电力拖动自动控制系统(第3版)(陈伯时)第19讲

第19讲《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dV/dt与di/dt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ssondUUTtU斩波电路三种控制方式T不变，变ton—脉冲宽度调制(PWM）；ton不变，变T—脉冲频率调制(PFM）；ton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/2时，Ud00，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，Ud00，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)cosπsinπ(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn电流连续电流断续)e1(]e)6πsin()6π[sin(cos2ctgectg2CUn]2)6πcos()6π[cos(π2232e2dnUCRUI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sTKsUsUsWse)()()(sc0dssTKsWsss1)(简单的不可逆PWM变换器有制动的不可逆PWM变换器电路0~tonton~T期间工作状态0~t4t4~tonton~t2t2~T一般电动状态导通器件电流回路电流方向VT11+VD22+制动状态导通器件电流回路电流方向VD14－VT23－轻载电动状态导通器件电流回路电流方向VD14－VT11+VD22+VT23－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1)(ssssTKsW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minmaxnnD静差率%1000Nnns调速范围、静差率和额定速降的关系)1(NNsnsnD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。Knnl1opc（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Kssl1opc（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opc)1(DKDl（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/CeUd0IdL(s)EId(s)Un++--1/RTls+1RTms控制与检测环节的传递函数pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfnsnsUsW放大器测速反馈闭环调速系统的动态结构图n(s)U*n(s)IdL(s)Uct(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTls2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件s2ssm)(TTTTTTKll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ssUsUsW1)()()(inexi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ssKsssW11pi1pi11)(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max*maxnnU第二章双闭环直流调速系统和工程设计方法0n*nnnUUdLdi*iIIUU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Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。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Idm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Idm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sdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU•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IdL决定的；•控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于U*n和IdL图2-6双闭环直流调速系统的动态结构图U*nUc-IdLnUd0Un+--+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E系统动态结构数学模型ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(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Ⅲ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tr—上升时间—超调量ts—调节时间±5%（或±2%）)(tCCCCmaxmaxCC0tOtrtsmaxC1C2C±5%（或±2%）CNNOttmtvCbCmax—动态降落tv—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Ⅱ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)1)(1)(1()1()(321sTsTsTssKsW高阶系统的降阶近似处理低频段大惯性环节的近似处理11TsTs1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)(22isisiTTKRTKRTKll0iiRRKiiiCRoi0oi41CRT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Ⅱ型系统）3.转速调节器参数的选择4.转速调节器的实现nmen2)1(RThTChK0nnRRKnnnCRon0on41CRT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PTeUnOTeNnNnmax变电压调速弱磁调速UNU第三章直流调速系统的数字化)1()()()()()()()(IsamIPIP1samIPkukeTKkeKkukeKieTKkeKkuki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Tc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)()1()()1()()(samIPkeTKkekeKkukuku积分分离算法kiieTKCkeKku1samIIp)()()(其中)(,0)(,1IieieCδ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。第四章可逆直流调速系统（1）V-M系统的可逆线路可分为两大类：电枢反接可逆线路——电枢反接反向过程快，但需要较大容量的晶闸管装置；励磁反接可逆线路——励磁反接反向过程慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装置容量小。（2）每一类线路又可用不同的换向方式：接触器切换线路——适用于不经常正反转的生产机械；晶闸管开关切换线路——适用于中、小功率的可逆系统；两组晶闸管反并联线路——适用于各种可逆系统。V-M系统反并联可逆线路的工作状态V-M系统的工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动电枢端电压极性++－－电枢电流极性+－－+电机旋转方向++－－电机运行状态电动回馈发电电动回馈发电晶