電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(陳伯時(shí))ppt1-6閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),*,電力傳動(dòng)控制系統(tǒng),*,閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng),電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),第,1,章,1,本章提要,1.1,直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源,1.2,晶閘管,-,電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（,V-M,系統(tǒng)）的主要問題,1.3,直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題,1.4,反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì),1.5,反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì),1.6,比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng),2,本節(jié)要點(diǎn)：,1,PI,調(diào)節(jié)器的構(gòu)成及其參數(shù)的物理實(shí)質(zhì)分析；,2,伯德圖,開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性在串聯(lián)校正設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2、方法；,3.,積分調(diào)節(jié)器和積分控制的一般規(guī)律；,4.,比例積分控制的一般規(guī)律,;,5.,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析。,重點(diǎn)、難點(diǎn)：,1.,伯德圖,開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性在串聯(lián)校正設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法,2.,積分控制和比例積分控制的一般規(guī)律,3,1.6,比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng),前采用,比例（,P,）,放大器,控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有一定的穩(wěn)定裕度，同時(shí)還能滿足一定的穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)。但是，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是,有靜差的,調(diào)速系統(tǒng)。,本節(jié)將討論，采用,積分（,I,）,調(diào)節(jié)器,或,比例積分（,PI,）,調(diào)節(jié)器,代替比例放大器，構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。,4,1.6.1,問題的提出

3、,如前，,采用,P,放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng),，,K,p,越大，系統(tǒng)精度越高；但,K,p,過大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。,進(jìn)一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為,U,c,=,K,p,U,n,U,c,0,，,電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，即,U,n,0,；,U,c,=0,，,電動(dòng)機(jī)停止。,5,閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,6,因此，在采用,比例調(diào)節(jié)器控制的自動(dòng),系統(tǒng)中，輸入偏差是維持系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，必然要產(chǎn)生靜差，因此是,有靜差系統(tǒng),。,如果要消除系統(tǒng)誤差，必須尋找其它控制方法，比如：,采用積分（,Integration,）,調(diào)節(jié)器,或,比例積分（,PI,）,調(diào)節(jié)器,來代替比例

4、放大器,。,1.6.1,問題的提出,7,1.6.2,積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律,+,+,C,U,ex,R,bal,U,in,R,0,+,A,圖,1-43,積分調(diào)節(jié)器,a),原理圖,1.,積分調(diào)節(jié)器,如圖，由運(yùn)算放大器可構(gòu)成一個(gè)積分電路。根據(jù)電路分析，可得,8,(1-64),式中，,積分時(shí)間常數(shù)。,當(dāng)初始值為零時(shí)，在階躍輸入作用下，對(duì)式（,1-64,）進(jìn)行運(yùn)算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出,(1-65),9,2.,積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為,(1-66),10,3.,積分調(diào)節(jié)器的特性,11,4.,轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律,如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓,U,c,是轉(zhuǎn)速偏差電壓,U,n,的積分，按

5、照式（,1-64,），應(yīng)有,如果,U,n,是階躍函數(shù)，則,U,c,按線性規(guī)律增長，每一時(shí)刻,U,c,的大小和,U,n,與橫軸所包圍的面積成正比，如下圖,a,所示。,12,圖,1-45,積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程,a),階躍輸入,b),一般輸入,輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程,U,n,是負(fù)載變化時(shí)的偏差電壓波形，按照,U,n,與橫軸所包圍面積的正比關(guān)系，可得相應(yīng)的,U,c,曲線。,圖中,U,n,的最大值對(duì)應(yīng)于,U,c,的拐點(diǎn),若初值不是零，還應(yīng)加上初始電壓,U,c0,，則積分式變成,在動(dòng)態(tài)過程中，當(dāng),U,n,變化時(shí)（只要其極性不變），即只要仍是,U,n*,U,n,，積分調(diào)節(jié)器的輸出,U,c,便一直增長,

6、只有達(dá)到,U,n*=,U,n,，,U,n,=0,時(shí)，,U,c,才停止上升；不到,U,n,變負(fù)，,U,c,不會(huì)下降。,(,在這里，值得特別強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng),U,n,=0,時(shí)，,U,c,并不是零，而是一個(gè)終值,U,cf,。,),如果,U,n,不再變化，此終值便保持恒定不變，這是積分控制的特點(diǎn),結(jié)果：,采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號(hào)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速,13,5.,比例與積分控制的比較,有靜差調(diào)速系統(tǒng),當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由,T,L1,突增到,T,L2,時(shí)，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速,n,、,偏差電壓,U,n,和控制電壓,U,c,的變化過程示于下圖。,14,圖,1-44

7、,有靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載過程,突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程,15,無靜差調(diào)速系統(tǒng),圖,1-46,積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng),突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程,雖然現(xiàn)在,U,n,=0,，,只要?dú)v史上有過,U,n,，,其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓,U,c,。,積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此,。,論斷：,比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而,積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史,。,在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速偏差電壓,U,n,必為零。如果,U,n,不為零，則,U,c,繼續(xù)變化，就不是穩(wěn)態(tài)了,在突加負(fù)載引起動(dòng)態(tài)速降時(shí)產(chǎn)生,U,n,，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，,U,n,又恢復(fù)為零,U,c,從

8、,U,c1,上升到,U,c2,，使電樞電壓由,U,d1,上升到,U,d2,，以克服負(fù)載電流增加的壓降,16,1.6.3,比例積分控制規(guī)律,從無靜差的角度來說，積分控制優(yōu)于比例控制，但是另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻不如比例控制。,在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變（如下圖所示）,。,17,兩種調(diào)節(jié)器特性比較,兩種調(diào)節(jié)器,I/O,特性曲線,18,那么，如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，該怎么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，這便是,比例積分控制,。,19,1.PI,調(diào)節(jié)器,在模擬電子控制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn),PI

9、,調(diào)節(jié)器，其線路如圖所示,。,20,2.PI,輸入輸出關(guān)系（,P37,）,按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得,(1-60),式中,PI,調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；,PI,調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。,由此可見,PI,調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成。,21,3.PI,調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),當(dāng)初始條件為零時(shí)，取式,（,1-60,）兩側(cè)的拉氏變換，移項(xiàng)后，得,PI,調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。,令,，,則傳遞函數(shù)也可以寫成如下形式,(1-62),注意：,PI,調(diào)節(jié)器也可以用一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)來表示，,1,是微分項(xiàng)中的超前時(shí)間常數(shù)，它和積分時(shí)間常數(shù),的物理意義是不同的。,(1-61),22,4.P

10、I,調(diào)節(jié)器輸出時(shí)間特性,零初始狀態(tài)和階躍輸入下，可以看出比例積分作用的物理意義,突加輸入信號(hào)時(shí)，電容,C,1,兩端電壓不能突變，相當(dāng)于兩端瞬間短路，在運(yùn)算放大器反饋回路中只剩下電阻,R,1,，電路等效于一個(gè)放大系數(shù)為,K,pi,的比例調(diào)節(jié)器，在輸出端立即呈現(xiàn)電壓,K,pi,U,in,，實(shí)現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長處,隨著電容,C,1,被充電，輸出電壓,U,ex,開始積分，其數(shù)值不斷增長，直到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，,C,1,兩端電壓等于,U,ex,，,R,1,已不起作用，又和積分調(diào)節(jié)器一樣了，這時(shí)又能發(fā)揮積分控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無靜差,比例積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程。輸出波形中比例部分和,U,

11、n,成正比，積分部分是,U,n,的積分曲線，而,PI,調(diào)節(jié)器的輸出電壓,U,c,是這兩部分之和,+,U,c,既具有快速響應(yīng)性能，又足以消除調(diào)速系統(tǒng)的靜差。,除此以外，比例積分調(diào)節(jié)器還是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的校正裝置，因此，它在調(diào)速系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。,23,分析結(jié)果,由此可見，,比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn),，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長避短，互相補(bǔ)充。,比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。,24,1.6.4,無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算,系統(tǒng)組成,工作原理,穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性,參數(shù)計(jì)算,25,1.,系統(tǒng)組成,圖,1-48,無靜差直流調(diào)速系

12、統(tǒng),+,+,-,+,-,M,TG,+,-,RP,2,n,RP,1,U,*,n,R,0,R,0,R,bal,U,c,VT,VS,U,i,TA,L,I,d,R,1,C,1,U,n,U,d,-,+,M,TG,采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無靜差，采用電流截止負(fù)反饋來限制動(dòng)態(tài)過程的沖擊電流,TA,為檢測(cè)電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號(hào)。,當(dāng)電流超過截止電流時(shí)，高于穩(wěn)壓管,VST,的擊穿電壓，使晶體三極管,VT,導(dǎo)通，則,PI,調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電子變換器,UPE,的輸出電壓急劇下降，達(dá)到限制電流的目的,26,3.,穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性,當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流低于其截止值時(shí)，上述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于下

