电力拖动自动控制系统第5课课件

电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统1主要内容主要内容1.1.双闭环调速系统的组成及其静特性双闭环调速系统的组成及其静特性2.2.双闭环调速系统动态数学模型双闭环调速系统动态数学模型3.3.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法4.4.双闭环系统调节器的设计双闭环系统调节器的设计第三章第三章 转速、电流反馈控制的双闭环直流调速系统转速、电流反馈控制的双闭环直流调速系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统2n对于经常正、反转运行的对于经常正、反转运行的调速系统调速系统，缩短起、制动，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。过程的时间是提高生产率的重要因素。n在起动（或制动）在起动（或制动）过渡过程过渡过程中，希望始终保持电流中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统调速系统以最大以最大的加（减）速度运行。的加（减）速度运行。n当到达当到达稳态稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态稳态运行。运行。1 1 问题问题3.1 3.1 双闭环直流调速系统及其静特性双闭环直流调速系统及其静特性电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统3l第二章中表明，采用第二章中表明，采用转速负反馈转速负反馈和和 PI PI 调节器的调节器的单闭单闭环环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。速无静差。l但是，如果对系统的但是，如果对系统的动态性能动态性能要求较高，例如：要求要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。就难以满足需要。l转速单闭环系统转速单闭环系统不能随意控制电流和转矩不能随意控制电流和转矩的动态过程。的动态过程。采用电流截止负反馈环节采用电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击只能限制电流的冲击，并不，并不能很好地控制电流的动态波形。能很好地控制电流的动态波形。1 1 问题（续问题（续1 1）3.1 3.1 双闭环直流调速系统及其静特性双闭环直流调速系统及其静特性电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统4单闭环实际起动性能单闭环实际起动性能l带电流截止负反馈带电流截止负反馈的单闭环直流调速的单闭环直流调速系统起动过程如图系统起动过程如图 所示，起动电流达所示，起动电流达到最大值到最大值 I Idmdm 后，后，受电流负反馈的作受电流负反馈的作用降低下来，电机用降低下来，电机的电磁转矩也随之的电磁转矩也随之减小，加速过程延减小，加速过程延长。长。IdLntIdOIdmIdcr图2-1 a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统5理想起动性能理想起动性能l理想起动过程波形理想起动过程波形如图，这时，起动如图，这时，起动电流呈方形波，转电流呈方形波，转速按线性增长。这速按线性增长。这是在最大电流（转是在最大电流（转矩）受限制时调速矩）受限制时调速系统所能获得的最系统所能获得的最快的起动过程。快的起动过程。IdLntIdOIdm图2-1 b)理想的快速起动过程电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统6希望能实现的控制目标：希望能实现的控制目标：l在起动过程的主要阶段，只有电流负在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。反馈，没有转速负反馈。l达到稳态后，只要转速负反馈，不让达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用。电流负反馈发挥主要作用。?电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统73.1.1 3.1.1 转速、电流双闭环直流调速系转速、电流双闭环直流调速系统的组成统的组成n应应该该在在起起动动过过程程中中只只有有电电流流负负反反馈馈，没没有有转转速速负负反反馈馈，在在达达到到稳稳态态转转速速后后，又又希希望望只只要要转转速速负负反反馈馈，不不再再让让电流负反馈发挥作用。电流负反馈发挥作用。n在在系系统统中中设设置置两两个个调调节节器器，分分别别引引入入转转速速负负反反馈馈和和电电流负反馈以分别调节转速和电流，流负反馈以分别调节转速和电流，n把把转转速速调调节节器器的的输输出出当当作作电电流流调调节节器器的的输输入入，再再用用电电流调节器的输出去控制电力电子变换器流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。n从从闭闭环环结结构构上上看看，电电流流环环在在里里面面，称称作作内内环环；转转速速环环在在外外边边，称称作作外外环环。形形成成了了转转速速、电电流流反反馈馈控控制制直直流流调速系统调速系统（简称（简称双闭环系统双闭环系统）。）。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统8TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器内环外 环1.1.系统的组成系统的组成系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流 电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统9使用限幅电路控制调节器最大输出：使用限幅电路控制调节器最大输出：电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统10转速和电流两个调节器都采用带限幅作用的PI调节器：电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统11比例积分调节器的输入只要不为负，输出就一直增大，因此需要限幅电路限制输出。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。限幅电路起到的作用：电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统12当当ASRASR不饱和时，不饱和时，ASRASR成为主导的调节器，成为主导的调节器，转速负反馈起主要作用转速负反馈起主要作用。Ks 1/CeUcIdEnUd0+-IdR R ACR-UiUPE当ASR饱和时，相当于电流单闭环系统,实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈”电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统131.系统稳态结构图3.1.2稳态结构图和静特性稳态结构图和静特性电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统14（1）两个调节器都不饱和n两个调节器都不饱和，稳态时它们的输入偏差电两个调节器都不饱和，稳态时它们的输入偏差电压都是零。压都是零。3.1.2双闭环调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性图3-4 双闭环直流调速系统的静特性电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统15（2）转速调节器饱和、电流调节器不饱和nASR 输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。