自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計

電工電子實驗中心適用專業(yè)：自動化電氣工程及其自動化自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

主要內容1.雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及其靜特性2.數學模型和動態(tài)性能分析3.調節(jié)器的工程設計方法4.雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)器的設計自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計一、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)及其靜特性

轉速單閉環(huán)系統(tǒng)不能隨意控制電流和轉矩的動態(tài)過程。采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)只能限制電流的沖擊，并不能很好地控制電流的動態(tài)波形。

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

理想的快速起動過程IdLntIdOIdm帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)IdLntIdOIdmIdcrnn起動過程自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

希望能實現的控制在起動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋。達到穩(wěn)態(tài)后，只要轉速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用。

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG內環(huán)外環(huán)ni

轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計當ASR不飽和時，ASR成為主導的調節(jié)器，轉速負反饋起主要作用。Ks1/CeUcIdEnUd0++-IdRR

ACR-UiUPE當ASR飽和時，相當于電流單閉環(huán)系統(tǒng),

實現“只有電流負反饋，沒有轉速負反饋”自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖—轉速反饋系數

—電流反饋系數Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRR

ACR-UiUPE

穩(wěn)態(tài)結構框圖自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

調節(jié)器輸出限幅的作用

轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定電流給定電壓的最大值；電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

靜特性

設計時，使ACR不會達到飽和狀態(tài)。至于ASR，在CA段未飽和，在AB段飽和。

n0IdIdmIdNOnABC自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計（1）轉速調節(jié)器不飽和（U*i<U*im，Id<Idm）

（2）轉速調節(jié)器飽和(n<n0

)自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數計算穩(wěn)態(tài)工作中，兩個調節(jié)器都不飽和自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

PI調節(jié)器的特點

比例調節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量。

PI調節(jié)器未飽和時，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值是輸入的積分，直到輸入為零，才停止積分。這時，輸出量與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

反饋系數計算轉速反饋系數

電流反饋系數

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E二、數學模型和動態(tài)性能分析自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計起動過程分析

n

OOttIdm

Id

IIIIIIt4

t3

t2

t1

按轉速調節(jié)器ASR不飽和、飽和、退飽和分成三個階段：

I.電流上升階段II.恒流升速階段III.轉速調節(jié)階段

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程的特點（1）飽和非線性控制（2）轉速超調（3）準時間最優(yōu)控制(有限制條件的最短時間控制)

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計動態(tài)抗擾性能分析

調速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能，主要是抗負載擾動和抗電網電壓擾動的性能自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId1.抗負載擾動±?IdL自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計2.抗電網電壓擾動-IdL±?Ud

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

轉速和電流兩個調節(jié)器的作用

轉速調節(jié)器的作用

（1）轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PI調節(jié)器，則可實現無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）輸出限幅值決定電機允許的最大電流。

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計2.電流調節(jié)器的作用（1）作為內環(huán)的調節(jié)器，在外環(huán)轉速的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨外環(huán)調節(jié)器的輸出量變化。（2）對電網電壓波動起及時抗擾作用。（3）在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。（4）當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計三、調節(jié)器的工程設計方法（1）概念清楚、易懂；（2）計算公式簡明、好記；（3）不僅給出參數計算的公式，而且指明調整參數的方向；（4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式；（5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計工程設計方法的基本思路

設計工作分兩步走：1.選擇調節(jié)器的結構，使系統(tǒng)典型化，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。2.再選擇調節(jié)器的參數，以滿足動態(tài)性能指標的要求。自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計調節(jié)器結構的選擇系統(tǒng)校正控制對象

調節(jié)器

輸入輸出典型系統(tǒng)

輸入輸出選擇調節(jié)器，將控制對象校正成為典型系統(tǒng)。自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

典型I型系統(tǒng)

T—

系統(tǒng)的慣性時間常數；

K—

系統(tǒng)的開環(huán)增益。選擇參數，保證或，使系統(tǒng)足夠穩(wěn)定。自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計典型Ⅱ型系統(tǒng)保證系統(tǒng)足夠穩(wěn)定或自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標

調速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計系統(tǒng)典型的階躍響應曲線±5%（或±2%）

0Otrts自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計階躍響應跟隨性能指標

tr

—

上升時間—

超調量

ts

—

調節(jié)時間自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標±5%（或±2%）

O

tmtvCb自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

抗擾性能指標

Cmax

—

動態(tài)降落

tv

—

恢復時間

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計I型和Ⅱ型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別。典型I型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調小，但抗擾性能稍差，典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調量相對較大，抗擾性能卻比較好。典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)的比較自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標與參數的關系輸入信號階躍輸入斜坡輸入加速度輸入

