运动控制系统复习

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,*,运动控制系统复习,运动控制系统的定义与分类,定义：,以机械运动的驱动设备电动机为被控对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统。,分类：,（,1）按被控物理量分：以转速为被控量的系统叫调速系统，以角位移或直线位移为被控量的系统叫随动系统（或伺服系统）。,（2）按驱动电动机的类型分：用直流电动机带动生产机械的为直流传动系统，用交流电动机带动生产机械的为交流传动系统。,（3）按控制器的类型分：用模拟电路构成控制器的系统为模拟控制系统，用数字电路构成控制器的系统为数字控制系统。,第一章 单闭环直流调速系统,直流调速方法,（,1）调节电枢供电电压,U,；,（,2）减弱励磁磁通,；,（,3）改变电枢回路电阻,R,。,三种调速方法的性能与比较,对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以,调节电枢供电电压,的方式为最好。,改变电阻,只能有级调速；,减弱磁通,虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。,常用的可控直流电源,旋转变流机组,用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。,静止式可控整流器,用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。,直流斩波器或脉宽调制变换器,用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压,V-M系统的特点,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。,在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级,这将大大提高系统的动态性能,V-M系统的问题,由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。,晶闸管对过电压、过电流和过高的,d,V,/d,t,与,d,i,/d,t,都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。,由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。,直流斩波器或脉宽调制变换器,斩波电路三种控制方式,T,不变，变,t,on 脉冲宽度调制(PWM）；,t,on不变，变 T 脉冲频率调制(PFM）；,t,on和,T,都可调，改变占空比,混合型。,PWM系统的优点,（,1）主电路线路简单，需用的功率器件少；,（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；,（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；,（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；,（,5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；,（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,整流与逆变状态,当,0,0,，晶闸管装置处于,整流状态,，电功率从交流侧输送到直流侧；,当,/2,max,时，,U,d0 0,，装置处于,有源逆变状态,，电功率反向传送。,抑制电流脉动的措施,设置平波电抗器；,增加整流电路相数；,采用多重化技术,晶闸管,-电动机系统的机械特性,电流连续,电流断续,V-M系统机械特性的特点,当电流连续时，特性还比较硬；,断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。,晶闸管触发和整流装置的传递函数,简单的不可逆,PWM变换器,有制动的不可逆,PWM变换器电路,桥式可逆,PWM变换器,（,1）电流一定连续；,（2）可使电机在四象限运行；,（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；,（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；,（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。,在工作过程中，,4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。,PWM,控制与变换器的数学模型,电能回馈与泵升电压的限制,泵升电压形成的原因,;,抑制泵升电压的方法,控制要求,（,1）调速；,（2）稳速；,（3）加、减速,调速指标,调速范围,静差率,调速范围、静差率和额定速降的关系,开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系,（,1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。,（,2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多,（,3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围,（,4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器,反馈控制规律的特点,1.被调量有静差,2.抵抗扰动,服从给定,3.系统的精度依赖于给定和反馈检测精度,直流电动机的传递函数,1,/C,e,U,d0,I,dL,(,s,),E,I,d,(,s,),U,n,+,+,-,-,1,/R,T,l,s+,1,R,T,m,s,控制与检测环节的传递函数,放大器,测速反馈,闭环调速系统的动态结构图,n,(,s,),U,*,n,(,s,),I,dL,(,s,),U,ct,(,s,),U,n,(,s,),+,-,K,s,T,s,s+,1,K,P,1,/C,e,T,m,T,l,s,2,+T,m,s+,1,+,-,R,(,T,l,s+,1),U,d0,(,s,),反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,静态性能指标：闭环系统的开环增益越大越好；,动态性能分析：为了保证系统的稳定性，闭环系统的开环增益却不宜太大。,必须通过动态校正的方法来解决动态与静态的矛盾。,积分调节器,采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。