电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt1-6闭环控制的直流调速系统

46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46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（V-M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46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统33本节要点：1．PI调节器的构成及其参数的物理实质分析；2．伯德图——开环对数幅频和相频特性在串联校正设计中的应用方法；3.积分调节器和积分控制的一般规律；4.比例积分控制的一般规律;5.系统稳态抗扰误差分析。重点、难点：1.伯德图——开环对数幅频和相频特性在串联校正设计中的应用方法2.积分控制和比例积分控制的一般规律46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统441.6比例积分控制规律和无静差调速系统前采用比例（P）放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。本节将讨论，采用积分（I）调节器或比例积分（PI）调节器代替比例放大器，构成无静差调速系统。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统551.6.1问题的提出如前，采用P放大器控制的有静差的调速系统，Kp越大，系统精度越高；但Kp过大，将降低系统稳定性，使系统动态不稳定。进一步分析静差产生的原因，由于采用比例调节器，转速调节器的输出为Uc=KpUnUc0，电动机运行，即Un0；Uc=0，电动机停止。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统66闭环系统的稳态结构框图46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统77因此，在采用比例调节器控制的自动系统中，输入偏差是维持系统运行的基础，必然要产生静差，因此是有静差系统。如果要消除系统误差，必须寻找其它控制方法，比如：采用积分（Integration）调节器或比例积分（PI）调节器来代替比例放大器。1.6.1问题的提出46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统881.6.2积分调节器和积分控制规律++CUexRbalUinR0+A图1-43积分调节器a)原理图1.积分调节器如图，由运算放大器可构成一个积分电路。根据电路分析，可得46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统99dtUdtUCRidtCUinin0ex111(1-64)式中，—积分时间常数。当初始值为零时，在阶跃输入作用下，对式（1-64）进行运算，得积分调节器的输出CR0tUUinex(1-65)46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统10102.积分调节器的传递函数积分调节器的传递函数为ssUsUsW1)()()(inexi(1-66)46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统11113.积分调节器的特性46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统12124.转速的积分控制规律t0ncd1tUU如果采用积分调节器，则控制电压Uc是转速偏差电压Un的积分，按照式（1-64），应有如果Un是阶跃函数，则Uc按线性规律增长，每一时刻Uc的大小和Un与横轴所包围的面积成正比，如下图a所示。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1313图1-45积分调节器的输入和输出动态过程a)阶跃输入b)一般输入输入和输出动态过程Un是负载变化时的偏差电压波形，按照Un与横轴所包围面积的正比关系，可得相应的Uc曲线。图中Un的最大值对应于Uc的拐点若初值不是零，还应加上初始电压Uc0，则积分式变成在动态过程中，当Un变化时（只要其极性不变），即只要仍是Un*Un，积分调节器的输出Uc便一直增长只有达到Un*=Un，Un=0时，Uc才停止上升；不到Un变负，Uc不会下降。(在这里，值得特别强调的是，当Un=0时，Uc并不是零，而是一个终值Ucf。)如果Un不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点结果：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46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统14145.比例与积分控制的比较有静差调速系统当负载转矩由TL1突增到TL2时，有静差调速系统的转速n、偏差电压Un和控制电压Uc的变化过程示于下图。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1515图1-44有静差调速系统突加负载过程•突加负载时的动态过程46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1616无静差调速系统图1-46积分控制无静差调速系统突加负载时的动态过程虽然现在Un=0，只要历史上有过Un，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压Uc。积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。论断：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。在稳态运行时，转速偏差电压Un必为零。如果Un不为零，则Uc继续变化，就不是稳态了在突加负载引起动态速降时产生Un，达到新的稳态时，Un又恢复为零Uc从Uc1上升到Uc2，使电枢电压由Ud1上升到Ud2，以克服负载电流增加的压降46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统17171.6.3比例积分控制规律从无静差的角度来说，积分控制优于比例控制，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却不如比例控制。在同样的阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变（如下图所示）。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1818•两种调节器特性比较两种调节器I/O特性曲线46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1919那么，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，该怎么办呢？