運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)Motion

Control

System以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備－電為控制對象，以控制器為，以電力電子功率變換為機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。控制電現(xiàn)運(yùn)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，實(shí)械的運(yùn)動(dòng)要求。1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程在自動(dòng)化專業(yè)中的地位專業(yè)知識綜合應(yīng)用和實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試能力訓(xùn)練。現(xiàn)代電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制器單片機(jī)、數(shù)字模擬器件、控制電器功率放大變流裝置執(zhí)

行電執(zhí)行機(jī)械反饋檢測器件反饋控制理論電路、電子學(xué)功率電子技術(shù)電力拖動(dòng)基礎(chǔ)微機(jī)原理C語言電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)單片機(jī)原理與控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)

數(shù)字信號處理檢測技術(shù)技術(shù)聲光機(jī)電2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的種類按驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型

直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)1.閉環(huán)控制的DC調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)系統(tǒng)的工方法3.DC調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制4.位置隨動(dòng)系統(tǒng)交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)籠型異步電

的VVVF系統(tǒng)3按被控物理量調(diào)速系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速為被控量位置隨動(dòng)/伺服系統(tǒng)以角位移或直線按控制類型模擬模擬數(shù)字混合全數(shù)字被控量4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)過渡過程短功率范圍寬調(diào)速范圍大可獲得良好動(dòng)靜態(tài)性能電機(jī)空載損耗小、效率高，短時(shí)過載能力強(qiáng)可四象限運(yùn)行5教學(xué)參考書1.

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

大學(xué)時(shí)等3.

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)爾桂花等2002年第1版機(jī)械工業(yè)2.

電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制2006年第3版統(tǒng)2006年第1版6§1

閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為什么要采用閉環(huán)調(diào)速制造業(yè)：鋼連軋、電爐；加工機(jī)床、造紙、印刷、紡織、印染、起重

等高新產(chǎn)業(yè)：機(jī)器人、電動(dòng)汽車、電動(dòng)艦船、高速列車等生活：冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電梯等7閉環(huán)控制的必要性舉例連軋機(jī)每一電機(jī)都必須按照它所拖動(dòng)軋輥前后鋼板的厚度和鋼板送入速度來控制自己的轉(zhuǎn)速n1n2n3n4h1h2h3h4h0v1v20vv3v4軋輥鋼板鋼板連軋控制示意圖nknk+1電機(jī)

k

電機(jī)

k+1電機(jī)k+1轉(zhuǎn)速過低電機(jī)3k電機(jī)4k+1電機(jī)

k

電機(jī)

k+1電機(jī)k+1轉(zhuǎn)速過高電機(jī)28開環(huán)控制與閉環(huán)控制1開環(huán)：系統(tǒng)的輸出量不被引回對系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響例步進(jìn)數(shù)控指令運(yùn)算控制分配X軸步進(jìn)電機(jī)Z軸步進(jìn)電機(jī)精密傳動(dòng)工作臺精密傳動(dòng)工作臺x輸入量控制脈沖控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對象輸出量z位移cn9開環(huán)控制與閉環(huán)控制2閉環(huán)按被控量的偏差進(jìn)行控制例電爐箱恒溫若爐溫偏高，調(diào)節(jié)過程相反閉環(huán)反饋控制可以自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。UsT

+電壓放大功率放大調(diào)壓器電爐熱電偶散熱 工件增減—U

fTUUa電調(diào)壓器滑動(dòng)端右移正轉(zhuǎn)

URUfTT U=UsT-UfT電器10直流調(diào)速的主要方案直流電運(yùn)行遵循的4個(gè)基本方程改變電樞回路總電阻R〖簡便、有級、特性軟、高能耗〗改變電機(jī)主磁通〖無級、>ne、響應(yīng)慢〗；3.改變電樞電壓U

〖無級、快、<ne。主流〗

EdtU

=

Ee

adtT

=

TL

J

TL

I R

L

dIdGD2

dnddaif

=

cif

=

c

T =

KT

Id

= CT

Id

K

n

=

Ce

nn

=

U

-

I

d

RKe113w1.1

直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.

旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組可在轉(zhuǎn)矩允許范圍內(nèi)4象限運(yùn)行＋—GEM3～GM放大＋—＋—IfIf-

++

-U生產(chǎn)機(jī)械勵(lì)磁電源~122、 式可控整流器通過晶閘管(Thyristor)直接對交流電源電壓進(jìn)行可控整流：簡稱V-M系統(tǒng)功率放大倍數(shù)高，控制功率小；快速性較G-M高。單向，可逆運(yùn)行須采用開關(guān)切換或兩組設(shè)備反并聯(lián)；只M~

~LUdVGT+Ud

=

Um

cos能滯后觸發(fā)、功率因數(shù)；cWo需聯(lián)較大的平波電抗器。133、脈沖寬度調(diào)制變換器[ ,pulse

widthmodulation]UV~

W+電力半導(dǎo)體開關(guān)MLIdDUtT開關(guān)頻率高，電流易連續(xù)，低速性能好，調(diào)速范圍寬，電機(jī)損0耗小；功率元件少，控制方便。t1t2UdUdUssa

d電樞電壓的平均值t

E =

U

U1

UTs

14橋式雙極性變換器輸出電壓平均值ssss

t1

U

－

T－t1

UsdTT

T

1)U

(2

1)U

U

(

2t1UMUs++CH型

可逆線路原理圖~-UsUd+Us0tTt1S1S2S3S4151.2

晶閘管整流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性V-M調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性電流連續(xù)時(shí)CCC

CCe

CTCe

n

0

ndede

ee

kU

cos

RTCe

e

IdCkU

cos

Rn

Ud0

－

R

I

1

(

m

Usin

cos)

R

I0nn

0TTLnn1n23n4U=U

N整流逆變分界連續(xù)區(qū)斷續(xù)區(qū)V－M系統(tǒng)機(jī)械特性

wwwm.16電流斷續(xù)時(shí)非線性顯著：電壓波形與反電勢有關(guān)，即與轉(zhuǎn)速有關(guān)。理想空載轉(zhuǎn)速很高：電流為0時(shí)，反電勢等于觸發(fā)瞬間電壓，對三相半波0n0T分界R'=Cetg連續(xù)區(qū)斷續(xù)斷續(xù)區(qū)特性的近似計(jì)算302E

C

n

2U

,

C63n

2

U

sin(

),

ee

0

2特性很軟：電流為脈沖，c負(fù)載增大時(shí)，為提供足夠n平均電流，電流峰值高，即要求輸出電壓與反電勢差要大：速降大。相當(dāng)于整流內(nèi)阻變大。17晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)0UdUcUcUdUdmax調(diào)速工作范圍Udminc

Ud

U

s或Ks

c

maxU

de【額定】U線性化：在主要調(diào)速區(qū)間K非線性晶閘管整流放大系數(shù)的線性化處理Ud

0

kU2

cos,單相全波k

0.9；三相全波k

2.34觸發(fā)控制電壓Uc

Uc

max

,

ww0w;.PLUcWcorld.c0n,

/2觸發(fā)整流放大系數(shù)具有強(qiáng)烈非線性18晶閘管整流傳遞函數(shù)的近似處理晶閘管觸發(fā)與整流的失控時(shí)間與純滯后特性Ud020Uc

10t1t2

t3

t4tTstUd01Ud02mfs

maxT

1

,m

:整流電壓周期脈波數(shù)s2mf12s

max平均T

1

T

19晶閘管觸發(fā)與整流裝置的傳遞函數(shù)考慮到平均失控時(shí)間很小，忽略高階項(xiàng)，晶閘管觸發(fā)與整流裝置的傳遞函數(shù)可近似為一階慣性環(huán)節(jié)。Ud

0

Ks

Uc

1(t

Ts

)Ud0120Uc0t4tTstUd01Ud02sKssst3t1t2Kscs

seTs1

T

S12!1

T

S

U

(S

)W

(S

)

Ud

0

(S

)

K

eTs2

2T

S

w201.3

直流

(Pulse

WidthModulation)調(diào)速系統(tǒng)1.

不可逆

變換器定義特點(diǎn)：線路簡單。電流不能反向，無制動(dòng)能力，只能單象限運(yùn)行。MDCTUgUs+-id0ton

TUsUdEidtssdTU

U

,

:占空比

ton

UdUsU

，對不可逆

變換器，21有制動(dòng)能力的不可逆變換器MUs+-0ton

TUstTUg21T

D1C

Ug12D2E+

-E+UsT1idDE+-u+

-

-

-T+--2 +

id

2

+++E

-E-0Ust

idtuLUsD1id0ton

TUsUdEidt輕載電動(dòng)重載電動(dòng)UdEid制動(dòng)EUd222.

