《电力拖动自动控制系统 教学课件 ppt 作者 李华德 第三章 闭环直流调速系统的动态分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力拖动自动控制系统 教学课件 ppt 作者 李华德 第三章 闭环直流调速系统的动态分析（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章 闭环直流调速系统的动态分析,本章主要内容是对闭环直流调速系统进行动态分析，着重于闭环直流调速系统的稳定性、过渡过程、基本控制规律以及动态性能的分析讨论。 3.1节分析单闭环直流调速系统的动态特性； 3.2节分析双闭环直流调速系统的动态特性； 3.3节讨论转速调节器自适应控制及电流调节器自适应控制问题。,3.1 单闭环直流调速系统的动态分析,3.1.1 ASR为比例调节器的单闭环直流调速系统的稳定性分析,将图1-22中的转速调节器ASR设计成比例调节器，就得到采用比例调节器的单闭环直流调速系统的动态结构图，如下页图3-1所示。,图3-1 采用比例调节器的单闭环直流调速系统动态结构图,1、
2、设 ，只考虑转速给定作用，可求得单闭环直流调速系统的开环传递函数为,式中，,其闭环传递函数为,(3-1),(3-2),2、系统的稳定条件,系统的特征方程,它的一般表达式为,式中，,（3-3）,根据三阶系统的劳斯判据，系统稳定的充分 必要条件是,式(3-3)的各项系数显然都是大于零的，因此 稳定条件就只有,或,整理后得,（3-5）,式(3-5)等号右侧称作系统的临界放大系数，当时，系统将不稳定。对于一个自动控制系统来说，稳定性是系统能否正常工作的必要条件，这是在设计时必须首先保证的。,图1-22中的转速调节器ASR设计成比例积分调节器 ，简称PI调节器，就得到采用PI调节器的单闭环直流调速系统动
3、态结构图，如图3-2所示。,图3-2 采用PI调节器的直流单闭环调速系统动态结构图,图中， 其中，KPI 为PI调节器的比例放大系数； 为PI调节器的积分时间常数； 为微分项中的超前时间常数。,1、系统的稳定性 （1）系统的开环与闭环传递函数,依据图3-2，设 ,可求得系统的开环与 闭环传递函数,（3-6）,（3-7）,式中， 。,（2）系统的稳定条件,系统的特征方程为,现列写劳斯表如下：,0,0,根据劳斯判据可知，系统稳定的条件为,由上式可知，当K、 的组合满足上式时， 系统才能稳定。,2.系统的动态分析 （1）起动特性分析,图3-3 带电流截止负反馈单闭环调速系统的起动过程,当有电流截止保
4、护， 系统可以在阶跃给定下 直接起动，图3-3给出了 系统的起动波形。起动 之初，即图3-3的0t1 段，电流负反馈被截止，系统中只有 和 Un 在起作用，此时 值较大，迅速上升到较大值，电枢电流也迅速上升并达到临界电流。,当电流上升到大于Idcr后，电流负反馈开始起作用，限制电流的上升速度和最大值。另外，电流负反馈还能防止起动电流过早衰减。,很明显，它与理想 起动过程（见图3-4） 相比，其动态响应特性 较差。原因是，这种系 统对电机转矩没有进行 有效的控制。,图3-4 调速系统理想起动过程,（2）负载扰动时的调节过程 设负载电流为 IL1（IL1Idcr ）时电动机稳定运行速度为n1 ，对
5、应的晶闸管整流装置输出电压为Ud01 ，速度反馈信号 ， ，系统处于稳定运行状态。 如在t1 时刻，负载突然增加，对应的负载电流由原来的IL1增至IL2（Idcr），引起电枢回路电阻上的压降增大，使电动机转速下降，对应的转速反馈值Un 下降，系统出现调节偏差 ，PI调节器开始进行调节作用，调节过程如下：,此过程是靠整流电压 的增加量去补偿由于负载电流增大引起的那部分主回路电阻压降 ，以使转速回升。 此过程一直延续到转速回升到原来的值 为止，此时又有 ， ，调节器停止积分。,图3-5 负载干扰时的调节过程,此过程如图3-5所示,但此时调节器输出Uct 已不是原来的那个Uct1，而是利用这段时间产
