電氣傳動及控制基礎第六章 閉環(huán)調速系統調節(jié)器工程設計方法ppt課件

1、電氣傳動及控制基礎廖曉鐘調節(jié)器的工程設計法介紹調節(jié)器的工程設計法介紹 C(t)C0tr ts tCmax5%(或或2%)CCmaxh1c 2 (a)頻域：頻域：開環(huán)對數幅頻特性開環(huán)對數幅頻特性 中頻寬中頻寬h=h=2/ 2/ 1 1 穩(wěn)定穩(wěn)定性性交接頻率交接頻率c c快速性快速性低頻段放大倍數低頻段放大倍數|A(0)|A(0)|穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)態(tài)精度M()1/2Mp1b0p d調節(jié)器的工程設計法介紹調節(jié)器的工程設計法介紹 2CmaxN5%(或2%)Cbtmtv 2. 2.抗擾性能指標抗擾性能指標 用階躍擾動恢用階躍擾動恢 復過程來衡量復過程來衡量調節(jié)器的工程設計法介紹調節(jié)器的工程設計法介紹CmaxC

2、100%max 2N5%(或2%)Cbtmtv5%(或2%)Cbtv t t t 2CmaxNtm主要內容主要內容（一典型系統描述（一典型系統描述（二典型（二典型型系統參數和性能指標的型系統參數和性能指標的關系關系（三典型（三典型型系統參數和性能指標的型系統參數和性能指標的關系關系 .典型典型型系統型系統開環(huán)傳函開環(huán)傳函 W(s) （KT2T3，且 T2，T3都是小時間常數。 K(s+1)s(T1s+1)(T2s+1)(T3s+1)小慣性環(huán)節(jié)主要影響頻率特性的高頻段小慣性環(huán)節(jié)主要影響頻率特性的高頻段L/dB20406040201|T11|c1T2+T31|T2T31|06.2 6.2 調節(jié)器的

3、工程設計法調節(jié)器的工程設計法6.2 6.2 調節(jié)器的工程設計法調節(jié)器的工程設計法2232 32323111(1)(1)1()1()j Tj TT TTTjTT22232311,10T TT T 近似條件近似條件 允許頻帶允許頻帶,10=3.1610=3.16，而且，而且c c 和和b b 比較比較接近接近條件變?yōu)闂l件變?yōu)閏 c 在此條件下在此條件下(T2s+1)(T3s+1) (T2s+1)(T3s+1) (T2+T3)s+1 (T2+T3)s+1 T2 T3T2 T31=16.2 6.2 調節(jié)器的工程設計法調節(jié)器的工程設計法(3)(3)推廣結論推廣結論 系統有多個小慣性環(huán)節(jié)時，在一定條件下，

4、可以將系統有多個小慣性環(huán)節(jié)時，在一定條件下，可以將它們看成一個小慣性環(huán)節(jié)，其時間常數等于系統各個小它們看成一個小慣性環(huán)節(jié)，其時間常數等于系統各個小慣性環(huán)節(jié)小時間常數之和。慣性環(huán)節(jié)小時間常數之和。40 T1ab402040201|1|c1|T2 2. 2.大慣性環(huán)節(jié)的近似處理大慣性環(huán)節(jié)的近似處理 設大慣性環(huán)節(jié)系統的開環(huán)傳函為設大慣性環(huán)節(jié)系統的開環(huán)傳函為a(s)= a(s)= 其中其中T1T1，且，且 c,c,即即 K(s)s(T1s+1)(T2s+1) T1s+1T111|6.2 6.2 調節(jié)器的工程設計法調節(jié)器的工程設計法大慣性環(huán)節(jié)主要影響系統的穩(wěn)態(tài)特性大慣性環(huán)節(jié)主要影響系統的穩(wěn)態(tài)特性分析大慣

5、性環(huán)節(jié)的頻率特性分析大慣性環(huán)節(jié)的頻率特性 = tg 若將若將 近似成近似成則幅值近似為則幅值近似為j T+1T1 +11T1s+1T1s 條件T1 ， T110, c3/T1T1 +111 16.2 6.2 調節(jié)器的工程設計法調節(jié)器的工程設計法1分析近似前后的系統的相角裕量設a(s)= Wb(s)= 相頻特性a()=90arctg1+arctgarctg2 = 90(90arctg) +arctgarctg2K(s)s(T1s+1)(T2s+1)K(s)T1s(T2s+1)16.2 6.2 調節(jié)器的工程設計法調節(jié)器的工程設計法c16.2 6.2 調節(jié)器的工程設計法調節(jié)器的工程設計法 3. 3.

