电力拖动自动控制系统教学课件作者周渊深第2章节-直流调速系统的动态分析与设计课件幻灯片

第二章 直流调速系统的动态分析与设计,第一节 单闭环直流调速系统的动态分析 第二节 多环直流调速系统的动态分析 第三节 多环调速系统的工程设计方法 第四节 工程设计方法在双闭环直流调速 系统中的应用,2.1、 单闭环直流调速系统的动态分析,建模的步骤：列环节的微分方程进行拉氏变换得到环节的传函系统的动态结构图系统的传递函数。,2.1.1、单闭环调速系统的动态数学模型,3、晶闸管触发和整流装置的传递函数,从的变化到输出电压Ud0的改变，存在失控时间。大 小随Uct发生变化的时刻而改变，ts是随机的。可取其 统计平均值Ts=Tsmax/2，并认为是常数。,各种整流电路的失控时间( ),由于Ts很小，忽略高次项，则可视为一阶惯性环 节，晶闸管变流器的动态结构图如下图 。,4、直流电动机的数学模型,电枢回路 电压方程,传递函数：,Tl为电枢回路电磁 时间常数 Tl=L/R,电动机的动态结构图为,1.电磁时间常数,5.单闭环直流调速系统的动态数学模型,单闭环调速系统的闭环传递函数（设IdL=0）为,Ts虽小，但却影响系统的动态性能。,2.1.2、单闭环调速系统的动态分析 1、稳定性分析,特征方程为,稳定条件,化简得,Kcr为临界放大系数，K值超出此值系统将不稳定。 与静特性K越大越好相矛盾。,从自动控制系统典型伯德图的三个频段的特征，可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面： 1.如果中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。 2.截止频率（剪切频率）越高，则系统的快速性越好。 3.低频段的斜率陡、增益高，则说明系统的稳态精度高。 4.高频段衰减越快，则高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。,2、单环调速系统的动态校正PI串联校正,原始的单闭环转速负反馈调速系统伯德图,PI调节器的对数频率待性,闭环系统的PI调节器校正 原始系统特性 校正环节特性 校正后系统的特性,2.2、 双环直流调速系统的动态分析 1、转速电流双闭环调速系统的动态数学模型,2、双闭环调速系统的动态性能分析 动态性能包括跟随性能和抗扰性能。双闭环系统的动态性能比单环系统有明显的提高。 （1）动态跟随性能 1）单闭环转速负反馈系统的动态结构图下图所示。,ASR到输出电流Id之间的传递函数,。,2）双闭环调速系统的动态结构图如下图所示。,ASR到输出Id间的传函（假定ACR为比例，其传函为Ki）。,从,和,在双环系统中，电流负反馈能将环内的传函加以改造，使等效时间常数减小，经电流环改造后的等效环节作为ASR的被控对象，它可使转速环的动态跟随性能得到明显改善。 （2）动态抗扰性能 1）抗负载扰动性能 从双环系统的动态结构图可以看出，负载扰动（IdL）在电流环之后，和单环系统一样，只能靠ASR来抑制。但由于电流环改造了环内的传函，使它更有利于转速外环的控制，因此双环系统也能提高系统对负载扰动的抗扰性能。,2）抗电网电压扰动 电网电压扰动和负载扰动作用点在系统动态结构图中的位置不同，系统相应的动态抗扰性能也不同。 在单环系统中，电网电压波动必须等到影响转速n后，才能通过转速负反馈来调节。当电网电压扰动,；,在双环系统中，电网电压扰动被包围在电流环内，当电网电压波动时，可以通过电流反馈及时得到抑制。如当电网电压扰动,双闭环系统能有效提高系统对电网电压扰动的抗扰性能。,2.3、工程设计方法及其在双环调速系统中的应用,1、工程设计方法与步骤 设计内容包括：确定典型系统、选择调节器类型、计算调节器参数、计算调节器电路参数、校验等。一般步骤是： （1）在众多的开环系统中，选择两类具有优越静、动性能的系统作为典型系统，并求出典型系统的系统参数与性能指标间的关系； （2）根据生产工艺要求，确定系统的跟随性能和抗扰性能指标，根据系统参数与性能指标的关系，求出与性能指标对应的典型系统作为预期的典型系统； （3）通过比较预期的典型系统和被控对象的实际系统，确定用于校正的调节器的结构、参数和电路参数； （4）进行设计校验。,二、典型系统,（1）根据r=0，1，2，等不同数值，分别称为0型、型、型、系统； （2）型号越高，系统的准确度越高，而稳定性越差。 稳态精度：0型系统型型；型以上的系统很难稳定。 通常采用型和型系统。而型和型系统仍然有无数个，再在其中选出两个特例作为典型系统。,表2-2 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数关系,特点： （1）KT增大，阻尼比减小，超调量 %变大，稳定性变差，调节时间ts减小，快速性变好。 （2）当K值过大时，调节时间ts反而增加，快速性变差。 （3）当KT=1/2或=0.707时，稳定性和快速性都较好，常称为“型系统工程最佳参数”。 