运动控制系统1.ppt

1、运动控制系统结构,PC/PLC,PLC,变流装置,直流电动机 伺服电动机 步进电动机 直线电动机,旋转变压器 编码器 电位器 测速发电机,传动装置 定位平台 旋转平台,一、运动方程式,对于直线运动,对于旋转运动,式中 m与G旋转部分的质量（kg）与重量（N） 与D惯性半径与直径（m）,式中 称为飞轮惯量（ ），,第一章 电力拖动基础知识,1.1 电力拖动系统的动力学基础,二、运动方程式中转矩的正负符号分析,运动方程式的一般形式,规定某个转动方向为正方向，则转矩Te正向取正，反向取负；阻转矩TL 正向取负，反向取正。,三、工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算,以电动机轴为折算对象，需要折算的参

2、量为：工作机构转矩 ，系统中各轴（除电动机轴外）的转动惯量。对于某些作直线运动的工作机构，还必须把进行直线运动的质量及运动所需克服的阻力折算到电动机轴上去,1、工作机构转矩 的折算,折算的原则是系统的传送功率不变,式中，j 电动机轴与工作机构轴间的转速比,如果传动机构为多级齿轮或带轮变速，则总的速比应为各级速比的乘积。,2、工作机构直线作用力的折算,根据传送功率不变,3、传动机构与工作机构飞轮惯量的折算,四、考虑传动机构损耗时的折算方法,（一）工作机构转矩 的简化折算,1电动机工作在电动状态,2电动机工作在发电制动状态,使用多级传动时,（二）工作机构直线作用力的简化折算,1电动机工作在电动状态

3、,2电动机工作在发电制动状态,1.2 生产机械的负载转矩特性,在运动方程式中，阻转矩（或称负载转矩）TL 与转速n 的关系 TL=f (n) 即为生产机械的负载转矩特性。,一、恒转矩负载特性,二、通风机负载特性,通风机负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比 。为反抗性负载。,属于通风机负载的生产机械有离心式通风机、水泵、油泵等，其中空气、水、油等介质对机器叶片的阻力基本上和转速的平方成正比。,一、固有机械特性与人为机械特性,当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。,1.3 直流电动机的电力拖动,（一）电枢串联电阻时的人为机械特性,（二）改变

4、电压时的人为机械特性,（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性,二、电力拖动稳定运行的条件,现在讨论：生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性这两种特性的配合问题。,在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩Te 与TL 方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态,两种特性有交点仅是稳定运行的必要条件。稳定运行的充分条件是：如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某种干扰作用（如电网电压波动、负载转矩的微小变化等），使原来两种特性的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变化，这时，当干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来交点处的数值。电力拖动系统如能满足这样的特性配

5、合条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。,1.4 他励直流电动机的起动,一、他励直流电动机的起动方法,如直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电流的十多倍,二、加快起动过程的途径,1）减小系统的飞轮惯量，以减小机电时间常数，从而降低系统的惯性,2）在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形,1.5 他励直流电动机的制动,1）电动运转状态电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。,2） 制动运转状态电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电动机吸收机械能并转化为电能。,一、能耗制动,二、反接制动,反接制动可用两种方法实现，即转速反向（用

6、于位能负载）与电枢反接（一般用于反抗性负载）。,（一）转速反向的反接制动,上式表明， 与 两者之和消耗在电枢电路的电阻 上。,（二）电枢反接的反接制动,断开 和 ， 接通 和,最大电流也不超过,（三）电枢反接时的过渡过程,1反作用负载,2位能负载,三、回馈制动（或称再生制动）,（一）位能负载拖动电动机,这时位能负载带动电动机，电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率 后，大部分回馈给电网（ ），小部分变为电枢回路的铜耗 。电动机变为一台与电网并联运行的发电机。,（二）他励电动机改变电枢电压调速,在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，就会发生 的情况，亦即出现了回馈制

7、动状态。,1.6 他励直流电动机的调速,采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种方法通常称为调速。,一、调速指标,调速方法最主要的有两大指标：即技术指标与经济指标,（一）调速的技术指标,2静差率（或称相对稳定性）,电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性就愈高。,调速范围D与低速静差率s%间的关系,允许的转速降,3平滑性,在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。,值愈接近于1，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。,4调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩） 容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过

