运动控制章节二

运动控制自动化教研室屈薇薇知识回顾自动化系开环调速系统机械特性软闭环调速系统（P）堵转电流过大？加电流截止负反馈系统有静差转速无静差系统（PI）启动波形不够理想IdLntIdOIdmIdcrIdLntIdOIdm问题自动化教研室当接到命令后，在机械强度、炮兵身体的承受能力和电动机过载能力等条件允许的情况下，以最短的时间起动到最高速dndt越大越好min,,dndndndndtdtdtdt最大允许机械强度允许的最大值电枢电流允许的最大值人体生理允许的最大值要想起动时间最短，必须在整个起动期间内保持=constantdndndtdt最大允许(IdL为负载电流；为电机额定励磁下的转矩系数(N·m/A))；电机轴上的动力学方程：：额定励磁下的电磁转矩，(Id为电枢电流);：包括电机空载转矩在内的负载转矩(N·m)dmeICTdLmLICTemCC30dtdnGDTTLe3752GD2：电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量(N·m2).dtdnCGDIImdLd3752dmdII充分利用电机过载能力：保证在整个起动期间电枢电流Id等于一个适当的允许值不变，就能够实现最短时间起动的问题ntIdwnmaxdIdIn,dLI过渡稳态仅考虑了静态性能，没考虑动态性能，不适合对系统快速性要求较高的场合。单闭环系统，转速、电流共用一个调节器，无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质。转速单闭环调速系统的局限性•解决办法：•将电流、转速调节器分开，分别用两个调节器；•转速环为外环，转速环的输出作为电流环的给定。转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法自动化教研室转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性；双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析；调节器的工程设计方法；按工程设计方法设计双闭环系统的调节器弱磁控制的直流调速系统。转速、电流双闭环系统的组成ASR——转速调节器ACR——电流调节器电流环——内环转速环——外环*nUASRACR+-~+-nU*iU-iUcUVdIMTGTAnInUiUdUnUPE在一个控制系统中，如果有多个被反馈的物理量需要构造闭环，而且这些被反馈的物理量是同一个物理量所产生，那么延迟时间最短的那个物理量的反馈环建在最里面，延迟时间最长的那个物理量的反馈环建在最外面。•ASR的输出电压Ui*是ACR的电流给定信号，其限幅值Uim为最大电流给定值，ASR的限幅值完全取决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速度的需要。•ACR的输出电压限幅值Ucm，表示对最小角的限制，也表示对电力电子变换器输出电压的限制。ASR：在启动期间或输入给定信号幅值过大时产生饱和，在其他期间不应产生饱和。ASR的饱和隔绝了外环对内环的干扰，使系统在起动期间表现为仅有一个电流环的特点，达到在起动期间恒流起动的目的。ACR：在任何时间内都不能产生饱和系统原理图双闭环直流调速系统电路原理图++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMVRP1UnU*iLMMTGUPE当调节器ASR不饱和时，ASR、ACR均不饱和，其输入偏差电压均为零。转速不变，。双闭环调速系统的稳态结构框图dmdIIdmimdIUI*0*nnUUnndiiIUU*0*nUnn对于静特性来说，有两种情况(稳态时)当调节器ASR饱和时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，电流不变。ASR不饱和(CA段)ASR饱和(AB段)当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出Uim*，这时，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。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，转速负反馈起主要调节作用。稳态时：两个调节器均不饱和（输入偏差为零，偏差的积分使调节器有恒定的电压输出，输出没有达到饱和值）双环系统稳态参数计算ASR饱和时:U*i=U*im，dm*imdIUImax*nmnUdm*imIU反馈系数：决定转速由—*0*0nnnnUnnUUU决定由—dlidldiiiIUIIUUU**0*0nedleddUCRInCRIU*0*(,)ddlencsscdndlUIRCUUKKUnIUI控制电压的大小同时取决于和或•PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。稳态时：•P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，最终使PI调节器输入为零，才停止积分。diIU*ACR的输出：sdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUUASR的输出：•双环系统PI调节器的特点：双闭环调速系统中已知数据为：电动机：UN=220v，IN=20A，nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=1Ω。设Unm*=Uim*=Ucm=10V，电枢回路最大电流Idm=40A，Ks=40，ASR与ACR均采用PI调节器。试求：（1）电流反馈系数β和转速反馈系数α。（2）当电动机在最高转速发生堵转时的Ud，Ui*，Ui和Uc值。例题解：（1）电流反馈系数β=0.25V/A，转速反馈系数α=0.01V.min/r。（2）当电动机在最高转速发生堵转时，看稳态结构图。转速为0，ASR饱和，Ui*=Uim*=10V。E为0，Ud0-IdR=0，此时Id=Idm=40A，R=1Ω所以Ud=40VKs=40，Uc=1VUi=Idmβ=10V。双闭环调速系统中，转速调节器和电流调节器的输出限幅值分别应按什么要求整定？解：（1）转速调节器的输出限幅值按最大电流Idm和电流反馈系数β整定。