6第六講 無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng) ppt課件

成功 自信 意志力 積極心目標(biāo) 希望 熱情成功 想象 潛能 努力成功取決于信念 態(tài)度 目標(biāo) 潛意識(shí)和習(xí)慣 美國(guó)成功學(xué)之父 拿破侖 希爾 1 3比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng) 第一章單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 一 系統(tǒng)無(wú)靜差的實(shí)現(xiàn)二 積分調(diào)節(jié)器及其特點(diǎn)三 比例積分調(diào)節(jié)器四 采用比例積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng) 組成 穩(wěn)態(tài)分析 動(dòng)態(tài)抗擾調(diào)節(jié)過(guò)程的分析 要求 一 理解比例積分調(diào)節(jié)器的工作原理及其特點(diǎn)二 掌握單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的組成原理及其穩(wěn)態(tài)分析方法三 掌握閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾調(diào)節(jié)過(guò)程的分析方法作業(yè) 一 問(wèn)題的提出 采用比例 P 調(diào)節(jié)器的有靜差調(diào)速系統(tǒng) Kp越大 系統(tǒng)精度越高 但Kp過(guò)大 將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性 使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定 靜差產(chǎn)生的原因 由于采用比例調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為Uc Kp Un Un 0 Uc 0 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 Un 0 Uc 0 電動(dòng)機(jī)停止 因此 采用比例調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)是依靠輸入偏差運(yùn)行的 是有靜差系統(tǒng) 如何消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差 系統(tǒng)無(wú)靜差 當(dāng)系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí) 調(diào)節(jié)器的輸入偏差為零 系統(tǒng)的被調(diào)量等于給定量 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)靜差的方法 在系統(tǒng)中引入積分控制規(guī)律 如用積分調(diào)節(jié)器或比例積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器即可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差 二 系統(tǒng)無(wú)靜差 Steady statedeviation 的實(shí)現(xiàn) 三 積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律 1 積分調(diào)節(jié)器 IntegralRegulator C Uo Rbal Uin R0 A i i Uo Uin Uom t Uin Uo O a 階躍輸入時(shí)的輸出特性 L dB O L 20dB 1 O 2 b Bode圖 積分調(diào)節(jié)器 2 積分調(diào)節(jié)器的特性 Uo Uin Uom t Uin Uo O 階躍輸入時(shí)的輸出特性 3 積分調(diào)節(jié)器的特點(diǎn) 延緩作用 當(dāng)輸入信號(hào)突變時(shí) 輸出不能突變 而是逐漸積分線性漸增 積累作用 只要輸入信號(hào)不為零 積分就會(huì)進(jìn)行 記憶作用 其輸出始終保持在輸入信號(hào)為零時(shí)那個(gè)瞬間的值不變 正是利用后兩個(gè)特點(diǎn)來(lái)消除系統(tǒng)靜差 3 積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 問(wèn)題1 引入積分控制規(guī)律后系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差的呢 只有當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入偏差為零時(shí) 系統(tǒng)才能達(dá)穩(wěn)態(tài) 采用積分控制的系統(tǒng)只有動(dòng)態(tài)偏差而無(wú)穩(wěn)態(tài)偏差 只要出現(xiàn)過(guò) Un 0 其輸出就不會(huì)為零 當(dāng) Un 0時(shí) Uc 0 而是保持某定值不變 系統(tǒng)維持恒速運(yùn)行 4 轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律 圖1 45積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程a 階躍輸入b 一般輸入 輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程 分析結(jié)果 采用積分調(diào)節(jié)器 當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到與給定轉(zhuǎn)速一致 系統(tǒng)仍有控制信號(hào) 保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行 實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時(shí) 有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n 偏差電壓 Un和控制電壓Uc的變化過(guò)程示于右圖 5 比例與積分控制的比較 比例控制的有靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載的動(dòng)態(tài)抗擾過(guò)程 積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別在于 只要?dú)v史上有過(guò) Un 即使現(xiàn)在 Un 0 其積分就有一定數(shù)值 足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓Uc 積分控制的無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)抗擾過(guò)程 比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀 而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史 結(jié)論 積分控制的缺點(diǎn) 由于積分過(guò)程需要一定時(shí)間 控制電壓Uc的值只能逐漸增長(zhǎng) 使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢 尤其當(dāng) 較大時(shí) 控制電壓Uc增長(zhǎng)更慢 會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變得很慢 因此 積分控制不宜單獨(dú)應(yīng)用于快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 Uo 比例積分 PI 調(diào)節(jié)器 i0 i1 四 比例積分 PI 調(diào)節(jié)器 Proportional IntegralRegulator 1 PI的輸入輸出關(guān)系 2 