8、程中轴上所能输出的功率和转矩。,二、调速方法,效率,（二）调速的经济指标,调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。,（二）降低电源电压,降低电源电压的调速系统的机械特性方程式为,（三）弱磁调速,弱磁调速时，机械特性方程式是 ：,弱磁调速的优点是，在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。由于调速范围不大，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调整范围。,三、调速时的功率与转矩,在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值，电动机长时运行，其发热不会超过容许的限度。,对于他励直流电动机，转矩与

9、功率的关系为：,降压调速时，从高速到低速，容许输出转矩是常数，称为恒转矩调速方式。而容许输出功率则正比于转速。,式中,弱磁调速时的容许输出功率为常数，称为恒功率调速方式；,常数,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。,第二章 转速负反馈调速系统,一、可控直流电源,旋转变流机组(G-M系统）,图2-1 旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）

10、,静止式可控整流器（V-M系统）,图2-2 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）,V-M系统的特点,与G-M系统相比较： 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 104 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。,直流斩波器或脉宽调制变换器,在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过

11、去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。,1. 直流斩波器的基本结构,图2-3 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形,这样，电动机得到的平均电压为,2. 输出电压计算,式中 T 晶闸管的开关周期；ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ； 其中 f 为开关频率。,为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。,3. 斩波电路三种控制方式,根据

12、对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：T 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）； ton不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）； ton和 T 都可调，改变占空比混合型。,二、晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题,在如图可控整流电路中，调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值。,1. 瞬时电压平衡方程,对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0 。用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电路的形式而异，对于一

13、般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0 = f () 可用下式表示,式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角； = 0 时的整流电压波形峰值；交流电源一周内的整流电压脉波数；,Um,m,2. 电流脉动及其波形的连续与断续,由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况，这是V-M系统不同于G-M系统的又一个特点。当V-M系统主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形。当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便造成电流波形断续的情况。,V-M系统主电路的输出

14、,图2-4 V-M系统的电流波形,3. 抑制电流脉动的措施,在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器； 增加整流电路相数； 采用多重化技术。,4. 晶闸管-电动机系统的机械特性,当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为式中 Ce = KeN 电机在额定磁通下的电动势系数。 上式等号右边 Ud0 表达式的适用范围如所述。,(2-1),（1）电流连续情况,改变控制角，得一族平行直线，这和G-M系统的特性很相似，如图所示。图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式（2-1

15、）已经不适用了。,图2-5 电流连续时V-M系统的机械特性,当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示式中 ； 一个电流脉波的导通角。,（2）电流断续情况,（3）电流断续机械特性计算,当阻抗角 值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到 = 2/3为止，因为 角再大时，电流便连续了。对应于 = 2/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。,图2-6 完整的V-M系统机械特性,（4）V-M系统 机械特性,PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒

16、定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。,三、直流脉宽调速系统的主要问题,1. 不可逆PWM变换器,（1）简单的不可逆PWM变换器简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如图2-7所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器。,图2-7 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,VD,Us,+,Ug,C,VT,id,+,_,_,E,（a）电路原理图, 主电路结构,2,1,工作状态与波形,在一个开关周期内， 当

17、0 t ton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端； 当ton t T 时， Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。,电机两端得到的平均电压为式中 = ton / T 为 PWM 波形的占空比，,输出电压方程,改变 （ 0 1 ）即可调节电机的转速，若令 = Ud / Us为PWM电压系数，则在不可逆 PWM 变换器 = ,(2-2),(2-3),（2）有制动的不可逆PWM变换器电路,在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图2-8a所示的双管交替开关电路。当VT1 导通时，流过正向电流 + id

18、 ，VT2 导通时，流过 id 。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因为平均电压 Ud 并没有改变极性。,图2-8a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器,主电路结构,M,+,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,1,2,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,工作状态与波形,一般电动状态在一般电动状态中，始终为正值（其正方向示于图2-8a中）。设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段： 在0 t ton期间， Ug1为正，VT1导通， Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路1流通。 在