橋式可逆

變換器特點(diǎn)：電流連續(xù)；可四象限運(yùn)行；低速平穩(wěn)。MUs+-0tonTUsUdEidtTUg2T1CUg1D12D2E-T1L0UdEidt0ton

TUsUdEid

t輕載電動(dòng)Ug3T3D3T4Ug4D4D2-

-id

+

idELu+u

-N重載電動(dòng)-L++E2A+BA-B+ABP

N+

duL-

-T

D1u

-

+T3

D4N

Pid

B

iA

AEE+B-UsN

PUs

反向電動(dòng)s1)U

s

(2

1)U

s

UssdTPTTUP

ton

UN

T

ton

U

(

2ton

[1,1]23直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性對雙極橋式變換器：nT0-n01RC C

Ce

e

T

T

n

n0n

Usn02n0324直流直流調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)放大器的失控時(shí)間與滯后特性傳遞函數(shù)與V-M系統(tǒng)具有相同的形式，但滯后時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于V-M系統(tǒng)sdseTss

Ks

Ks1

T

S

K

eTU

(S

)U

(S

)W

(S

)

00ttUdUc0失控理想切換00ttUdUc失控時(shí)間cs251.4

反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1、調(diào)速：范圍寬、無級2、穩(wěn)速：精度高、抗擾強(qiáng)、波動(dòng)小。3、

加

：快、平穩(wěn)調(diào)速指標(biāo)：生產(chǎn)機(jī)械要求電轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比：D

=

nmax能提供的最高nmin26靜差率靜差率S的實(shí)用算式(最大靜差率)調(diào)速范圍D、靜差率和靜態(tài)速降是相互關(guān)聯(lián)的：S=

n0

n

1

0%

nNn0

n0

1

0%S

=

n0min

n

100%

n

N

100%n0min

n0minD

=n

NSn

N

(1-

S)TNTnminnNn0min0nn

0N27穩(wěn)速精度指在規(guī)定的電網(wǎng)質(zhì)量和負(fù)載擾動(dòng)條件下，在規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間(如1小時(shí)或8小時(shí))內(nèi)，在某一指定的轉(zhuǎn)速下，t時(shí)間(通常取1秒)內(nèi)平均轉(zhuǎn)速最大值和另一t時(shí)間內(nèi)平均轉(zhuǎn)速最小值的相對誤差百分?jǐn)?shù)。nmax

nmin一般閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)速精度比較容易達(dá)到，穩(wěn)速精度指標(biāo)通常被用來確定調(diào)速范圍的速度下限。

=

nmax

00%28開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速的問題D

=n

NSn

N

(1-

S)從控制理論的立場分析，速度指令可視為階躍型輸入指令

實(shí)際是額定

系統(tǒng)輸出對階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，在開環(huán)狀態(tài)下，當(dāng)靜差率要求較高即S較小時(shí)，系統(tǒng)所能達(dá)到的調(diào)速范圍D是很小的。29閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性靜特性：假定：1、忽略非線性2、忽略電源、電位器內(nèi)阻電壓比較放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)特性測速反饋：M+-+-U

TGUdtgn+-+U*--

++-idn

-+Un

A

Uc

UPE~帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖nU

U

*

Un

nnc

PU

K

UCe

Id

Rn

Ud

0

Ks

UcUd

0Un

n,

:轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)[V

min/r]30靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖*UnUn

+-UnKPUcKsUd0

+-

IdRCe

E

1nnnnU

U

*

UnUc

KP

UUd

0

Ks

UceC

Id

Rn

Ud

0nU

nCe

(1

K

)

Ce

(1

K

)K K

U*I

d

Rn

KP

KsU

*

I

Rn

dCe

(1

KP

Ks

/

Ce

)

sP

n閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)P

sCeK

K K

31開環(huán)機(jī)械特性與閉環(huán)靜特性的關(guān)系開環(huán)特性閉環(huán)靜特性調(diào)速范圍：對相同靜差率、相同額定轉(zhuǎn)速結(jié)論：閉環(huán)可獲得比開環(huán)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，在保證一定靜差率要求下提高調(diào)速范圍OPe

eeC

CCn

n

nP

s n

d0OP

U

I

R

K K

U

*

I R

d

0

d*K K

U

Id

R

n

n0CL0CLe

eC

(1

K

)

