轉(zhuǎn)速反饋控制_13

1、3.3.3 按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器自動化學院自動化學院 自動化學院自動化學院w 先從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）開始，對其進行必要的變換和處理；先從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）開始，對其進行必要的變換和處理；w 然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)（然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)（或或型系統(tǒng)）；型系統(tǒng)）；w 再按照控制對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型（再按照控制對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型（P 或或 PI）；）；w 最后按最后按動態(tài)動態(tài)性能指標要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)（性能指標要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)（K、

2、 ） ，即即實現(xiàn)調(diào)節(jié)器設(shè)計的最終目標實現(xiàn)調(diào)節(jié)器設(shè)計的最終目標。 用工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是。具體步驟是： 電流環(huán)設(shè)計完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）電流環(huán)設(shè)計完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。 自動化學院自動化學院 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)圖如圖3-18所示，它增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。 設(shè)置濾波環(huán)節(jié)的必要性：由于反饋信號檢測中含有諧波和其它擾動量，為了抑制各種擾動量對系統(tǒng)的影響，需加低通濾波。該濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，其濾波

3、時間常數(shù)按需要選定。 在抑制擾動量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了抵消這個延遲作用，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)。它的意義是：讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延遲，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計上的方便。 自動化學院自動化學院Toi電流反饋濾波時間常數(shù)； Ton轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)圖3-18 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖一階低通濾波器，傳遞函數(shù)為慣性環(huán)節(jié)給定慣性環(huán)節(jié)，令給定值延時滯后，抵消因濾波器令反饋值滯后的效果*一階低通濾波器，傳遞函數(shù)為慣性環(huán)節(jié)，濾除反饋中的高頻諧波干擾* 自動化學院自動化學院1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計w 反

4、電動勢是電流環(huán)的擾動輸入， 它與轉(zhuǎn)速成正比。w 一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù) Tl 遠小于機電時間常數(shù) Tm，因此，轉(zhuǎn)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E 0。w 因此，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響。也就是把反電動勢的作用去掉，得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖，如圖 3-19 a 所示。w 忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是： 式中：ci電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。cim13lT T 自動化學院自動化學院圖3-19 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡忽略反電動勢的動態(tài)影響 自動

5、化學院自動化學院w 把給定濾波和反饋濾波同時等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道，再把給定信號改成電流U*i(s) /，則電流環(huán)等效成單位負反饋系統(tǒng)。注意ACR的輸入不變。 圖3-19 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(b) 等效成單位負反饋系統(tǒng) 自動化學院自動化學院Ti = Ts + Toi 則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖簡化成圖3-19(c)，根據(jù)式(3-38)，簡化的近似條件為 oisci131TT圖3-19 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡由于 Ts 和 Toi 一般都比 Tl 小得多，可以當作小慣性群而近似為一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為：小慣性環(huán)節(jié)近似處理 自動化學院自動化學院w 在設(shè)計電流調(diào)節(jié)器時，首先考慮應把電流環(huán)校正成哪

6、一類型系統(tǒng)。w 從穩(wěn)態(tài)要求考慮：要求電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用型系統(tǒng)就可以滿足要求。w 從動態(tài)要求考慮：實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素。w 因此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即選用典型型系統(tǒng)。 自動化學院自動化學院w 如圖3-19(c)所示，電流環(huán)的控制對象是兩個時間常數(shù)大小相差較大的雙慣性型的控制對象。w 電流調(diào)節(jié)器選擇：PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：ssKsWiiiACR) 1()( Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。siiopiii/(1)( )(1

7、)(1)lKRKsWssTsT s電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為： 自動化學院自動化學院isIopiiii/( )(1)(1)KKRKWss T ss T sisisIilK KK KKRT R 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-20a所示，圖3-20b 繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。 因為 Tl Ti，故選擇 PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)i= Tl ，用調(diào)節(jié)器零點消去控制對象中大的時間常數(shù)極點，從而校正成典型 I 型系統(tǒng)，因此，開環(huán)傳遞函數(shù)變?yōu)椋浩渲?自動化學院自動化學院圖3-20 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)a) 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b) 開環(huán)對數(shù)幅頻特性 自動化學院自動化學院Icii12KTisisi()22llT R