6、生的偏差积分值上升到新的值 Uct2 。整流电压 Ud02 也是新的调节后的 Ud0 。以上的分析可以看出，无静差只是在稳态意义上的无差，在动态过程中还是有差的。通常希望动态调节过程中转速降 落 小一些，系统动态恢复过程快一些（ Tv 小些）。,综上所述，采用积分作用，可以把调节过程中的偏差积累起来，稳态时不再靠偏差来维持输出值（ ），因而构成了无静差调速系统。积分作用虽然能消除误差，但动态响应慢。 然而采用PI调节器却能兼顾比例控制和积分控制的长处，比例部分能迅速反映偏差，产生强迫的激励电压 ，使动态恢复过程加快；依靠积分部分作用最终消除静态误差。,如果只考虑扰动作用，图3-1可以画为图3-
7、6的形式。,图3-6 负载扰动作用下单闭环调速系统的动态结构图,1)当ASR采用比例调节器（比例系数为 ）时，系统的开环放大系数是 系统的闭环传递函为：,（3-10）,根据(3-10)可将 写成,（3-11）,突加负载时， ，利用拉氏变换的终值定理可以求出负载扰动所引起的静态速降为,（3-12）,由式（3-12）可知：ASR为比例调节器的闭环调速系统为有静差系统。,2)当ASR采用PI调节器时，,突加负载时为,上式再次表明，ASR采用PI调节器时，转速单闭环直流调速系统为无静差调速系统。,前节讨论的单环调速系统由于不能实现对转矩的有效控制，因而系统的动态性能不能令人满意。通过本节对转速、电流双
8、闭环调速系统的动态分析可以知道，双环系统具有优良的动态性能，因此现代直流调速系统几乎都采用这种转速、电流双闭环直流调速系统，经过多年的实践，转速、电流双闭环直流调速系统已成为一种工业标准。,3.2 转速、电流双闭环直流调速系统的动态分析,在许多工业部门中，有一类生产机械根据生产工艺要求，电动机经常处于起动、制动、反转工作状态，其速度图多为梯形或三角形（见图3-7）。,3.2.1 快速系统与最佳过渡过程的概念,图 3-7 快速系统的速度图 a)梯形速度图 b)三角形速度图,这类机械经常要求电动机过载或堵转。属于这类生产机械的设备有轧钢厂的可逆初轧机、连轧机，以及其辅助机械，如压下装置、工作辊道、
9、推床等等，此外机械加工中作往返运动的龙门刨床也属于这类生产机械。这类生产机械对调速系统提出的突出控制要求是：尽量缩短起动、制动时间，保证系统的快速性，因此通常把这类调速系统称为快速系统。,根据电力拖动系统的动力学方程,式中，,为最大动态转矩；,为电动机最大转矩。依据式(3-15)可求得,（3-15）,将,代入左式，则有：,1.最大电流为约束条件下的最佳起动和制动规律,（3-16）,（3-17）,式中，,，,Idm为电动机允许的最大电流；,为电动机过载倍数；,IdN为电动机额定电流。,式（3-17）表明: 当负载电流IL为恒值、电动机以最大允许电流 Idm起动，可获得最快起动过程，称这种起动过程
10、为最佳起动过程或最快过渡过程。最佳起动过程要求在起动过程中保持电动机电流为最大允许值Idm。若能在起动中维持最大允许电流Idm恒定，则就能获得一个线性起动过程，转速n将随时间t线性上升，根据式(3-17)可求得起动中的转速为：,（3-18）,当转速达到稳态转速 时，应立即停止加速，使 ，为此要求电动机电枢电流从Idm下降到 IL，以使最大动态转矩TD=0。求得起动时间为,暂且忽略主电路电感的影响，则起动中电枢电压平衡方程式为：,将式(3-18)代入上式，则有,（3-19）,（3-20）,（3-21）,如图3-8所示，转速以零值为初值，按线性规律增长；整流电压Ud以 为初值按线性规律增长；电流I
