足式（1-59）的稳定条件）的稳定条件 按稳态调速性能指标要求按稳态调速性能指标要求K 53.3，因此，因此，闭闭环系统是不稳定的环系统是不稳定的。*1.6.5 系统设计举例与参数计算（二）（选）系统设计举例与参数计算（二）（选）系统调节器设计系统调节器设计例题例题2-8 在例题在例题2-7中，已经判明，按照稳态调中，已经判明，按照稳态调速指标设计的闭环系统是不稳定的。试利速指标设计的闭环系统是不稳定的。试利用伯德图设计用伯德图设计PI调节器，使系统能在保证调节器，使系统能在保证稳态性能要求下稳定运行。稳态性能要求下稳定运行。解解 （1）被控对象的开环频率特性分析）被控对象的开环频率特性分析 前面已给出原始系统的开环传递函数如下前面已给出原始系统的开环传递函数如下 已知已知 Ts=0.00167s，Tl=0.017s，Tm=0.075s，分母中的二次项可以分解成两个一次项分母中的二次项可以分解成两个一次项之积，即之积，即 根据例题根据例题2-6的稳态参数计算结果，闭环系统的的稳态参数计算结果，闭环系统的开环放大系数已取为开环放大系数已取为 于是，原始闭环系统的开环传递函数是于是，原始闭环系统的开环传递函数是 系统开环对数幅频及相频特性其中三个转折频率（或称交接频率）分别为其中三个转折频率（或称交接频率）分别为 而而 由图可见，相角裕度由图可见，相角裕度 和增益裕度和增益裕度GM都是负值，都是负值，所以原始闭环系统不稳定。所以原始闭环系统不稳定。这和例题这和例题2-7中用代数判据得到的结论是一致的。中用代数判据得到的结论是一致的。（2）PI调节器设计调节器设计 为了使系统稳定，设置为了使系统稳定，设置PI调节器，设计时调节器，设计时须绘出其对数频率特性。须绘出其对数频率特性。考虑到原始系统中已包含了放大系数为考虑到原始系统中已包含了放大系数为Kp的比例调节器，现在换成的比例调节器，现在换成PI调节器，它在原始调节器，它在原始系统的基础上新添加部分的传递函数应为系统的基础上新添加部分的传递函数应为 PI调节器对数频率特性调节器对数频率特性相应的对数频率特性绘于图中。相应的对数频率特性绘于图中。-20L/dB+OO 2-1KP /s-11KPi 1 1=实际设计时，一般先根据系统要求的动态实际设计时，一般先根据系统要求的动态性能或稳定裕度，确定校正后的预期对数频性能或稳定裕度，确定校正后的预期对数频率特性，与原始系统特性相减，即得校正环率特性，与原始系统特性相减，即得校正环节特性。具体的设计方法是很灵活的，有时节特性。具体的设计方法是很灵活的，有时须反复试凑，才能得到满意的结果。须反复试凑，才能得到满意的结果。对于本例题的闭环调速系统，可以采用对于本例题的闭环调速系统，可以采用比较简便方法，由于原始系统不稳定，表现比较简便方法，由于原始系统不稳定，表现为放大系数为放大系数K 过大，截止频率过高，应该设过大，截止频率过高，应该设法把它们压下来。法把它们压下来。为了方便起见，可令，为了方便起见，可令，Kpi =T1 使校正装置的比例微分项（使校正装置的比例微分项（Kpi s+1）与原始）与原始 系统中时间常数最大的惯性环节系统中时间常数最大的惯性环节 对消。对消。其次，为了使校正后的系统具有足够的稳其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以定裕度，它的对数幅频特性应以20dB/dec 的斜率穿越的斜率穿越 0dB 线，必须把伯德图中的原线，必须把伯德图中的原始系统特性始系统特性压低，使校正后特性压低，使校正后特性的截的截止频率止频率c2 1/T2。这样，在。这样，在c2 处，应有处，应有 O 系统校正的对数频率特性校正后的系统特性校正后的系统特性校正前的系统特性校正前的系统特性 从图上可以看出，校正后系统的稳定性从图上可以看出，校正后系统的稳定性指标指标 和和GM都已变成较大的正值，有足够都已变成较大的正值，有足够的稳定裕度，而截止频率从的稳定裕度，而截止频率从 c1=208.9 s1降到降到 c2=30 s1，快速性被压低了许多，快速性被压低了许多，显然这是一个偏于稳定的方案。显然这是一个偏于稳定的方案。由原始系统伯德图对数幅频和相频特性可知由原始系统伯德图对数幅频和相频特性可知 因此因此代入已知数据，得代入已知数据，得 取Kpi=T1=0.049s，为了使c2 1/T2=38 s1，取 c2=30 s1，在特性上查得相应的 L1=31.5dB，因而 L2=31.5dB。（3）调节器参数计算从图中特性可以看出 所以已知 Kp=21 因此 而且于是，PI调节器的传递函数为 最后，选择PI调节器的参数。已知 R0=40k，则取 R1=22k