8、TRKKTKT(3-52) (3-51) 若要求電流超調(diào)量i 5%，由表3-1，可選擇 KITi =0.5，則isisIilK KK KKRT R再根據(jù)得到 自動化學院自動化學院電流調(diào)節(jié)器的模擬電路硬件實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)器的模擬電路硬件實現(xiàn) U*i 電流給定電壓； Id 電流負反饋電壓； Uc 電力電子變換器的控制電壓。圖3-21 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器ii0RKRii0ii0iiRKR CRCRoi0oi14TR C 自動化學院自動化學院Iidcli*2IiiiII(1)( )1( )1( ) /11(1)Ks T sIsWsKTUssss T sKK電流電流調(diào)節(jié)器的等效模型調(diào)節(jié)器

9、的等效模型按典型型系統(tǒng)設(shè)計的電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 自動化學院自動化學院cliI1( )11WssKIcni13KT采用高階系統(tǒng)的降階近似處理方法，忽略高次項，Wcli(s)可降階近似為根據(jù)式（3-43），得到降階近似為式中，cn為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 自動化學院自動化學院因此，電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應等效為：dcli*iI1( )( )1( )1IsWsUssK 電流的閉環(huán)控制改變了控制對象，把雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象近似地等效成只有較小時間常數(shù) 1/KI 的一階慣性環(huán)節(jié)，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個重要功能。 自動化學院自動化學院例題例題3-1 w 某晶閘管

10、供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動機：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允許過載倍數(shù)=1.5； 晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40； 電樞回路總電阻：R=0.5； 時間常數(shù)：Tl = 0.03s， Tm= 0.18s； 電流反饋系數(shù)：=0.05V/A（10V/1.5IN）。w 設(shè)計要求設(shè)計要求 設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，要求電流超調(diào)量5%i 自動化學院自動化學院解 (1) 確定時間常數(shù)w 按表2-2，三相橋式整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=0.0017sw 電流濾波時間常數(shù)Toi=2ms=0.002s。 To=諧波周期/(12) Toi

11、w 電流環(huán)小時間常數(shù)之和，按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi= 0.0037s。(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)w 要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。用PI型電流調(diào)節(jié)器。 自動化學院自動化學院(3) 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)w 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=Tl = 0.03s。w 電流環(huán)開環(huán)增益：取KITi= 0.5，因此 w 于是，ACR的比例系數(shù)為1Ii0.50.5135.1s0.0037KTIiis135.1 0.03 0.51.01340 0.05KRKK 自動化學院自動化學院2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計w 電流環(huán)是二階振蕩環(huán)節(jié)，令轉(zhuǎn)速環(huán)無法設(shè)計為典型系統(tǒng)

12、（典型I、II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是不包含振蕩環(huán)節(jié)的）w 解決方法：高階系統(tǒng)的降階近似處理，降階近似為w 電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中等效為 cliI1( )11WssKdcli*iI1( )( )1( )1IsWsUssK 自動化學院自動化學院圖3-22 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化a) 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-22a所示。 電流環(huán)等效傳遞函數(shù)給定濾波環(huán)節(jié) 自動化學院自動化學院圖3-22 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化(b)等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成 U*n(s) /；把時間常

13、數(shù)為 1 / KI 和 Ton 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并，近似成一個時間常數(shù)為Tn 的慣性環(huán)節(jié)，即nonI1TTK 自動化學院自動化學院由此可知，ASR也應該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：w 轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對象有一個積分環(huán)節(jié)；w 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中；nnASRn(1)( )KsWssKn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 待定參數(shù)待定參數(shù) 因此，轉(zhuǎn)速開環(huán)傳遞函數(shù)應有兩個積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)設(shè)計。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(diào)量較大的問題，實際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性

