6第六講 無靜差調速系統(tǒng) ppt課件

成功 自信 意志力 積極心目標 希望 熱情成功 想象 潛能 努力成功取決于信念 態(tài)度 目標 潛意識和習慣 美國成功學之父 拿破侖 希爾 1 3比例積分控制規(guī)律和無靜差調速系統(tǒng) 第一章單閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 一 系統(tǒng)無靜差的實現(xiàn)二 積分調節(jié)器及其特點三 比例積分調節(jié)器四 采用比例積分調節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng) 組成 穩(wěn)態(tài)分析 動態(tài)抗擾調節(jié)過程的分析 要求 一 理解比例積分調節(jié)器的工作原理及其特點二 掌握單閉環(huán)無靜差調速系統(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)動態(tài)抗擾調節(jié)過程的分析方法作業(yè) 一 問題的提出 采用比例 P 調節(jié)器的有靜差調速系統(tǒng) Kp越大 系統(tǒng)精度越高 但Kp過大 將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性 使系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定 靜差產(chǎn)生的原因 由于采用比例調節(jié)器 轉速調節(jié)器的輸出為Uc Kp Un Un 0 Uc 0 電動機運行 Un 0 Uc 0 電動機停止 因此 采用比例調節(jié)器控制的系統(tǒng)是依靠輸入偏差運行的 是有靜差系統(tǒng) 如何消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差 系統(tǒng)無靜差 當系統(tǒng)達穩(wěn)態(tài)時 調節(jié)器的輸入偏差為零 系統(tǒng)的被調量等于給定量 實現(xiàn)系統(tǒng)無靜差的方法 在系統(tǒng)中引入積分控制規(guī)律 如用積分調節(jié)器或比例積分調節(jié)器代替比例調節(jié)器即可實現(xiàn)無靜差 二 系統(tǒng)無靜差 Steady statedeviation 的實現(xiàn) 三 積分調節(jié)器和積分控制規(guī)律 1 積分調節(jié)器 IntegralRegulator C Uo Rbal Uin R0 A i i Uo Uin Uom t Uin Uo O a 階躍輸入時的輸出特性 L dB O L 20dB 1 O 2 b Bode圖 積分調節(jié)器 2 積分調節(jié)器的特性 Uo Uin Uom t Uin Uo O 階躍輸入時的輸出特性 3 積分調節(jié)器的特點 延緩作用 當輸入信號突變時 輸出不能突變 而是逐漸積分線性漸增 積累作用 只要輸入信號不為零 積分就會進行 記憶作用 其輸出始終保持在輸入信號為零時那個瞬間的值不變 正是利用后兩個特點來消除系統(tǒng)靜差 3 積分調節(jié)器的傳遞函數(shù) 積分調節(jié)器的傳遞函數(shù)為 問題1 引入積分控制規(guī)律后系統(tǒng)是如何實現(xiàn)無靜差的呢 只有當調節(jié)器的輸入偏差為零時 系統(tǒng)才能達穩(wěn)態(tài) 采用積分控制的系統(tǒng)只有動態(tài)偏差而無穩(wěn)態(tài)偏差 只要出現(xiàn)過 Un 0 其輸出就不會為零 當 Un 0時 Uc 0 而是保持某定值不變 系統(tǒng)維持恒速運行 4 轉速的積分控制規(guī)律 圖1 45積分調節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程a 階躍輸入b 一般輸入 輸入和輸出動態(tài)過程 分析結果 采用積分調節(jié)器 當轉速在穩(wěn)態(tài)時達到與給定轉速一致 系統(tǒng)仍有控制信號 保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行 實現(xiàn)無靜差調速 當負載轉矩由TL1突增到TL2時 有靜差調速系統(tǒng)的轉速n 偏差電壓 Un和控制電壓Uc的變化過程示于右圖 5 比例與積分控制的比較 比例控制的有靜差調速系統(tǒng)突加負載的動態(tài)抗擾過程 積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別在于 只要歷史上有過 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)運行所需要的控制電壓Uc 積分控制的無靜差調速系統(tǒng)突加負載時的動態(tài)抗擾過程 比例調節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀 而積分調節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史 結論 積分控制的缺點 由于積分過程需要一定時間 控制電壓Uc的值只能逐漸增長 使系統(tǒng)動態(tài)響應變慢 尤其當 較大時 控制電壓Uc增長更慢 會使系統(tǒng)動態(tài)響應變得很慢 因此 積分控制不宜單獨應用于快速調節(jié)系統(tǒng)中 Uo 比例積分 PI 調節(jié)器 i0 i1 四 比例積分 PI 調節(jié)器 Proportional IntegralRegulator 1 PI的輸入輸出關系 2 PI調節(jié)器的傳遞函數(shù) 當初始條件為零時 