雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)ASR與ACR結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)(共15頁)

1、目錄一基本思想1二雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1三電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)23.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)23.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇33.3 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算43.4 校驗(yàn)53.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容5四轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)64.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)64.2 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡(jiǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇74.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)的計(jì)算104.4 校驗(yàn)104.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容104.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量11五轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算12六總結(jié)14雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)ASR和ACR結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)一基本思想本文應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)

2、先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，所以采用型系統(tǒng)就夠了。再從動(dòng)態(tài)上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用下時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程不超過允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素。因而電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選擇典型型系統(tǒng)。對(duì)于轉(zhuǎn)速環(huán)，由于要求滿足系統(tǒng)抗干擾性能好、轉(zhuǎn)速無靜差，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定將轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型系統(tǒng)。二雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-1

3、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1。由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過相同的延時(shí)，使得二者在時(shí)間上恰好的配合。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間

4、常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。三電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)在圖2-1點(diǎn)劃線框的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即，這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，得到的電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1。圖3-1 忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成

5、，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖3-2。圖3-2 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)按表3-1，可知三相橋式電路的平均失控時(shí)間，由題意可知，。和比小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為： （3-1）則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)化成圖3-3。表3-1 各種整流電路的失控時(shí)間整流電路形式最大失控時(shí)間平均失控時(shí)間單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67圖3-3 小慣性環(huán)節(jié)近似處理3.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 圖3-3表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性的，要校正成典型型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 （3-2）式中 -

6、電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) -電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 （3-3）則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖3-4所以的典型形式，其中 （3-4）圖3-4 校正成典型型系統(tǒng)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖3-5繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性.圖3-5 校正成典型型系統(tǒng)電流環(huán)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性3.3 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算表3-2 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070605超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間6.64.73.32.4峰值時(shí)間8.36.24.73.6相角穩(wěn)

7、定裕度截止頻率由式3-2可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是 和，其中已選定，待定的只有比例系數(shù)，可根據(jù)所需的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，由表3-2，可選，且已知=，因此電流環(huán)開環(huán)增益： 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)。各變量之間的關(guān)系： 已知兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入和輸出最大值都是，額定轉(zhuǎn)速，額定電流，過載倍數(shù)，則轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： 電流反饋系數(shù)： 由式（3-3）和（3-4），且已知，則電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)：3.4 校驗(yàn)1）檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，參照表3-3的典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能都是可以接受的。表3-3 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系電流截止頻率：2）晶閘管整流裝置

8、傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。3）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件，已知滿足近似條件。4）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。3.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-6，圖中為電流給定電壓，為電流反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，且已知,可以容易地導(dǎo)出： ，取111，取，取圖3-6 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)：，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為（見表3-2），滿足以上要求。四轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)化簡(jiǎn)后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此需

9、要求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)，由圖3-4可知： （4-1）忽略高此項(xiàng)，可降階近似為： （4-2）接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為： （4-3）這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用。4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡(jiǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2-1中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。圖4-1 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成，再把時(shí)間常數(shù)和的兩個(gè)小慣

10、性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可化簡(jiǎn)成圖4-2。圖4-2 等效成單位負(fù)反饋和小慣性的近似處理為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中。現(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那么線性系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。由此可見也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （4-4）式中 -轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) -轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù) 圖4-3 校正

11、后成為典型系統(tǒng)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： （4-5）則 （4-6）在典型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中，時(shí)間常數(shù)是控制對(duì)象固定的，待定的參數(shù)有和。為 了分析方便，引入一個(gè)新的變量，令 （4-7）圖4-4 典型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性和中頻寬由圖可見，是斜率為的中頻段的寬度，稱作中頻寬。由于中頻段的狀態(tài)對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)器決定性的作用，因此是一個(gè)很重要的參數(shù)。在一般情況下，點(diǎn)處在特性段，由圖4-4可以看出因此 （4-8）在工程設(shè)計(jì)中，如果兩個(gè)參數(shù)都任意選擇，工作量顯然很大，為此采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則，可以找到和兩個(gè)參數(shù)之間的一種最佳配合。這一準(zhǔn)則表明，對(duì)于