14、性質(zhì)會使超調(diào)量大大降低。 自動化學院自動化學院w 調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：w 令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 KN 為： w 則 nnnnn2nemnnemn(1)(1)( )(1)(1)RKsKRsW ssC T s TsC T s Ts nNnemKRKC T Nnn2n(1)( )(1)KsW ss Ts 不考慮負載擾動IdL時，調(diào)速系統(tǒng)被校正成典型型系統(tǒng)，其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-22c所示。 自動化學院自動化學院圖3-22 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化(c)校正后成為典型型系統(tǒng)nnhT2221nNThhKemnn(1)2hC TKh RT再由式（3-29）得因此， 而中頻寬 h 的取值由動態(tài)性能的要求決

15、定。根據(jù)表3-4、3-5中的數(shù)據(jù)，無特殊要求時，一般以選擇 h = 5 為好。按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，按照式（3-29），有 自動化學院自動化學院轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模擬電路硬件實現(xiàn) U*n 轉(zhuǎn)速給定電壓； -n 轉(zhuǎn)速負反饋電壓； U*i 電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。圖3-23 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器nn0RKRnnnR Con0on14TR C 自動化學院自動化學院例題例題3-2 w 在例題3-1中，除已給數(shù)據(jù)外，已知：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.07Vmin/r（10V/nN），w 要求轉(zhuǎn)速無靜差，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。w 試按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求

16、能否得到滿足。 自動化學院自動化學院解 （1）確定時間常數(shù) 1）電流環(huán)等效時間常數(shù)。由例題3-1，已取KITi=0.5， 則 2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況， 取Ton=0.01s。 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取iI122 0.00370.0074 sTKnonI10.00740.010.0174sTTK 自動化學院自動化學院2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)w 選用PI調(diào)節(jié)器，3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)w 取h = 5，則ASR的超前時間常數(shù)為w 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益： w ASR的比例系數(shù)為nnASRn(1)( )KsWssnn5 0.01740.087 shT 2N2222

17、n16396.4 s22 50.0174hKh Temnn(1)6 0.05 0.132 0.1811.722 5 0.007 0.5 0.0174hC TKh RT 自動化學院自動化學院（6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量w 當 h = 5時，由表3-4查得，n%=37.6%，不能滿足設(shè)計要求。w 表3-4是按線性系統(tǒng)計算的，若ASR飽和，則系統(tǒng)變?yōu)榉蔷€性，表3-4的n不成立。w 當突加階躍給定時，ASR必飽和，應在ASR退飽和時重新計算超調(diào)量。 自動化學院自動化學院3.4 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真w 采用了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計者要選擇ASR和

18、ACR兩個調(diào)節(jié)器的 PI參數(shù)，有效的方法是使用調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法。w 工程設(shè)計是在一定的近似條件下得到的，再用MATLAB仿真軟件進行仿真，可以根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計參數(shù)進行必要的修正和調(diào)整。 自動化學院自動化學院1電流環(huán)的仿真電流環(huán)的仿真圖3-27 電流環(huán)的仿真模型考慮到反電動勢變化的動態(tài)影響 EIdUcUi=10V濾波環(huán)節(jié)反饋濾波環(huán)節(jié) 自動化學院自動化學院圖3-28 Saturation模塊對話框飽和非線性模塊(Saturation)，來自于Discontinuities組 飽和上界 ，改為10。飽和下界 ， 改為-10。 自動化學院自動化學院圖3-29 電流環(huán)的仿真結(jié)果5 . 0KTPI 參數(shù)是根據(jù)例題3-1計算的結(jié)果設(shè)定 （P83）在直流電動機的恒流升速階段，電流值低于200A，即dmaxN1.5 136204AII其原因是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動機反電動勢的擾動。 自動化學院自動化學