《双闭环系统设计》PPT课件.ppt

3.1的组成及其静特性3.2的数学模型与动态过程分析3.3的设计3.4的仿真,转速、电流反馈控制直流调速系统,双闭环直流调速系统的设计,3.3.1控制系统的动态性能指标3.3.2调节器的工程设计方法3.3.3按工程设计方法设计双闭环直流调速系统的调节器,3.3.1控制系统的动态性能指标,在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能。控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标对扰动输入信号的抗扰性能指标,1、跟随性能指标,以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间。,图3-8典型的阶跃响应过程和跟随性能指标,上升时间,峰值时间,调节时间,超调量,2抗扰性能指标,当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量降低（或上升）的扰动量F之后，输出量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过渡过程就是一个抗扰过程。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。,图3-9突加扰动的动态过程和抗扰性能指标,动态降落,恢复时间,3.3.2调节器的工程设计方法,工程设计方法在设计时，把实际系统校正或简化成典型系统，可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程简便得多。调节器工程设计方法所遵循的原则1）概念清楚、易懂；2）计算公式简明、好记；3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。在典型系统设计的基础上，利用MATLAB/SIMULINK进行计算机辅助分析和设计，可设计出实用有效的控制系统。,工程设计方法的基本思路,1.选择调节器结构，使系统典型化并保证稳定和满足稳态精度。2.设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。,这样，把稳、准、快、抗干扰之间相互交叉的矛盾问题分成两步。第一步：解决主要矛盾动态稳定性和稳态精度第二步：进一步满足其他动态性能指标,r型系统,分母中的sr项表示该系统在s=0处有r重极点，或者说，系统含有r个积分环节，称作r型系统。为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统（r=0），至少是型系统（r=1）；当给定是斜坡输入时，则要求是型系统（r=2）才能实现稳态无差。选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。由于型（r=3）和型以上的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。因此常把型和型系统作为系统设计的目标。,控制系统的开环传递函数都可以表示成,（3-9）,1典型型系统,对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的。只包含开环增益K和时间常数T两个参数，时间常数T往往是控制对象本身固有的，唯一可变的只有开环增益K。设计时，需要按照性能指标选择参数K的大小。,作为典型的I型系统，其开环传递函数选择为,（3-10）,式中，T系统的惯性时间常数；K系统的开环增益。,图3-10典型型系统(a)闭环系统结构图(b)开环对数频率特性,参数k,典型型系统的对数幅频特性的幅值为得到(3-11)相角裕度为K值越大，截止频率c也越大，系统响应越快，相角稳定裕度越小，快速性与稳定性之间存在矛盾。在选择参数K时，须在快速性与稳定性之间取折衷。,（当,时）,（1）动态跟随性能指标,典型型系统的闭环传递函数为（3-12）式中，自然振荡角频率；阻尼比。1，欠阻尼的振荡特性，1，过阻尼的单调特性；=1，临界阻尼。过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即0Ti，选择i=Ti，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，希望电流超调量i5%，选=0.707，KITi=0.5，则,（3-50）,(3-52),(3-51),图3-20校正成典型I型系统的电流环(a)动态结构图(b）开环对数幅频特性,模拟式电流调节器电路,U*i电流给定电压；Id电流负反馈电压；Uc电力电子变换器的控制电压。,图3-21含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器,(3-53),(3-54),(3-55),按典型型系统设计的电流环的闭环传递函数为(3-56)采用高阶系统的降阶近似处理方法，忽略高次项，可降阶近似为(3-57)降价近似条件为(3-58)式中，cn转速环开环频率特性的截止频率。,电流环在转速环中等效为(3-59)电流的闭环控制把双惯性环节的电流环控制对象近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。,例题3-1,某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置放大系数：Ks=40；电枢回路总电阻：R=0.5；时间常数：Ti=0.03s，Tm=0.18s；电流反馈系数：=0.05V/A（10V/1.5IN）。设计要求设计电流调节器，要求电流超调量,解,1）确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s。电流滤波时间常数Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。2）选择电流调节器结构要求i5%，并保证稳态电流无差，按典型I型系统设计电流调节器。