雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、,We are coming,雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng),1 雙閉環(huán)問題的引入 2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 組成及其靜特性 3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模 型和動態(tài)性能分析 4 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計,考慮轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性： 僅考慮了靜態(tài)性能，沒考慮啟動過程（動態(tài)性能）,* 知 識 回 顧 *,轉(zhuǎn)速閉環(huán)（P）,開環(huán),加電流截至負(fù)反饋,轉(zhuǎn)速無靜差系統(tǒng)（PI）,特性 太軟,堵轉(zhuǎn)電 流過大,系統(tǒng)有靜差,啟動波形,啟動波形,啟動品質(zhì)有誰決定？,電機(jī)軸上的動力學(xué)方程：,如何獲得最佳啟動波形？,充分利用電機(jī)過載能力：Id=Idm,總結(jié)：控制轉(zhuǎn)速的本質(zhì)是控制轉(zhuǎn)矩，對于直

2、流電機(jī)，就是控制電樞電流。要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速起動，必須在啟動過程中保持電樞電流最大。單環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速、電流共用一個調(diào)節(jié)器，無法保證Id=Idm。,轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 組成及其靜特性,轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的優(yōu)勢： 將電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器分開，分別用兩個調(diào)節(jié)器； 轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出作為電流環(huán)的給定。,ASR的輸出電壓Ui*是ACR的電流給定信號，其限幅值Uim為最大電流給定值，ASR的限幅值完全取決于電動機(jī)所允許的過載能力和系統(tǒng)對最大加速度的需要。 ACR的輸出電壓限幅值Ucm，表示對最小角的限制，也表示對晶閘管整流輸出電壓的限制。,調(diào)節(jié)器輸出限幅,當(dāng)調(diào)節(jié)器ASR不飽和時，ASR、ACR均

3、不飽和，其輸入偏差電壓均為零。轉(zhuǎn)速不變， 。滿足：,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,問題：如果nn0，ASR 如何變化？,對于靜特性來說，有兩種情況 (穩(wěn)態(tài)時),當(dāng)調(diào)節(jié)器ASR飽和時，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，電流不變， ， 。,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,ASR不飽和(CA段 )：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。 ASR飽和(AB段)：當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出Uim*，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護(hù)。 比較：電流截止負(fù)反饋。,ASR不飽和 (CA段 ),AS

4、R飽和 (AB段),啟動方向,cf：帶電流截至，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，Idcr和IdbL均小于Idm,穩(wěn)態(tài)時 ：兩個調(diào)節(jié)器均不飽和（輸入偏差為零，偏差的積分使調(diào)節(jié)器 有恒定的電壓輸出，輸出沒有達(dá)到飽和值）,雙環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算,ASR飽和時 : U*i = U*im，,反饋系數(shù)：,PI調(diào)節(jié)器的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。穩(wěn)態(tài)時：,P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器未飽和時，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值是輸入的積分，最終使PI調(diào)節(jié)器輸入為零，才停止積分。,ACR的輸出：,ASR的輸出：,雙環(huán)系

5、統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)：,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中已知數(shù)據(jù)為：電動機(jī)：UN=220v，IN=20A，nN=1000r/min，電樞回路總電阻R=1。設(shè)Unm*=Uim*=Ucm=10V，電樞回路最大電流Idm=40A，Ks=40，ASR與ACR均采用PI調(diào)節(jié)器。試求： （1）電流反饋系數(shù)和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。 （2）當(dāng)電動機(jī)在最高轉(zhuǎn)速發(fā)生堵轉(zhuǎn)時的Ud，Ui*，Ui和Uc值。,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅值分別應(yīng)按什么要求整定？,2.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,討論：分析限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的動態(tài)響應(yīng)？,ASR、ACR：,2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和 動態(tài)性能分析,

6、具有限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的動態(tài)響應(yīng),分三種情況分析PI調(diào)節(jié)器的動態(tài)響應(yīng)。 (1)偏差信號U是階躍信號時 (2)偏差信號U最初為突加，然后隨著輸出Uout的增長而緩慢降低時 (3)偏差信號U 最初為突加，然后隨著輸出Uout的迅速增長而急劇下降時,采用一個PI調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖:,對調(diào)速系統(tǒng)而言，Uin為恒值。PI調(diào)節(jié)器輸出Uc，由比例部分Ucp和積分部分Uci組成，即,圖(a)：偏差信號U是階躍信號 圖(b)：偏差信號U最初為突加，然后隨著輸出Uout的增長而緩慢降低時 被控對象的慣性時間常數(shù)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。 系統(tǒng)的輸出Uout緩慢上升，U緩慢下降。Uc的比例部分Ucp隨著