系统的开环传递函数： 闭环传递函数： 其跟随性能指标为： %=4.3%，ts=4.2T（5%）,3、K与抗扰性能指标关系：系统的抗扰性能与系统的结构、扰动作用点、扰动作用点之前的传递函数W1有关。,（二）典型型系统 1、典系统的开环传递函数： 2、系统结构图和开环对数频率特性,从频率特性看： 1）在T一定时，改变也就改变了中频宽h，即h与相关； 2）在确定后，改变K相当于使开环对数幅频特性上下平 移，即改变了截止频率c，说明c与K相关。 因此，选择了参数h 和c，就相当于选择了参数和K。 在闭环幅频特性谐振峰值Mr最小准则下，可找到h和K两个 参数之间的配合关系，使K变为h的函数。则典型型系统的 设计就变为一个参数的设计了。,表2-5 典系统阶跃输入跟随性能指标（按Mrmin准则）,与表2-2比较，超调量比典系统大。工程上常选h=5为最佳参数,表2-6 典系统动态抗扰性能指标与参数的关系 （系统结构和扰动作用点如图2-20，在Mrmin.准则下）,近似处理的原则：近似前后的相角裕度不变。,例：近似前，系统的开环传函为： 其中T1、T2为小时间常数； 近似后，系统的开环传递函数为： 其中T=T1+T2 ；,1、高频段多个小时间常数T1、T2、T3、的小惯性环节可等效地用一个小时间常数T的惯性环节来代替，其等效时间常数T为,三、非典型系统的典型化工程设计中的近似处理,3、高阶系统近似用低阶系统代替,例：某三阶系统为 ， 其中a、b、c都是正系数，ca或b，且有b ca，则系统是稳定的。,若忽略高次项，则,近似条件可写成：,四、多环调速系统的工程设计方法 （一）单闭环调速系统的设计方法一般有下列步骤： 1、实际系统的单位化反馈变换与化简 典和典系统的闭环控制要求是单位反馈，而实际系统由于有检测元件和反馈环节，属于非单位反馈，为此必须进行结构图变换，将其化简成单位反馈的系统。 2、确定将实际系统校正成哪一类典型系统及对实际系统进行必要的近似处理 应先根据控制系统的要求，确定要将实际系统校正成哪一类典型系统。一般的调速系统经过近似处理，采用适当的调节器进行串联校正后，都可以化成典型系统。,例：将下图的非单位反馈系统变为单位反馈系统。,3、调速系统的串联校正调节器的类型和参数选择 当将实际系统校正成不同类型的典型系统时，采用的调节器类型和参数也不同。下面分别进行讨论。 （1）校正成典型型系统,表2-7 校正成典型型系统的调节器类型,（2）校正成典型型系统,4、调节器参数的选择 串联校正的作用是将被控对象改造成典型系统。 因为系统的性能指标确定后典型系统的参数就已知了，另外被控对象的参数是已知的，根据“调节器的传递函数乘被控对象的传递函数等于典型系统的传递函数”的关系，就可求出调节器的参数。 5、调节器的电路参数计算 根据调节器参数与调节器电路参数的关系，可计算出与调 节器参数对应的电路参数。 6、设计校验 设计中，很多地方作了近似，需要进行近似条件的校验。, 进行必要的结构图变换和实际系统的近似处理； 确定将实际系统校正成哪一类典型系统及进行调节器类型的选择； 选择调节器的参数； 计算调节器的电路参数； 设计校验。,（二）多环调速系统的设计,一般步骤是：,（1）先设计内环后设计外环，然后将设计好的内环等效成一个环节；在设计外环时，将等效内环作为外环的一个环节来处理，直到设计完整个系统。,（2）在具体设计某个单闭环时，可按下列步骤进行：,2.3.2 工程设计方法在双环调速系统中的应用,ACR的被控对象包括：电枢回路的电磁惯性环节，晶闸管变 流装置、电流反馈滤波等环节形成的一些小惯性环节。 1、电流环动态结构图的化简 化简方法： （1）因TL远小于Tm，电流调节比转速快得多，对电流环来说，可认为E基本不变，忽略E的变化对电流环的影响。 （2）将电流给定滤波和反馈滤波两个环节等效地置于环内，使 电流环变为单位反馈系统。 （3）将反馈滤波和晶闸管变流装置形成的小惯性环节作近似 处理，并取 ,则电流环的结构图被简化。,一、电流环的设计,电流环的动态结构图及其化简,2）将电流环校正成典系统时，调节器应选PI调节器；,4、电流调节器的电路实现 含给定滤波和反馈滤波的PI调节器原理图。,（2）转速环动态结构图的变换与化简,电流环用等效传函代替后，转速环如图（a）。将其单位反 馈，且近似处理为小惯性环节，则转速环可简化成图（b）,4、转速调节器的电路实现,含给定滤波和反馈滤波的PI转速调节器电路如下图。 转速调节器电路参数与电阻、电容值的关系为：,计算退饱和超调量的简便方法。 （1）将图中的坐标从点 移到点 ，即假定系统是在 负载下运行于转速 ； （2）在 点突将负载由 降到 ，则n会产生一个动态速升，而突减负载的速升过程与退饱和超调过程是完全相同的。 （3）系统突减负载的动态速升过程与突加负载的速降过程所引起的转速变化 的大小是相同的，只是符号相反。而突加负载的速降过程就是抗扰动态性能指标的定义。,退饱和超调要比线性系统的超调量小得多。退饱和超调与线性系统的超调有本质上的不同，由于退饱和超调量的大小与动态速降大小是一致的，所以确定转速调节器结构和参数时，完全可以按抗扰性能指标来设计，即按典型II型系统来校正，并选择中频h=5为宜。,设计举例见书99，自学。,