电力拖动23汇编.ppt

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1、Ch2 内 容 提 要n直流调速系统用的可控直流电源 n稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性 n转速反馈控制的直流调速系统 n直流调速系统的数字控制 n转速反馈控制直流调速系统的限流保护 n转速反馈控制直流调速系统的仿真如何包容自己，也要如何宽容他人。如何包容自己，也要如何宽容他人。2.3 转速反馈控制的直流调速系统n根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是反馈控制反馈控制的基本作用。 图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图 2.3.1 转速

2、反馈控制直流调速系统的 数学模型n在负反馈基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此被称作闭环控制系统。n在直流调速系统中，被调节量是转速，所构成的是转速反馈控制的直流调速系统。n电压比较环节n比例调节器n测速反馈环节 n*nnUUUnpcUKUnUnKp比例调节器的比例系数 转速反馈系数（Vmin/r）1转速反馈控制直流调速系统的静特性 n电力电子变换器 n直流电动机 csdUKU0ed0dCRIUn1转速反馈控制直流调速系统的静特性静特性方程式 *(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK

3、KCCKCK式中: 闭环系统的开环 放大系数 n闭环调速系统的静特性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。 espCKKK图2-19转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图（a）闭环调速系统 图2-19转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图（b）只考虑给定作用时的闭环系统 图2-19转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图（c）只考虑扰动作用时的闭环系统2转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型动态数学模型n一个带有储能环节的线性物理系统的动态过程可以用线性微分方程描述.n比例放大器的传递函数 n电力电子变换器的传递函数n测速反馈的传递函数1)(sTKsWsss(2-33)

4、pncaKsUsUsW)()()(（2-42） )()()(snsUsWnfn(2-43) 图2-20 他励直流电动机在额定励磁下的等效电路n假定主电路电流连续，动态电压方程动态电压方程为(2-34)n忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为(2-35)EdtdILRIUddd0dtdnGDTTLe3752n额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 (2-36) (2-37) 包括电动机空载转矩在内的负载转矩，（Nm） 电力拖动装置折算到电动机轴上的飞轮惯量，(Nm2) 电动机额定励磁下的转矩系数，(Nm/A)n再定义下列时间常数： 电枢回路电磁时间常数(s) 电力拖动系统机电时间常数(

5、s)nCEedmeICT LT2GDemCC30RLTlmemCCRGDT3752n整理后得 (2-38) (2-39)式中， 负载电流（A）。)(0dtdITIREUdldddtdERTIImdLdmLdLCTIn在零初始条件下，取拉氏变换，得电压与电流间的传递函数 n电流与电动势间的传递函数 11)()()(10sTRsEsUsIddsTRsIsIsEmdLd)()()(图2-21 额定励磁下直流电动机的动态结构框图(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图 (c）直流电动机的动态结构框图n 直流电动机有两个输入量，n一个是施加在电枢上的理想空载电压Ud0，是控制输入量，n另

6、一个是负载电流IdL。扰动输入量。n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，得图2-22。 n额定励磁额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节，n时间常数Tm表示机电惯性n时间常数Tl表示电磁惯性。 图2-22 直流电动机动态结构框图的变换 图2-23 转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图转速反馈控制的直流调速系统的开环传递函数 ) 1)(1()()()(2sTsTTsTKsUsUsWmlmsnn(2-44) 式中 espCKKK/转速反馈控制直流调速系统的闭环传递函数 KsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsUsnsWmlmsespm

7、lmsespmlmsespncl) 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)()()(222*111)(1)1 (23sKTTsKTTTsKTTTKCKKsmslmslmesp（2-45） 2.3.2 比例控制的直流调速系统1开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系n开环机械特性为 (2-46) 式中， 表示开环系统的理想空载转速， 表示开环系统的稳态速降。n比例控制闭环系统的静特性为 (2-47) 式中， 表示闭环系统的理想空载转速， 表示闭环系统的稳态速降。opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1

8、 (opn0opn0clncln（1）闭环系统静特性可以比开环系统 机械特性硬得多n在同样的负载扰动下， 开环系统的转速降落 闭环系统的转速降落n它们的关系是 (2-48)edopCRIn)1 (KCRInedclKnnopcl1（2）闭环系统的静差率要比开环系统 小得多n闭环系统的静差率为n开环系统的静差率为n当 时， （2-49）clclclnns0opopopnns0clopnn00Kssopcl1（3）如果所要求的静差率一定，则 闭环系统可以大大提高调速范围n如果电动机的最高转速都是nN，最低速静差率都是s，可得 开环时， 闭环时， n得到 （2-50）)1 (snsnDopNop)1

