電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制控制系統(tǒng)第1章 緒論運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)學(xué)電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)控制理論信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)微電子技術(shù)現(xiàn)代控制技術(shù)是多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)功率放大與變換裝置控制器及相應(yīng)的傳感器磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制同樣重要，不可偏廢。通常在基速以下采用橫刺痛，而在基速以上采用弱磁控制。轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動(dòng)控制的根本問(wèn)題。生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性直接影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制方案的選擇和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒功率負(fù)載風(fēng)機(jī)，泵類負(fù)載特性位能性和反抗性轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比第一篇 直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)：電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)：調(diào)速系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)

2、，張力控制系統(tǒng)，多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)：轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)：可控直流電源可控直流電源：相控整流器, 把交流電源直接轉(zhuǎn)換為可控的直流電源直流脈寬變換器,先用不可控整流變成直流,然后用PWM脈寬調(diào)制方式調(diào)制輸出的直流電壓將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。電動(dòng)機(jī)定子提供磁場(chǎng)，直流電源向轉(zhuǎn)子的繞組提供電流，換向器使轉(zhuǎn)子電流與磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持方向不變。定子：勵(lì)磁定子：勵(lì)磁轉(zhuǎn)子：電樞轉(zhuǎn)子：電樞直流直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源：調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源：晶閘管整流器晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速GT：觸發(fā)裝置，把控制電壓Uc轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖的觸發(fā)延遲角V-M系統(tǒng)主電路的等效電

3、路圖系統(tǒng)主電路的等效電路圖理想空載瞬時(shí)值理想空載平均值電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)晶閘管整流器晶閘管整流器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性電流連續(xù)時(shí)的電流連續(xù)時(shí)的V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性系統(tǒng)的機(jī)械特性完整的完整的V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性系統(tǒng)的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性上翹，使電動(dòng)機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速很高晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性和出特性和Ks的測(cè)定的測(cè)定晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，晶閘管觸發(fā)和整流裝置看成是一個(gè)

4、純滯后環(huán)節(jié)，純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的實(shí)效時(shí)間引起晶閘管觸發(fā)與整流裝置晶閘管觸發(fā)與整流裝置的時(shí)空時(shí)間的時(shí)空時(shí)間要明確幾個(gè)電壓之間的關(guān)系：控制電壓，觸發(fā)脈沖電壓，輸出電壓。從Uc發(fā)生變化的時(shí)刻t2到Ud0響應(yīng)變化的時(shí)刻t3之間，便有一段時(shí)空時(shí)間Ts準(zhǔn)確的一階慣性環(huán)節(jié)準(zhǔn)確的一階慣性環(huán)節(jié)近似近似的一階慣性環(huán)節(jié)的一階慣性環(huán)節(jié)直流直流PWM變換器變換器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)改變加在電樞平均電壓值制動(dòng)制動(dòng)：這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中需要降速的時(shí)候制動(dòng)過(guò)程加在電樞上的平均電壓下降以至于小于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)造成電流反向。先控制VT1，真正制動(dòng)開(kāi)始后VT2和VD1作用。 雖然電流能夠反向，而電壓轉(zhuǎn)速仍不能反向

5、。如果要求轉(zhuǎn)速反向，需要再增加VT和VD直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性PWM控制器與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型控制器與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型Uc控制電壓，通過(guò)控制器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖序列，去調(diào)節(jié)平均輸出電壓。拉普拉斯變換積分變換法積分變換法是通過(guò)積分變換，把已知的的時(shí)域函數(shù)變換成頻域函數(shù)，從而把時(shí)域的微分方程化為頻域函數(shù)的代數(shù)方程。運(yùn)用拉氏變換法進(jìn)行電路分析稱為電路的一種復(fù)頻域復(fù)頻域分析方法。定義：反變換F(t)的象函數(shù)，拉普拉斯的基本性質(zhì)拉普拉斯的基本性質(zhì)：1. 線性性質(zhì)2. 微分性質(zhì)3. 積分性質(zhì)4. 延遲性質(zhì)電路響應(yīng)的象函數(shù)通?？杀硎緸閮蓚€(gè)實(shí)系數(shù)的s的多項(xiàng)式之比，即s的一個(gè)有理分式

6、：分解為若干個(gè)簡(jiǎn)單項(xiàng)之和，而這些簡(jiǎn)單項(xiàng)可以在拉氏變換表中找到，這種方法稱為部分分式展開(kāi)法，或稱為分解定理。1. 如果D（s）=0有n個(gè)單根2. 如果D（s）=0有共軛復(fù)根3. 如果D（s）=0具有重根運(yùn)算電路運(yùn)算電路：1. 電阻等效轉(zhuǎn)換2. 電感3. 電容電路直流直流PWM變換器變換器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定，寬度可變的脈沖序列，從而改變平均輸出的電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。（hacheur）直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性：調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性：所謂穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)，是指電動(dòng)機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機(jī)械特性是平均