6、閉環(huán)傳函的近似處理閉環(huán)傳函的近似處理 通常將內環(huán)等效成一個慣性環(huán)節(jié)。通常將內環(huán)等效成一個慣性環(huán)節(jié)。 設內閉環(huán)為設內閉環(huán)為 a(s)= a(s)= 若若a a1, 1, 即即時時 as +bs+1as +bs+13abs+16.2 6.2 調節(jié)器的工程設計法調節(jié)器的工程設計法 選擇典型型的原則選擇典型型的原則 (1) (1)要保證系統靜態(tài)無差，在擾動作用點以前應該含有積分環(huán)節(jié)要保證系統靜態(tài)無差，在擾動作用點以前應該含有積分環(huán)節(jié) (2) (2)典型典型型系統和典型型系統和典型型系統的性能各異，按照要求而選型系統的性能各異，按照要求而選 1. 1.校正成典型校正成典型型舉例型舉例 設設Wobj= W

7、obj= ( (其中其中 且且 ) ) (1) (1)調節(jié)器的選擇調節(jié)器的選擇 典型典型型系統開環(huán)傳函型系統開環(huán)傳函: : 故選故選PIPI調節(jié)器調節(jié)器 Wpi(s)= Wpi(s)= K2(T1s+1)( s+2)Ks(Ts+1)Kpi(s+1) s6.2 6.2 調節(jié)器的工程設計法調節(jié)器的工程設計法T23TTT1213,TT TT則校正后系統的開環(huán)傳函變成則校正后系統的開環(huán)傳函變成W(s)=Wpi(s) Wobj(s)= W(s)=Wpi(s) Wobj(s)= 取取) )Kpi(s+1)s(T1s+1)(T s+2)K2則W(s)= = (2)調節(jié)器參數選擇 若已知K2=1.25，T0.

8、1s, T2=0.02s, 要求%5%, 則查表 2.2得 KT=0.5, 即K= , 10sKpi= = = =21|2TKK2 2TK2 0.120.021.25 s(Ts+1)Ks(T2s+1)KpiK2/6.2 6.2 調節(jié)器的工程設計法調節(jié)器的工程設計法(3)調節(jié)器元件 取R0=20K, 那么 R1=KpiR0=220=40K。C1=/R1=0.1/40 10=2.52.校正成典型型系統舉例 設obj 典型型系統開環(huán)傳函為比較后選PI調節(jié)器K2s(Ts+1)K(s+1)s(Ts+1)6.2 6.2 調節(jié)器的工程設計法調節(jié)器的工程設計法Wpi= 則W(s)=WobjWpi(s)= 其中

9、K=K2Kpi/若要求h=5, 那么K= =hTR0= .R1= .C1= 。Kpi(s+1)sKpi(s+1)sK2s(Ts+1)K(s+1)s(Ts+1)h+12hT5+125T6.2 6.2 調節(jié)器的工程設計法調節(jié)器的工程設計法主要內容主要內容( (一一) )退飽和超調退飽和超調( (二二) )轉速電流的雙閉環(huán)系統的設計轉速電流的雙閉環(huán)系統的設計6.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計nIdnn*Idl0IdmOtt0 t2t(2)(2)分段線性化方法分析啟動過程分段線性化方法分析啟動過程6.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計ASR飽和時

10、飽和時, 電機基本按恒加速啟動電機基本按恒加速啟動, 加速度為加速度為(IdmIdL) 推導推導(6.2) : TeTL= dndtRCeTmGD375dndtASRASR飽和時飽和時, IdIdm, , IdIdm, 則上式變?yōu)閯t上式變?yōu)?.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計CmCmdmdmCmCmdLdL IdmIdmIdl=TmIdl=Tm所以所以= (Idm= (IdmIdl) Idl) 因為啟動的第一階段很短，忽略啟動延時時間因為啟動的第一階段很短，忽略啟動延時時間t t，認為一開始，認為一開始就按恒加速啟動，那么就按恒加速啟動，那么 所以所以t t dtG

