直流电动机转速电流双闭环控制系统设计课件.ppt
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1、 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 1 直流电动机转速直流电动机转速/ /电流双闭环控制系统设计电流双闭环控制系统设计2 2 基于双闭环基于双闭环PIDPID控制的一阶倒立摆控制系统设计控制的一阶倒立摆控制系统设计3 3 龙门吊车重物防摆的鲁棒龙门吊车重物防摆的鲁棒PIDPID控制方案控制方案4 4 龙门吊车重物防摆的滑模变结构控制方案龙门吊车重物防摆的滑模变结构控制方案5 5 一阶直线倒立摆系统的可控性研究一阶直线倒立摆系统的可控性研究7 7 问题与探究问题与探究-灵长类仿生机器人运动控制灵长类仿生机器人运动控制6 6 自平衡式两轮电
2、动车运动控制技术研究自平衡式两轮电动车运动控制技术研究 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 1 直流电动机转速直流电动机转速/ /电流双闭环控制系统设计电流双闭环控制系统设计一、系统建模一、系统建模 1.1 电动机的数学模型电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与与
3、ACR的工程设计方法的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性起动特性 3.2 抗扰性能抗扰性能 四、结论四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计自自70年代以来,国内外在电气传动领域里,大量地采年代以来,国内外在电气传动领域里,大量地采用了用了“晶闸管整流电动机调速晶闸管整流电动机调速”技术(简称技术(简称V-M调速调速系统)。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛系统)。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展,但在工业生产中进的发展,但在工业生产中V-M系统的应用还是
4、占有系统的应用还是占有相当比重的。相当比重的。 automatic current regulator (ACR) 自动电流调节器自动电流调节器 automatic speed regulator (ASR)自动速度调节器自动速度调节器.实际上就是调速器实际上就是调速器 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计建模根据额定励磁下他励直流电动机的等效根据额定励磁下他励直流电动机的等效电路,可以写出回路中电压和转矩平衡电路,可以写出回路中电压和转矩平衡的微分方程的微分方程 Harbin Institute o
5、f Technology系统建模与仿真系统建模与仿真 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真电动机的数学模型电动机的数学模型通过对上面两式进行拉氏变换后,可通过对上面两式进行拉氏变换后,可以得到电动机的数学模型(动态传递以得到电动机的数学模型(动态传递函数形式)函数形式) 其中 lLTR为电枢回路电磁时间常数为电枢回路电磁时间常数 2375memGD RTC C为电机系统机电时间常数为电机系统机电时间常数 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 1 直流电动机转速直流电动机转速/ /电流双闭环
6、控制系统设计电流双闭环控制系统设计一、系统建模一、系统建模 1.1 电动机的数学模型电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与与ACR的工程设计方法的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性起动特性 3.2 抗扰性能抗扰性能 四、结论四、结论 Harbin Institute of Technology系统
7、建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节,其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间的放大环节,其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间引起的。考虑到失控时间很小,忽略其高次项,则其引起的。考虑到失控时间很小,忽略其高次项,则其传递函数可传递函数可近似成一阶惯性环节近似成一阶惯性环节,如下式所示,如下式所示0( )( )1dsctsUsKUsT s Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真直流电动机转速直流电动机转速/ /电流双闭环控制系
8、统设计电流双闭环控制系统设计一、系统建模一、系统建模 1.1 电动机的数学模型电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计二、电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与与ACR的工程设计方法的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性起动特性 3.2 抗扰性能抗扰性能 四、结论四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与
9、仿真系统建模与仿真1 1 直流电动机转速直流电动机转速/ /电流双闭环控制系统设计电流双闭环控制系统设计 比例放大器、测速发电机和电流互感器的响应通比例放大器、测速发电机和电流互感器的响应通常都可以认为是瞬时的,但是在电流和转速的检测信常都可以认为是瞬时的,但是在电流和转速的检测信号中常含有交流分量(噪声),故在反馈通道和给定号中常含有交流分量(噪声),故在反馈通道和给定信号前均加入滤波环节。信号前均加入滤波环节。 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计一、系统建模系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2
10、 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计1.启动的快速性问题启动的快速性问题 借助于借助于PI调节器的饱和非线性特性,使得调节器的饱和非线性特性,使得系统在电动机允许的过载能力下尽可能地系统在电动机允许的过载能力下尽可能
11、地快速启动。快速启动。 图4-5 理想电动机起动特性 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计2.提高系统抗扰性能提高系统抗扰性能 通过调节器的适当设计可使系统通过调节器的适当设计可使系统“转速环转速环”对于电网电压及负载对于电网电压及负载转矩的波动或突变等扰动予以控制(迅速抑制),在最大速降、转矩的波动或突变等扰动予以控制(迅速抑制),在最大速降、恢复时间等指标上达到最佳。恢复时间等指标上达到最佳。图图 双闭环控制直流调速系统负载扰动特性双闭环控制直流调速系统负载扰动特性 Harbin Institut
12、e of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计一、系统建模系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装置的数学模型 1.3双闭环调速系统的数学模型 二、电流环与转速环调节器设计电流环与转速环调节器设计 2.1 双闭环控制的目的 2.2 关于积分调节器的饱和非线性问题 2.3 ASR与ACR的工程设计方法 三、仿真实验三、仿真实验 3.1 起动特性 3.2 抗扰性能 四、结论 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计在图在图4-7中给出了控制
13、系统的中给出了控制系统的PI控制规律动态过程,从中我们可知:控制规律动态过程,从中我们可知: (a) (b)图图4-7 比例积分调节器结构及其输入输出动态过程比例积分调节器结构及其输入输出动态过程 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计1只要偏差只要偏差U存在,调节器的输出控制电压存在,调节器的输出控制电压Uc就会不断地无限制地增加。因此,就会不断地无限制地增加。因此,必须在必须在PI调节器调节器输出端加限幅装置输出端加限幅装置。2当当U =0时,时,Uc=常数。若要使常数。若要使Uc下降,必须下降,必
14、须使使U 0。因此,在直流调速控制系统中,若要使。因此,在直流调速控制系统中,若要使ASR退出饱状态(进入线形控制状态),就一定要退出饱状态(进入线形控制状态),就一定要产生超调现象。产生超调现象。3对于前向通道带有惯性环节的控制系统,若控对于前向通道带有惯性环节的控制系统,若控制器存在制器存在“积分作用积分作用”,则在给定作用下,系统输,则在给定作用下,系统输出一定会出现超调。出一定会出现超调。 Harbin Institute of Technology系统建模与仿真系统建模与仿真1 直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计一、系统建模系统建模 1.1 电动机的数学模型 1.2 晶闸管整流装
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