雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

Wearecoming 雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng) 1雙閉環(huán)問(wèn)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(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析4調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(méi)考慮啟動(dòng)過(guò)程 動(dòng)態(tài)性能 知識(shí)回顧 轉(zhuǎn)速閉環(huán) P 開(kāi)環(huán) 加電流截至負(fù)反饋 轉(zhuǎn)速無(wú)靜差系統(tǒng) PI 特性太軟 堵轉(zhuǎn)電流過(guò)大 系統(tǒng)有靜差 啟動(dòng)波形 啟動(dòng)波形 啟動(dòng)品質(zhì)有誰(shuí)決定 電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程 如何獲得最佳啟動(dòng)波形 充分利用電機(jī)過(guò)載能力 Id Idm 總結(jié) 控制轉(zhuǎn)速的本質(zhì)是控制轉(zhuǎn)矩 對(duì)于直流電機(jī) 就是控制電樞電流 要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速起動(dòng) 必須在啟動(dòng)過(guò)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(gè)調(diào)節(jié)器 無(wú)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(shì) 將電流 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器分開(kāi) 分別用兩個(gè)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(hào) 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(dòng)機(jī)所允許的過(guò)載能力和系統(tǒng)對(duì)最大加速度的需要 ACR的輸出電壓限幅值Ucm 表示對(duì)最小角的限制 也表示對(duì)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(shí) ASR ACR均不飽和 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(wèn)題 如果n n0 ASR如何變化 對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō) 有兩種情況 穩(wěn)態(tài)時(shí) 當(dāng)調(diào)節(jié)器ASR飽和時(shí) ASR輸出達(dá)到限幅值 轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)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(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)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(shí) 對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出Uim 這時(shí) 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(wú)靜差 得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù) 比較 電流截止負(fù)反饋 ASR不飽和 CA段 ASR飽和 AB段 啟動(dòng)方向 cf 帶電流截至 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋無(wú)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(shí) 兩個(gè)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(méi)有達(dá)到飽和值 雙環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 ASR飽和時(shí) U i U im 反饋系數(shù) PI調(diào)節(jié)器的輸出量在動(dòng)態(tài)過(guò)程中決定于輸入量的積分 到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí) 輸入為零 輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān) 而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的 穩(wěn)態(tài)時(shí) 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(shí) 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(dòng)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(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 討論 分析限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng) ASR ACR 2 2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 具有限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 分三種情況分析PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 1 偏差信號(hào) U是階躍信號(hào)時(shí) 2 偏差信號(hào) U最初為突加 然后隨著輸出Uout的增長(zhǎng)而緩慢降低時(shí) 3 偏差信號(hào) U最初為突加 然后隨著輸出Uout的迅速增長(zhǎng)而急劇下降時(shí) 采用一個(gè)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 對(duì)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(hào) U是階躍信號(hào)圖 b 偏差信號(hào) U最初為突加 然后隨著輸出Uout的增長(zhǎng)而緩慢降低時(shí)被控對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)器的積分時(shí)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 U的下降而下降 Uc的積分部分Uci會(huì)因 U衰減慢 積累時(shí)間長(zhǎng)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(hào) U最初為突加 然后隨著輸出Uout的迅速增長(zhǎng)而急劇下降時(shí)被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)較小 U因Uout的迅速增長(zhǎng)而急劇下降 Ucp衰減很快 Uci仍使Uc增長(zhǎng) 但 U衰減過(guò)快 U下降至零時(shí)Uc未達(dá)限幅值Ucm 此時(shí)調(diào)節(jié)器不飽和 Uc Uci Ucm 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(duì)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(huì)超調(diào) 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(shí) 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(huì)超調(diào) 設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想啟動(dòng)過(guò)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(shí)的啟動(dòng)過(guò)程 在啟動(dòng)過(guò)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(gè)階段 因此整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段 由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí) 轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間變化的波形 對(duì)比 理想的起動(dòng)過(guò)程 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程 動(dòng)態(tài)特性 啟動(dòng)過(guò)程分析 第I階段 0 t1 由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí) 轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)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(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)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(méi)有達(dá)到負(fù)載電流IdL以前 電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng) 當(dāng)Id IdL后 電機(jī)開(kāi)始起動(dòng) 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(zhǎng) 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(kāi)始啟動(dòng)時(shí) 轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間變化的波形 第II階段是恒流升速階段 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(zhǎng) 電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長(zhǎng) 對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō) E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量 為了克服它的擾動(dòng) Udo和Uc也必須基本上按線性增長(zhǎng) 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(kāi)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(guò)程一直伴隨著對(duì)反電勢(shì)擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過(guò)程 第II階段 t1 t2 第III階段 t2以后 由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí) 轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)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(shí) ASR退飽和 轉(zhuǎn)速超調(diào)后 ASR輸入偏差電壓變負(fù) 開(kāi)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(shí) 轉(zhuǎn)矩Te TL 則dn dt 0 轉(zhuǎn)速n到達(dá)峰值 此后 電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速 Id IdL 直到穩(wěn)定 ASR ACR都不飽和 同時(shí)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(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng) 1 啟動(dòng)過(guò)程具有三個(gè)特點(diǎn) 飽和非線性控制不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用線性控制理論來(lái)分析和設(shè)計(jì)這種系統(tǒng) 可以用分段線性化方法來(lái)處理 同時(shí) 分析過(guò)渡過(guò)程時(shí) 還應(yīng)注意初始狀態(tài)轉(zhuǎn)速一定有超調(diào)只有轉(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(dòng)態(tài)速降 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 2 2 4兩個(gè)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(shí)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(wú)靜差 對(duì)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(guò)程中 它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓變化 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中 保證獲得電機(jī)允許的最大電流 從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程 當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí) 限制電樞電流的最大值 起快速的自動(dòng)保護(hù)作用 一旦故障消失 系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常 這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 跟隨性能指標(biāo) 上升時(shí)間 超調(diào)量 調(diào)節(jié)時(shí)間抗擾性能指標(biāo)通常 調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主 而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主 1 動(dòng)態(tài)降落 Cmax 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) 由階躍擾動(dòng)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?jǐn)?shù)來(lái)表示