山大《運動控制系統(tǒng)》課件第3章 多閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)造及PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)組態(tài)-1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)造過程及其靜特性

1、第三章多閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)造及PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)組態(tài)本講主要內(nèi)容第一節(jié) 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)造過程及其靜特性第311講2022/8/202 當(dāng)生產(chǎn)工藝提出穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的要求時，我們利用在第二章當(dāng)中所掌握的知識(引轉(zhuǎn)速負反饋和適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)器的(變)增益)就能很好滿足生產(chǎn)工藝要求。 D (調(diào)速范圍) SL（低速靜差率） 但是，如果生產(chǎn)工藝還提出了一些動態(tài)指標(biāo)要求。如： tr （上升時間） （超調(diào)量）在第二章中已解決2022/8/203tr （上升時間） （超調(diào)量）trtr屬于生產(chǎn)工藝所提出的動態(tài)指標(biāo)2022/8/204 如果生產(chǎn)工藝不但提出穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的要求，還提出了上升時間盡可能的短并且無超調(diào)

2、的要求。如何來解決此類問題呢？ 2022/8/205第3章 多閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)造及PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)組態(tài)第一節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)及其靜特性一、問題的提出及解決過程2022/8/206一、問題的提出及解決過程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)了這樣一個問題： 如果軍艦上的火炮朝向正前方，當(dāng)在軍艦的左弦或右弦發(fā)現(xiàn)敵方的潛水艇時，由于炮塔的旋轉(zhuǎn)速度不適當(dāng)很容易失去戰(zhàn)機。2022/8/207一、問題的提出及解決過程 如果炮塔的旋轉(zhuǎn)速度慢了，敵方潛水艇就會沉下水去，逃跑。2022/8/208一、問題的提出及解決過程 如果炮塔的旋轉(zhuǎn)速度快了，不是機械零件受損，就是把炮兵轉(zhuǎn)的失去戰(zhàn)斗力。2022/8/209一、

3、問題的提出及解決過程 把這個問題上升到控制理論(數(shù)學(xué))上就是：當(dāng)接到命令后，在機械強度、炮兵身體的承受能力和電動機過載能力等條件允許的情況下，以最短的時間內(nèi)起動到最高速的問題。2022/8/2010一、問題的提出及解決過程1、命題 已知負載（TdL）為常數(shù)，加速度受到機械強度和人體承受能力、電機轉(zhuǎn)子換向電流的限制不能隨意增大，如何才能使電動機起動時間最短？起動結(jié)束時無轉(zhuǎn)速超調(diào)或很小(額定轉(zhuǎn)速的0.1%0.01%)，起動結(jié)束后，當(dāng)受到外界因素的干擾時，如何使控制系統(tǒng)的輸出保持額定值不變？ 此命題同時提出了三個問題：電動機起動時間最短問題；轉(zhuǎn)速無超調(diào)問題和系統(tǒng)的輸出(轉(zhuǎn)速)抗干擾能力強的問題(也就

4、是說：動態(tài)速降和穩(wěn)態(tài)速降都小)。2022/8/2011一、問題的提出及解決過程 如果暫時不考慮超調(diào)問題，要想使系統(tǒng)的起動時間達到最小值，也就是讓系統(tǒng)的上升時間tr最短。 要想使tr達到最小值；就應(yīng)該讓 越大越好，但是 受到下面條件的約束：tr1tr22022/8/2012 要想使tr達到最小值；就應(yīng)該讓 越大越好，但是 受到下面條件的約束： 如果暫時不考慮超調(diào)問題，要想使系統(tǒng)的起動時間達到最小值，也就是讓系統(tǒng)的上升時間tr最短。 要想使tr達到最小值；就應(yīng)該讓 越大越好，但是 受到下面條件的約束：一、問題的提出及解決過程tr1tr22022/8/2013一、問題的提出及解決過程 要想使tr達到

5、最小值；就應(yīng)該讓 越大越好，但是 受到下面條件的約束： 受到機械強度所允許的最大加速度的限制： 受到電動機電樞電流所允許的最大加速度的限制： 受到人體生理所能承受的最大加速度的限制： 很顯然，要想使系統(tǒng)的上升時間最短，最大允許的加速度應(yīng)該滿足如下條件：,2022/8/2014一、問題的提出及解決過程 要想使tr達到最小值；就應(yīng)該讓 越大越好，但是 受到下面條件的約束： 受到機械強度所允許的最大加速度的限制： 受到電動機電樞電流所允許的最大加速度的限制： 受到人體生理所能承受的最大加速度的限制： 很顯然，要想使系統(tǒng)的上升時間最短，最大允許的加速度應(yīng)該滿足如下條件：,2022/8/2015一、問題