19、ton t T 期间， Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。 因此，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功 率开关器件，但并没有被用上。,工作状态与波形（续）,制动状态在制动状态中， id为负值，VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，使 Ug1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压Ud降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成 E Ud 的局面，很快使电流id反向，VD2截止， V

20、T2开始导通。,制动状态,M,+,VD2,Ug2,VD1,E,C,Us,+,VT2,VT1,Ug1,4,3,id,制动状态的一个周期分为两个工作阶段： 在 0 t ton 期间，VT2 关断，id 沿回路 4 经 VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时， VD1 两端压降钳住 VT1 使它不能导通。 在 ton t T期间， Ug2 变正，于是VT2导通，反向电流 id 沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。因此，在制动状态中， VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的,2. 桥式可逆PWM变换器,可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图所示。这时，电动机M两端

21、电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,3,2,A,B,4,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,图2-9 桥式可逆PWM变换器,H形主电路结构,双极式控制方式,（1）正向运行： 第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug1 、 Ug4为正， VT1 、 VT4导通， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止，电流 id 沿回路1流通，电动机M两端

22、电压UAB = +Us ； 第2阶段，在ton t T期间， Ug1 、 Ug4为负， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3续流， 并钳位使VT2 、 VT3保持截止，电流 id 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB = Us ；,双极式控制方式（续）,（2）反向运行： 第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 续流，并钳位使 VT1 、 VT4截止，电流 id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us ； 第2阶段，在ton t T 期间， Ug2 、 Ug3 为正， VT2 、 VT3导通， Ug1 、 Ug

23、4为负，使VT1 、 VT4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = Us ；,输出平均电压,双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相 同，则在双极式控制的可逆变换器中 = 2 1 注意：这里 的计算公式与不可逆变换器中的公式就不一样了。,（2-4）,（2-5）,调速范围,调速时， 的可调范围为01， 10.5时， 为正，电机正转； 当 0.5时， 为负，电机反转； 当 = 0.5时， = 0 ，电机停止。,3. 直流脉宽调速系统的机械特性,由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所

24、谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。,对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡 方程式分两个阶段,式中 R、L 电枢电路的电阻和电感。,带制动的不可逆电路电压方程,（0 t ton）,（ton t T）,对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中 电源电压由 0 改为 Us ，其他均不变。于是，电压方 程为,( 0 t ton ),双极式可逆电路电压方程,(ton t T ),机械特性方程,按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式。无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周期内的平均电压都是 Ud = Us，只是 与占空比

25、 的关系不同，分别为式（2-3）和式（2-5）,平均电流和转矩分别用 Id 和 Te 表示，平均转速 n = E/Ce，而电枢电感压降的平均值 Ldid / dt 在稳态时应为零。于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成,(2-6),或用转矩表示，式中 Cm = KmN 电机在额定磁通下的转矩系数；n0 = Us / Ce 理想空载转速，与电压系数成正比。,(2-7),(2-8),PWM调速系统机械特性,图2-10 脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0sUs /Ce,2.2 开环调速系统及其存在的问题,若可逆直流脉宽调速系统是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速

26、。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。,2.3 闭环调速系统的组成及其静特性,图2-11 采用转速负反馈的闭环调速系统,Uc,一、晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算,晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是,图2-12 晶闸管触发与整流装置的 输入-输出特性和的测定,转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：,电压比较环节,放大器,电力电子变换器,调速系统开环机械特性,测速反馈环节,二、稳态

27、关系,三、 闭环系统的稳态结构框图,图2-13 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图,闭环调速系统的静特性：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。 开环机械特性：在 恒定的情况下，电动机转速与负载电流的稳态关系。,开环机械特性 闭环系统的静特性,Id,闭环静特性,开环机械特性,图2-14 闭环系统静特性和开环机械特性的关系,1.应用比例调节器的闭环系统是有静差的控制系统,从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。然而，Kp =常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。只有K = ，才能使ncl = 0，而这是不可能的。因此

