双闭环直流调速系统课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,双闭环直流调速系统,双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统,双闭环调速控制系统,双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统,1,双闭环调速控制系统,双闭环调速控制系统,2,1,双闭环问题的引入,2,转速、电流双闭环直流调速系统的,组成及其静特性,3,双闭环直流调速系统的动态数学模,型和动态性能分析,4,调节器的工程设计方法,5,双闭环调速系统的设计,1 双闭环问题的引入,3,考虑转速单闭环调速系统的局限性：,仅考虑了静态性能，没考虑启动过程（动态性能）,*,知,识,回,顾,*,转速闭环（,P,）,开环,加电流截至负反馈,转速无静差系统（,PI,）,特性,太软,堵转电,流过大,系统有静差,启动波形,考虑转速单闭环调速系统的局限性：*转速闭环（P）开环加电流截,4,启动波形,启动品质有谁决定？,电机轴上的动力学方程：,如何获得最佳启动波形？,充分利用电机过载能力：,I,d,=I,dm,总结：,控制转速的本质是控制转矩，对于直流电机，就是控制电枢电流。要实现电机的快速起动，必须在启动过程中保持电枢电流最大。单环系统中转速、电流共用一个调节器，无法保证,Id=Idm,。,启动波形启动品质有谁决定？电机轴上的动力学方程：如何获得最佳,5,转速、电流双闭环直流调速系统的 组成及其静特性,转速、电流双闭环的优势：,将电流、转速调节器分开，分别用两个调节器；,转速环为外环，转速环的输出作为电流环的给定。,转速、电流双闭环直流调速系统的 组成及其静特性,6,双闭环直流调速系统课件,7,ASR,的输出电压,Ui*,是,ACR,的电流给定信号，其限幅值,Uim,为最大电流给定值，,ASR,的限幅值完全取决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速度的需要。,ACR,的输出电压限幅值,Ucm,，表示对最小角的限制，也表示对晶闸管整流输出电压的限制。,调节器输出限幅,ASR的输出电压Ui*是ACR的电流给定信号，其限幅值Uim,8,当调节器,ASR,不饱和时，,ASR,、,ACR,均不饱和，其输入偏差电压均为零。,转速不变,， 。满足：,双闭环调速系统的稳态结构框图,问题：如果,nn0,，,ASR,如何变化？,对于静特性来说，有两种情况,(,稳态时,),当调节器,ASR,饱和时，,ASR,输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，,电流不变,， ， 。,当调节器ASR不饱和时，ASR、ACR均不饱和，其输入偏差电,9,双闭环调速系统的静特性,ASR,不饱和(,CA,段 ),：双闭环调速系统的静特性在负载电流小于,Idm,时表现为,转速无静差,，,转速负反馈起主要调节作用,。,ASR,饱和(,AB,段)：,当负载电流达到,Idm,时，对应于转速调节器的饱和输出,Uim,*,，这时，,电流调节器起主要调节作用,，系统表现为,电流无静差,，得到过电流的自动保护。,比较：电流截止负反馈。,ASR,不饱和,(,CA,段 ),ASR,饱和,(,AB,段),启动方向,双闭环调速系统的静特性 ASR不饱和(CA段 )：双闭环调,10,cf,：带电流截至，转速负反馈无静差直流调速系统的静特性，,I,dcr,和,I,dbL,均小于,I,dm,cf：带电流截至，转速负反馈无静差直流调速系统的静特性，Id,11,稳态时,：,两个调节器均不饱和（输入偏差为零，偏差的积分使调节器,有恒定的电压输出，输出没有达到饱和值）,双环系统稳态参数计算,ASR,饱和时 :,U*i = U*im,，,反馈系数：,稳态时 ：两个调节器均不饱和（输入偏差为零，偏差的积分使调,12,PI,调节器,的输出量在,动态过程,中决定于输入量的积分，到达,稳态,时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。,稳态时：,P,调节器的输出量总是正比于其输入量，而,PI,调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，最终使,PI,调节器输入为零，才停止积分。,ACR,的输出：,ASR,的输出：,双环系统,PI,调节器的特点：,PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时,13,双闭环调速系统中已知数据为：电动机：,UN=220v,，,IN=20A,，,nN=1000r/min,，电枢回路总电阻,R=1,。设,Unm*=Uim*=Ucm=10V,，电枢回路最大电流,Idm=40A,，,Ks=40,，,ASR,与,ACR,均采用,PI,调节器。试求：,（,1,）电流反馈系数,和转速反馈系数,。,（,2,）当电动机在最高转速发生堵转时的,Ud,，,Ui*,，,Ui,和,Uc,值。,双闭环调速系统中，转速调节器和电流调节器的输出限幅值分别应按什么要求整定？,双闭环调速系统中已知数据为：电动机：UN=220v，IN=2,14,2.2.1,双闭环直流调速系统的动态结构图,讨论：分析限幅输出的,PI,调节器的动态响应？,ASR,、,ACR,：,2.2,双闭环直流调速系统的动态数学模型和,动态性能分析,2.2.1 双闭环直流调速系统的动态结构图讨论：分析限幅输出,15,具有限幅输出的,PI,调节器的动态响应,分三种情况分析,PI,调节器的动态响应。,(1),偏差信号,U,是阶跃信号时,(2),偏差信号,U,最初为突加，然后随着输出,Uout,的增长而缓慢降低时,(3),偏差信号,U,最初为突加，然后随着输出,Uout,的迅速增长而急剧下降时,采用一个,PI,调节器的调速系统动态结构图,:,对调速系统而言，,Uin,为恒值。