6、的提出及解決過程 受到機械強度所允許的最大加速度的限制： 受到電動機電樞電流所允許的最大加速度的限制： 受到人體生理所能承受的最大加速度的限制： 很顯然，要想使系統(tǒng)的上升時間最短，最大允許的加速度應(yīng)該滿足如下條件：, 要想起動時間最短=必須在整個的起動期間(0ne)內(nèi)，一直維持最大允許的 不變。 這個結(jié)論也很容易證明:2022/8/2016一、問題的提出及解決過程證明：如果在起動瞬間有這樣的兩種情況：(if)如果：(then)那么控制系統(tǒng)不但不能滿足生產(chǎn)工藝要求，還會發(fā)生事故；(if)如果：(then) 那么控制系統(tǒng)的起動時間就不能達到時間最短。所以要想起動時間最短必須在整個的起動期間內(nèi)保持：

7、2022/8/2017一、問題的提出及解決過程那么如何讓系統(tǒng)在整個的起動期間內(nèi)保持最大加速度不變呢？又在整個的起動期間TdL不變。 要想在整個的起動時間保持 不變就應(yīng)該在整個的起動期間保持電磁轉(zhuǎn)矩T不變?？紤]到：2022/8/2018第一節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)及其靜特性一、問題的提出及解決過程 所以只要保證在整個的起動期間電樞電流等于一個適當(dāng)?shù)淖畲笤试S值不變，就能夠?qū)崿F(xiàn)最短時間起動問題(現(xiàn)代控制理論角度說是時間最優(yōu)控制問題)max2022/8/2019第一節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)及其靜特性一、問題的提出及解決過程 所以只要保證在整個的起動期間電樞電流等于一個適當(dāng)?shù)淖畲笤试S值不

8、變，就能夠?qū)崿F(xiàn)最短時間起動問題(現(xiàn)代控制理論角度說是時間最優(yōu)控制問題)max2022/8/2020轉(zhuǎn)速為什么會出現(xiàn)超調(diào)？出現(xiàn)超調(diào)的原因是轉(zhuǎn)速在達到額定轉(zhuǎn)速時（n=ne），電磁轉(zhuǎn)矩仍然大于負載轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速超調(diào)。第一節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)及其靜特性一、問題的提出及解決過程2022/8/2021轉(zhuǎn)速為什么會出現(xiàn)超調(diào)？出現(xiàn)超調(diào)的原因是轉(zhuǎn)速在達到額定轉(zhuǎn)速時（n=ne），電磁轉(zhuǎn)矩仍然大于負載轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速超調(diào)。第一節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)及其靜特性一、問題的提出及解決過程2022/8/2022當(dāng)轉(zhuǎn)速第一次出現(xiàn)n=ne時，如果此時電樞電流能自動突降為額定電流，那么系統(tǒng)在起動過程結(jié)束時，可

9、以在理論上實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無超調(diào)。第一節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)及其靜特性一、問題的提出及解決過程（在實際工程中為了克服慣性的影響，電樞電流的突降值要比負載電流?。?2022/8/2023 還有一個問題：控制系統(tǒng)起動過程結(jié)束后如何保持額定轉(zhuǎn)速不變的問題。引轉(zhuǎn)速負反饋! 解決命題的理論方法有了，如何來實現(xiàn)呢？ 當(dāng)轉(zhuǎn)速第一次出現(xiàn)n=ne時，如果此時電樞電流能自動突降為額定電流，那么系統(tǒng)在起動過程結(jié)束時，可以在理論上實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無超調(diào)。 第一節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)及其靜特性一、問題的提出及解決過程2022/8/2024第一節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)及其靜特性一、問題的提出及解決過程 當(dāng)出現(xiàn)

10、n=ne時，如果此時電樞電流也能自動突降為額定電流，那么系統(tǒng)在起動過程結(jié)束時，可以在理論上實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無超調(diào)。 還有一個問題：控制系統(tǒng)起動過程后如何保持額定轉(zhuǎn)速不變的問題。引轉(zhuǎn)速負反饋! 解決命題的理論方法有了，如何來實現(xiàn)呢？2022/8/2025第一節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)及其靜特性一、問題的提出及解決過程2、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 因為在起動期間需要保持電樞電流恒定不變；在穩(wěn)定運行期間需要保持電機的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以需要構(gòu)造電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)兩個反饋環(huán)節(jié)。 根據(jù)多環(huán)組合定理(方法)，電流環(huán)在里面轉(zhuǎn)速環(huán)在外面。構(gòu)造的關(guān)鍵是：起動過程結(jié)束時，如何實現(xiàn)電樞電流自動與負載電流相平衡？2022/8/2026