C

(1

K

)nP

s

nCL

nOPn1

KCL

S

OP1

KDCL

(1

K

)DOP的速降關(guān)系為】硬度【在相同負(fù)載下兩者靜差率：對相同理

轉(zhuǎn)速

S32閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)速降低于開環(huán)的原因從電 運(yùn)行特性的立場分析，閉環(huán)系統(tǒng)能大大提高穩(wěn)速性能的原因是系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)可通過閉環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電補(bǔ)償電樞電流在回路電阻上的壓降損失，從而維持轉(zhuǎn)速基本不變。穩(wěn)速原理可從圖所示的閉環(huán)與開環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系得到理解。n0Ia1

Ia2

Ia3Ia4

Ia開環(huán)轉(zhuǎn)速特性閉環(huán)靜特性負(fù)載增加時(shí)電樞電壓自動(dòng)增加負(fù)載減小時(shí)電樞電壓自動(dòng)降低閉環(huán)和開環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系壓自動(dòng) 負(fù)載變化33比例單閉環(huán)反饋控制規(guī)律規(guī)律1、僅比例調(diào)節(jié)，必存在靜差2、對作用于前向通道的擾動(dòng)有較強(qiáng)的抑制作用3、對作用于給定和反饋通道的擾動(dòng)無抑制作用，系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋精度。

n

UU*

+-Un

n

KPUcUd0

+-

IdR

1CeEnKP

變化測速機(jī)勵(lì)磁變化、換向紋波、制造安裝誤差擾動(dòng)作用電源波動(dòng)

電阻變化

勵(lì)磁變化擾動(dòng)作用給定電源波動(dòng)P

sCeK

K K

充分大C

KIdReneneK

p

Kse

en

n*U

U

*

d

KP

KsU

*

IdRI

R

1C

(1

K

)

C

(1

K

)

C

KC

K

34穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算【例1

－4

】V-M

系統(tǒng)額定數(shù)據(jù)為D

C

M

：10kW,220V,55A,1000r/min,電樞電阻0.5；晶閘管三相橋式全波可控整流，電壓放大系數(shù)44；電樞回路總電阻1

；永磁直流測速發(fā)電機(jī)

10V，1900r/min。要求：D＝10，s<=5%，計(jì)算穩(wěn)態(tài)參數(shù)。解：1.滿足指標(biāo)要求的額定負(fù)載下穩(wěn)態(tài)速降：nN

scl10(1

0.05)

1000

0.05

5.26r

/

minD(1

s)n

352.

閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)注意：電機(jī)電勢常數(shù)計(jì)算與電機(jī)以外電路參數(shù)無關(guān)。開環(huán)速降與電樞回路參數(shù)有關(guān)。n

220

55

0.5

0.1925

[V

min/

r]1000CNe

U

N

I

dN

RaeopC

1

285.7

1

53.35.26K

nopncln

I

N

R

55

1www.P2L8cW5o.r7ld.c[nr/min]0.1925363.轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)設(shè)輸入電阻為10K，則比例電阻為240K。習(xí)題1-4,1-6,1-8,1-10etgC

110

0.0579[V.min/r]1900取

0.01

2Cetg，1000r/min時(shí)，U

n

n

10V

。0.01

44s

ePK

53.3

0.1925

23.34

24K

K

/

C運(yùn)算放大器比例放大系數(shù)37比例單閉環(huán)仿真無電流限制的比例單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真10p10k1a1-K-aUn1/0.075sTransfer

Fcn1440.00167s+1Transfer

FcnsimoutTo

WorkspaceScope3Scope1ScopeSaturation2Saturation1LoadeLoad024Gain11+11/R/TlS+1-K-1/Ce38比例單閉環(huán)仿真電流尖峰=210A>>2倍額定電流10A39限流保護(hù)－電流截止負(fù)反饋1.