9、 (snsnDclNclopclDKD)1 ( 图2-24 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。思考：负载增加，AB?图2-24 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。思考：转速差可以为0么？为什么？例题2-3 自学 在例题2-2中，龙门刨床要求D=

10、20，s5%，已知 Ks=30,= 0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数应该有多少？ 解: n开环系统额定速降为 =275 r/min，n闭环系统额定速降须为 2.63 r/min，由式（2-48）可得n则得n即只要放大器的放大系数等于或大于46。opncln6 .103163. 22751clopnnK462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK2反馈控制规律（1）比例控制的反馈控制系统是被调量有）比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统静差的控制系统n 比例控制反馈控制系统的开环放大系数值越大，

11、系统的稳态性能越好。n但只要比例放大系数Kp常数，开环放大系数K，反馈控制就只能减小稳态误差，而不能消除它，n这样的控制系统叫做有静差有静差控制系统。（2）反馈控制系统的作用是）反馈控制系统的作用是:抵抗扰动抵抗扰动, 服从给定服从给定n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，n对于给定作用的变化唯命是从。（3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度n反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的。n现代调速系统的发展趋势是用数字给定和数字测速来提高调速系统的精度。 3比例控制闭环直流调速系统的 动态稳定性n比

12、例控制闭环系统的特征方程为 (2-51)n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n整理后得 (2-52)0111)(123sKTTsKTTTsKTTTsmslmslm0111)(KTTTKTTKTTTslmsmslmslsslmTTTTTTK2)(例题2-4 在例题2-3中，系统采用的是三相桥式可控整流电路，已知电枢回路总电阻 ，电感量 3mH，系统运动部分的飞轮惯量 ，试判别系统的稳定性。0.18R L 2260mNGD解 ：n电磁时间常数n机电时间常数 n晶闸管装置的滞后时间常数为 n为保证系统稳定，应满足的稳定条件：n闭环系统的动态稳定性和例题2-3中稳态性能要求 是

13、矛盾的。sRLTl0167. 018. 0003. 0sCCRGDTmem075. 02 . 0302 . 037518. 0603752sTs00167. 05 .4900167. 00167. 000167. 0)00167. 00167. 0(075. 0)(22slsslmTTTTTTK103.5K 例题2-5 在上题的闭环直流调速系统中，若改用全控型器件的PWM调速系统，电动机不变，电枢回路参数为： ， ， ，PWM开关频率为8 。按同样的稳态性能指标 ， ，该系统能否稳定？如果对静差率的要求不变，在保证稳定时，系统能够达到的最大调速范围有多少？0.1R 1LmH44sK kHz20

14、D 5%s 解 ：0.0010.01 s0.1lLTR2600.10.0417 s375375 0.20.230memGD RTC C10.000125 s8000sT 4 .339000125. 001. 0000125. 0)000125. 001. 0(0417. 0)(22slsslmTTTTTTKn按照稳态性能指标 、 要求 n nPWM调速系统能够在满足稳态性能指标要求下稳定运行。 20D 5%s 2.63 r/mincln（见例题2-2） 3050.1152.5 r/min0.2NopeI RnC152.511572.63opclnKn 337.5n 若系统处于临界稳定状况， 1

15、0000.05117(1)0.45(10.05)Nclcln sDns4 .339Kmin/45. 04 .33915 .1521rKnnopcl2.3.3 比例积分控制比例积分控制的无静差 直流调速系统n在比例控制直流V-M调速系统中，稳态性能和动态稳定性的要求常常是互相矛盾的。n根据自动控制原理，要解决这个矛盾，必须恰当地设计动态校正装置，用来改造系统。n在电力拖动自动控制系统中，常用串联校正和反馈校正。n对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，传递函数阶次较低，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。1积分调节器和积分控制规律n在输入转速误差信号Un的作用下，积分调节器

