直流电动机转速电流双闭环控制系统设计课件

Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真Outline1 直流电动机转速直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计电流双闭环控制系统设计2 基于双闭环基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统设计控制的一阶倒立摆控制系统设计3 龙门吊车重物防摆的鲁棒龙门吊车重物防摆的鲁棒PID控制方案控制方案4 龙门吊车重物防摆的滑模变结构控制方案龙门吊车重物防摆的滑模变结构控制方案5 一阶直线倒立摆系统的可控性研究一阶直线倒立摆系统的可控性研究7 问题与探究问题与探究-灵长类仿生机器人运动控制灵长类仿生机器人运动控制6 自平衡式两轮电动车运动控制技术研究自平衡式两轮电动车运动控制技术研究 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计电流双闭环控制系统设计一、系统建模一、系统建模 1.1 电动机的数学模型电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与与ACR的工程设计方法的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性起动特性 3.2 抗扰性能抗扰性能 四、结论四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计自自70年代以来，国内外在电气传动领域里，大量地采年代以来，国内外在电气传动领域里，大量地采用了用了“晶闸管整流电动机调速晶闸管整流电动机调速”技术（简称技术（简称V-M调速系调速系统）。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进统）。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中的发展，但在工业生产中V-M系统的应用还是占有相系统的应用还是占有相当比重的。当比重的。automatic current regulator(ACR)自动电流调节器自动电流调节器 automatic speed regulator(ASR)自动速度调节器自动速度调节器.实际上就是调速器实际上就是调速器 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计建模根据额定励磁下他励直流电动机的等效根据额定励磁下他励直流电动机的等效电路，可以写出回路中电压和转矩平衡电路，可以写出回路中电压和转矩平衡的微分方程的微分方程 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真电动机的数学模型电动机的数学模型通过对上面两式进行拉氏变换后，可通过对上面两式进行拉氏变换后，可以得到电动机的数学模型（动态传递以得到电动机的数学模型（动态传递函数形式）函数形式）其中 为电枢回路电磁时间常数为电枢回路电磁时间常数 为电机系统机电时间常数为电机系统机电时间常数 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计电流双闭环控制系统设计一、系统建模一、系统建模 1.1 电动机的数学模型电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与与ACR的工程设计方法的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性起动特性 3.2 抗扰性能抗扰性能 四、结论四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间的放大环节，其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间引起的。考虑到失控时间很小，忽略其高次项，则其引起的。考虑到失控时间很小，忽略其高次项，则其传递函数可传递函数可近似成一阶惯性环节近似成一阶惯性环节，如下式所示，如下式所示 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真直流电动机转速直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计电流双闭环控制系统设计一、系统建模一、系统建模 1.1 电动机的数学模型电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与与ACR的工程设计方法的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性起动特性 3.2 抗扰性能抗扰性能 四、结论四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计电流双闭环控制系统设计 比例放大器、测速发电机和电流互感器的响应通比例放大器、测速发电机和电流互感器的响应通常都可以认为是瞬时的，但是在电流和转速的检测信常都可以认为是瞬时的，但是在电流和转速的检测信号中常含有交流分量（噪声），故在反馈通道和给定号中常含有交流分量（噪声），故在反馈通道和给定信号前均加入滤波环节。信号前均加入滤波环节。Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计一、系统建模系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计1.启动的快速性问题启动的快速性问题 借助于借助于PI调节器的饱和非线性特性，使得调节器的饱和非线性特性，使得系统在电动机允许的过载能力下尽可能地系统在电动机允许的过载能力下尽可能地快速启动。快速启动。图4-5 理想电动机起动特性 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计2.提高系统抗扰性能提高系统抗扰性能 通过调节器的适当设计可使系统通过调节器的适当设计可使系统“转速环转速环”对于电网电压及负载转对于电网电压及负载转矩的波动或突变等扰动予以控制（迅速抑制），在最大速降、恢矩的波动或突变等扰动予以控制（迅速抑制），在最大速降、恢复时间等指标上达到最佳。复时间等指标上达到最佳。图图 双闭环控制直流调速系统负载扰动特性双闭环控制直流调速系统负载扰动特性 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计一、系统建模系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计在图在图4-7中给出了控制系统的中给出了控制系统的PI控制规律动态过程，从中我们可知：控制规律动态过程，从中我们可知：(a)(b)图图4-7 比例积分调节器结构及其输入输出动态过程比例积分调节器结构及其输入输出动态过程 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计1只要偏差只要偏差U存在，调节器的输出控制电压存在，调节器的输出控制电压Uc就会不断地无限制地增加。因此，就会不断地无限制地增加。因此，必须在必须在PI调节器调节器输出端加限幅装置输出端加限幅装置。2当当U=0时，时，Uc=常数。若要使常数。若要使Uc下降，必须下降，必须使使U 0。因此，在直流调速控制系统中，若要使。因此，在直流调速控制系统中，若要使ASR退出饱状态（进入线形控制状态），就一定要退出饱状态（进入线形控制状态），就一定要产生超调现象。产生超调现象。3对于前向通道带有惯性环节的控制系统，若控对于前向通道带有惯性环节的控制系统，若控制器存在制器存在“积分作用积分作用”，则在给定作用下，系统输出，则在给定作用下，系统输出一定会出现超调。一定会出现超调。Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计一、系统建模系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计对于直流电动机调速控制系统，通常调节器均对于直流电动机调速控制系统，通常调节器均按按PI形式设计，将对象设计成典型系统。形式设计，将对象设计成典型系统。