用PI型电流调节器。检查对电源电压的抗扰性能：，参看表3-2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。,3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Ti=0.03s。电流环开环增益：取KiTi=0.5，ACR的比例系数为,4）校验近似条件电流环截止频率ci=KI=135.1s-1（1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件（2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件（3）校验电流环小时间常数近似处理条件,5）计算调节器电阻和电容取取40k取0.75F取0.2F,2转速调节器的设计,图3-22转速环的动态结构图及其简化(a)用等效环节代替电流环,图3-22转速环的动态结构图及其简化(b)等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理,把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/，把时间常数为1/KI和Ton的两个小惯性环节合并,转速环的控制对象是由一个积分环节和一个惯性环节组成，IdL(s)是负载扰动。系统实现无静差的必要条件是：在负载扰动点之前必须含有一个积分环节。转速开环传递函数应有两个积分环节，按典型型系统设计。ASR采用PI调节器,（3-61）,Kn转速调节器的比例系数；n转速调节器的超前时间常数。,调速系统的开环传递函数为令转速环开环增益KN为(3-62)则（3-63）,图3-22转速环的动态结构图及其简化(c)校正后成为典型型系统,（3-64）,（3-65）,（3-66）,无特殊要求时，一般以选择h=5为好。,模拟式转速调节器电路,U*n转速给定电压；n转速负反馈电压；U*i电流调节器的给定电压。,(3-67),(3-68),(3-69),图3-23含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器,例题3-2,在例题3-1中，除已给数据外，已知：转速反馈系数=0.07Vmin/r（10V/nN），要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量n10%。试按工程设计方法设计转速调节器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。,解,1）确定时间常数（1）电流环等效时间常数。由例题3-1，已取KITi=0.5，则（2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取,2）选择转速调节器结构选用PI调节器，3）计算转速调节器参数取h=5，则ASR的超前时间常数为转速环开环增益：ASR的比例系数为,4）检验近似条件转速环截止频率为（1）电流环传递函数简化条件满足简化条件（2）转速环小时间常数近似处理条件满足近似条件,5）计算调节器电阻和电容取取470k取0.2F取1F6）校核转速超调量当h=5时，由表3-4查得，n%=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。,图3-24ASR饱和时转速环按典型II型系统设计的调速系统起动过程,3转速调节器退饱和时转速超调量的计算,当转速超过给定值之后，转速调节器ASR由饱和限幅状态进入线性调节状态，此时的转速环由开环进入闭环控制，迫使电流由最大值Idm降到负载电流Idl。ASR开始退饱和时，由于电动机电流Id仍大于负载电流Idl，电动机继续加速，直到IdIdl时，转速才降低。这不是按线性系统规律的超调，而是经历了饱和非线性区域之后的超调，称作“退饱和超调”。,退饱和超调,假定调速系统原来是在Idm的条件下运行于转速n*，在点O突然将负载由Idm降到Idl，转速会在突减负载的情况下，产生一个速升与恢复的过程，突减负载的速升过程与退饱和超调过程是完全相同的。,突减负载的速升过程,图3-25调速系统的等效动态结构图,只考虑稳态转速n*以上的超调部分，n=n-n*，坐标原点移到O点，,(b）以转速超调值为输出量,(a)以转速n为输出量,初始条件则转化为,把n的负反馈作用反映到主通道第一个环节的输出量上来，得图(c)，图中Id和IdL的+、-号都作了相应的变化。图(c)和讨论典型II型系统抗扰过程所用的图完全相同。可以利用表3-5给出的典型II型系统抗扰性能指标来计算退饱和超调量，,图3-25调速系统的等效动态结构图,(c)图(b)的等效变换,在典型II型系统抗扰性能指标中，C的基准值是,n的基准值是,(3-70),(3-35),作为转速超调量n%，其基准值应该是n*，退饱和超调量可以由表3-5列出的数据经基准值换算后求得，即,电动机允许的过载倍数，,z负载系数，,(3-72),(3-71),例题3-3,试按退饱和超调量的计算方法计算例题3-2中调速系统空载起动到额定转速时的转速超调量，并校验它是否满足设计要求。解当h=5时，由表2-7查得,从例题3-1，3-2，3-3的计算结果来看，有三个问题是值得注意的。,（1）转速的退饱和超调量与稳态转速有关。按线性系统计算转速超调量时，当h选定后，不论稳态转速n*有多大，超调量n%的百分数都是一样的。按照退饱和过程计算超调量，其具体数值与n*有关（2）反电动势对转速环和转速超调量的影响。反电动势的动态影响对于电流环来说是可以忽略的。对于转速环来说，忽略反电动势的条件就不成立了。好在反电动势的影响只会使转速超调量更小，不考虑它并无大碍。,（3）内、外环开环对数幅频特性的比较外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。,图3-26双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性I电流内环n转速外环,