12、一定的值，只有一個(gè)確定的可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值，這時(shí)和，之間的關(guān)系是 （4-9） （4-10）以上兩式稱作準(zhǔn)則的“最佳頻比”，因而有 （4-11）確定之后根據(jù)式（4-7）和式（4-11）即可分別求得和。根據(jù)（4-8）和（4-11）可得 （4-12）由式（4-12）可知轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為 （4-13）因此 （4-14）4.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)的計(jì)算已知，則電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)： 已知，則小時(shí)間常數(shù)近似處理的時(shí)間常數(shù)為：按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則的超前時(shí)間常數(shù)為： 由式（4-13）可知轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： 由（4-14）可知的比例系數(shù)為： 4.4 校驗(yàn)由式（4-12）可知轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻

13、率為： 1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)條件滿足簡(jiǎn)化要求。2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。4.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容圖4-5 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)圖4-5，已知，則，取，取4.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量表4-1 典型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)（按準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系）34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%2.402.652.853.03.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.2032211111當(dāng)時(shí)，由表4-1，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表4-1是按線性系

14、統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。五轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算計(jì)算退飽和超調(diào)量時(shí)，起動(dòng)過程可按分段線性化的方法來處理。當(dāng)飽和時(shí)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，電流環(huán)輸入恒定電壓，如果忽略電流環(huán)短暫的跟隨過程，其輸出量也基本上是恒定值，因而電動(dòng)機(jī)基本上按恒加速度起動(dòng)，其加速度為 （5-1）這個(gè)加速過程一直延續(xù)到時(shí)刻時(shí)為止。取式（5-1）的積分，得 （5-2）考慮到和，則 （5-3）退飽和后，轉(zhuǎn)速環(huán)恢復(fù)到線性范圍內(nèi)運(yùn)行，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖4-1。描述系統(tǒng)的微分方程和前面分析線性系統(tǒng)的跟隨性能時(shí)相同，只是初始條件不同了。分析線性系統(tǒng)跟隨性時(shí)，初始條

15、件為，討論退飽和超調(diào)時(shí)，飽和階段的終了狀態(tài)就是退飽和階段的初始狀態(tài)，只是把時(shí)間坐標(biāo)零點(diǎn)從移到時(shí)刻即可。因此，退飽和的初始條件是，由于初始條件發(fā)生了變化，盡管兩種情況的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和微分方程完全一樣，過渡過程還是不同的。因此，退飽和超調(diào)量并不等于典型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)中的超調(diào)量。當(dāng)選用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，圖4-1所示的調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可以繪成圖5-1。由于感興趣的是在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速以上的超調(diào)部分，即只考慮，可以把初始條件轉(zhuǎn)化為，。由于圖5-2的給定信號(hào)為零，可以不畫，而把的反饋?zhàn)饔梅答伒街魍ǖ赖谝粋€(gè)環(huán)節(jié)的輸出量上，得到圖5-3。為了保持圖5-3和圖5-2各量間的加減關(guān)系不變，圖5-3中的和的+、-號(hào)相應(yīng)的變化

16、。圖5-1 調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖以轉(zhuǎn)速為輸出量圖5-2 調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖以轉(zhuǎn)速超調(diào)值為輸出量圖5-3 調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖5-2的等效變化可以把退飽和超調(diào)看作是在的負(fù)載下以穩(wěn)定運(yùn)行，在時(shí)刻負(fù)載由 減小到，轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)速升與恢復(fù)的過程?？衫帽?-1給出的典型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)來計(jì)算退飽和超調(diào)量，只要注意的基準(zhǔn)值即可。表5-1 典型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系34567891072.2%775%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85在典型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)中，的基準(zhǔn)值的為 （5-4）可知 ，所以的基準(zhǔn)應(yīng)是 (5-5)令表示電機(jī)允許的過載倍數(shù)，即，表示負(fù)載系數(shù)，為調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械的額定穩(wěn)態(tài)速降，代入（5-5），可得 （5-6）作為轉(zhuǎn)速的超調(diào)量，其基準(zhǔn)值應(yīng)該是，因此退飽和超調(diào)量可以由表5-1列出的數(shù)據(jù)經(jīng)基準(zhǔn)值換算后求得，即 （5-7）設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，已知電機(jī)允許的過載倍數(shù)，A，。當(dāng)，由表5-1查得=81.2%，將數(shù)據(jù)代入式（5-7），可得能滿足超調(diào)量的要求。根據(jù)式（5-3）可以求得會(huì)比的值略大一點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中系統(tǒng)等有一定的誤差范圍，所以，可以滿足設(shè)計(jì)要求六總結(jié)通