电力拖动自动控制系统(陈伯时)1-6闭环控制的直流调速系统课件.ppt
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1、11闭环控制的直流调速系统第第 1 1 章章22本章提要本章提要1.1 直流调速系统用的可控直流电源1.2 晶闸管-电动机系统(V-M系统)的主要问题1.3 直流脉宽调速系统的主要问题1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1.6 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统 33本节要点:本节要点:1 1PIPI调节器的构成及其参数的物理实质分析;调节器的构成及其参数的物理实质分析;2 2伯德图伯德图开环对数幅频和相频特性在串联校开环对数幅频和相频特性在串联校正设计中的应用方法;正设计中的应用方法;3.3.积
2、分调节器和积分控制的一般规律;积分调节器和积分控制的一般规律;4.4.比例积分控制的一般规律比例积分控制的一般规律;5.5.系统稳态抗扰误差分析。系统稳态抗扰误差分析。重点、难点:重点、难点:1.1.伯德图伯德图开环对数幅频和相频特性在串联校开环对数幅频和相频特性在串联校正设计中的应用方法正设计中的应用方法2.2.积分控制和比例积分控制的一般规律积分控制和比例积分控制的一般规律 441.6 比例积分控制规律和无静差调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统 前采用前采用比例(比例(P P)放大器)放大器控制的直流调速控制的直流调速系统,可使系统稳定,并有一定的稳定裕度,系统,可使系统稳定,并有一
3、定的稳定裕度,同时还能满足一定的稳态精度指标。但是,同时还能满足一定的稳态精度指标。但是,带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有有静差的静差的调速系统。调速系统。本节将讨论,采用本节将讨论,采用积分(积分(I I)调节器)调节器或或比例比例积分(积分(PIPI)调节器)调节器代替比例放大器,构成无代替比例放大器,构成无静差调速系统。静差调速系统。551.6.1 问题的提出问题的提出 如前,如前,采用采用P P放大器控制的有静差的放大器控制的有静差的调速系统调速系统,K Kp p 越大,系统精度越高;但越大,系统精度越高;但 K Kp p 过大,将降低系统稳定
4、性,使系统动态不过大,将降低系统稳定性,使系统动态不稳定。稳定。进一步分析静差产生的原因,由于采用进一步分析静差产生的原因,由于采用比例调节器,比例调节器,转速调节器的输出为转速调节器的输出为 U Uc c=K Kp p U Un nU Uc c 0 0,电动机运行,即,电动机运行,即 U Un n 0 0;U Uc c =0=0,电动机停止。,电动机停止。66 闭环系统的稳态结构框图闭环系统的稳态结构框图 77 因此,在采用因此,在采用比例调节器控制的自动比例调节器控制的自动系统中,输入偏差是维持系统运行的基础,系统中,输入偏差是维持系统运行的基础,必然要产生静差,因此是必然要产生静差,因此
5、是有静差系统有静差系统。如果要消除系统误差,必须寻找其它控如果要消除系统误差,必须寻找其它控制方法,比如:制方法,比如:采用积分(采用积分(IntegrationIntegration)调节器调节器或或比例积分(比例积分(PIPI)调节器)调节器来代替比来代替比例放大器例放大器。1.6.1 问题的提出问题的提出881.6.2 积分调节器和积分控制规律积分调节器和积分控制规律+CUexRbalUinR0+A图1-43 积分调节器a)原理图1.积分调节器积分调节器 如图,由如图,由运算放大器可运算放大器可构成一个积分构成一个积分电路。根据电电路。根据电路分析,可得路分析,可得99dtUdtUCRi
6、dtCUinin0ex111(1-64)式中,式中,积分时间常数。积分时间常数。当初始值为零时,在阶跃输入作用下,当初始值为零时,在阶跃输入作用下,对式(对式(1-641-64)进行运算,得积分调节器的输)进行运算,得积分调节器的输出出CR0tUUinex(1-65)10102.积分调节器的传递函数积分调节器的传递函数 积分调节器的传递函数为积分调节器的传递函数为 ssUsUsW1)()()(inexi(1-66)11113.积分调节器的特性积分调节器的特性12124.转速的积分控制规律转速的积分控制规律t0ncd1tUU 如果采用积分调节器,则控制电压如果采用积分调节器,则控制电压U Uc
7、c是转速偏差电压是转速偏差电压 U Un n的积分,按照式(的积分,按照式(1-1-6464),应有),应有 如果如果 Un是阶跃函数,则是阶跃函数,则 U Uc c 按线性规律按线性规律增长,每一时刻增长,每一时刻 U Uc c 的大小和的大小和 U Un n 与横轴与横轴所包围的面积成正比,如下图所包围的面积成正比,如下图 a a 所示。所示。1313图1-45 积分调节器的输入和输出动态过程a)阶跃输入 b)一般输入n 输入和输出动态过程输入和输出动态过程 Un 是负载变化是负载变化时的偏差电压波时的偏差电压波形,按照形,按照 Un与与横轴所包围面积横轴所包围面积的正比关系,可的正比关系
