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1、第11次课 1 直流电机的调速部分 一 转速负反馈的调速系统二 电压负反馈的调速系统三 电压负反馈的调速系统和电流正反馈系统四 具有电流截止负反馈的自动调速系统 2 二 电压负反馈的调速系统 对于速度控制 转速负反馈是最基本的反馈方式 优点 控制直接并能较好的改善动态和静态性能 缺点 需要检测装置 常见测速发电机 结构复杂 维护安装不便 因此 在调速指标要求不是很高的场合 可以采用替代的反馈方式 3 图5 4电压负反馈调速系统 4 原理 电枢电阻引起的压降很小 那么电枢两端电压就近似等于电机反电动势 那么只要保持电枢两端电压近似不变 就可以间接控制转速不变 结构特点 在电枢两端接一个电位器 将
2、电枢两端电压信号取出 反馈到放大器的输入端与给定电压信号比较 两者极性相反 故称电压负反馈 5 动态控制过程 对负载扰动的调整过程负载稳定时 给定电压和输出转速一一对应负载扰动时 Id变化 Ud变化负载 Id Ud n Uu u Uct 整流器输出电压 Eda n 调整结果是 电枢电压恢复到负载增加前的值 使转速不受负载扰动的影响 6 系统方框图 静特性分析 偏差控制 u Un Uu 特注 反馈电压Uu常采用直流电压隔离器进行隔离采样 7 与开环和转速系统的性能比较 电压负反馈调速系统的静差度和调速范围虽然比没有反馈的开环系统要好一些 但远不如转速负反馈调速系统 原因 因此它常与电流正反馈一起
3、组成反馈调速系统 注 Rrec是晶闸管的内阻Ra是电枢电阻R Rrec Ra 静特性方程 8 5 应用 其性能 调速范围较低静差度大 适用于D15 改进 鉴于电压负反馈的调速系统的性能情况 考虑进行改进 对电枢内阻引起的速降进行补偿 采用电流补偿 9 三 电压负反馈和电流正反馈调速系统 1 结构特点 对电机两端电压和电枢电流同时采样反馈 10 2 控制原理 加上电流正反馈 就是把一个反映电动机电枢电流大小的量IDRs取出 也加到输入放大器的输入端去 使放大器输入信号反映负载电流的增减 当负载电流增加时放大器输入信号增加使晶闸管整流器输出电压Eda也增加 来补偿电枢电阻所产生的压降 也称为电压负
4、反馈和电流补偿调速系统 3 静特性分析 11 静特性方程 性能比较 比电压负反馈调速系统静特性有所改善 但是由于仍然不是直接调节转速 静特性还不如转速负反馈系统 补偿性能 由于补偿依赖于参数的配合 事实上 难以补偿到转速负反馈的静特性 应用 用于调速范围D 20以下 静差度s 10 的场合 12 4 5具有电流截止负反馈的自动调速系统 一 电流截止负反馈的作用 采用电流截止负反馈用以限制快速起动 制动和堵转等情况下产生的冲击电流 大于电动机最大允许电流 有害于电动机和晶闸管装置 一般都采用电流截止负反馈来限制过大冲击电流 13 原理图 14 静特性方程为 注 一般为了保证系统有尽可能宽的正常运
5、行段 取临界截止电流略大于电动机的额定电流 如何获得比较电压 当ID不大且IDRs Ucon时 二极管V截止 电流负反馈不起作用 动静特性和转速负反馈一致 控制过程 当ID大到IDRS Ucom时 二极管V导通 电压 IDRS U从 通过二极管以并联负反馈的形式加到放大器的输入端 减弱 U的作用 降低uD从而减小ID 15 作用 不只是堵转起作用 启动过程中也可限制启动电流 启动时的控制 16 二 电压微分负反馈 硬反馈 以上介绍的反馈控制方法的反馈信号直接与某一参量成正比 统称为硬反馈 软反馈 凡是反馈信号不直接反映某一参量 而是与某参量的一阶或二阶导数成比例的反馈 统称为软反馈 17 结构
6、 C3 R3构成电压微分负反馈回路 特点 采用电压负反馈可以改善系统的动态特性 18 4 6 晶闸管 电动机直流调速系统举例 SA7512螺纹磨床主传动为晶闸管 电动机无级有差调速系统 头架电动机转速为60 1200r min 系统的机械特性硬度小于10 采用方向接触器来改变电动机正反转 一 调速系统的组成和调速原理 19 C12 图5 9SA7512螺纹磨床头架晶闸管调速系统 20 1 主回路 主回路采用了两只晶闸管和两只二极管组成的单相半控桥式全波整流电路 如图5 10所示 21 图5 11单相半控桥式整流电路输出电压波形 22 2 给定回路和转速负反馈 调整4RP不同位置可得出不同的给定