11、第一節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)及其靜特性一、問題的提出及解決過程2、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 因為在起動期間需要保持電樞電流恒定不變；在穩(wěn)定運行期間需要保持電機的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以需要構(gòu)造電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)兩個反饋環(huán)節(jié)。 根據(jù)多環(huán)組合定理(方法)，電流環(huán)在里面轉(zhuǎn)速環(huán)在外面。構(gòu)造的關(guān)鍵是：起動過程結(jié)束時，如何實現(xiàn)電樞電流自動與負載電流相平衡？2022/8/20272、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 為了滿足起動期間的要求根據(jù)反饋定理只要引電樞電流的負反饋就可以解決這個問題，因此就有了下面的電流環(huán)幾點說明：1) 電流調(diào)節(jié)器ACR:一般采用PI調(diào)節(jié)器原因：* 動態(tài)GAIN增益小容易穩(wěn)定* 靜態(tài)增益大容易滿足生產(chǎn)工藝要求。*

12、 改變輸入偏差的極性才能改變輸出的變化方向或使輸出退出飽和。2022/8/20282、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 為了滿足起動期間的要求根據(jù)反饋定理只要引電樞電流的負反饋就可以解決這個問題，因此就有了下面的電流環(huán)幾點說明：1) 電流調(diào)節(jié)器ACR:一般采用PI調(diào)節(jié)器原因：* 動態(tài)GAIN增益小容易穩(wěn)定* 靜態(tài)增益大容易滿足生產(chǎn)工藝要求。*改變輸入偏差的極性才能改變輸出的變化方向或使輸出退出飽和。2022/8/20292、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 幾點說明：2) 電流反饋單元:一般從交流側(cè)引出的主要原因是：* 互感器能起隔離作用(隔離主電路與控制電路之間的直接聯(lián)系)； * 不增加主電路的電阻就能反饋主電路的電流大小，并

13、且極性恒定；* 能增加主電路的等效電感。2022/8/20302、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 幾點說明：2) 電流反饋單元:一般從交流側(cè)引出的主要原因是：* 互感器能起隔離作用(隔離主電路與控制電路之間的直接聯(lián)系)； * 不增加主電路的電阻就能反饋主電路的電流大小，并且極性恒定；* 能增加主電路的等效電感。2022/8/20312、系統(tǒng)的構(gòu)造過程幾點說明：3)對電流環(huán)的給定要求：在起動期間為： 起動結(jié)束后電流環(huán)的給定能自動變?yōu)椋菏请娏鞣答佅禂?shù)要實現(xiàn)電流環(huán)的變給定，有兩個關(guān)健點：電流環(huán)的變給定是如何感知到起動結(jié)束的？負載隨時都有可能發(fā)生變化，電流環(huán)的變給定又是如何在起動結(jié)束時自動調(diào)整與負載電流相平衡的呢？2

14、022/8/20322、系統(tǒng)的構(gòu)造過程幾點說明：3)對電流環(huán)的給定要求：在起動期間為： 起動結(jié)束后電流環(huán)的給定能自動變?yōu)椋菏请娏鞣答佅禂?shù)要實現(xiàn)電流環(huán)的變給定，有兩個關(guān)健點：電流環(huán)的變給定是如何感知到起動結(jié)束的？負載隨時都有可能發(fā)生變化，電流環(huán)的變給定又是如何在起動結(jié)束時自動調(diào)整與負載電流相平衡的呢？2022/8/20332、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 為了滿足起動結(jié)束后的要求就應(yīng)該引轉(zhuǎn)速負反饋，但是轉(zhuǎn)速負反饋信號引到何處去呢？ 根據(jù)多環(huán)組合方法，應(yīng)該引到電流環(huán)的外面去，因為電流出現(xiàn)的時間早于轉(zhuǎn)速。 但是，轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出能承擔(dān)起電流環(huán)對變給定的要求嗎？2022/8/20342、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 為了滿足起

15、動結(jié)束后的要求就應(yīng)該引轉(zhuǎn)速負反饋，但是轉(zhuǎn)速負反饋信號引到何處去呢？ 根據(jù)多環(huán)組合方法，應(yīng)該引到電流環(huán)的外面去，因為電流出現(xiàn)的時間早于轉(zhuǎn)速。 但是，轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出能承擔(dān)起電流環(huán)對變給定的要求嗎？2022/8/20352、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 根據(jù)反饋定理轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該有自己的給定信號和調(diào)節(jié)器，于是由多環(huán)組合方法，讓轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出代替電流環(huán)的給定信號 得到下面的控制系統(tǒng)原理圖。 2022/8/20362、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 根據(jù)反饋定理轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該有自己的給定信號和調(diào)節(jié)器，于是由多環(huán)組合方法，讓轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出代替電流環(huán)的給定信號 得到下面的控制系統(tǒng)原理圖。 2022/8/20372、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 關(guān)鍵的