只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例积分控制。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统20201.PI调节器在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现PI调节器，其线路如图所示。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统21212.PI输入输出关系（P37）按照运算放大器的输入输出关系，可得tUUKtUCRURRUd1d1ininpiin10in01ex(1-60)01piRRK10CR式中—PI调节器比例部分的放大系数；—PI调节器的积分时间常数。由此可见PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统22223.PI调节器的传递函数当初始条件为零时，取式（1-60）两侧的拉氏变换，移项后，得PI调节器的传递函数。ssKsKsUsUsW11)()()(pipiinexpissKsssW11pi1pi11)(11pi1CRK令，则传递函数也可以写成如下形式(1-62)注意：PI调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来表示，1是微分项中的超前时间常数，它和积分时间常数的物理意义是不同的。(1-61)46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统23234.PI调节器输出时间特性零初始状态和阶跃输入下，可以看出比例积分作用的物理意义突加输入信号时，电容C1两端电压不能突变，相当于两端瞬间短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电阻R1，电路等效于一个放大系数为Kpi的比例调节器，在输出端立即呈现电压KpiUin，实现快速控制，发挥了比例控制的长处随着电容C1被充电，输出电压Uex开始积分，其数值不断增长，直到稳态。稳态时，C1两端电压等于Uex，R1已不起作用，又和积分调节器一样了，这时又能发挥积分控制的优点，实现了稳态无静差比例积分调节器的输入和输出动态过程。输出波形中比例部分①和Un成正比，积分部分②是Un的积分曲线，而PI调节器的输出电压Uc是这两部分之和①+②Uc既具有快速响应性能，又足以消除调速系统的静差。除此以外，比例积分调节器还是提高系统稳定性的校正装置，因此，它在调速系统和其他控制系统中获得了广泛的应用。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2424分析结果由此可见，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。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统25251.6.4无静差直流调速系统及其稳态参数计算系统组成工作原理稳态结构与静特性参数计算46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统26261.系统组成图1-48无静差直流调速系统++-+-MTG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVTVSUiTALIdR1C1UnUd-+MTG采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。当电流超过截止电流时，高于稳压管VST的击穿电压，使晶体三极管VT导通，则PI调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统27273.稳态结构与静特性当电动机电流低于其截止值时，上述系统的稳态结构图示于下图，其中代表PI调节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2828稳态结构与静特性（续）无静差系统的理想静特性如右图所示。当IdIdcr时，系统无静差，静特性是不同转速时的一族水平线。当IdIdcr时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。整个静特性近似呈矩形。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2929必须指出严格地说，“无静差”只是理论上的，实际系统在稳态时，PI调节器积分电容两端电压不变，相当于运算放大器的反馈回路开路，其放大系数等于运算放大器本身的开环放大系数，数值虽大，但并不是无穷大。因此其输入端仍存在很小的静差，而不是零。这就是说，实际上仍有很小的静差，只是在一般精度要求下可以忽略不计而已。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统30304.稳态参数计算无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时Un=0，因而Un=Un*，可以按式（1-67）直接计算转速反馈系数max*maxnnU（1-67）—电动机调压时的最高转速；—相应的最高给定电压。nmaxU*nmax46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3131电流截止环节的参数很容易根据其电路和截止电流值Idcr计算出。PI调节器的参数Kpi和τ可按动态校正的要求计算。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3232*1.6.5系统设计举例与参数计算（二）系统调节器设计例题1-8在例题1-5中，已经判明，按照稳态调速指标设计的闭环系统是不稳定的。试利用伯德图设计PI调节器，使系统能在保证稳态性能要求下稳定运行。46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3333解（1）被控对象的开环频率特性分析)1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl式（1-56）已给出原始系统的开环传递函数如下已知Ts=0.00167s，Tl=0.017s，Tm=0.075s，在这里，Tm≥4Tl，因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积，即)1026.0)(1049.0(1075.0001275.012m2msssssTsTTl46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统343458.551925.001158.04421/espCKKK)10167.0)(1026.0)(1049.0(58.55)(ssssW根据例题1-4的稳态参数计算结果，闭环系统的开环放大系数已取为于是，原始闭环系统的开环传递函数是46电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3535•系统开环对数幅频及相频特性相角裕度和增益裕度GM都是负值，所以原始闭环系统不稳定dB9.3458.55lg20lg20K46