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 當(dāng)初始條件為零時(shí) 通過(guò)拉氏變換得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 3 PI調(diào)節(jié)器輸入輸出特性 Uex Uin Uexm t Uin Uex O KpiUin O t O t Uc Uc Un 1 2 1 2 b 一般輸入時(shí) a 階躍輸入時(shí) 突加輸入信號(hào)時(shí) 由于電容C1兩端電壓不能突變 相當(dāng)于兩端瞬間短路 在運(yùn)算放大器反饋回路中只剩下電阻R1 電路等效于一個(gè)放大系數(shù)為Kpi的比例調(diào)節(jié)器 在輸出端立即呈現(xiàn)電壓KpiUin 實(shí)現(xiàn)快速控制 發(fā)揮了比例控制的長(zhǎng)處 此后 隨著電容C1被充電 輸出電壓Uo開(kāi)始積分 其數(shù)值不斷增長(zhǎng) 直到穩(wěn)態(tài) 穩(wěn)態(tài)時(shí) C1兩端電壓等于Uo R1已不起作用 又和積分調(diào)節(jié)器一樣了 這時(shí)又能發(fā)揮積分控制的優(yōu)點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差 分析結(jié)果 由此可見(jiàn) 比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn) 比例部分能迅速響應(yīng)控制作用 積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差 PI調(diào)節(jié)器還是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的校正裝置 因此 在調(diào)速系統(tǒng)和其它控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用 四 采用PI的單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)1 系統(tǒng)組成 a 無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)示例 1 系統(tǒng)組成 RP2 n RP1 Un R0 R0 Rbal Uc VBT VS Ufi1 TA Id R1 C1 Un Ud b 無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)示例 UPE 交流互感器 2 工作原理 圖b 采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差 采用電流截止負(fù)反饋來(lái)限制動(dòng)態(tài)過(guò)程的沖擊電流 當(dāng)電流超過(guò)截止電流時(shí) 高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓 使晶體三極管VBT導(dǎo)通 則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零 電力電子變換器UPE的輸出電壓急劇下降 達(dá)到限制電流的目的 由于機(jī)械慣性和靜摩擦阻力矩作用 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n不能立即建立起來(lái) 此時(shí) Un Un PI調(diào)節(jié)器的比例輸出Ucp Kp Un達(dá)最大值 而積分輸出Uci Unt 很小 隨著Uc的增長(zhǎng) 轉(zhuǎn)速n上升 Un增大 致使 Un逐漸減小 當(dāng) Un 0時(shí) Uc穩(wěn)定在某值以維持電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行 其輸入輸出動(dòng)態(tài)特性如右圖所示 1 當(dāng)突加階躍信號(hào)Un起動(dòng)時(shí) 結(jié)論 在系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程中 PI調(diào)節(jié)器輸出的比例控制作用Ucp由強(qiáng)變?nèi)?對(duì)系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程有強(qiáng)烈作用 促使系統(tǒng)響應(yīng)加速 其積分控制作用Uci則由弱到強(qiáng) 最終消除靜差 而Uc是Ucp與Uci之和 它既具有快速性 又足以消除調(diào)速系統(tǒng)的靜差 2 系統(tǒng)的抗擾調(diào)節(jié)過(guò)程 板書(shū)其調(diào)節(jié)過(guò)程 1 PIR的比例控制作用 Ucp Kpi Un 2 PIR的積分控制作用 結(jié)論在調(diào)節(jié)過(guò)程的初 中期 比例控制起主要作用 保證了系統(tǒng)的快速響應(yīng) 在調(diào)節(jié)過(guò)程后期 積分控制起主要作用 并依靠它最后消除靜差 問(wèn)題4 無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)無(wú)靜差 無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)只是在穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差 而在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中轉(zhuǎn)速是有靜差的 3 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性 當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流低于其截止值時(shí) 上述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于下圖 其中代表PI調(diào)節(jié)器的方框中無(wú)法用放大系數(shù)表示 一般畫(huà)出它的輸出特性 以表明是比例積分作用 無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 Id Idcr Un Uc Un IdR E n Ud Un 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性 續(xù) 無(wú)靜差系統(tǒng)的理想靜特性如右圖所示 當(dāng)IdIdcr時(shí) 電流截止負(fù)反饋起作用 靜特性急劇下垂 基本上是一條垂直線 整個(gè)靜特性近似呈矩形 O Id Idcr n1 n2 nmax n 帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 必須指出 嚴(yán)格地說(shuō) 無(wú)靜差 只是理論上的 實(shí)際系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí) PI調(diào)節(jié)器積分電容兩端電壓不變 相當(dāng)于運(yùn)算放大器的反饋回路開(kāi)路 其放大系數(shù)等于運(yùn)算放大器本身的開(kāi)環(huán)放大系數(shù) 數(shù)值最大 但并不是無(wú)窮大 因此其輸入端仍存在很小的 而不是零 這就是說(shuō) 實(shí)際上仍有很小的靜差 只是在一般精度要求下可以忽略不計(jì)而已 4 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 在理想情況下 穩(wěn)態(tài)時(shí) Un 0 因而Un Un 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kpi和 可按動(dòng)態(tài)校正的要求計(jì)算 電流反饋系數(shù) Uin R0 Rbal R1 C1 R 1 A Uex 5 準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器 在實(shí)際系統(tǒng)中 為了避免運(yùn)算放大器長(zhǎng)期工作時(shí)的零點(diǎn)漂移 常常在R1C1兩