自控系统课程设计课件-双闭环直流调速系统设计

自控系统课程设计双闭环直流调速系统设计江苏科技大学电工电子实验中心适用专业：自动化电气工程及其自动化主要内容1.双闭环调速系统的组成及其静特性2.数学模型和动态性能分析3.调节器的工程设计方法4.双闭环系统调节器的设计***一、双闭环调速系统及其静特性转速单闭环系统不能随意控制电流和转矩的动态过程。采用电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。理想的快速起动过程IdLntIdOIdm带电流截止负反馈的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrnn起动过程希望能实现的控制–在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。–达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用。+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG内环外环ni转速、电流双闭环直流调速系统当ASR不饱和时，ASR成为主导的调节器，转速负反馈起主要作用。Ks1/CeUcIdEnUd0++-IdRRACR-UiUPE当ASR饱和时，相当于电流单闭环系统,实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈”*imU双闭环直流调速系统的稳态结构框图—转速反馈系数—电流反馈系数Ks1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-UiUPE稳态结构框图调节器输出限幅的作用转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定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。静特性设计时，使ACR不会达到饱和状态。至于ASR，在CA段未饱和，在AB段饱和。n0IdIdmIdNOnABC（1）转速调节器不饱和0*nnUn（U*iU*im，IdIdm）（2）转速调节器饱和dm*imdIUI(nn0)各变量的稳态工作点和稳态参数计算稳态工作中，两个调节器都不饱和0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUUPI调节器的特点比例调节器的输出量总是正比于其输入量。PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，直到输入为零，才停止积分。这时，输出量与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。反馈系数计算转速反馈系数电流反馈系数max*nmnUdm*imIUU*nUc-IdLnUd0Un+---UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E二、数学模型和动态性能分析起动过程分析nOOttIdmIdIIIIIIt4t3t2t1*ndLI按转速调节器ASR不饱和、饱和、退饱和分成三个阶段：I.电流上升阶段II.恒流升速阶段III.转速调节阶段双闭环直流调速系统起动过程的特点（1）饱和非线性控制（2）转速超调（3）准时间最优控制(有限制条件的最短时间控制)动态抗扰性能分析调速系统的动态抗扰性能，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACRU*iUi--EId1.抗负载扰动±∆IdL2.抗电网电压扰动-IdL±∆Ud1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACRU*iUi--E转速和电流两个调节器的作用1.转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）输出限幅值决定电机允许的最大电流。2.电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化。（2）对电网电压波动起及时抗扰作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。三、调节器的工程设计方法（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明调整参数的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。工程设计方法的基本思路设计工作分两步走：1.选择调节器的结构，使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。2.再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。调节器结构的选择系统校正控制对象调节器输入输出典型系统输入输出选择调节器，将控制对象校正成为典型系统。典型I型系统)(sR)1(TssK)(sCT—系统的惯性时间常数；K—系统的开环增益。T1c1cT选择参数，保证或，使系统足够稳定。典型Ⅱ型系统保证系统足够稳定T11cT或控制系统的动态性能指标1.跟随性能指标2.抗扰性能指标调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。系统典型的阶跃响应曲线±5%（或±2%）)(tCCCCmaxmaxCC0tOtrts阶跃响应跟随性能指标tr—上升时间—超调量ts—调节时间突加扰动的动态过程和抗扰性能指标maxC1C2C±5%（或±2%）CFFOttmtvCb抗扰性能指标Cmax—动态降落tv—恢复时间•I型和Ⅱ型系统在稳态误差上的区别。•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。典型I型系统和典型Ⅱ型系统的比较典型I型系统跟随性能指标与参数的关系输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差0v0/K0)(RtRtvtR0)(2)(20tatR（1）稳态跟随性能指标：不同输入信号作用下的稳态误差稳态跟随性能指标–在阶跃输入下的I型系统稳态时是无差的；–但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与K值成反比；–在加速度输入下稳态误差为。