,PI,调节器输出,Uc,，由比例部分,Ucp,和积分部分,Uci,组成，即,具有限幅输出的PI调节器的动态响应 分三种情况分析PI调节器,16,图,(a),：偏差信号,U,是阶跃信号,图,(b),：偏差信号,U,最初为突加，然后随着输出,Uout,的增长而缓慢降低时,被控对象的惯性时间常数远大于调节器的积分时间常数。,系统的输出,Uout,缓慢上升，,U,缓慢下降。,Uc,的比例部分,Ucp,随着,U,的下降而下降，,Uc,的积分部分,Uci,会因,U,衰减慢、积累时间长而不断增大，,Uc,在,U,衰减到零以前达限幅值。,图,(c),：偏差信号,U,最初为突加，然后随着输出,Uout,的迅速增长而急剧下降时,被控对象的时间常数较小。,U,因,Uout,的迅速增长而急剧下降，,Ucp,衰减很快。,Uci,仍使,Uc,增长，但,U,衰减过快， ,U,下降至零时,Uc,未达限幅值,Ucm,。此时调节器不饱和，,Uc=Uci=IdL,后，电机开始起动。,ASR,的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电流,Id,迅速上升。直到,Id=Idm,，,Ui=Ui*,，电流调节器很快就压制了,Id,的增长，这一阶段结束。,在这一阶段，,ASR,很快进入并保持饱和状态，而,ACR,不饱和，以确保电流环的调节作用。,第I阶段（0-t1）由静止状态开始启动时，转速和电流第I阶段,20,由静止状态开始启动时，转速和电流,随时间变化的波形,第,II,阶段是恒流升速阶段，电机在最大电流,Uin*,下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，加速度恒定，转速呈线性增长。,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，,Udo,和,Uc,也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。,ACR,采用,PI,调节器，,Id,应略低于,Idm,。,ASR,饱和，转速环相当于开环。,ACR,不能饱和，保证电流环的恒流调节作用。恒流调节过程一直伴随着对反电势扰动的调节过程。,第,II,阶段（,t1-t2,）,由静止状态开始启动时，转速和电流第II阶段是恒流升速阶段，电,21,第,III,阶段（,t2,以后）,由静止状态开始启动时，转速和电流,随时间变化的波形,第,阶段是转速调节阶段，当电机转速上升到 大于给定转速时，,ASR,退饱和。,转速超调后，,ASR,输入偏差电压变负，开始退出饱和状态，,Ui*,和,Id,很快下降。只要,Id,仍大于负载电流,IdL,，转速就继续上升。直到,Id=IdL,时，转矩,Te=TL,，则,dn/dt,=0,，转速,n,到达峰值。,此后，电动机开始在负载的阻力下减速，,IdIdL,，直到稳定。,ASR,、,ACR,都不饱和，同时起调节作用。,ASR,处于主导地位，它使转速迅速趋于给定值，并使系统稳定；,ACR,的作用是使,Id,尽快地跟随,ASR,的输出,Ui,变化，是一个电流随动子系统。,第III阶段（t2以后）由静止状态开始启动时，转速和电流第,22,(1),启动过程具有三个特点,饱和非线性控制,不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这种系统，可以用分段线性化方法来处理。同时，分析过渡过程时，还应注意初始状态,转速一定有超调,只有转速超调，才能使,ASR,退出饱和。,若工艺上不允许转速超调，则应在,ASR,中引入转速微分负反馈，这样，不仅可以抑制或消灭转速超调，而且可以大大降低动态速降。,准时间最优控制,(1)启动过程具有三个特点饱和非线性控制,23,2.2.4,两个调节器的作用,1,转速调节器的作用,:,转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速,n,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,PI,调节器，则可实现无静差。,对负载变化起抗扰作用。,其输出限幅值决定电机允许的最大电流。,2.,电流调节器的作用：,在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压变化。,对电网电压的波动起及时抗扰的作用。,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。,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。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。,2.2.4 两个调节器的作用 1转速调节器的作用:,24,控制系统的动态性能指标,跟随性能指标,:,上升时间、超调量、调节时间,抗扰性能指标,通常，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标以跟随性能为主。,控制系统的动态性能指标跟随性能指标:上升时间、超调量、调节,25,（,1,）,动态降落,Cmax,系统稳定运行时，由阶跃扰动所引起的输出量最大降落值,Cmax,。,用输出量原稳态值,C,的百分数来表示。,调速系统突加额定负载扰动时的动态转速降落称为,动态速降,nmax,（,2,）,恢复时间,tf,定义：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，且与新的稳态值,C,之差进入某基准量,Cb,的,5,或,2,范围内所需的时间，其中,Cb,称为抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况选定。,一般反馈控制系统的抗扰性能与跟随性能之间存在一定矛盾，若超调量小，则调整时间大，恢复时间长，反之亦然。,*抗扰性能指标,（1）动态降落Cmax *抗扰性能指标,26,谢谢！,谢谢！,27,