n此时，双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：3.1.2双闭环调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性最大电流 Idm 是由设计者选定，取决于电机容许过载能力。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统16nAB AB 段是两个调节段是两个调节器都不饱和时的静器都不饱和时的静特性，特性，I Id d I Idm dm,n n=n n0 0。nBC BC 段是段是 ASR ASR 调节调节器饱和时的静特性，器饱和时的静特性，I Id d =I Idm dm,（只适（只适用于用于n n n n0 0）。）。图3-4 双闭环直流调速系统的静特性3.1.2双闭环调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统173.1.2双双闭环调速系统的静特性分析闭环调速系统的静特性分析l双闭环调速系统的静特性在双闭环调速系统的静特性在负载电流小负载电流小于于I Idmdm时表现为转速无静差时表现为转速无静差，这时，这时，转速转速负反馈起主要调节作用。负反馈起主要调节作用。l当负载电流达到当负载电流达到 I Idmdm 后，转速调节器饱后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。保护。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统183.1.3 各变量稳态工作点和稳态参数各变量稳态工作点和稳态参数双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系：都不饱和时，各变量之间有下列关系：(2-3)(2-5)(2-4)电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统19上述关系表明，在稳态工作点上，上述关系表明，在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压U*n决定的；ASR的输出量U*i决定了负载电流 IdL 的大小；控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统20电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统21n 反馈系数计算反馈系数计算 鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数 电流反馈系数(2-6)(2-7)电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统22 两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定，设计原则如下：lU*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；lU*im 为ASR的输出限幅值。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统233.2 3.2 双闭环直流调速系统的动态模型双闭环直流调速系统的动态模型l双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态数学模型l起动过程分析起动过程分析l动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析l转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统242.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学双闭环直流调速系统的动态数学模型模型 在单闭环直流调速系统动态数学在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。动态结构图，如下图所示。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统251.系统动态结构电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统262.2.数学模型数学模型 图中图中W WASRASR(s)(s)和和W WACRACR(s)(s)分别表示转速调节分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用器和电流调节器的传递函数。如果采用PIPI调调节器，则有节器，则有 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统272.2.2 2.2.2 起动过程分析起动过程分析 前已指出，设置双闭环控制的一前已指出，设置双闭环控制的一个重要个重要目的目的就是就是要获得接近于图要获得接近于图2-1b2-1b的理想起动过程的理想起动过程，因此在分析双闭环，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压双闭环直流调速系统突加给定电压U U*n n由静止状态起动时，转速和电流的由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图。动态过程示于下图。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统28图2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n*IIIIIIt4 t3 t2 t1 1.起动过程起动过程转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统29IdL Id n n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第I阶段电流上升的阶段（0 t1）突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速上升直到，Id=Idm，Ui=U*im 电流调节器很快就压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统30n IdL Id n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 II 阶段恒流升速阶段（t1 t2）ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud0和 Uc 也必须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id 应略低于 Idm电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统31第第 II II 阶段（续）阶段（续）恒流升速阶段是起动过程中的恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。主要阶段。为了保证电流环的主要调节作用，为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中在起动过程中 ACRACR是不应饱和的，是不应饱和的，电力电子装置电力电子装置 UPE UPE 的最大输出电压的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。须注意的。