16、問題是：電流環(huán)的給定信號需要具有自動變化的功能， ASR的輸出能否代替電流環(huán)的給定信號U*I ？ 根據(jù)反饋定理轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該有自己的給定信號和調(diào)節(jié)器，于是由多環(huán)組合方法，讓轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出代替電流環(huán)的給定信號 得到下面的控制系統(tǒng)原理圖。 2022/8/20382、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 關(guān)鍵的問題是：電流環(huán)的給定信號需要具有自動變化的功能， ASR的輸出能否代替電流環(huán)的給定信號U*I ？ 根據(jù)反饋定理轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該有自己的給定信號和調(diào)節(jié)器，于是由多環(huán)組合方法，讓轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出代替電流環(huán)的給定信號 得到下面的控制系統(tǒng)原理圖。 2022/8/20392、系統(tǒng)的構(gòu)造過程在起動結(jié)束時是否能自動與負載相平衡？ 速度調(diào)

17、節(jié)器ASR輸出在起動期間是否能為：2022/8/20402、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 當(dāng)突加給定起動時，由于系統(tǒng)(主要是電動機)的慣性轉(zhuǎn)速n不可能立即建立起來，所以此時轉(zhuǎn)速環(huán)的給定就等于速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入信號即： 2022/8/20412、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 如果速度調(diào)節(jié)器ASR的比例部分P選擇適當(dāng)那么速度調(diào)節(jié)器ASR就會立即達到飽和。2022/8/20422、系統(tǒng)的構(gòu)造過程考慮到在整個的起動期間：2022/8/20432、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 所以速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入信號的極性保持不變，根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律可知：速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出不會自動退出飽和狀態(tài)。2022/8/20442、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 只要

18、適當(dāng)選擇速度調(diào)節(jié)器ASR的飽和限幅值 ，讓就可以滿足命題的第一個要求：在起動期間速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出保持最大值不變的條件。2022/8/20452、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 又考慮到起動結(jié)束后的瞬間，由于慣性轉(zhuǎn)速n將會超過額定轉(zhuǎn)速，導(dǎo) 致速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入信號 改變極性，2022/8/20462、系統(tǒng)的構(gòu)造過程突變速度越快超調(diào)量越小2022/8/20472、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律可知：速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出 將會自動下降退出飽和狀態(tài)。2022/8/20482、系統(tǒng)的構(gòu)造過程 當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定下來之后： 時，必定出現(xiàn) 的情況。如果不出現(xiàn) 的情況，系統(tǒng)就不可能進入穩(wěn)定狀態(tài)?？梢杂梅醋C法來說

19、明：2022/8/20492、系統(tǒng)的構(gòu)造過程假設(shè)：這與 相矛盾，所以如果系統(tǒng)是一個穩(wěn)定性系統(tǒng)必定會出現(xiàn)， 因此滿足了命題的第二個要求結(jié)束條件。 但是，由最大允許電流能否突變成負載電流呢？ 2、系統(tǒng)的構(gòu)造過程綜上所述，系統(tǒng)的構(gòu)造特點是：電流環(huán)起動時維持最大電流不變，解決了最短時間起動的問題；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面解決了系統(tǒng)起動結(jié)束后的抗干擾問題；如果系統(tǒng)是一個穩(wěn)定性系統(tǒng)，那么速度調(diào)節(jié)器的輸出能自動與電流反饋相平衡。 但是電流環(huán)的給定突降(電樞電流突降)的問題還沒有解決，也就是說：超調(diào)問題在實際工程上還沒有徹底解決。2、系統(tǒng)的構(gòu)造過程綜上所述，系統(tǒng)的構(gòu)造特點是：電流環(huán)起動時維持最大電流不變，解決了最短時間起動的問題；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面解決了系統(tǒng)起動結(jié)束后的抗干擾問題；如果系統(tǒng)是一個穩(wěn)定性系統(tǒng)，那么速度調(diào)節(jié)器的輸出能自動與電流反饋相平衡。 但是電樞電流突降的問題還沒有解決，也就是說：超調(diào)問題在實際工程上還沒有徹底解決。2、系統(tǒng)的構(gòu)造過程注意：1) 一般在最外面環(huán)稱為控制系統(tǒng)的主環(huán)也稱為控制目的環(huán)。 因為這種控制系統(tǒng)有兩個環(huán)，并且各有自己的調(diào)節(jié)器，這種控制系統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 2)如果在實際工程中，引電流負反饋無法實現(xiàn)時間上的最優(yōu)控制，可以考慮引電磁轉(zhuǎn)矩的負反饋。2、系統(tǒng)的構(gòu)造過程注意：1) 一般在最外面環(huán)稱為控制系統(tǒng)的主環(huán)也稱為控制目的環(huán)。 因為這種控制系統(tǒng)