問題的提出：起動(dòng)、嚴(yán)重過載、堵轉(zhuǎn)－過流損壞功率器件a

aL

U=E

I

R

L

dIa

T

=T

J

TLdGD2

dndt375

dtEa

e

T

=

K

T

I

aif

=

c

K

n

=

Cenif

=

c=

CTIa402、對策：電流截止負(fù)反饋*Un

+-Un

Un

KPUcKsIdRUd0

+-

1CeEnUcom-

Ui

+

Rs-VSMUdUiRs+--

+id0UiUId

<IdcrI

>Id

dcrId

IdcreC

(1

K

)eC

(1

K

)n

KP

KsUndcrdI

IK K

U*I

d

R

Ucom

)K

P

KsCe

(1

K

)

Ce

(1

K

)nP

s

n(Rs

I

dCe

(1

K

)Ce

(1

K

)dI

(R

Rs

K

p

Ks

)*K

K

(U

U

)

sP

n

comCe

(1

K

)n

41電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于主電路中串入大電阻，特

劇下垂;比較電壓與轉(zhuǎn)速給定作用一致，理想空載轉(zhuǎn)速大幅提高堵轉(zhuǎn)電流截止電流AC0Idn0nIdcrBIdblI

dbl

(1.5

~

2)I

NI

dcr

(1.1

~

1.2)I

N42'0電流截止比例單閉環(huán)仿真結(jié)構(gòu)圖仿真10p10k1a1-K-aUn1/0.075sTransfer

Fcn1440.00167s+1Transfer

FcnsimoutTo

WorkspaceScope3Scope2Scope1ScopeSaturatiSaturation1SaturationLoadeLoad010Gain31Gain224Gain1Dead

Zone1/R/TlS+1-K-1/Ce1n+143電流截止比例單閉環(huán)仿真最大電流尖峰=90A系統(tǒng)不穩(wěn)定、存在靜差441.5

反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)，R、L分別為電樞回路總電阻UPEM+-+--U

TGUdtgUnnUn

A+-+U*+-idn+Uc~帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖Ts

S

1數(shù)學(xué)模型UPE：KsE(S

)

Id

(S

)(R

LS

)sG

(S

)

DCMUd

0

(S

)

I

(S

)

1/RdT

LUd

0

(S

)

E(S

)Tl

S

1lR總電感45數(shù)學(xué)模型由轉(zhuǎn)矩平衡方程：統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)由電勢平衡方程：反電勢與轉(zhuǎn)速之間的傳遞函數(shù)為SE(S

)GD

2eT

(S

)

TL

(S

)

375CGD

2

Re

TSE(S

)

Tm

S

E(S

)375C

C

R

RI

d

(S

)

I

L

(S

)

E(S

)

RI

d

(S

)

I

L

(S

)

Tm

Se

TGD2

R2

JRmT

375C

C60C

C

e

TN(S)

1

E(S)

Ce461/RTl

S+1直流電

的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖[重]TL

(S)/CTRTmS1CeN(S)-E(S)Id(S)

-+Ud0(S)+直流電

的動(dòng)態(tài)

(cn電流連續(xù))由圖可見，直流電 動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)是一個(gè)雙輸入單輸出系統(tǒng)。其中，電樞電壓為參考輸入或指令輸入，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為擾動(dòng)輸入。負(fù)載擾動(dòng)輸入常常被等效為“負(fù)載電流”的形式，以使結(jié)構(gòu)圖更加簡潔，但這種表達(dá)方式容易引起物理概念上的誤解，因?yàn)槭聦?shí)上并不存在負(fù)載電流，它只是負(fù)載轉(zhuǎn)矩的一種數(shù)學(xué)上的等效。47結(jié)構(gòu)圖變換R(TlS+1)n(S)+直流電的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換Ud0(S)

-1/CeTm

Tl

S

2+Tm

S+11/RTl

S+1TL

(S)/CTRTmSE(S)1CeN(S)-Id(S)

-+Ud0(S)+直流電的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(電流連續(xù))IL(S)48單轉(zhuǎn)速閉環(huán)比例型直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖U

(S)R(TlS+1)n(S)+--d0LI

(S)1/CeTm

Tl

S

2+Tm

S+1KsTsS+1P*Un(S)+Un(S)Un(S)

KUPEM+-+-U

TGUdtgUnnUn

A+-+U*--

++-idn

-+Uc~帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖49系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)K

Tm

S

1)(Ts

S

1)(TmTlK

KP

Ks

/

CeS

2W

(S

)

U

(S)n(S)+--d0IL(S)1/CeTm

Tl

S

2+Tm

S+1KsTsS+1P*Un(S)+Un(S)Un(S)

KldT.clnS+1)50對給定的閉環(huán)傳遞函數(shù)

Ts

S

11

K

1

K

1

K(TsS

1)(TmTl

S

2

TmS

1)