11、D375RCeCm CeCm RdndtCeRdndtdnRCeTmn*t(IdmIdl)RCeTmCeTmn*(IdmIdl)R(6.5)6.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計ASR退飽和時退飽和時雙閉環(huán)系統在線性范圍內運行時的結構圖如下圖雙閉環(huán)系統在線性范圍內運行時的結構圖如下圖6.5所示所示 圖圖6.5 6.5 轉速、電流雙閉環(huán)系統的動態(tài)結構圖轉速、電流雙閉環(huán)系統的動態(tài)結構圖6.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計 其中其中W1(s)W1(s)為擾動作用點之前的傳函為擾動作用點之前的傳函, , 由此可求得退飽和由此可求得退飽和超調量超調量

12、, , 其中初始狀態(tài)為其中初始狀態(tài)為n(0)=nn(0)=n* *, Id(0)=Idm, Id(0)=Idm(3)(3)退飽和超調退飽和超調: :分析比較超調量與負載擾動時動態(tài)速升分析比較超調量與負載擾動時動態(tài)速升 坐標變換坐標變換: 0: 00 0 , n, nn=nn=nn n* *, t, tt t 結構圖變?yōu)榻Y構圖變?yōu)?W1(s)RCeTmsUn*(s)/ n+Id(s)n(s)6.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計W1(s)RCeTms0Id(s)IdL(s)n(s)初始條件變?yōu)槌跏紬l件變?yōu)? : n(0)=0, Id(0)=Idmn(0)=0, Id(0

13、)=Idm若轉速環(huán)校正成典型若轉速環(huán)校正成典型型，則型，則W1(s)= W1(s)= ，則結構圖變?yōu)椋瑒t結構圖變?yōu)镵1(hTs+1)s(Ts+1)K1(hTs+1)s(Ts+1)RCeTmsIdL(s)Id(s)Id(s)n(s)6.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計 與圖與圖6.46.4相當，如果兩者的初始條件一樣，則圖相當，如果兩者的初始條件一樣，則圖6.46.4的分析結果可直接用于此圖。的分析結果可直接用于此圖。 設圖設圖6.46.4的負載變化為的負載變化為IdmIdmdLdL，則初始條件為，則初始條件為n(0)=0, Id(0)=Idm n(0)=0, Id(

14、0)=Idm ，此時，擾動分析的結果可以用，此時，擾動分析的結果可以用于分析退飽和超調量于分析退飽和超調量n nf(tf(t ) )，退飽和超調量與擾動，退飽和超調量與擾動下的動態(tài)速升的大小是一樣的。也就是說，考慮下的動態(tài)速升的大小是一樣的。也就是說，考慮ASRASR飽和飽和非線性后，調速系統的跟隨性能與擾動性能是一致的。非線性后，調速系統的跟隨性能與擾動性能是一致的。2.2.退飽和超調量和調節(jié)時間的計算退飽和超調量和調節(jié)時間的計算( (利用分析所得表、圖，計算利用分析所得表、圖，計算，ts)ts)6.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計 查表可得 ，而 ，應該找出對應

15、 的 ，即得 對應于 的 為 例 設， ，T/Tm=0.1，則h5時，負 載為IdL=Inom下啟動到n*的超調量為 maxbCCmaxCnbCbnmaxbbCnCn2svtttbCbn222()bdmdIemRnK TNIIC T s0.3dnombeRInnCmax2()()dmdLbemCRT IICCT n6.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計= (2InomInom) =81.2%0.30.12=4.9% = 2與n*、IdL有關, 空載啟動或啟動到低于額定轉速時, 將發(fā)生變化。Cmax Cb2R Ce T Tm1 n*Cmax CbRnom CeT Tm1

