重庆大学运动控制系统课件ppt 孙跃院长c1-2

1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计本节提要转速控制的要求和调速指标开环调速系统及其存在的问题闭环调速系统的组成及其静特性开环系统特性和闭环系统特性的关系反馈控制规律限流保护——电流截止负反馈1.4.1转速控制的要求和调速指标1.控制要求（1）调速——调速范围、调速类型（有级或无级）（2）稳速——抗扰能力（3）加、减速——加、减速速率和品质2.调速指标调速范围：调速系统带额定负载时，最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即（1-31）minmaxnnD其中nmin和nmax一般都指电机额定负载时的转速。静差率：某一运行转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落nN，与理想空载转速n0之比，称作静差率s，即%1000Nnns（1-33）式中nN=n0-nN0TeNTen0an0bab∆nNa∆nNbnO图1-23不同转速下的静差率3.静差率与机械特性硬度的区别静差率和机械特性硬度又是有区别的。硬度是特性的一种性能概念，静差率是转速稳定度的一个评价指标。例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时同样降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。静差率与机械特性硬度的区别（续）调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提出才有意义。一个调速系统的静差率指标：最低转速时的静差率。对于调速系统来说，总是希望：1.静差率指标越小越好2.调速范围越大越好4.调速范围、静差率和额定速降之间的关系设：电机额定转速为nN，转速降落为nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即NminNmin0Nnnnnns于是，最低转速为snsnsnnNNNmin)1(而调速范围为minNminmaxnnnnD将上面的式代入nmin，得)11()1(NNsnnsnsnD（1-34）对于调压调速系统，nN值一定，由式（1-34）可见：如果要求静差率越小（通常希望），那么，系统能够允许的调速范围也越小。结论1：一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。1.4.2开环调速系统及其存在的问题1.系统构成简单；2.输出特性由电机特性唯一决定；3.较易实现稳定运行；4.系统动、静态品质不高。驱动电路与控制M控制信号n1.4.3闭环调速系统的组成及其静特性根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。系统组成图1-24采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un∆UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg放大器、调节器、控制器转速给定转速反馈调节原理在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG（速度传感器），引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压U*n相比较后，得到转速偏差电压Un，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc，用以控制电动机转速n。UPE的组成图中，UPE是由电力电子电能变换器（整流电路、电机驱动电源、AC/DC变换器），其输入接三组（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc。UcUd0u~ACDCUd0Uc稳态分析条件下面分析闭环调速系统的稳态特性，为了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段；（2）忽略控制电源和电位器（给定器）的内阻。转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：电压比较环节n*nnUUU放大器（控制器）环节npcUKU电力电子变换器cs0dUKU调速系统开环机械特性ed0dCRIUn测速反馈环节nUn稳态关系稳态关系（续）以上各关系式中—放大器的电压放大系数；—电力电子变换器的电压放大系数；—转速反馈系数，（V·min/r）；—UPE的理想空载输出电压；—电枢回路总电阻。KpKsRUd0KpKs1/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++-IdR-UnKs闭环系统的稳态结构框图图1-25转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图)1()1()/1(ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式：（1-35）静特性方程静特性：描述输出转速与负载电流的稳态关系。静特性方程（续）式中闭环系统的开环放大系数K为它相当于从反馈点将反馈回路断开后，从放大器输入起直到转速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。电动机环节放大系数为espCKKKnECe注意：闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为“静特性”，以示区别。1.4.4开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系比较一下开环系统的机械特性，系统的开环机械特性为：opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(1-36)而闭环时的静特性可写成llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1()1((1-37)U*nn前向通道（1）闭环系统静性比开环系统机械特性硬得多。在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为和它们的关系是Knnl1opc(1-38)edopCRIn)1(edcKCRInl系统特性比较系统特性比较（续）（2）如果比较同一个n0值的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为当n0op=n0cl时，（1-39）lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc和（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。如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速静差率的要求相同，那么：开环时，闭环时，再考虑式（1-38），得opc)1(DKDl(1-40))1(opNopsnsnD)1(cNcsnsnDll系统特性比较（续）系统特性比较（续）（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。上述三项优点若要有效，都取决于一点，即K要足够大，因此必须设置放大器。结论2：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。KpKs1/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++-IdR-UnKs闭环系统的稳态结构框图图1-25转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图系统调节过程开环系统Idn闭环系统IdnUnUnnUd0Uc无自动调节能力有自动调节能力n0OIdId1Id3Id2Id4ABCA’D闭环静特性开环机械特性图1-26闭环系统静特性和开环机械特性的关系Ud4Ud3Ud2Ud1结论3：闭环静特性实际上是不同电枢电压机械特性族同一转速点的连线。1.4.5反馈控制规律转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律。被调量有静差（采用放大器作为控制器）抵抗扰动,服从给定精度对给定和反馈的依赖性1.被调量有静差从静特性分析中可以看出，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。然而，Kp=常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。因为闭环系统的稳态速降为：只有K=，才能使ncl=0，而这是不可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。)(edcKICRInl2.抵抗扰动,服从给定反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从。扰动——除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。调速系统的扰动源负载变化的扰动（使Id变化）；交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；电动机励磁的变化的扰动（造成Ce变化）；放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）；温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；检测误差的扰动（使变化）。扰动作用与影响图1-27闭环调速系统的给定作用和扰动作用励磁变化Id变化电源波动Kp变化电阻变化检测误差KpKs1/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++--R抗扰能力反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。例如：UsUd0nUnUnnUd0Uc抗扰能力（续）但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。例如：UnUnUcUd0n因此，反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。给定作用与众不同的是在反馈环外的给定作用，如图1-27中的转速给定信号，它的这些微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。结论4：反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。3.精度对于给定和反馈检测精度依赖性给定精度——由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。1.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计本节提要反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件动态校正——PI调节器的设计系统设计举例与参数计算为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示。1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型建立系统动态数学模型的基本步骤如下：（1）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程；（2）求出各环节的传递函数；（3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。图1-24采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un∆UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg控制器环节驱动与控制环节电动机环节给定与比较环节检测与反馈环节1.驱动与控制环节传递函数在1.2.5和1.3.3节已经推导了该环节的动态传递函数为：1)(ssssTKsW(1-45)（电力电子变换器环节）TL+-MUd0+-ERLneidM图1-33他励直流电动机等效电路2.直流电动机的传递函数EtILRIUddddd0(1-46)假定主电路电流连续，则动态电压方程为电路方程如果，忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为(1-47)tnGDTTdd3752Le额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为dmeICTnCEe(1-48)(1-49)式中—包括电机空载转矩在内的负载转矩，N-m；—电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量，N-m2；—电机额定励磁下的转矩系数，N-m/A；emπ30CCTLGD2—电枢回路电磁时间常数，s；—电力拖动系统机电时间常数，s。RLTlme2m375CCRGDT定义下列时间常数代入式（1-46）和（1-47）,并考虑式（1-48）和（1-49），整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmd