转速反馈控制 13概要ppt课件.ppt
3.3.3 按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器,自动化学院,2,先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和处理；然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统（或型系统）；再按照控制对象确定电流调节器的类型（P 或 PI）；最后按动态性能指标要求确定电流调节器的参数（K、 ） ，即实现调节器设计的最终目标。,用工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。具体步骤是：,电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。,3,双闭环调速系统的实际动态图如图3-18所示，它增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。 设置滤波环节的必要性：由于反馈信号检测中含有谐波和其它扰动量，为了抑制各种扰动量对系统的影响，需加低通滤波。该滤波环节的传递函数可用一阶惯性环节表示，其滤波时间常数按需要选定。 在抑制扰动量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了抵消这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。它的意义是：让给定信号和反馈信号经过相同的延迟，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。,4,Toi电流反馈滤波时间常数； Ton转速反馈滤波时间常数,图3-18 双闭环调速系统的动态结构图,*一阶低通滤波器，传递函数为惯性环节，滤除反馈中的高频谐波干扰,*,*,5,1电流调节器的设计,反电动势是电流环的扰动输入， 它与转速成正比。一般情况下，系统的电磁时间常数 Tl 远小于机电时间常数 Tm，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多。对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即E 0。因此，在按动态性能设计电流环时，可不考虑反电动势变化的动态影响。也就是把反电动势的作用去掉，得到忽略电动势影响的电流环近似结构图，如图 3-19 a 所示。忽略反电动势对电流环作用的近似条件是： 式中：ci电流环开环频率特性的截止频率。,6,图3-19 电流环的动态结构图及其化简,忽略反电动势的动态影响,7,把给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道，再把给定信号改成电流U*i(s) /，则电流环等效成单位负反馈系统。注意ACR的输入不变。,图3-19 电流环的动态结构图及其化简(b) 等效成单位负反馈系统,8,Ti = Ts + Toi,则电流环结构图简化成图3-19(c)，根据式(3-38)，简化的近似条件为,图3-19 电流环的动态结构图及其化简,由于 Ts 和 Toi 一般都比 Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似为一个惯性环节，其时间常数为：,小惯性环节近似处理,9,在设计电流调节器时，首先考虑应把电流环校正成哪一类型系统。从稳态要求考虑：要求电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用型系统就可以满足要求。从动态要求考虑：实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。因此，电流环应以跟随性能为主，即选用典型型系统。,10,如图3-19(c)所示，电流环的控制对象是两个时间常数大小相差较大的双惯性型的控制对象。电流调节器选择：PI型的电流调节器，其传递函数为：,Ki 电流调节器的比例系数； i 电流调节器的超前时间常数。,待定系数:,电流环开环传递函数为：,11,电流环的动态结构图如图3-20a所示，图3-20b 绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性。,因为 Tl Ti，故选择 PI 调节器参数i= Tl ，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，从而校正成典型 I 型系统，因此，开环传递函数变为：,其中,12,图3-20 校正成典型I型系统的电流环a) 动态结构图 b) 开环对数幅频特性,13,(3-52),(3-51),若要求电流超调量i 5%，由表3-1，可选择 KITi =0.5，则,再根据,得到,14,电流调节器的模拟电路硬件实现,U*i 电流给定电压； Id 电流负反馈电压； Uc 电力电子变换器的控制电压。,图3-21 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器,15,电流调节器的等效模型,按典型型系统设计的电流环的闭环传递函数为：,16,采用高阶系统的降阶近似处理方法，忽略高次项，Wcli(s)可降阶近似为,根据式（3-43），得到降阶近似为,式中，cn为转速环开环频率特性的截止频率。,17,因此，电流环在转速环中应等效为：,电流的闭环控制改变了控制对象，把双惯性环节的电流环控制对象近似地等效成只有较小时间常数 1/KI 的一阶惯性环节，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。,18,例题3-1,某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置放大系数：Ks=40；电枢回路总电阻：R=0.5；时间常数：Tl = 0.03s， Tm= 0.18s；电流反馈系数：=0.05V/A（10V/1.5IN）。设计要求 设计电流调节器，要求电流超调量,19,解,(1) 确定时间常数按表2-2，三相桥式整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s电流滤波时间常数Toi=2ms=0.002s。 To=谐波周期/(12) Toi电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi= 0.0037s。(2) 选择电流调节器结构要求i5%，并保证稳态电流无差，按典型I型系统设计电流调节器。用PI型电流调节器。,20,(3) 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl = 0.03s。电流环开环增益：取KITi= 0.5，因此 于是，ACR的比例系数为,21,2转速调节器的设计,电流环是二阶振荡环节，令转速环无法设计为典型系统（典型I、II型系统的开环传递函数是不包含振荡环节的）解决方法：高阶系统的降阶近似处理，降阶近似为电流环在转速环中等效为,22,图3-22 转速环的动态结构图及其简化a) 用等效环节代替电流环,用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图如图3-22a所示。,电流环等效传递函数,给定滤波环节,23,图3-22 转速环的动态结构图及其简化(b)等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理,把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s) /；把时间常数为 1 / KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并，近似成一个时间常数为Tn 的惯性环节，即,24,由此可知，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：,转速环的控制对象有一个积分环节；为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中；,Kn 转速调节器的比例系数； n 转速调节器的超前时间常数。,待定参数,因此，转速开环传递函数应有两个积分环节，故按典型型系统设计。这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。 至于其阶跃响应超调量较大的问题，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。,25,调速系统的开环传递函数为：令转速环开环增益 KN 为： 则,不考虑负载扰动IdL时，调速系统被校正成典型型系统，其动态结构图如图3-22c所示。,26,图3-22 转速环的动态结构图及其简化(c)校正后成为典型型系统,再由式（3-29）得,因此，,而中频宽 h 的取值由动态性能的要求决定。根据表3-4、3-5中的数据，无特殊要求时，一般以选择 h = 5 为好。,按照典型型系统的参数关系，按照式（3-29），有,27,转速调节器模拟电路硬件实现,U*n 转速给定电压； -n 转速负反馈电压； U*i 电流调节器的给定电压。,图3-23 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器,28,例题3-2,在例题3-1中，除已给数据外，已知：转速反馈系数=0.07Vmin/r（10V/nN），要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量n10%。试按工程设计方法设计转速调节器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。,29,解,（1）确定时间常数 1）电流环等效时间常数。由例题3-1，已取KITi=0.5， 则 2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况， 取Ton=0.01s。 3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取,30,2）选择转速调节器结构选用PI调节器，3）计算转速调节器参数取h = 5，则ASR的超前时间常数为转速环开环增益： ASR的比例系数为,31,（6）校核转速超调量当 h = 5时，由表3-4查得，n%=37.6%，不能满足设计要求。表3-4是按线性系统计算的，若ASR饱和，则系统变为非线性，表3-4的n不成立。当突加阶跃给定时，ASR必饱和，应在ASR退饱和时重新计算超调量。,32,3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真,采用了转速、电流反馈控制直流调速系统，设计者要选择ASR和ACR两个调节器的 PI参数，有效的方法是使用调节器的工程设计方法。工程设计是在一定的近似条件下得到的，再用MATLAB仿真软件进行仿真，可以根据仿真结果对设计参数进行必要的修正和调整。,33,1电流环的仿真,图3-27电流环的仿真模型,考虑到反电动势变化的动态影响,E,Id,Uc,Ui=10V,滤波环节,反馈滤波环节,34,图3-28 Saturation模块对话框,饱和非线性模块(Saturation)，来自于Discontinuities组,饱和上界 ，改为10。,饱和下界 ， 改为-10。,35,图3-29 电流环的仿真结果,PI 参数是根据例题3-1计算的结果设定 （P83）,在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于200A，即,其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动。,36,图3-30无超调的仿真结果,PI调节器的传递函数为,37,图3-31 超调量较大的仿真结果,PI调节器的传递函数为,38,2转速环的系统仿真,图3-32 转速环的仿真模型,1/Ce,n,Id,E,电流环,转速环,39,图3-33聚合模块对话框,从Signal Routing组中选用了Mux模块来把几个输入聚合成一个向量输出给Scope 。,输入量的个数设置为2,40,图3-34转速环空载高速起动波形图,ASR调节器的传递函数为：,双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10,41,图3-35转速环满载高速起动波形图,把负载电流设置为136，满载起动，其转速与电流响应曲线如图3-35 所示，起动时间延长，退饱和超调量减少。,42,图3-36 转速环的抗扰波形图,利用转速环仿真模型同样可以对转速环抗扰过程进行仿真，它是在负载电流IdL(s)的输入端加上负载电流，图3-36是在空载运行过程中受到了额定电流扰动时的转速与电流响应曲线。,43,在工程设计时，首先根据典型 I 型系统或典型型系统的方法计算调节器参数；然后利用MATLAB下的SIMULINK软件进行仿真；灵活修正调节器参数，直至得到满意的结果。,