16、 n*6.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計, , n=nnom=1460r/minn=nnom=1460r/min）6.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計 圖圖6.7 6.7 轉速、電流雙閉環(huán)系統動態(tài)結構圖轉速、電流雙閉環(huán)系統動態(tài)結構圖 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計 1 Tois+1ACR KSTSs+11/RT1s+1 I Tois+1Ui*Id 電流調節(jié)過程比轉速調節(jié)過程快的多電流調節(jié)過程比轉速調節(jié)過程快的多, ,電流上升電流上升時時,E,E基本不變基本不變, ,即即E0E0，故設計電流環(huán)時不考慮，故設計電流環(huán)時不考慮E E的作用。

17、的作用?；癁閱挝回摲答伝癁閱挝回摲答?.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計作小時間常數等值處理作小時間常數等值處理取取Ti =Toi+TS=0.002+0.0017=0.0037sTi =Toi+TS=0.002+0.0017=0.0037s - - iTois+1ACR KS/R(TSs+1)(Tls+1) Ui*/iId -ACR iKS/R(T1s+1)(Ti s+1)IdUi*/i近似條件為近似條件為 cici3ToiTS16.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計則開環(huán)傳函變?yōu)閯t開環(huán)傳函變?yōu)槿∪Tl(Tl=0.03s Ti =0.00

18、37)則則WI(s)= 其中其中KI=Ki iKS/Ri KIs(Ti s+1)選選PIPI調節(jié)器將電流環(huán)校正成典型調節(jié)器將電流環(huán)校正成典型型型系統系統 ( ( i5%)i5%) WACR(s)=Ki WACR(s)=Ki is+1is111( )( )(1)(1)(1)(1)isisiiACRiiiiKKsRRW sWsKTsT ssTsT s6.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計取取R0=40K, 則則Ri=KiR0=1.01340K 40KCi= =0.03/(401000)=0.75fCoi= =0.2fiRi4ToiR040.002401000要求要求 i5

19、%，查表，查表2.2，KITi=0.5 KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1 1/S， iTl=0.03sKi= KI =135.1 =1.013i RKS i0.030.5400.056.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計電流環(huán)交接頻率電流環(huán)交接頻率 ci=KI=135.1 1/S晶閘管裝置傳遞函數近似條件晶閘管裝置傳遞函數近似條件: ci 如今如今 = - =196.1 1/S ci，滿足條件，滿足條件小慣性環(huán)節(jié)近似處理條件：小慣性環(huán)節(jié)近似處理條件： ci 13TS 13TS 130.0017 1 3ToiTS 如今如今 = 180.8 1/S c

20、i ， 滿足近似條件。滿足近似條件。 1 3ToiTS 130.00170.0026.3 6.3 轉速電流雙閉環(huán)系統的設計轉速電流雙閉環(huán)系統的設計復習思考題復習思考題5 5 1.1.采用工程設計法作動態(tài)設計時，如何確定校正后開環(huán)傳函采用工程設計法作動態(tài)設計時，如何確定校正后開環(huán)傳函是典型是典型I I型還是典型型還是典型IIII型。型。2.2.小慣性環(huán)節(jié)和大慣性環(huán)節(jié)近似處理的條件和方法是什么？小慣性環(huán)節(jié)和大慣性環(huán)節(jié)近似處理的條件和方法是什么？3.3.如何計算轉速電流雙閉環(huán)系統啟動時間和超調量？如何計算轉速電流雙閉環(huán)系統啟動時間和超調量？4.4.什么叫工程設計法？工程設計法和頻率特性法有什么區(qū)別？什么叫工程設計法？工程設計法和頻率特性法有什么區(qū)別？5.5.工程設計法的思路是什么？寫出工程設計法作調節(jié)器工程設計法的思路是什么？寫出工程設計法作調節(jié)器設計的步驟。設計的步驟。6.6.調速系統的靜態(tài)和動態(tài)性能指標有哪些？調速系統的靜態(tài)和動態(tài)性能指標有哪些？7.7.某反饋控制系統已校正成典型某反饋控制系統已校正成典型型系統。已知時間常型系統。已知時間常數數T=0.1sT=0.1s，要求階躍響應超調量，要求階躍響應超