16、的输入输出关系为 （2-53）n其传递函数是 （2-54） 其中，积分时间常数。t0ncdtU1UssWI1)(图2-26 积分调节器的输入和输出动态过程n 输入UN是阶跃信号，则输出Uc 按线性规律增长。n当输出值达到积分调节器输出的饱和值Ucm时，便维持在Ucm不变。 图2-26 积分调节器的输入和输出动态过程思考：图中的uc何时会减少？图2-26 积分调节器的输入和输出动态过程思考：图中的Un=0时， Uc是0？积分控制规律和比例控制规律的根本区别：n比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现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状，而积分调节器的输出则

17、包含了输入偏差量的全部历史量的全部历史。n积分调节器到稳态时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。2比例积分控制规律n比例积分调节器（PI调节器）的输入输出关系为 （2-55）n其传递函数为 （2-56）nPI调节器的传递函数也可写成如下形式 （2-57）表明，PI调节器也可用积分和比例微分两个环节表示，式中，1微分项中的超前时间常数。tininpexdtUUKU01ssKsKsWppPI11)(ssKsWpPI111)(图2-28 比例积分（PI）调节器线路图nPI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。n比例部分能迅

18、速响应控制作用，n积分部分则最终消除稳态偏差。图2-29 PI调节器的输入输出特性n在闭环调速系统中，采用PI调节器输出部分Uc由两部分组成，n思考：、分别是？提供的图2-30 闭环系统中PI调节器的输入和输出动态过程2.3.4 直流调速系统的稳态误差分析(自学)图2-31 比例积分控制的直流调速系统的动态结构框图思考：（ASR表示）？ n使用比例调节器时，系统的开环传递函数为 （2-44） 式中 n使用积分调节器时，系统的开环传递函数为 （2-59） 式中 n使用比例积分调节器时，系统的开环传递函数为 （2-60） 式中 ) 1)(1()(2sTsTTsTKsWmlmsespCKKK/) 1

19、)(1()(2sTsTTsTsKsWmlmsesCKK) 1)(1() 1()(2sTsTTsTssKKsWmlmspesCKKn根据系统开环传递函数中积分环节的数目划分控制系统的类型， 比例控制的调速系统是0型系统， 积分控制、比例积分控制的调速系统是型系统。n稳态误差定义为输入量和反馈量的差值，即 （2-61）n衡量系统控制的准确度的是系统对给定输入Un*的跟随能力；n衡量系统抑制干扰能力的是系统抑制负载电流IdL的抗扰能力。)()()(*tUtUtUnnn1阶跃给定输入的稳态误差n在分析阶跃给定输入的稳态误差时，令IdL(s)=0。比例调节器系统的误差传递函数为 （2-62）n阶跃给定输

20、入 的稳态误差是 ) 1)(1(11)()(2*sTsTTsTKsUsUmlmsnnsUsUnn*)(KUsTsTTsTKsUssUsUnmlmsnsnsn1) 1)(1(11)(*2*00limlim（2-65） n积分调节器系统的稳态误差是？n比例积分调节器系统的稳态误差是？n在系统稳定的情况下，n0型系统对于阶跃给定输入稳态有差，被称作有差调速系统；n型系统对于阶跃给定输入稳态无差，被称作无差调速系统。n积分调节器系统的稳态误差是？n比例积分调节器系统的稳态误差是？2扰动引起的稳态误差n在分析由扰动引起的稳态误差时，令Un*(s)=0。比例调节器系统的误差为 （2-68）n阶跃扰动 引起

21、的的稳态误差是 (2-72) ) 1)(1(1) 1() 1()()(22sTsTTsTKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLn)1 () 1)(1(1) 1() 1()(2200limlimKCRIsTsTTsTKsTsTTCsTRsIssUsUedLmlmsmlmeldLsnsnsIsIdLdL)(n积分调节器系统的误差为 （2-70）n阶跃扰动 引起的的稳态误差是 (2-73) sIsIdLdL)() 1)(1(1) 1() 1()()(22sTsTTsTsKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLn0) 1)(1(1) 1() 1()(2200limlimsTsTTsTsKsTsTTCsTRsIssUsUmlmsmlmeldLsnsnn由扰动引起的稳态误差取决于误差点与扰动加入点之间的传递函数。n由扰动引起的稳态误差取决于误差点与扰动加入点之间的传递函数。n比例控制的调速系统，该传递函数无积分环节，故存在扰动引起的稳态误差，称作有静差调速系统；n积分控制或比例积分控制的调速系统，该传递函数具有积分环节，所以由阶跃扰动引起的稳态误差为0，称作无静差调速系统。