例题sdmecKRInCUNdmimIU*（2）电流调节器的输出限幅值应按下式整定，并保证最小控制角的限制。双闭环直流调速系统的动态数学模型自动化教研室WASR(s)：转速调节器的传递函数WACR(s)：电流调节器的传递函数ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(n(s)U*n(s)IdL(s)Uc(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTls2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)U*nUc-IdLnUd0Un+---UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E直流电机直流电动机的动态结构框图自动化教研室E(s)Ud0+-1/RTls+1Id(s)Id(s)IdL(s)+-E(s)RTms11)()()(0ddsTRsEsUsIlsTRsIsIsEmdLd)()()(n(s)1/CeUd0IdL(s)EId(s)Un++--1/RTls+1RTmsn(s)Ud0(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL(s)R(Tls+1)IdL≠0EdtdILRIUdd0ddtdn375GDTT2Le主电路电压的微分方程电力拖动系统运动的微分方程具有限幅输出的PI调节器的动态响应分三种情况分析PI调节器的动态响应。(1)偏差信号△U是阶跃信号时(2)偏差信号△U最初为突加，然后随着输出Uout的增长而缓慢降低时(3)偏差信号△U最初为突加，然后随着输出Uout的迅速增长而急剧下降时采用一个PI调节器的调速系统动态结构图:对调速系统而言，Uin为恒值。PI调节器输出Uc，由比例部分Ucp和积分部分Uci组成，即UdtUKUpipic1K图(a)：偏差信号△U是阶跃信号/cpipiUKUKUt(1)cmmipUtKU图(b)：偏差信号△U最初为突加，然后随着输出Uout的增长而缓慢降低时被控对象的惯性时间常数远大于调节器的积分时间常数。系统的输出Uout缓慢上升，△U缓慢下降。Uc的比例部分Ucp随着△U的下降而下降，Uc的积分部分Uci会因△U衰减慢、积累时间长而不断增大，Uc在△U衰减到零以前达限幅值。图(c)：偏差信号△U最初为突加，然后随着输出Uout的迅速增长而急剧下降时当被控对象的时间常数较小时，△U因Uout的迅速增长而急剧下降，Ucp衰减很快。Uci仍使Uc增长，但△U衰减过快，△U下降至零时Uc未达限幅值Ucm。此时调节器不饱和，Uc=UciUcm。Uc被PI调节器的积分记忆作用保持在低于限幅值的某一值上。经过tm后，调节器饱和，Uc达限幅值Ucm。得到：结论PI调节器一旦饱和，只有当△U极性变反，才有可能使调节器退出饱和而进人线性工作状态。因此，只要调节器饱和，系统的输出Uout就必然超调。若被控对象W(s)中含有积分环节，则不论调节器是否饱和，系统输出Uout也一定会超调。由于W(s)中含有积分环节，若Uc不等于零，则Uout将一直积累下去，只有当Uc=0时，Uout才可能达稳态值。△U改变极性，才能把调节器输出Uc拉回到零，因此，即使调节器不饱和，系统输出Uout也会超调。由静止状态开始启动时，转速和电流随时间变化的波形理想的起动过程带电流截止负反馈的单闭环无静差调速系统的起动过程第I阶段电流上升的阶段（0~t1）自动化教研室IdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3t2t1tt突加给定电压U*n后，转速反馈电压Un为零，通过两个调节器ASR和ACR的控制作用，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电机还不能转动。当Id≥IdL=TL/Cm后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，使其输出电压很快达到调节器的限幅值U*im，强迫电流Id迅速上升。直到，Id=Idm，Ui=U*im，电流调节器很快就压制Id了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第II阶段恒流升速阶段（t1~t2）自动化教研室nIdLIdn*IdmOOIIIIIIt4t3t2t1tt尽管转速反馈信号Un不断上升，但只要小于Un*，偏差信号就一直为正，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环。ACR的给定信号保持最大值U*im不变，基本上保持电流Id恒定，电磁转矩Te=CmId保持恒定，由直流电机的机械平衡方程可知，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。电机的反电动势E=Cen也按线性增长，为保持Id恒定，UPE输出电压Ud0也必须保持线性增长。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中ACR是不应饱和的，电力电子装置UPE的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。第Ⅲ阶段转速调节阶段（t2以后）自动化教研室IdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3t2t1tt当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*i和Id很快下降。在t2-t3区间内，由于IdIdL,电磁转矩Te大于负载转矩TL，因而转速继续上升。在t3-t4区间内，电机在负载转矩的作用下开始减速，IdIdL，直到进入稳定运行状态。如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Id尽快地跟随其给定值U*i，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。双闭环直流调速系统起动过程特点饱和非线性控制（1）当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