13、圖，其中代表,PI,調(diào)節(jié)器的方框中無法用放大系數(shù)表示，一般畫出它的輸出特性，以表明是比例積分作用。,27,穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性（續(xù)）,無靜差系統(tǒng)的理想靜特性如右圖所示。,當(dāng),I,d,I,dcr,時(shí)，電流截止負(fù)反饋起作用，靜特性急劇下垂，基本上是一條垂直線。整個(gè)靜特性近似呈矩形。,28,必須指出,嚴(yán)格地說，,“,無靜差,”,只是理論上的，實(shí)際系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，,PI,調(diào)節(jié)器積分電容兩端電壓不變，相當(dāng)于運(yùn)算放大器的反饋回路開路，其放大系數(shù)等于運(yùn)算放大器本身的開環(huán)放大系數(shù)，數(shù)值雖大，但并不是無窮大。因此其輸入端仍存在很小的靜差，而不是零。,這就是說，實(shí)際上仍有很小的靜差，只是在一般精度要求下可以忽略不計(jì)而已

14、。,29,4.,穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算,無靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算很簡(jiǎn)單，在理想情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí),U,n,=0,，,因而,U,n,=,U,n,*,，,可以按式（,1-67,）直接計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù),（,1-67,）,電動(dòng)機(jī)調(diào)壓時(shí)的最高轉(zhuǎn)速；,相應(yīng)的最高給定電壓。,n,max,U,*,nmax,30,電流截止環(huán)節(jié)的參數(shù)很容易根據(jù)其電路和截止電流值,I,dcr,計(jì)算出。,PI,調(diào)節(jié)器的參數(shù),K,pi,和,可按動(dòng)態(tài)校正的要求計(jì)算。,31,*,1.6.5,系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算（二）,系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì),例題,1-8,在例題,1-5,中，已經(jīng)判明，按照穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)設(shè)計(jì)的閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。試?yán)貌聢D設(shè)計(jì),PI,調(diào)節(jié)

15、器，使系統(tǒng)能在保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。,32,解,（,1,）被控對(duì)象的開環(huán)頻率特性分析,式（,1-56,）已給出原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下,已知,T,s,=0.00167s,，,T,l,=0.017s,，,T,m,=0.075s,，,在這里，,T,m,4,T,l,，,因此分母中的二次項(xiàng)可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即,33,根據(jù)例題,1-4,的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)已取為,于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是,34,系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻及相頻特性,相角裕度,和增益裕度,GM,都是負(fù)值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定,35,其中三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率（或稱交接頻率）分別為,36,（,2,）,PI,調(diào)節(jié)

16、器設(shè)計(jì),為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)置,PI,調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)時(shí)須繪出其對(duì)數(shù)頻率特性。,考慮到原始系統(tǒng)中已包含了放大系數(shù)為的比例調(diào)節(jié)器，現(xiàn)在換成,PI,調(diào)節(jié)器，它在原始系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新添加部分的傳遞函數(shù)應(yīng)為,37,PI,調(diào)節(jié)器對(duì)數(shù)頻率特性,-20,L,/dB,+,O,O,2,-,1,K,P,/s,-1,1,K,Pi,1,1,=,相應(yīng)的對(duì)數(shù)頻率特性繪于圖,1-41,中。,實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)系統(tǒng)要求的動(dòng)態(tài)性能或穩(wěn)定裕度，確定校正后的預(yù)期對(duì)數(shù)頻率特性，與原始系統(tǒng)特性相減，即得校正環(huán)節(jié)特性,具體的設(shè)計(jì)方法是很靈活的，有時(shí)須反復(fù)試湊，才能得到滿意的結(jié)果,本例題的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以采用比較簡(jiǎn)便方法，由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為放大系數(shù),K,過大，截止頻率過高，應(yīng)該設(shè)法把它們壓下來,為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度，它的對(duì)數(shù)幅頻特性應(yīng)以,20dB/dec,的斜率穿越,0dB,線,38,O,系統(tǒng)校正的對(duì)數(shù)頻率特性,校正后的系統(tǒng)特性,校正前的系統(tǒng)特性,把圖中的原始系統(tǒng)特性壓低，使校正后特性的截止頻率,c2,1/,T,2,。在,c2,處，應(yīng)有,可令，,K,pi,=,T,1,使校正裝置的比例微分項(xiàng)（,K,pi,s,+