雙閉環(huán)調速系統(tǒng)ASR與ACR結構及參數(shù)設計(共15頁)

1、目錄一基本思想1二雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖1三電流調節(jié)器的設計23.1 電流環(huán)結構框圖的化簡23.2 電流調節(jié)器結構的選擇33.3 電流調節(jié)器的參數(shù)計算43.4 校驗53.5計算調節(jié)器電阻和電容5四轉速調節(jié)器的設計64.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)64.2 轉速環(huán)結構的化簡和轉速調節(jié)器結構的選擇74.3 轉速調節(jié)器的參數(shù)的計算104.4 校驗104.5 計算調節(jié)器電阻和電容104.6 校核轉速超調量11五轉速調節(jié)器退飽和時轉速超調量的計算12六總結14雙閉環(huán)調速系統(tǒng)ASR和ACR結構及參數(shù)設計一基本思想本文應用工程設計方法來設計轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器。按照設計多環(huán)控制系統(tǒng)

2、先內環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內環(huán)開始，逐步向外擴展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應該首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。首先考慮應把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，所以采用型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用下時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素。因而電流環(huán)應以跟隨性能為主，即應選擇典型型系統(tǒng)。對于轉速環(huán)，由于要求滿足系統(tǒng)抗干擾性能好、轉速無靜差，并且系統(tǒng)結構決定將轉速環(huán)校正成典型系統(tǒng)。二雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖圖2-1

3、 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖如圖2-1。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓給定信號和反饋信號經過相同的延時，使得二者在時間上恰好的配合。由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上也加入時間

4、常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。三電流調節(jié)器的設計3.1 電流環(huán)結構框圖的化簡在圖2-1點劃線框的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉速成正比，它代表轉速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠小于機電時間常數(shù)，因此，轉速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即，這樣，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，得到的電流環(huán)的近似結構框圖如圖3-1。圖3-1 忽略反電動勢的動態(tài)影響如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內，同時把給定信號改成

5、，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖3-2。圖3-2 等效成單位負反饋系統(tǒng)按表3-1，可知三相橋式電路的平均失控時間，由題意可知，。和比小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為： （3-1）則電流環(huán)結構框圖最終簡化成圖3-3。表3-1 各種整流電路的失控時間整流電路形式最大失控時間平均失控時間單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67圖3-3 小慣性環(huán)節(jié)近似處理3.2 電流調節(jié)器結構的選擇 圖3-3表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性的，要校正成典型型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 （3-2）式中 -

6、電流調節(jié)器的比例系數(shù) -電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 （3-3）則電流環(huán)的動態(tài)結構框圖便成為圖3-4所以的典型形式，其中 （3-4）圖3-4 校正成典型型系統(tǒng)電流環(huán)動態(tài)結構框圖圖3-5繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性.圖3-5 校正成典型型系統(tǒng)電流環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻特性3.3 電流調節(jié)器的參數(shù)計算表3-2 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系參數(shù)關系0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070605超調量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.64.73.32.4峰值時間8.36.24.73.6相角穩(wěn)

7、定裕度截止頻率由式3-2可以看出，電流調節(jié)器的參數(shù)是 和，其中已選定，待定的只有比例系數(shù)，可根據(jù)所需的動態(tài)性能指標選取。設計要求電流超調量，由表3-2，可選，且已知=，因此電流環(huán)開環(huán)增益： 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調節(jié)器都不飽和時。各變量之間的關系： 已知兩個調節(jié)器的輸入和輸出最大值都是，額定轉速，額定電流，過載倍數(shù)，則轉速反饋系數(shù)： 電流反饋系數(shù)： 由式（3-3）和（3-4），且已知，則電流調節(jié)器的比例系數(shù)：3.4 校驗1）檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照表3-3的典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能都是可以接受的。表3-3 典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系電流截止頻率：2）晶閘管整流裝置

8、傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。3）忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件，已知滿足近似條件。4）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。3.5計算調節(jié)器電阻和電容含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調節(jié)器原理圖如圖3-6，圖中為電流給定電壓，為電流反饋電壓，調節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。根據(jù)運算放大器的電路原理，且已知,可以容易地導出： ，取111，取，取圖3-6 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節(jié)器按照上述參數(shù)：，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為（見表3-2），滿足以上要求。四轉速調節(jié)器的設計4.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經化簡后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此需

9、要求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)，由圖3-4可知： （4-1）忽略高此項，可降階近似為： （4-2）接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為，因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等效為： （4-3）這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用。4.2 轉速環(huán)結構的化簡和轉速調節(jié)器結構的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2-1中的電流環(huán)后，整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖4-1所示。圖4-1 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)和電流環(huán)中一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，同時將給定信號改成，再把時間常數(shù)和的兩個小慣

10、性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中，則轉速環(huán)結構框圖可化簡成圖4-2。圖4-2 等效成單位負反饋和小慣性的近似處理為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器中。現(xiàn)在擾動作用點后面已經有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應超調量較大，那么線性系統(tǒng)的計算數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中轉速調節(jié)器的飽和非線性性質會使超調量大大降低。由此可見也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （4-4）式中 -轉速調節(jié)器的比例系數(shù) -轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù) 圖4-3 校正