7、电压ug 调整6RP不同位置可得出测速发电机的反馈电压ucf 23 3 放大电路和电压微分负反馈 24 4 触发脉冲电路 25 5 电流截止环节 电动机弱磁场保护 V02 V10 R13 R12 R14 R15 R16 R17 1RP 2RP C7 C9 V03 V04 图5 14电流截止环节 电流截止环节由1RP 2RP V10和V03等元件组 26 4 7 无静差调速系统 前面所讲闭环调速系统 要提高静态特性 要依赖于增大放大倍数 但是放大倍数增大就会导致系统稳定性下降 系统靠误差进行调节的 而且即使放大倍数大了 系统也是有差调速系统 这种系统靠误差进行调节的 被调量在静态时与给定量有偏差
8、 无差调速系统 被调量在静态时完全等于给定量 无偏差 无差调速系统的实现 采用PID调节器 27 补充 PID控制的原理和特点在工程实际中 应用最为广泛的调节器控制规律为比例 积分 微分控制 简称PID控制 又称PID调节 PID控制器就是根据系统的误差 利用比例 积分 微分计算出控制量进行控制的 比例 P 控制 比例控制是一种最简单的控制方式 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 Steady stateerror 28 积分 I 控制 在积分控制中 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系 对一个自动控制系统 如果在进入稳态后存在稳态误差 则称这个
9、控制系统是有稳态误差的或简称有差系统 SystemwithSteady stateError 为了消除稳态误差 在控制器中必须引入 积分项 积分项对误差取决于时间的积分 随着时间的增加 积分项会增大 这样 即便误差很小 积分项也会随着时间的增加而加大 它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小 直到等于零 因此 比例 积分 PI 控制器 可以使系统在进入稳态后无稳态误差 29 微分 D 控制 在微分控制中 控制器的输出与输入误差信号的微分 即误差的变化率 成正比关系 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳 其原因是由于存在有较大惯性组件 环节 或有滞后 delay 组件 具有
10、抑制误差的作用 其变化总是落后于误差的变化 解决的办法是使抑制误差的作用的变化 超前 即在误差接近零时 抑制误差的作用就应该是零 这就是说 在控制器中仅引入 比例 项往往是不够的 比例项的作用仅是放大误差的幅值 而目前需要增加的是 微分项 它能预测误差变化的趋势 这样 具有比例 微分的控制器 就能够提前使抑制误差的控制作用等于零 甚至为负值 从而避免了被控量的严重超调 所以对有较大惯性或滞后的被控对象 比例 微分 PD 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性 30 PID调节器的数学表达式 P t Kp e t e t dt TI TDde t dt 式中p t 调节器的输出信号 e t 调节
11、器的偏差信号 为测量值与给定值之差 KP 调节器的比例系数 TI 调节器的积分时间 TD 调节器的微分时间 31 PID控制器的参数整定 使用PID控制器 参数整定是控制系统设计的核心内容 它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数 积分时间和微分时间的大小 PID控制器参数整定的方法概括起来有两大类 一类是理论计算整定法 它主要是依据系统的数学模型 经过理论计算确定控制器参数 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用 还必须通过工程实际进行调整和修改 32 二类是工程整定方法 它主要依赖工程经验 直接在控制系统的试验中进行 且方法简单 易于掌握 在工程实际中被广泛采用 PID控制器参数的
12、工程整定方法 主要有临界比例法 反应曲线法和衰减法 三种方法各有其特点 其共同点都是通过试验 然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数 都需要在实际运行中进行最后调整与完善 33 PID控制器的应用 PID控制器问世至今已有近70年历史 它以其结构简单 稳定性好 工作可靠 调整方便而成为工业控制的主要技术之一 当被控对象的结构和参数不能完全掌握 或得不到精确的数学模型时 控制理论的其它技术难以采用时 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定 这时应用PID控制技术最为方便 即当我们不完全了解一个系统和被控对象 或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时 最适合用PID控制技术 PID控制 实际中也有PI和PD控制 34