KKpKsU

*

(S

)Ce

(1

K

)TmTlTs

S

3

Tm

(Tl

Ts

)

S

2

TmKP

Ks

/

Ce21

(T

S

1)(T

T

S

T

S1)s

m

l

m(TsS

1)(TmTl

S

2

Tm

S

1)Kp

Ks

/

CenclW

(S

)

n(S

)K K

/

CP

s

eU

(S)R(TlS+1)n(S)+--d0IL(S)1/CeTm

Tl

S

2+Tm

S+1

Ks

TsS+1P*Un(S)+Un(S)Un(S)

K51穩(wěn)定條件由Routh判據(jù)，穩(wěn)定條件為：或：K：比例型單轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)例1－5，1－6，1－7【閱讀】習(xí)題

1-12 ,1-15l

secrT

T2

Tm

(Tl

T

)

TssK

K

KP

Ks

/

CT

T

Ts

l

l

Tm

TsK

Tm521.6

動(dòng)態(tài)校正－PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]問題的提出：穩(wěn)定性與靜差指標(biāo)的對策：串聯(lián)校正：對調(diào)速系 般采用PI結(jié)構(gòu)一、PID調(diào)節(jié)器實(shí)踐證明，對于特性為和等控制對象，PID控制是一種最優(yōu)的控制算法。u(t)

=

K [e(t)

+

1d0pdtt

d

e(t)e(t)dt

T

]Ke-s

/(1

TS)-sKe

/[(1

T1S)(1

T2S)]53PID控制參數(shù)比例因子增大，可使響應(yīng)速度加快。但偏大時(shí)會使振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間變長，太大時(shí)系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。過小又會使系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但積分控制帶角滯后會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降、幅值衰減會使系統(tǒng)響應(yīng)減緩.微分控制可以改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)，如減小超調(diào)、縮短調(diào)節(jié)時(shí)間等。但微分控制作用過強(qiáng)也會使系統(tǒng)對不希望高頻噪聲的抑制能力顯著降低，穩(wěn)態(tài)性能下降。對電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于反饋檢測信號中常富含高頻噪聲,一般不采用。54二、模擬PI調(diào)節(jié)器的組成與響應(yīng)特性?模擬PI調(diào)節(jié)器的一般結(jié)構(gòu)符號約定，其輸出對輸U(kuò)

1R

1R

1R

2

CU

2VD輸出雙向等值限幅R

3

U

2∞+U

dt

K

U1pi

1U1dtR1

R1CU

2

2

U1

1R

1

1pi1piA

pi

S(1

1

)1

S

+1

KG

(S)

=

K

1

KS

S1pR

R

2比例系數(shù)K1積分常數(shù)

=R

CRR12pi1R1C

R2C

=

K

超前常數(shù)按控制理論對傳遞入絕對值間的傳遞函數(shù)為55PI調(diào)節(jié)器的飽和限幅特性在調(diào)速系統(tǒng)中使用的模擬PI調(diào)節(jié)器，通常都采用運(yùn)算放大器構(gòu)成，受其工作電壓限制，運(yùn)算放大器都有自然飽和限幅特性，其輸出達(dá)到一定數(shù)值后將不可能繼續(xù)增大。為了保證放大器正負(fù)輸出特性對稱w

中常不直接用其自然限幅而另設(shè)限幅電路。PI調(diào)節(jié)器工作時(shí)是否進(jìn)入飽和限幅狀態(tài)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)影響很大，正確理解限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)，對分析與設(shè)計(jì)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和采用此類調(diào)節(jié)器的自動(dòng)控制系統(tǒng)是十分重要的。56限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器當(dāng)PI調(diào)節(jié)器的輸入即誤差信號E大小和變化規(guī)律不同時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的輸出變化情況會有很大差異1.輸入誤差信號為階躍形式:當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行中負(fù)載過重電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)，比例部分在0時(shí)刻突跳積分部分按時(shí)間常數(shù)線性增長，經(jīng)過一個(gè)很短的時(shí)間，調(diào)節(jié)器輸出即達(dá)到飽和限幅值。G

1

(S)Ui

+-EU1U

oPI調(diào)節(jié)器采用限幅輸出PI調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)E,U

1E

1t0PPI飽和限幅Itm輸入E為階躍信號U

1mU1

(t)