11、后成為典型系統(tǒng)這樣，調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：令轉速環(huán)開環(huán)增益為： （4-5）則 （4-6）在典型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中，時間常數(shù)是控制對象固定的，待定的參數(shù)有和。為 了分析方便，引入一個新的變量，令 （4-7）圖4-4 典型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和中頻寬由圖可見，是斜率為的中頻段的寬度，稱作中頻寬。由于中頻段的狀態(tài)對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質器決定性的作用，因此是一個很重要的參數(shù)。在一般情況下，點處在特性段，由圖4-4可以看出因此 （4-8）在工程設計中，如果兩個參數(shù)都任意選擇，工作量顯然很大，為此采用“振蕩指標法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準則，可以找到和兩個參數(shù)之間的一種最佳配合。這一準則表明，對于

12、一定的值，只有一個確定的可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值，這時和，之間的關系是 （4-9） （4-10）以上兩式稱作準則的“最佳頻比”，因而有 （4-11）確定之后根據(jù)式（4-7）和式（4-11）即可分別求得和。根據(jù)（4-8）和（4-11）可得 （4-12）由式（4-12）可知轉速環(huán)開環(huán)增益為 （4-13）因此 （4-14）4.3 轉速調節(jié)器的參數(shù)的計算已知，則電流環(huán)等效時間常數(shù)： 已知，則小時間常數(shù)近似處理的時間常數(shù)為：按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則的超前時間常數(shù)為： 由式（4-13）可知轉速環(huán)開環(huán)增益為： 由（4-14）可知的比例系數(shù)為： 4.4 校驗由式（4-12）可知轉速環(huán)的截止頻

13、率為： 1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)化簡條件滿足簡化要求。2） 轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。4.5 計算調節(jié)器電阻和電容圖4-5 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器根據(jù)圖4-5，已知，則，取，取4.6 校核轉速超調量表4-1 典型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標（按準則確定參數(shù)關系）34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%2.402.652.853.03.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.2032211111當時，由表4-1，不能滿足設計要求。實際上，由于表4-1是按線性系

14、統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按退飽和的情況重新計算超調量。五轉速調節(jié)器退飽和時轉速超調量的計算計算退飽和超調量時，起動過程可按分段線性化的方法來處理。當飽和時，相當于轉速環(huán)開環(huán)，電流環(huán)輸入恒定電壓，如果忽略電流環(huán)短暫的跟隨過程，其輸出量也基本上是恒定值，因而電動機基本上按恒加速度起動，其加速度為 （5-1）這個加速過程一直延續(xù)到時刻時為止。取式（5-1）的積分，得 （5-2）考慮到和，則 （5-3）退飽和后，轉速環(huán)恢復到線性范圍內運行，系統(tǒng)的結構框圖見圖4-1。描述系統(tǒng)的微分方程和前面分析線性系統(tǒng)的跟隨性能時相同，只是初始條件不同了。分析線性系統(tǒng)跟隨性時，初始條

15、件為，討論退飽和超調時，飽和階段的終了狀態(tài)就是退飽和階段的初始狀態(tài)，只是把時間坐標零點從移到時刻即可。因此，退飽和的初始條件是，由于初始條件發(fā)生了變化，盡管兩種情況的動態(tài)結構框圖和微分方程完全一樣，過渡過程還是不同的。因此，退飽和超調量并不等于典型系統(tǒng)跟隨性能指標中的超調量。當選用PI調節(jié)器時，圖4-1所示的調速系統(tǒng)結構框圖可以繪成圖5-1。由于感興趣的是在穩(wěn)態(tài)轉速以上的超調部分，即只考慮，可以把初始條件轉化為，。由于圖5-2的給定信號為零，可以不畫，而把的反饋作用反饋到主通道第一個環(huán)節(jié)的輸出量上，得到圖5-3。為了保持圖5-3和圖5-2各量間的加減關系不變，圖5-3中的和的+、-號相應的變化

16、。圖5-1 調速系統(tǒng)的等效動態(tài)結構框圖以轉速為輸出量圖5-2 調速系統(tǒng)的等效動態(tài)結構框圖以轉速超調值為輸出量圖5-3 調速系統(tǒng)的等效動態(tài)結構框圖圖5-2的等效變化可以把退飽和超調看作是在的負載下以穩(wěn)定運行，在時刻負載由 減小到，轉速產生一個動態(tài)速升與恢復的過程?？衫帽?-1給出的典型系統(tǒng)抗擾性能指標來計算退飽和超調量，只要注意的基準值即可。表5-1 典型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系34567891072.2%775%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85在典型系統(tǒng)抗擾性能指標中，的基準值的為 （5-4）可知 ，所以的基準應是 (5-5)令表示電機允許的過載倍數(shù)，即，表示負載系數(shù)，為調速系統(tǒng)開環(huán)機械的額定穩(wěn)態(tài)速降，代入（5-5），可得 （5-6）作為轉速的超調量，其基準值應該是，因此退飽和超調量可以由表5-1列出的數(shù)據(jù)經基準值換算后求得，即 （5-7）設理想空載起動時，已知電機允許的過載倍數(shù)，A，。當，由表5-1查得=81.2%，將數(shù)據(jù)代入式（5-7），可得能滿足超調量的要求。根據(jù)式（5-3）可以求得會比的值略大一點。在系統(tǒng)設計過程中系統(tǒng)等有一定的誤差范圍，所以，可以滿足設計要求六總結通