8、,可得相应的得相应的Uc 曲线。曲线。图中图中 Un 的最的最大值对应于大值对应于Uc 的的拐点拐点若初值不是零,还应加上初始电压Uc0,则积分式变成在动态过程中,在动态过程中,当当 Un 变化时变化时(只要其极性不(只要其极性不变),即只要仍变),即只要仍是是 Un*Un,积,积分调节器的输出分调节器的输出 Uc 便一直增长便一直增长只有达到只有达到 Un*=Un,Un=0时,时,Uc 才停止上升;不才停止上升;不到到 Un 变负,变负,Uc 不会下降。不会下降。(在这里,在这里,值得特别强调的是,值得特别强调的是,当当 Un =0时,时,Uc并不是零,而是一个并不是零,而是一个终值终值 U
9、cf。)如果如果 Un 不再变不再变化,此终值便保持化,此终值便保持恒定不变,这是积恒定不变,这是积分控制的特点分控制的特点结果:结果:采用积分调节采用积分调节器,当转速在稳器,当转速在稳态时达到与给定态时达到与给定转速一致,系统转速一致,系统仍有控制信号,仍有控制信号,保持系统稳定运保持系统稳定运行,实现无静差行,实现无静差调速调速14145.5.比例与积分控制的比较比例与积分控制的比较 有静差调速系统有静差调速系统 当负载转矩由TL1突增到TL2时,有静差调速系统的转速n、偏差电压 Un 和控制电压 Uc 的变化过程示于下图。1515图1-44 有静差调速系统突加负载过程 突加负载时的动态
10、过程突加负载时的动态过程1616n 无静差调速系统无静差调速系统图图1-46 积分控制无静差调速系统积分控制无静差调速系统突加负载时的动态过程突加负载时的动态过程 虽然现在虽然现在 U Un n=0=0,只要历史上有过只要历史上有过 U Un n ,其积分就有一定数值,其积分就有一定数值,足以产生稳态运行所足以产生稳态运行所需要的控制电压需要的控制电压 U Uc c。积分控制规律和比例积分控制规律和比例控制规律的根本区别控制规律的根本区别就在于此就在于此。论断:论断:比例调节器比例调节器的输出只取决的输出只取决于输入偏差量于输入偏差量的现状;而的现状;而积积分调节器的输分调节器的输出则包含了输
11、出则包含了输入偏差量的全入偏差量的全部历史部历史。在稳态运行时,在稳态运行时,转速偏差电压转速偏差电压 Un 必为零。必为零。如果如果 Un 不为不为零,则零,则 Uc 继继续变化,就不续变化,就不是稳态了是稳态了在突加负载引在突加负载引起动态速降时起动态速降时产生产生 Un,达,达到新的稳态时,到新的稳态时,Un 又恢复为又恢复为零零Uc 从从 Uc1 上升上升到到 Uc2,使电,使电枢电压由枢电压由 Ud1 上升到上升到 Ud2,以克服负载电以克服负载电流增加的压降流增加的压降17171.6.3 比例积分控制规律比例积分控制规律 从无静差的角度来说,积分控制从无静差的角度来说,积分控制优于
12、比例控制,但是另一方面,在控优于比例控制,但是另一方面,在控制的快速性上,积分控制却不如比例制的快速性上,积分控制却不如比例控制。控制。在同样的阶跃输入作用之下,比例在同样的阶跃输入作用之下,比例调节器的输出可以立即响应,而积分调节器的输出可以立即响应,而积分调节器的输出却只能逐渐地变(如下调节器的输出却只能逐渐地变(如下图所示)图所示)。1818 两种调节器特性比较两种调节器特性比较两种调节器I/O特性曲线1919 那么,如果既要稳态精度高,又那么,如果既要稳态精度高,又要动态响应快,该怎么办呢?只要要动态响应快,该怎么办呢?只要把比例和积分两种控制结合起来就把比例和积分两种控制结合起来就行
13、了,这便是行了,这便是比例积分控制比例积分控制。20201.PI调节器调节器 在模拟电子在模拟电子控制技术中,控制技术中,可用运算放大可用运算放大器来实现器来实现PIPI调调节器,其线路节器,其线路如图所示如图所示。21212.PI输入输出关系(输入输出关系(P37)按照运算放大器的输入输出关系,可得按照运算放大器的输入输出关系,可得tUUKtUCRURRUd1d1ininpiin10in01ex(1-60)01piRRK10CR式中式中 PI PI调节器比例部分的放大系数;调节器比例部分的放大系数;PI PI调节器的积分时间常数。调节器的积分时间常数。由此可见由此可见PIPI调节器的输出电压
14、由比例和积分两调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。部分相加而成。22223.PI调节器的传递函数调节器的传递函数 当初始条件为零时,取式(当初始条件为零时,取式(1-601-60)两侧)两侧的拉氏变换,移项后,得的拉氏变换,移项后,得PIPI调节器的传递函调节器的传递函数。数。ssKsKsUsUsW11)()()(pipiinexpissKsssW11pi1pi11)(11pi1CRK令令 ,则传递函数也可以写成如下形式则传递函数也可以写成如下形式(1-62)注意:注意:PI调节器也可以用一个积分环节调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来表示,和一个比例微分环节来表示,1 是微
15、是微分项中的超前时间常数,它和积分时间分项中的超前时间常数,它和积分时间常数常数 的物理意义是不同的。的物理意义是不同的。(1-61)23234.PI调节器输出时间特性调节器输出时间特性 零初始状态和阶跃输入下,零初始状态和阶跃输入下,可以看出比例积分作用的可以看出比例积分作用的物理意义物理意义突加输入信号时,电容突加输入信号时,电容C1两端电压不能突变,相两端电压不能突变,相当于两端瞬间短路,在运算放大器反馈回路中只当于两端瞬间短路,在运算放大器反馈回路中只剩下电阻剩下电阻R1,电路等效于一个放大系数为,电路等效于一个放大系数为 Kpi 的的比例调节器,在输出端立即呈现电压比例调节器,在输出
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