因此，I型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。（2）动态跟随性能指标参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比超调量上升时间tr峰值时间tp相角稳定裕度截止频率c1.00%76.3°0.243/T0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T51.8°0.786/T典型I型系统的抗扰性能指标0)(sR)(2sW)(1sW)(sF)()(sCsC)(sN)(11sW)(sW)(sC典型I型系统)(sF扰动作用下的典型I型系统只讨论抗扰性能时，输入作用R=0。)1()()()(21TssKsWsWsW)1()1()(211TsssTKsW)1()(222sTKsW取，则阶跃扰动作用下的输出变化量阶跃扰动：sFsF)())(1()1()(222KsTssTTsFKsC输出变化量：TtmeTtememmmmFKtCTtTtTt2sin2cos)1()1[(1222)()2/()2/(/2225.0KT当时221TTTTm51101201301%100maxbCC55.5%33.2%18.5%12.9%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（KT=0.5,Cb=FK2/2)典型II型系统性能指标和参数的关系时间常数T是控制对象固有的，而待定的参数有两个：K和。定义中频宽：12Th)1()1()(2TsssKsW典型Ⅱ型系统的开环对数幅频特性dB/L011T12hKlg20-20–40-40/s-1c=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec中频宽参数之间的一种最佳配合采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合，122hhc211hc则hT2222112121)1(21ThhhhThKc输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差000)(RtRtvtR0)(2)(20tatRKa/0（1）稳态跟随性能指标不同输入信号作用下的稳态误差典型II型系统跟随性能指标和参数的关系–在阶跃和斜坡输入下，II型系统稳态时均无差；–加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比。（2）动态跟随性能指标h345678910tr/Tts/Tk52.6%2.412.15343.6%2.6511.65237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201按Mrmin准则确定参数关系时典型Ⅱ型系统抗扰性能指标和参数的关系+)1()1(1TsshTsKsK2)(sF)(sC0)(1sW)(2sW在阶跃扰动下，11212)1(12)(222332222hTssThhsThhTsTFKhhsC阶跃扰动的输出响应Cb=2FK2TsFsF/)(取输出量基准值为典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910Cmax/Cbtm/Ttv/T72.2%2.4513.6077.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85（参数关系符合最小Mr准则）校正成典型I型系统的几种调节器选择控制对象调节器参数配合)1)(1)(1(3212sTsTsTK)1)(1(212sTsTKT1、T2T312TsK)1(2TssK)1)(1)(1(3212sTsTsTK321,TTTssK11pi)1(sKipKsss)1)(1(21ssK11pi)1(11T2211,TT3211,TTTTT1T2传递函数近似处理（1）高频段小惯性环节的近似处理)1)(1)(1()1()(321sTsTsTssKsW小惯性环节可以合并1)(1)1)(1(13232sTTsTsT近似条件32c31TT（2）高阶系统的降阶近似处理设三阶系统a，b，c都是正数，且bca，即系统是稳定的。降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统近似条件：1)(23csbsasKsW1)(csKsW),1min(31cacb（3）低频段大惯性环节的近似处理时间常数特别大的惯性环节，可以近似为积分环节，即11TsTs1近似条件：T3c四、双闭环系统调节器的设计用工程设计方法设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环，即从内环开始，逐步向外扩展。首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。-IdL(s)Ud0(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*I(s)Uc(s)KsTss+1Id1Ce+ETois+11T0is+1ASR1T0ns+1Tons+1U*n(s)n(s)电流环转速、电流双闭环调速系统E(s)（增加了滤波环节）设计分为以下几个步骤：1.电流环结构图的简化2.电流调节器结构的选择3.电流调节器的参数计算4.电流调节器的实现电流调节器的设计+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)简化后的电流环结构图按典型I型系统设计，ACR选PI调节器。liTRKKKisiI，KIs(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)动态结构框图开环对数幅频特性:1OL/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decT∑i校正后电流环的结构