通過拉氏變換得PI調節(jié)器的傳遞函數(shù) 3 PI調節(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 a 階躍輸入時 突加輸入信號時 由于電容C1兩端電壓不能突變 相當于兩端瞬間短路 在運算放大器反饋回路中只剩下電阻R1 電路等效于一個放大系數(shù)為Kpi的比例調節(jié)器 在輸出端立即呈現(xiàn)電壓KpiUin 實現(xiàn)快速控制 發(fā)揮了比例控制的長處 此后 隨著電容C1被充電 輸出電壓Uo開始積分 其數(shù)值不斷增長 直到穩(wěn)態(tài) 穩(wěn)態(tài)時 C1兩端電壓等于Uo R1已不起作用 又和積分調節(jié)器一樣了 這時又能發(fā)揮積分控制的優(yōu)點 實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無靜差 分析結果 由此可見 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 比例部分能迅速響應控制作用 積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差 PI調節(jié)器還是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的校正裝置 因此 在調速系統(tǒng)和其它控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用 四 采用PI的單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng)1 系統(tǒng)組成 a 無靜差直流調速系統(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 無靜差直流調速系統(tǒng)示例 UPE 交流互感器 2 工作原理 圖b 采用比例積分調節(jié)器以實現(xiàn)無靜差 采用電流截止負反饋來限制動態(tài)過程的沖擊電流 當電流超過截止電流時 高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓 使晶體三極管VBT導通 則PI調節(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 達到限制電流的目的 由于機械慣性和靜摩擦阻力矩作用 電動機轉速n不能立即建立起來 此時 Un Un PI調節(jié)器的比例輸出Ucp Kp Un達最大值 而積分輸出Uci Unt 很小 隨著Uc的增長 轉速n上升 Un增大 致使 Un逐漸減小 當 Un 0時 Uc穩(wěn)定在某值以維持電動機恒速運行 其輸入輸出動態(tài)特性如右圖所示 1 當突加階躍信號Un起動時 結論 在系統(tǒng)起動過程中 PI調節(jié)器輸出的比例控制作用Ucp由強變?nèi)?對系統(tǒng)起動過程有強烈作用 促使系統(tǒng)響應加速 其積分控制作用Uci則由弱到強 最終消除靜差 而Uc是Ucp與Uci之和 它既具有快速性 又足以消除調速系統(tǒng)的靜差 2 系統(tǒng)的抗擾調節(jié)過程 板書其調節(jié)過程 1 PIR的比例控制作用 Ucp Kpi Un 2 PIR的積分控制作用 結論在調節(jié)過程的初 中期 比例控制起主要作用 保證了系統(tǒng)的快速響應 在調節(jié)過程后期 積分控制起主要作用 并依靠它最后消除靜差 問題4 無靜差調速系統(tǒng)能否實現(xiàn)轉速動態(tài)無靜差 無靜差調速系統(tǒng)只是在穩(wěn)態(tài)時轉速無靜差 而在動態(tài)調節(jié)過程中轉速是有靜差的 3 穩(wěn)態(tài)結構與靜特性 當電動機電流低于其截止值時 上述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖示于下圖 其中代表PI調節(jié)器的方框中無法用放大系數(shù)表示 一般畫出它的輸出特性 以表明是比例積分作用 無靜差直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖 Id Idcr Un Uc Un IdR E n Ud Un 穩(wěn)態(tài)結構與靜特性 續(xù) 無靜差系統(tǒng)的理想靜特性如右圖所示 當IdIdcr時 電流截止負反饋起作用 靜特性急劇下垂 基本上是一條垂直線 整個靜特性近似呈矩形 O Id Idcr n1 n2 nmax n 帶電流截止的無靜差直流調速系統(tǒng)的靜特性 必須指出 嚴格地說 無靜差 只是理論上的 實際系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時 PI調節(jié)器積分電容兩端電壓不變 相當于運算放大器的反饋回路開路 其放大系數(shù)等于運算放大器本身的開環(huán)放大系數(shù) 數(shù)值最大 但并不是無窮大 因此其輸入端仍存在很小的 而不是零 這就是說 實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而已 4 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 在理想情況下 穩(wěn)態(tài)時 Un 0 因而Un Un 轉速反饋系數(shù) PI調節(jié)器的參數(shù)Kpi和 可按動態(tài)校正的要求計算 電流反饋系數(shù) Uin R0 Rbal R1 C1 R 1 A Uex 5 準PI調節(jié)器 在實際系統(tǒng)中 為了避免運算放大器長期工作時的零點漂移 常常在R1C1兩