7、轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。PWM控制器與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：控制器與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：PWM控制器PWM變換器UcUgUdUc 變化時(shí)，Ud按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會(huì)有延遲直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的電能回饋和泵升電壓：調(diào)速系統(tǒng)的電能回饋和泵升電壓：不可逆，是因?yàn)閁d始終大于零只能向?yàn)V波電容供電，造成直流側(cè)電壓升高，叫做泵升電壓穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性：穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性：對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面：1. 調(diào)速2. 穩(wěn)速3. 加，減速為了進(jìn)行定量分析，針對(duì)前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，稱為“調(diào)速范圍調(diào)速范圍”和“靜差率靜差率”。這兩個(gè)指標(biāo)合稱為調(diào)

8、速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。調(diào)速范圍：靜差率：直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性：開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性：轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)：采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)可以減小轉(zhuǎn)速降落，降低靜差率，擴(kuò)大調(diào)速范圍。靜特性： 表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定勵(lì)磁下的機(jī)械特性稱作電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行比較，用比較后比較后的偏差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的偏差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效的抑制甚至消除擾動(dòng)造成的影響。轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)：轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)：帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖帶轉(zhuǎn)速

9、反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖電動(dòng)機(jī)軸上安裝測(cè)速發(fā)電機(jī)用以得到與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比的反饋電壓Un閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的主要差別就在于轉(zhuǎn)速n經(jīng)過(guò)測(cè)量元件反饋到輸入?yún)⑴c控制。動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：一個(gè)帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的線性物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程可以用線性微分方程描述，微分方程的解即系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，它包括兩部分：動(dòng)態(tài)響應(yīng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解穩(wěn)態(tài)解。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，從施加給定輸入值的時(shí)刻開(kāi)始，到輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)響應(yīng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)；系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，即可用穩(wěn)態(tài)解來(lái)描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)：比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)：開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系：比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得

10、比開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬的多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此需要設(shè)置電壓放大器和轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置。閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系比例控制直流調(diào)速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)的改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降的變化反饋控制規(guī)律反饋控制規(guī)律：1. 比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)2. 抵抗擾動(dòng)，服從給定3. 系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)的精度。比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性：比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性：比例控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小與穩(wěn)定性是

11、矛盾的，對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。比例積分控制的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)比例積分控制的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)：在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常用串聯(lián)校正和反饋校正，對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案積分控制的作用：積分控制的作用：積分控制可以使系統(tǒng)在無(wú)靜差的情況下保持恒速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。比例積分控制規(guī)律：比例積分控制規(guī)律：比例積分調(diào)節(jié)器的輸出有比例和積分兩部分疊加而成：如何選擇參數(shù)Kp和1，在自動(dòng)控制理論中，可以利用根軌跡法根軌跡法，頻率法。其中頻率法中的博德圖博德圖是用的較多的方法。衡量系統(tǒng)控制的

12、準(zhǔn)確度的是系統(tǒng)對(duì)給定輸入的跟隨能力；衡量系統(tǒng)抗干擾能力的是系統(tǒng)抑制負(fù)載電流Idl的抗擾能力。O型系統(tǒng)對(duì)于節(jié)約給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱做有靜差調(diào)速系統(tǒng)；I型系統(tǒng)對(duì)于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無(wú)差，被稱作無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制：微機(jī)數(shù)字控制的特殊問(wèn)題：1. 把連續(xù)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，這就是信號(hào)的離散化離散化。2. 采樣后的離散信號(hào)本質(zhì)上還是模擬信號(hào)，還需經(jīng)過(guò)數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就是信號(hào)的數(shù)字化數(shù)字化。轉(zhuǎn)速檢測(cè)的數(shù)字化：1. 旋轉(zhuǎn)編碼器2. 數(shù)字測(cè)速方法的精度指標(biāo)3. M法測(cè)速數(shù)字?jǐn)?shù)字PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器：位置式和增量式兩種算法在控

13、制系統(tǒng)中，常需要對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出實(shí)施限幅對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出實(shí)施限幅轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)：在起、制動(dòng)過(guò)程中和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，必須限制電樞電流。當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋。帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)：UiIdRs-Ucom帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性圖和靜特性：（a）帶電流截止負(fù)反饋環(huán)）帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入節(jié)的輸入-輸出特性輸出特性（b）帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的閉環(huán)）帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)

14、構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速、電流反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流?；诜€(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)常用的基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速和變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速兩類。穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型：穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型：等效電路和機(jī)械特性所謂調(diào)速，就是人為地改變機(jī)械特性的參數(shù)，使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作點(diǎn)偏離固有特性，工作在人為機(jī)械特性上，以達(dá)到調(diào)速的目的。機(jī)械特性方程式：機(jī)械特性方程式：基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速：異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速：為了減少輕載時(shí)的能量損耗，降低定子電壓可以降低氣隙磁通，這樣也可以降低鐵損和勵(lì)磁電流。但是，如果過(guò)分降低電壓和磁通，轉(zhuǎn)子電流Ir必