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[信息與通信]第5章轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-在線瀏覽

2025-04-03 17:36本頁(yè)面
  

【正文】 止。 m a x*nU nm??dmimIU *?? 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 1. 起動(dòng)過(guò)程分析 2. 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 1.起動(dòng)過(guò)程分析 ? 設(shè)置雙閉環(huán)的目標(biāo):起動(dòng)過(guò)程是 恒加速 過(guò)程,動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程 時(shí)間最優(yōu)。 ? 轉(zhuǎn)速的跟隨性能與電樞電流的大小緊密相關(guān)。 ACR不飽和( Ui增長(zhǎng)快)。 ACR不飽和,調(diào)節(jié)電流達(dá)到最大值。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 ⅠⅡⅢnn*ttt1t2t3t4IdId LId m00ASR處于飽和狀態(tài),相當(dāng)于開環(huán) ASR輸出為限幅值,Id基本保持在 Idm, 電動(dòng)機(jī)加速到了給定值 n*。 斜坡作用于 ACR時(shí),有靜差 反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)線性漸增的斜坡擾動(dòng)量,系統(tǒng)做不到無(wú)靜差,而是 Id略低于 Idm。 ? ASR退出飽和狀態(tài),Ui和 Id很快下降。 ? 直到 t=t3時(shí), Id= Idl ,轉(zhuǎn)速才到達(dá)峰值。 ? ASR和 ACR都不飽和, ASR起主導(dǎo)作用,ACR為電流隨動(dòng)子系統(tǒng),受到 ASR輸出的支配。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 ? 起動(dòng)過(guò)程的三個(gè)特點(diǎn) ( 1)飽和非線性控制 ASR:不飽和 飽和 不飽和 轉(zhuǎn)速開環(huán),恒值電流調(diào)節(jié)單閉環(huán)系統(tǒng) 雙閉環(huán)同時(shí)調(diào)節(jié),無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng),電流環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng) 系統(tǒng)完全處于不同的兩種狀態(tài),對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng),采用分段線性化來(lái)分析整個(gè)系統(tǒng)。 這樣,采用 PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。 調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng):在允許過(guò)載能力限制下,恒流起動(dòng)時(shí)間最短。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 ( 1)抗負(fù)載擾動(dòng) ? 負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后,只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。 負(fù)載擾動(dòng) 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 ( 2)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) ? 電壓擾動(dòng)在電流環(huán)之內(nèi),在尚未影響到轉(zhuǎn)速前就已經(jīng)為電流環(huán)所抑制。 ? 在雙閉環(huán)系統(tǒng)中,由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 ? 雙閉環(huán)系統(tǒng)中,由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán),電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié),不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái),抗擾性能大有改善。 ? 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 總結(jié): 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 2. 電流調(diào)節(jié)器的作用 ? 在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中,使電流緊緊跟隨其給定電壓(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。 ? 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。一旦故障消失,系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。 ? 典型的跟隨過(guò)程:輸出量的初始值為零,給定信號(hào)階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程,稱作階躍響應(yīng)。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) %100m a x ?????CCC?上升時(shí)間 峰值時(shí)間 調(diào)節(jié)時(shí)間 超調(diào)量 σ 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.抗擾性能指標(biāo) ? 抗擾過(guò)程:當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行中,突加一個(gè)使輸出量降低(或上升)的擾動(dòng)量 F之后,輸出量由降低(或上升)到恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值的過(guò)渡過(guò)程。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 動(dòng)態(tài)降落 恢復(fù)時(shí)間 %1001m a x ???CC 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 ? 問(wèn)題的提出 ?必要性 用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),而初學(xué)者則不易掌握 。 ? 工程設(shè)計(jì)方法: 在設(shè)計(jì)時(shí),把實(shí)際系統(tǒng)校正、簡(jiǎn)化和近似成典型的低階系統(tǒng),對(duì)典型低階系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是 : ( 1)概念清楚、易懂; ( 2)計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記; ( 3)不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式,而且指明參數(shù)調(diào)整的方向; ( 4)能考慮飽和非線性控制的情況,同樣給出簡(jiǎn)單的計(jì)算公式; ( 5)適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。 ? 設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù),以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求 。 ? 自動(dòng)控制理論已經(jīng)證明, 0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低,而 Ⅲ 型和 Ⅲ 型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ????????njjrmiiCsTssKsHsGsGsW110)1()1()()()()(??伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系: ?中頻段以 20dB/dec的斜率穿過(guò) 0dB,且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度,則系統(tǒng)穩(wěn)定性好。 ?低頻段的斜率陡,增益高,說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1.典型 Ⅰ 型系統(tǒng) ? 開環(huán)傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖 式中, T—— 系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù); K——系統(tǒng)的開環(huán)增益。 T 在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對(duì)象本身固有的, K 是唯一的待定參數(shù)。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) )1()( ?? TssKsW? 開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) )1()( ?? TssKsW? 性能特性 對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以 20dB/dec的斜率穿越零分貝線,只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度,系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的,且有足夠的穩(wěn)定裕量,即選擇參數(shù)滿足: T1c ?? 1c ?T?或 于是,相角穩(wěn)定裕度: ???? 45a r c t g90a r c t g901 8 0 cc ?????? TT ??? 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 典型 Ⅰ 型系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性的幅值為 得到 相角裕度為: K值越大,系統(tǒng)響應(yīng)越快,截止頻率 ?c 也越大,相角穩(wěn)定裕度 ? 越小 , 快速性與穩(wěn)定性之間存在矛盾。 ccK ?? lg20)1lg( l g20lg20 ???cK ??(當(dāng) Tc1?? 時(shí)) 1 8 0 9 0 a r c t g 9 0 a r c t gccTT? ? ?? ? ? ? ? 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖中繪出了在不同 K 值時(shí)典型 I 型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性,箭頭表示 K值增大時(shí)特性變化的方向。 過(guò)阻尼動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢,一般把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài),即 0 ? 1。因此在典型 I 型系統(tǒng)中應(yīng)取 下面列出欠阻尼二階系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)計(jì)算公式 ?? ? 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? 性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系 超調(diào)量 上升時(shí)間 峰值時(shí)間 %1 0 0)1/( 2 ?? ?? ???? e)a r c c os(122???? ??? Tt r21 ?????npt 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí)間在 、誤差帶為 的條件下可近似計(jì)算得 截止頻率(按準(zhǔn)確關(guān)系計(jì)算) 相角穩(wěn)定裕度 ?? %5?Ttns 63 ????2124 ]214[ ???? ???nc2124 ]214[2a r c t g??????? 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 參數(shù)關(guān)系 KT 阻尼比 ? 超調(diào)量 ? 上升時(shí)間 tr 峰值時(shí)間 tp 相角穩(wěn)定裕度 ? 截止頻率 ?c 0 % ? ? 176。 % 176。 % 176。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ( 2)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo) ? 影響到參數(shù) K的選擇的第二個(gè)因素是它和抗擾性能指標(biāo)之間的關(guān)系。 ? 某種定量的抗擾性能指標(biāo)只適用于一種特定作用點(diǎn)。取不同 m值,可計(jì)算出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間 221TTTTm ??51101201301%100m a x ??bCC % % % % tm / T tv / T 典型 I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 ?KT2bC F K?結(jié)論:當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí),動(dòng)態(tài)降落減小,但恢復(fù)時(shí)間卻拖得較長(zhǎng)。 )1()1()(2 ???TsssKsW ? 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? 開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 )1()1()(2 ???TsssKsW ? 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? 性能特性 典型的 II型系統(tǒng)也是以 –20dB/dec 的斜率穿越零分貝線,參數(shù)選擇應(yīng)滿足: T11c ?? ??T??或 且 ? 比 T 大得越多,系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。 在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí),選擇頻域參數(shù) h和 ωc,就相當(dāng)于選擇參數(shù) τ和 K 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 lg20)lg( l g20)1lg( l g40lg20 ????? cccK ?????cK ?? 1?? 采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則,可以找到和兩個(gè)參數(shù)之間的一種最佳配合。 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ( 2)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo) 轉(zhuǎn)速環(huán)在負(fù)載擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 是電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 采用 PI調(diào)節(jié)器 )(sW c li)( sW A S R 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 典型 Ⅱ 型系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 作為一個(gè)擾動(dòng)作用點(diǎn)之前的控制對(duì)象, 1?TsKd 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 取 hTKKKKKK dp ??? 12111 ,/ ??)1()1()( 11 ???Tssh T sKsWsKsW 22 )( ?系統(tǒng)開環(huán)傳函: )1()1()1()1()()()(22121 ???????Tssh T sKsKTssh T sKsWsWsW 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? 在階躍擾動(dòng)下, ,按 Mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系 11212)1(12)(222332222?????????hT ssThhsThhTsTFKhhsCsFsF /)( ?取 2T時(shí)間內(nèi)的累加值作為基準(zhǔn)值: Cb = 2FK2T 可計(jì)算出對(duì)應(yīng)不同 h值的動(dòng)
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