电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt1-5闭环控制的直流调速系统

51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统11闭环控制的直流调速系统电力拖动自动控制系统第1章51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统22本章提要1.1直流调速系统用的可控直流电源1.2晶闸管-电动机系统的主要问题1.3直流脉宽调速系统的主要问题1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1.6比例积分控制规律和无静差调速系统51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统33本节要点：1.调速系统各环节动态数学模型的推导及其简化的工程约束条件；2.闭环调速系统传递函数的建立及在系统稳定性判别中应用。重点、难点：调速系统各环节动态数学模型的推导及其简化的工程约束条件51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统44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,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。1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统55反馈控制有静差直流调速系统原理图-+51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统661.电力电子器件的传递函数构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是1)(ssssTKsW(1-45)只是在不同场合下，参数Ks和Ts的数值不同而已。51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统77+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51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统88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)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-m251电力拖动自动控制系统电力传动控制系统99—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51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1010代入式（1-46）和（1-47）,并考虑式（1-48）和（1-49），整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdmLdLCTI(1-50)(1-51)式中为负载电流。微分方程51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1111在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数11)()()(0ddsTRsEsUsIl电流与电动势间的传递函数sTRsIsIsEmdLd)()()((1-52)(1-53)传递函数51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1212动态结构图Id(s)IdL(s)+-E(s)RTmsb.式（1－53）的结构图E(s)Ud0+-1/RTls+1Id(s)a.式（1－52）的结构图图1-34额定励磁下直流电动机动态结构图51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1313n(s)c.整个直流电动机的动态的结构图1/CeUd0IdL(s)EId(s)++--1/RTls+1RTms51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1414由上图c可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。▲理想空载电压-------控制输入量▲负载电流----------扰动输入量如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，得下图a。如果是理想空载，则IdL=0，结构图即简化成下图b。51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1515n(s)Ud0(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL(s)R(Tls+1)动态结构图的变换和简化a.IdL≠051电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1616n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0(s)动态结构图的变换和简化（续）b.IdL=051电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1717直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即放大器pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfnsnsUsW测速反馈（1-55）（1-54）3.控制与检测环节的传递函数51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统18184.闭环调速系统的动态结构图图1-36反馈控制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)知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来，就可以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统19195.调速系统的开环传递函数由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是)1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl式中K=KpKs/Ce（1-56）51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统20206.调速系统的闭环传递函数设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是111)(1)1()1)(1(/)1)(1(/1)1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll（1-57）51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统21211.5.2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件由式（1-57）可知，反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll（1-58）它的一般表达式为0322130asasasa51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2222根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是0000030213210aaaaaaaa，，，，式（1-58）的各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只有0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTllssms)1())((TTKTTTTll或51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2323整理后得2msss()llTTTTKTT（1-59）式（1-59）右边称作系统的临界放大系数Kcr,当K≥Kcr时，系统将不稳定。对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。＝Kcr51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统24241.5.3动态校正—PI调节器的设计1.概述在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况（如例题1-5、例题1-7中要求更高调速范围时），这时，必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面的要求。51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统25252.动态校正的方法串联校正并联校正反馈校正而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2626串联校正方法：无源网络校正——RC网络；有源网络校正——PID调节器。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2727PID调节器的类型：比例微分（PD）比例积分（PI）比例积分微分（PID）51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2828PID调节器的功能由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；用PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。一般的调速系统要求以动态稳定和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI调节器在随动系统中，快速性是主要要求，须用PD或PID调节器51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统29293.系统设计工具在设计校正装置时，主要的研究工具是伯德图（BodeDiagram），即开环对数频率特性的渐近线。它的绘制方法简便，可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。伯德图是自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法。51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3030典型伯德图从图中三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：图1-37典型的控制系统伯德图在定性地分析闭环系统性能时，通常将伯德图分成低、中、高三个频段，频段的分割界限是大致的中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且这一斜率覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好截止频率（或称剪切频率）越高，则系统的快速性越好低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3131以上四个方面常常是互相矛盾的。对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可能牺牲快速性；提高截止频率可以加快系统的响应，又容易引入高频干扰；如此等等。设计时往往须在稳、准、快和抗干扰这四个矛盾的方面之间取得折中，才能获得比较满意的结果。51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统32324.系统设计要求在实际系统中，动态稳定性不仅必须保证，而且还要有一定的裕度，以防参数变化和一些未计入因素的影响。在伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定裕度的指标是：相角裕度和以分贝表示的增益裕度GM。一般要求：=30°~60°GM6dB保留适当的稳定裕度，是考虑到实际系统各环节参数发生变化时不致使系统失去稳定稳定裕度也能间接反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大，意味着动态过程振荡弱、超调小51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统33335.设计步骤系统建模——首先应进行总体设计，选择基本部件，按稳态性能指标计算参数，形成基本的闭环控制系统，或称原始系统。系统分析——建立原始系统的动态数学模型，画出其伯德图，检查它的稳定性和其他动态性能。系统设计——如果原始系统不稳定，或动态性能不好，就必须配置合适的动态校正装置，使校正后的系统全面满足性能要求。51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统34346.设计方法凑试法——设计时往往须用多种手段，反复试凑。工程设计法——详见第2章。51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统35351.5.4系统设计举例与参数计算（一）稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定了控制系统的基本构成环节，有了基本环节组成系统之后，再通过动态参数设计，就可使系统臻于完善。近代自动控制系统的控制器主要是模拟电子控制和数字电子控制，由于数字控制的明显优点，在实际应用中数字控制系统已占主要地位，但从物理概念和设计方法上看，模拟控制仍是基础。51电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3636•系统稳态参数计算例题1-4用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，主电路