7、U的下降而下降，Uc的積分部分Uci會因U 衰減慢、積累時間長而不斷增大，Uc在U衰減到零以前達(dá)限幅值。 圖(c)：偏差信號U 最初為突加，然后隨著輸出Uout的迅速增長而急劇下降時 被控對象的時間常數(shù)較小。 U因Uout的迅速增長而急劇下降，Ucp衰減很快。Uci仍使Uc增長，但U衰減過快， U下降至零時Uc未達(dá)限幅值Ucm。此時調(diào)節(jié)器不飽和，Uc=UciUcm。,結(jié)論,PI調(diào)節(jié)器一旦飽和，只有當(dāng)U 極性變反，才有可能使調(diào)節(jié)器退出飽和而進(jìn)人線性工作狀態(tài)。因此，只要調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)的輸出Uout就必然超調(diào)。 若被控對象W(s)中含有積分環(huán)節(jié)，則不論調(diào)節(jié)器是否飽和，系統(tǒng)輸出Uout也一定會超調(diào)。

8、由于W(s)中含有積分環(huán)節(jié)，若Uc不等于零，則Uout將一直積累下去，只有當(dāng)Uc=0時，Uout才可能達(dá)穩(wěn)態(tài)值。U改變極性，才能把調(diào)節(jié)器輸出Uc拉回到零，因此，即使調(diào)節(jié)器不飽和，系統(tǒng)輸出Uout也會超調(diào)。,設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想啟動過程，因此首先討論雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U時的啟動過程。 在啟動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR將經(jīng)歷不飽和、飽和、退飽和三個階段，因此整個啟動過程分為三個階段。,由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動時，轉(zhuǎn)速和電流 隨時間變化的波形,對比：理想的起動過程，帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)起動過程和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程,動態(tài)特性-啟動過程分析,第I階段（0

9、-t1）,由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動時，轉(zhuǎn)速和電流 隨時間變化的波形,第I階段是電流上升階段,由于轉(zhuǎn)速變化慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快飽和飽和時轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，ASR輸出限幅值。 突加給定電壓Un*后，Uc、Udo、Id都上升，在Id沒有達(dá)到負(fù)載電流IdL以前，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)Id=IdL后，電機(jī)開始起動。ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。直到Id=Idm，Ui=Ui*，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了Id的增長，這一階段結(jié)束。 在這一階段，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR不飽和，以確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。,由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動時，轉(zhuǎn)速和電流 隨時間變化的波形,第II階段

10、是恒流升速階段，電機(jī)在最大電流Uin*下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。 電機(jī)的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，Udo和Uc也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。ACR采用PI調(diào)節(jié)器，Id應(yīng)略低于Idm。 ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)。 ACR不能飽和，保證電流環(huán)的恒流調(diào)節(jié)作用。恒流調(diào)節(jié)過程一直伴隨著對反電勢擾動的調(diào)節(jié)過程。,第II階段（t1-t2）,第III階段（t2以后）,由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動時，轉(zhuǎn)速和電流 隨時間變化的波形,第階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到 大于給定轉(zhuǎn)速時，ASR退飽和。 轉(zhuǎn)速超調(diào)

11、后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，開始退出飽和狀態(tài)，Ui*和Id很快下降。只要Id仍大于負(fù)載電流IdL，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到Id=IdL時，轉(zhuǎn)矩Te=TL，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n到達(dá)峰值。 此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，IdIdL，直到穩(wěn)定。 ASR、ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。ASR處于主導(dǎo)地位，它使轉(zhuǎn)速迅速趨于給定值，并使系統(tǒng)穩(wěn)定；ACR的作用是使Id盡快地跟隨ASR的輸出Ui變化，是一個電流隨動子系統(tǒng)。,(1)啟動過程具有三個特點(diǎn),飽和非線性控制 不能簡單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計這種系統(tǒng)，可以用分段線性化方法來處理。同時，分析過渡過程時，還應(yīng)注意初始狀態(tài) 轉(zhuǎn)速一定有超調(diào) 只有

12、轉(zhuǎn)速超調(diào)，才能使ASR退出飽和。 若工藝上不允許轉(zhuǎn)速超調(diào)，則應(yīng)在ASR中引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋，這樣，不僅可以抑制或消滅轉(zhuǎn)速超調(diào)，而且可以大大降低動態(tài)速降。 準(zhǔn)時間最優(yōu)控制,2.2.4 兩個調(diào)節(jié)器的作用,1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用: 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。 對負(fù)載變化起抗擾作用。 其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。 2. 電流調(diào)節(jié)器的作用： 在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓變化。 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。,控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo),跟隨性能指標(biāo):上升時間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間 抗擾性能指標(biāo) 通常，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主。,（1）動態(tài)降落Cmax 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，由階躍擾動所引起的輸出量最大降落值Cmax。 用輸出量原穩(wěn)態(tài)值C的百分