穩(wěn)態(tài)誤差

0v0/K

（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標：不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標在階躍輸入下的

I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無差的；但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與K值成反比；在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為。因此，I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動系統(tǒng)。自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計（2）動態(tài)跟隨性能指標參數關系KT0.250.390.50.691.0阻尼比超調量上升時間tr峰值時間tp

相角穩(wěn)定裕度

截止頻率c

1.00%

76.3°0.243/T

0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T

65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T

51.8°0.786/T自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計典型I型系統(tǒng)的抗擾性能指標典型I型系統(tǒng)

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計擾動作用下的典型I型系統(tǒng)

只討論抗擾性能時，輸入作用R=0。

取，則自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計階躍擾動作用下的輸出變化量階躍擾動：輸出變化量：當時自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

55.5%33.2%18.5%12.9%tm

/T2.83.43.84.0tv

/T14.721.728.730.4典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與

參數的關系（KT=0.5,Cb=FK2/2)自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

典型II型系統(tǒng)性能指標和參數的關系

時間常數T是控制對象固有的，而待定的參數有兩個：K和。

定義中頻寬：自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)對數幅頻特性0-20

–40

-40

/s-1c=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec中頻寬自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計參數之間的一種最佳配合采用“振蕩指標法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準則，可以找到和兩個參數之間的一種最佳配合，自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計則

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計輸入信號階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差00（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差

典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標和參數的關系自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時均無差；加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益K成反比。自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

（2）動態(tài)跟隨性能指標

h345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201按Mrmin準則確定參數關系時自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計典型Ⅱ型系統(tǒng)抗擾性能指標和參數的關系+0自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

在階躍擾動下，

階躍擾動的輸出響應Cb=2FK2T取輸出量基準值為自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數的關系

h345678910

Cmax/Cbtm

/T

tv

/T

72.2%

2.4513.6077.5%2.70

10.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85（參數關系符合最小Mr準則）自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計校正成典型I型系統(tǒng)的幾種調節(jié)器選擇控制對象調節(jié)器參數配合T1、T2T3T1T2自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

傳遞函數近似處理（1）高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理

小慣性環(huán)節(jié)可以合并自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計近似條件自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計（2）高階系統(tǒng)的降階近似處理設三階系統(tǒng)a，b，c都是正數，且bca，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。降階處理：忽略高次項，得近似的一階系統(tǒng)近似條件：自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計（3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理

時間常數特別大的慣性環(huán)節(jié)，可以近似為積分環(huán)節(jié)，即近似條件：

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計四、雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)器的設計

用工程設計方法設計轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器，先內環(huán)后外環(huán)，即從內環(huán)開始，逐步向外擴展。首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計-IdL(s)Ud0(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*I(s)Uc(s)KsTss+1Id1Ce+E

Tois+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

Tons+1U*n(s)n(s)電流環(huán)

轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)E(s)（增加了濾波環(huán)節(jié)）自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計設計分為以下幾個步驟：1.電流環(huán)結構圖的簡化2.電流調節(jié)器結構的選擇3.電流調節(jié)器的參數計算4.電流調節(jié)器的實現電流調節(jié)器的設計自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)簡化后的電流環(huán)結構圖按典型I型系統(tǒng)設計，ACR選PI調節(jié)器。，自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)

動態(tài)結構框圖

開環(huán)對數幅頻特性:OL/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decT∑i校正后電流環(huán)的結構和特性自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計設計步驟：1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數2.轉速調節(jié)器結構的選擇3.轉速調節(jié)器參數的選擇4.轉速調節(jié)器的實現

轉速調節(jié)器的設計自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

電流環(huán)等效傳遞函數

原來雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數的一階慣性環(huán)節(jié)。自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

電流閉環(huán)控制的意義

電流閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內環(huán)）控制的一個重要功能。自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計簡化后的轉速環(huán)結構n

(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s)/

Tns+1+-IdL

(s)自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計轉速調節(jié)器選擇ASR采用PI調節(jié)器令則自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計n

(s)+-U*n(s)校正后的調速系統(tǒng)自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計轉速調節(jié)器的參數計算

按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數關系，因此

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計轉速環(huán)與電流環(huán)的關系

外環(huán)的響應比內環(huán)慢，這是按上述工程設計方法設計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。這樣做，雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調試工作非常有利。

自控系統(tǒng)課程設計課件雙閉環(huán)直流調速的創(chuàng)新系統(tǒng)設計

轉速調節(jié)器退飽和超調

起動時，轉速調節(jié)系統(tǒng)不服從典型系統(tǒng)的線性規(guī)律，