,比例与积分控制的比较,比例积分控制规律,比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。,稳态参数计算,第二章 双闭环直流调速系统和工程设计方法,转速、电流双闭环直流调速系统的组成,转速调节器,ASR,的输出限幅电压,U*,im,决定了电流给定电压的最大值；,电流调节器,ACR,的输出限幅电压,U,cm,限制了电力电子变换器的最大输出电压,U,dm,。,系统稳态结构图,两个调节器的作用,双闭环调速系统的静特性在负载电流小于,I,dm,时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。,当负载电流达到,I,dm,后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。,稳态参数计算,转速,n,是由给定电压,U*,n,决定的；,ASR,的输出量,U*,i,是由负载电流,I,dL,决定的；,控制电压,U,c,的大小则同时取决于,n,和,I,d,，或者说，同时取决于,U*,n,和,I,dL,图,2-6 双闭环直流调速系统的动态结构图,U,*,n,U,c,-,I,dL,n,U,d0,U,n,+,-,-,+,-,U,i,W,ASR,(s),W,ACR,(s),K,s,T,s,s,+,1,1,/R,T,l,s+,1,R,T,m,s,U,*,i,I,d,1,/C,e,+,E,系统动态结构,数学模型,转速调节器,电流调节器,起动过程,第,I 阶段,电流上升阶段,第,II阶段,恒流升速阶段,第,阶段,转速调节阶段,起动过程的特点,（,1）饱和非线性控制；,（2）转速超调；,（3）准时间最优控制,转速调节器的作用,1）调速系统的主导调节器，跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差。,2）对负载变化起抗扰作用。,3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。,电流调节器的作用,1）在转速的调节过程中，使电流跟随外环调节器的输出量变化。,2）对电网电压波动起抗扰作用。,3）动态过程中，加快动态过程。,4）当电机过载和堵转时，限制电枢电流，起快速保护作用。,跟随性能指标,抗扰性能指标,t,r,上升时间,超调量,t,s,调节时间,5%（或2%）,0,O,t,r,t,s,5%（或2%）,O,t,m,t,v,C,b,C,max,动态降落,t,v,恢复时间,典型,I,型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，,典型,型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。,两种系统比较,非典型系统的典型化,调节器结构的选择,高频段小惯性环节的近似处理,高阶系统的降阶近似处理,低频段大惯性环节的近似处理,系统设计的一般原则,先内环后外环,电流调节器的设计,1.电流环结构图的简化：,1）,忽略反电动势的动态影响,2）等效成单位负反馈系统,3）小惯性环节近似处理,2.电流调节器结构的选择（电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统）,3.电流调节器的参数计算,4.电流调节器的实现,转速调节器的设计,1.电流环的等效闭环传递函数 （,传递函数化简）,2.转速调节器结构的选择,1）系统等效和小惯性的近似处理,2）转速环结构简化,3）,转速调节器选择（,典型,型系统）,3.转速调节器参数的选择,4.转速调节器的实现,恒转矩调速方式,在调压调速范围内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也不变，称作,“恒转矩调速方式”,。,恒功率调速方式,在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，是为,“恒功率调速方式,”,。,电枢电压与励磁配合控制特性,P,T,e,U,n,O,T,e,N,n,N,n,max,变电压调速,弱磁调速,U,N,U,第三章 直流调速系统的数字化,数字控制的主要特点,离散化,和,数字化,离散化和数字化的负面效应,（,1）,A/D转换的量化误差,（,2）,D/A转换的滞后效应,数字测速指标,（,1）分辩率,（,2）测速精度,（,3）检测时间,T,c,数字测速方法,1.旋转编码器,2.测速原理,（,1）M法脉冲直接计数方法；,（2）T 法脉冲时间计数方法；,（3）M/T法脉冲时间混合计数方法,M法测速只适用于高速段,T法测速适用于低速段,PI调节器的差分方程,位置式算法,增量式算法,积分分离算法,其中,为一常值。,能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调节器,。,智能型,PI调节器,专家系统,模糊控制,神经网络控制,智能控制特点,：,控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有,较强的鲁棒性,和,对环境的,适应性,。,第五章 异步电机调压调速系统,交流拖动控制系统的应用领域,一般性能的节能调速,高性能的交流调速系统和伺服系统,特大容量、极高转速的交流调速,交流调速系统的主要类型,降电压调速；,转差离合器调速；,转子串电阻调速；,绕线电机串级调速或双馈电机调速；,变极对数调速；,变压变频调速,按电动机的能量转换类型分类,1.转差功率消耗型调速系统,2.转差功率馈送型调速系统,3.转差功率不变型调速系统,异步电动机变压调速系统,异步电动机等效电路,图,5-3,异步电动机的稳态等效电路,U,s,1,R,s,L,l,s,L,l,r,L,m,R,r,/,s,I,s,I,0,I,r,L,m,电流公式,转矩公式,电磁转矩与定子电压的平方成正比,最大转矩公式,变压调速系统的特点,静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压,U,sN,下的机械特性和最小输出电压,U,smin,下的机械特性。,当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。,近似动态结构图,W,FBS,(,s,),U,*,n,(,s,),U,n,(,s,),U,c,(,s,),-,n,(,s,),W,ASR,(,s,),W,GT-V,(,s,),W,MA,(,s,),U,s,(,s,),转速调节器,交流调压器和触发装置,测速反馈环节,异步电机近似的传递函数,由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。,由于它完全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性,第六章 异步电机