28、，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。,2 扰动作用与影响,图2-15 闭环调速系统的给定作用和扰动作用,励磁变化,最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时 间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定,一、晶闸管触发和整流装置传递函数,式中 交流电流频率； 一周内整流电压的脉冲波数。,f,m,相对于整个系统的响应时间来说，Ts 是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2，并认为是常数。,2.4 闭环调速系统的动态特性,最大失控时间计算,近似传递函数的求取,考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一

29、阶惯性环节。,PWM控制与变换器的数学模型,PWM控制与变换器（简称PWM装置）也可以看成是一个滞后环节， 其传递函数可以写成,其中 Ks PWM装置的放大系数；Ts PWM装置的延迟时间， Ts T 。,二、 闭环调速系统的动态结构图,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,反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为,它的一般表达式为,或,系统稳定的充分必要条件是,整理后得,三、动态校正PI调节器的设计,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

30、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。,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2-17 典型的控制系统伯德图,系统设计工具伯德图（Bode Diagram),伯德图与系统性能的关系,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

31、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。,PI调节器的传递函数,当初始条件为零时，两侧拉氏变换，移项后，得PI 调节器的传递函数。,PI调节器输出时间特性,原始系统开环对数幅频及相频特性,PI调节器对数频率特性,相应的对数频率特性绘于图中。,系统校正的对数频率特性,校正后的系统特性,校正前的系统特性,比例积分控制规律,图2-19 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,四、无静差调速系统,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 的变化过程示于右图。,图2-20 有静差调速系统突加负载过程,突

32、加负载时的动态过程,无静差调速系统,图2-21 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。,2.5 限流保护电流截止负反馈,1、问题的提出： 起动的冲击电流直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。 闭环调速系统突加给定起动的冲击电流采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不

33、多是其稳态工作值的 1+K 倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。 堵转电流有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。,2、系统稳态结构,电流截止负反馈环节的I/O特性,图2-22 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图,3. 静特性方程与特性曲线,由图可写出该系统两段静特性的方程式。当 Id Idcr 时

34、，电流负反馈被截止，静特性和只有转速 负反馈调速系统的静特性式相同，现重写于下当 Id Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成,图2-23 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性,静特性两个特点,（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大 电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致，好象 把理想空载转速提高到,4. 电流截止负反馈环节参数设计,堵转电流Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl =（1.52） IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取Idcr

35、（1.11.2）IN,带电流截止的无静差直流调速系统,图2-24 无静差直流调速系统,5. 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。,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 Id Idcr 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。,b) 理想的快速起动过程,IdL,n,Idm,a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统,图3-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形,理想的起动过程,IdL,n,Idm,Id

36、cr,第三章 双闭环调速系统,+,图3-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构,一、 系统的组成,ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器,内环,外 环,电流调节器的输出去控制电力电子变换器,转速调节器的输出当作电流调节器的输入,3.1 双闭环调速系统的静特性,系统原理图,1. 系统稳态结构图,注意：用带限幅的输出特性表示PI调节器,2. 限幅作用,存在两种状况： 饱和输出达到限幅值当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。

37、不饱和输出未达到限幅值当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。,二、系统静特性,实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性如图所示，,图3-5 双闭环直流调速系统的静特性,n0,Idm,Idnom,O,A,B,额定电流,电流最大值,C,1. 转速调节器不饱和,式中， 转速和电流反馈系数。 由第一个关系式可得,从而得到上图静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和， U*i U*im ，从上述第二个关系式可 知: Id Idm 。这就是说， CA段静特性从理想空载状态的Id = 0

38、一直延续到 Id = Idm ，而 Idm 一般都是大于额定电流 IdN 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。,2. 转速调节器饱和,这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时,式中，最大电流 Idm 是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力 和拖动系统允许的最大加速度。所描述的静特性是上图中的AB段，它是 垂直的特性。这样的下垂特性只适合于 n n0 ，则 Un U*n ，ASR将退出饱和状态。,3. 两个调节器的作用,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，这

39、时，转速负反馈起主要调节作用。 当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，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。,这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如上图中虚线所示。,4. 各变量的稳态工作点和稳态参数计算,双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系,上述关系表明，在稳态工作点上， 转速 n 是由给定电压U*n决定的； A