11、dm 则是在起动中维持恒定不变。,图3-8 最佳起动和制动过程中 I 、n和Ud的变化规律,2.最佳制动过程 对于制动过程，变流装置必须为直流电动机提供反向电枢电流，以产生制动转矩。为了使制动过程时间最短，应使电动机反向电流也为最大值，且在整个制动过程中保持不变，同样根据动力学方程：,求得减速度方程,（3-23）,（3-22）,在制动过程中电动机反向最大电流保持不变时，电动机减速度为常数。在等减速制动过程中，电动机从稳态转速按线性规律降速，即,当电动机转速降到零时，应立即停止减速，使 ，为此要求电动机电枢电流应立即从反向最大电流值变到零，从而制动转矩消失，制动时间为,(3-24),(3-25)
12、,要保证上述最佳制动过程所要求的转速、电流变化规律，需要控制变流装置输出的逆变电压 ，使之按一定规律变化。在不考虑主电路电感影响的情况下，制动过程期间主回路电压平衡方程式为,将式(3-24)代入上式得：,(3-26),(3-27),式中：,式中， 表示在 时,逆变电压 的值。,式(3-27)可知，最佳制动过程要求变流装置的逆变电压 以 为初值按线性规律下降。,3.2.2 转速、电流双闭环直流调速系统的起动过程分析,下面分析该系统的起动过程和抗扰性能。 1.起动过程分析 双闭环系统起动前处于停车状态，此时 ， ，整流电压 ，电动机转速 。 当突加阶跃给定信号 后，系统便进入起动过程，其跟随响应波
13、形如图3-9所示。把整个起动过程分为三个阶段，在图中分别标为、。,图3-9（下页续） 双闭环调速系统起动过程动态波形,图3-9（接上页） 双闭环调速系统起动过程动态波形,第阶段为电流上升阶段系统突加给定 后，由于电动机的机械惯性较大，转速和转速反馈增长较慢，因而，转速调节器ASR的输入偏差电压 数值较大，转速调节器的放大倍数较大，其输出很快达到饱和输出限幅值 。这个电压加在ACR的输入端，作为最大电流的给定值，使ACR的输出 首先靠比例部分 的作用 迅速增大，使变流器输出的电枢,电流Id 迅速上升。随着电流反馈信号Ui 的上升， 逐渐减少，ACR的输出信号Uct 的比例部分随之逐渐减少，而积分
14、部分逐渐积累增加。在比例和积分两部分共同作用下，形成了如图3-9所示的 波形。Uct的上升使整流电压Ud0成比例增加，从而保证Id迅速上升，直到最大值Idm。当， ， ，ACR的作用使Id不再迅速增长，标志着这一阶段的结束。,在此阶段中，当 时， ，当 后的一小段时间，转速上升的较慢，在此阶段转速n数值较小。在 整个阶段中，ASR因阶跃给定作用而迅速饱和，而ACR一般不饱和，以保证电流环的调节作用，强迫电流 上升，并达到 。,第阶段 为恒流升速阶段此阶段从电流上升到 开始，一直到转速上升至给定值为止。在这个阶段 ，ASR一直处于饱和状态，输出限幅值 不变，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值最
15、大电流给定 作用下的电流调节系统，基本上保持电流 恒定。因而系统的加速度恒定，转速呈线性上升，电动机的反电势也按线性增长，对电流调节系统来说，这个反电势是一个扰动量，,它使电流 偏离 而减小，但这又使电流反馈信号 下降，出现下述调节过程： 直到恢复至 值。 可见，在恒流升速阶段，由于ACR的自动调节作用，使整流电压 和电动机反电势E(即n)同步增长，从而维持,所以，电流调节器是不能饱和的。同时，整流装置输出的最大整流电压 应留有余地，以保证提供足够大的整流电压，满足调节能力的需要，这些都是设计系统时应该予以考虑的问题。,第阶段 以后为转速调节阶段当转速上升到给定值( )时， ， ，但由于ASR的积分作用，它的输出值还维持在限幅值 上，所以，电动机仍在最大电流下继续加速，使转速出现超调。超调后 ， ，即ASR输