电流环调节器的设计电流环调节器的设计:在稳态上希望电流控制无在稳态上希望电流控制无静差，以得到理想的堵转特性，而且要求电流静差，以得到理想的堵转特性，而且要求电流的跟随性能要好的跟随性能要好.因此，把电流环设计校正成典因此，把电流环设计校正成典型型I型系统。型系统。1电流调节器：电流调节器：取取:Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真4.1 直流电动机转速直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计电流双闭环控制系统设计 2转速调节器：转速调节器：取取:转速环调节器设计转速环调节器设计:按系统综合成典型按系统综合成典型II型系统来设计，型系统来设计，这样既可以保证转速无静差，又有较强的抗扰性。这样既可以保证转速无静差，又有较强的抗扰性。Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计一、系统建模系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计系统中采用三相桥式晶闸管整流装置，基本参数如下：系统中采用三相桥式晶闸管整流装置，基本参数如下：直流电动机：直流电动机：220V，13.6A，1480r/min，Ce=0.131V/（r/min），允许），允许过载倍数过载倍数=1.5；晶闸管装置：；晶闸管装置：Ks=76；电枢回路总电阻：；电枢回路总电阻：R=6.58；时间常数：时间常数：Tl=0.018s，Tm=0.25s；反馈系数：；反馈系数：=0.00337V/（r/min），），=0.4V/A；反馈滤波时间常数：；反馈滤波时间常数：Toi=0.005s，Ton=0.005s。这里我们借助这里我们借助Simulink来分析一下双闭环来分析一下双闭环V-M系统的动态性能系统的动态性能 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计图4-8 理论设计条件下输出转速曲线图图4-8给出了基于上述理论设计的系统仿真结果，给出了基于上述理论设计的系统仿真结果，我们发现：转速有很大的超调（并不是我们发现：转速有很大的超调（并不是8.3%）。）。Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计究其原因有如下几点：究其原因有如下几点：1、前述的理论设计没有考虑、前述的理论设计没有考虑“饱和非线性饱和非线性”的影响，的影响，由于起动阶段由于起动阶段ASR饱和程度太大，当转速超调后需要很饱和程度太大，当转速超调后需要很长一段时间来退出饱和，退饱和这段时间转速仍然在上长一段时间来退出饱和，退饱和这段时间转速仍然在上升，这段时间的系统响应特性与积分时间常数有很大的升，这段时间的系统响应特性与积分时间常数有很大的关系；关系；2、系统设计中毕竟存在几个环节的、系统设计中毕竟存在几个环节的“近似处理近似处理”。所以，下面我们需要依据经验，对所以，下面我们需要依据经验，对ASR与与ACR的参数的参数在理论设计的基础上作适当的调整；调整后的系统结构在理论设计的基础上作适当的调整；调整后的系统结构与参数如图与参数如图4-9所示；下面进行系统仿真实验与分析。所示；下面进行系统仿真实验与分析。Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真4.1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计图4-9 V-M系统的动态结构图 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真4.1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计通过仿真实验，对于图4-10，4-11，4-12所示的系统工作过程可概括成如下几点：1ASR从起动到稳态运行的过程中，经历了两个状态，即饱和限幅输出与线性调节状态。2ACR从起动到稳态运行的过程中只工作在一种状态，即线性调节状态。3图4-10所示的电动机起动特性已十分接近理想特性，所以，该系统对于起动特性来说，已达到预期目的。4对于系统性能指标来说，起动过程中电流的超调量为5.3%，转速的超调量达21.3%，显然这一指标与理论最佳设计尚有一定的差距，尤其是转速的超调量略高一些。Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真4.1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计图4-10 ASR的输出特性 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真4.1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计图4-11 ACR的输出特性 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真4.1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计图4-12 电动机起动特性 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真4.1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计一、系统建模系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真4.1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计 一般情况下，双闭环直流电机调速控制系统的外部干扰主要是“负载突变与电网电压波动”两种情况，因此图4-13，4-14中分别给出了该系统电动机转速在突加负载及电网电压突减情况下动态特性的仿真分析。图4-13 突加负载抗扰特性 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真4.1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计图4-14 电网电压突加抗扰特性 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真4.1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计通过仿真实验，对于该系统的抗扰性能，我们可有如下几点结论：1系统对负载的大幅度突变具有良好的抗扰能力，在I=12A的情况下系统速降为n=44r/min，恢复时间为tf=1.5s。2系统对电网电压的大幅波动也同样具有良好的抗扰能力。在U=100V的情况下，系统速降仅为9r/min，恢复时间为tf=1.5s。3与理想的电动机的起动特性相比较，该系统的起动和恢复时间显得略长一些（轻载状态下接近4s）。Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真4.1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计一、系统建模系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真4.1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计1仿真结果与理论设计有一定的差距，由图4-12可见，电流动态响应的超调量为=5.3%（理论值为4.3%），转速动态响应超调量为=21.3%（理论值为8.3%）。另外，ASR与ACR的参数与理论设计值也有差距。2.从仿真结果上看，系统还未调整到最佳状态，这一点可从动态过渡时间及动态恢复时间上来看，对于小功率电动机来说系统的响应慢了一点。3.如果我们在实际装置上再对系统进行实际调整，我们还会发现：实际调试结果与仿真结果还将有一些差距，而与理论分析结果的差距可能更大一些（主要的调节器参数）。Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真Thank you!谢谢！