40、SR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的； 控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。,反馈系数计算,鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：,转速反馈系数,电流反馈系数,两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定，设计原则如下： U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制； U*im 为ASR的输出限幅值。,图3-6 双闭环直流调速系统的动态结构图,3.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型,-IdL,双闭环直流调速系统

41、动态结构框图,U*n,单闭环直流调速系统动态结构框图,一、调节器数学模型,图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有,双闭环系统动态结构图的简化,图3-7 实际使用的双闭环直流调速系统的动态结构图,图3-8 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形,（1） 饱和非线性控制,根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态： 当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统； 当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。,（2）转速超调,由于ASR采用了饱和非线性控制，起

42、动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR 的输入偏差电压 Un 为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。,（3）准时间最优控制,起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。,二、动态抗扰性能分析,1. 抗负载扰动,图3-9 直流调速系统的动态抗负载扰作用,图3-10 直流调速系统的动态抗扰作用 a)单闭环系统,2. 抗电网电压扰动,b)双闭环系

43、统 Ud电网电压波动在整流电压上的反映,Ud,结论：在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。,三、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）其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其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 （2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 （3）在转速动态过程中，保证获得

44、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。一旦故障消失，系统立即自动恢 复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。,转速超调原因:,由于ASR采用了饱和非线性控制，恒流升速过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，这样才能使ASR 的输入偏差电压 Un 为负值，从而使ASR退出饱和。故采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。转速达到给定值之前，使ASR退饱和,引入转速微分负反馈：稳态时，转速微分负反馈信号不起作用；动态时，提供超前量，使ASR提前退出饱和。,一、设计步骤,3.3 调节器的工程设计方法,

45、二、典型系统,一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示为,上式中，分母中的 sr 项表示该系统在原点处有 r 重极点，或者说， 系统含有 r 个积分环节。根据 r=0，1，2，等不同数值，分别称作 0型、I型、型、系统。自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，而型和型以上 的系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用I型和II型系统。,1. 典型 I 型系统,结构图与传递函数,式中 T 系统的惯性时间常数；K 系统的开环增益。,O,典型的I型系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以 20 dB/dec 的斜率穿越 0dB 线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定

46、是稳定的，且有足够的稳定裕量，即选择参数满足,开环对数频率特性,或,于是，相角稳定裕度,2. 典型型系统,结构图和传递函数,开环对数频率特性,O,或,且 比 T 大得越多， 系统的稳定裕度越大。,典型的II型系统中频段也是以 20dB/dec 的斜率穿越零分贝线。由于分母中 s2 项对应的相频特性是 180，后面还有一个惯性环节，在分子添上一个比例微分环节（s +1），是为了把相频特性抬到 180线以上，以保证系统稳定，即应选择参数满足,三、控制系统的动态性能指标,典型的阶跃响应曲线,图3-1 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标,突加扰动的动态过程和抗扰性能指标,图3-2 突加扰动的动态过程和抗扰

47、性能指标,四、典型I型系统性能指标和参数的关系,典型I型系统的开环传递函数，它包含两个参数：开环增益 K 和时间常数 T 。其中，时间常数 T 在实际系统中往往是控制对象本身固有的，能够由调节器改变的只有开环增益 K ，也就是说，K 是唯一的待定参数。设计时，需要按照性能指标选择参数 K 的大小。,K 与截止频率 c 的关系,当c 1 / T时，特性以20dB/dec斜率穿越零分贝线，系统有较好的 稳定性。由图中的特性可知,所以 K = c,（当 c 时）,K 值越大，截止频率c 也越大，系统响应越快，但相角稳定裕度 = 90 arctgcT 越小，这也说明快速性与稳定性之间的矛盾。在具体选择参数 K时，须在二者之间取折衷。,表3-1 I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差,1. 典型I型系统跟随性能指标与参数的关系,（1）稳态跟随性能指标：系统的稳态跟随性能指标可用不同输入信号 作用下的稳态误差来表示。,由表可见： 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。,