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统32IdL Id n n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第阶段转速调节阶段（阶段转速调节阶段（t2以后）以后）当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im，所以电机仍在加速，使转速超调转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL，转速就继续上升电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统33第第 阶段（续）阶段（续）l直到直到I Id d =I IdLdL时，时，转矩转矩T Te e=T TL L ，则则d dn/n/d dt t=0=0，转速转速n n才到达峰才到达峰值（值（t t=t t3 3时）。时）。IdL Id n n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统34第第 阶段（续）阶段（续）此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内(t3 t4),IdIdL，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。IdL Id n n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统35第第 阶段（续）阶段（续）在这最后的转速调节阶段内，在这最后的转速调节阶段内，ASRASR和和ACRACR都不饱和，都不饱和，ASRASR起主导的转速调起主导的转速调节作用节作用，而，而ACRACR则力图使则力图使 I Id d 尽快地跟尽快地跟随其给定值随其给定值 U U*i i ，或者说，电流内环，或者说，电流内环是一个是一个电流随动子系统电流随动子系统。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统362.2.分析结果分析结果 综上所述，双闭环直流调速系统的综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：起动过程有以下三个特点：（1 1）饱和非线性控制；饱和非线性控制；（2 2）准时间最优控制；准时间最优控制；（3 3）转速超调。转速超调。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统37（1 1）饱和非线性控制饱和非线性控制根据根据ASRASR的饱和与不饱和，整个系统处的饱和与不饱和，整个系统处于于完全不同的两种状态完全不同的两种状态：l当当ASRASR饱和时，转速环开环，系统表现饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；为恒值电流调节的单闭环系统；l当当ASRASR不饱和时，转速环闭环，整个系不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。表现为电流随动系统。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统38（2 2）准时间最优控制）准时间最优控制起动过程中的主要阶段是第起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。能最快。这阶段属于有限制条件的最短时这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。一个准时间最优控制。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统39（3 3）转速超调）转速超调由于由于ASRASR采用了饱和非线性控制，起动过采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超必须使转速超调，调，ASR ASR 的输入偏差电压的输入偏差电压 U Un n 为负值，才为负值，才能使能使ASRASR退出饱和退出饱和。这样，采用这样，采用PIPI调节器的双闭环调速系统的调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。转速响应必然有超调。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统40 最后，应该指出，对于不可逆的电最后，应该指出，对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。耗制动或电磁抱闸。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统412.2.3 2.2.3 动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。最重要的动态性能是抗扰性能。主主要是要是抗负载扰动抗负载扰动和和抗电网电压扰动抗电网电压扰动的的性能。性能。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统421.1.抗负载扰动抗负载扰动直流调速系统的动态抗负载扰作用负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统43图2-8 直流调速系统的动态抗扰作用a)单闭环系统2.抗电网电压扰动UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统44抗电网电压扰动（续）抗电网电压扰动（续）-IdLUdb)双闭环系统Ud电网电压波动在整流电压上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统453.3.对比分析对比分析l在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。扰动的性能要差一些。l双闭环系统中，由于增设了电流内环，双闭环系统中，由于增设了电流内环，电电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节调节，不必等它影响到转速以后才能反馈，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。回来，抗扰性能大有改善。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统462.2.4 2.2.4 转速转速和电流两个调节器的作用和电流两个调节器的作用 1.1.转速调节器的作用转速调节器的作用 （1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静调节器，则可实现无静差。差。（2）对负载变化起抗扰作用）对负载变化起抗扰作用 （3）输出限幅值决定电机允许的最大电流）输出限幅值决定电机允许的最大电流 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统472.2.电流调节器的作用电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化。调节器的输出量变化。（2）对电网电压波动起及时抗扰作用。）对电网电压波动起及时抗扰作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。流的最大值，起快速的自动保护作用。电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统481.1.双闭环调速系统的组成双闭环调速系统的组成2.2.双闭环调速系统静特性及稳态参数计算双闭环调速系统静特性及稳态参数计算3.3.双闭环调速系统动态数学模型双闭环调速系统动态数学模型4.4.双闭环调速系统调速过程与原理双闭环调速系统调速过程与原理 小结