Kp

E1

U1m

Kp1E

t,

0

<

t

<

tm,

t

tm57誤差衰減比較慢時(shí)系統(tǒng)無過載、反饋無斷路、主電路工作正常，一般誤

差僅會在一開始輸出還來不及變化時(shí)躍變，隨著調(diào)節(jié)

器輸出的控制作用，系統(tǒng)輸出增長，誤差便逐漸減小，調(diào)節(jié)器輸出的比例部分相應(yīng)減小積分部分繼續(xù)增大

但增大速率減緩。

當(dāng)被控對象的等效

慣性時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)

大于調(diào)節(jié)器積分時(shí)

間常數(shù)時(shí)，輸出增長比較慢即誤差衰減比較慢，調(diào)節(jié)器輸出的積分部分增長速度快于比例部分下降的速度，在誤差尚未衰減到零時(shí)調(diào)節(jié)器輸出仍會達(dá)到飽和限幅值。E,U1E1t0tmPIPI飽和限幅U1m輸入E衰減較慢58誤差衰減較快時(shí)如果被控對象的等效慣性時(shí)間常數(shù)較小，誤差衰減較快，會使調(diào)節(jié)器輸出的比例部分下降速率快于積分增長，在經(jīng)歷一個(gè)初始的最大值后逐漸下降，到t1時(shí)刻誤差等于零時(shí)，比例部分輸出也為工作

性區(qū)E

1而積分部分保持t1時(shí)

U

1m刻的值不變，調(diào)節(jié)器

的輸出完全由積分部

分確定，調(diào)節(jié)器完全t0t1PIP

I U

1

輸入E衰減較快59PI調(diào)節(jié)器特性

11.

在系統(tǒng)閉環(huán)控制的動(dòng)態(tài)過程中，PI調(diào)節(jié)器是否飽和，對系統(tǒng)輸出影響很大。從積分器的原理可知，PI調(diào)節(jié)器一旦飽和，

只有輸入的誤差

號

號，它才可能退飽和輸出狀態(tài)，誤差變號意味著系統(tǒng)輸出值大于指令值，而系統(tǒng)正常工作時(shí)調(diào)節(jié)器應(yīng)當(dāng)工作性區(qū)，所以調(diào)節(jié)器飽和再回到線性工作區(qū)意味著系統(tǒng)輸出必然產(chǎn)生超調(diào)。60PI調(diào)節(jié)器特性

2分析PI調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)輸出時(shí)特別要注意它與P調(diào)節(jié)器的區(qū)別。誤差信號變化時(shí)，比例部分立即將此變化按比例放大輸出，馬上產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，積分部分需根據(jù)比例因子和積分時(shí)間常數(shù)共同確定的斜率隨時(shí)間增長逐漸變化產(chǎn)生輸出，調(diào)節(jié)作用相對緩慢。但當(dāng)誤差

為零時(shí)，比例部分輸出也為

積分部分可保持誤差瞬間的輸出值，由積分部分決定的調(diào)節(jié)器輸出值代表了誤差前全部誤差變化的積累效應(yīng)。誤差很小時(shí)，雖然比例部分也很小，積分部分卻能持續(xù)變化，只要誤差不為零，積分輸出的變化在調(diào)節(jié)器飽和以前不會停止，這也是采用PI調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)能達(dá)到無靜差的原因。61PI調(diào)節(jié)器特性

3PI調(diào)節(jié)器的輸出由比例和積分兩部分共同決定，不能簡單地根據(jù)誤差的增減來判斷調(diào)節(jié)器輸出值的增減。調(diào)節(jié)器輸出的變化應(yīng)當(dāng)通過對線性部分兩邊求導(dǎo)來分析PI調(diào)節(jié)器輸出的變化趨勢由決定。總之，誤差較大時(shí)主要由P起快速調(diào)節(jié)作用，誤差較小時(shí)則主要靠I的累積 產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用來消除靜差。mp

1

1

U1m,

t

tU1

(t)

K

E

Kp

E

t,

0

<

t

<

t1pdE1dtdU1dt

KpE

KE

)sgn(K1dE1

K

pdt

p62動(dòng)態(tài)校正希望特性：中頻段以－20dB/dec斜率穿越0dB線，蓋足夠頻帶寬設(shè)計(jì)工具：Bode圖最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定截止頻率c越高，快速性越好低頻段斜率陡、增益高：穩(wěn)態(tài)精度高高頻段衰減快：抗高頻噪聲干擾強(qiáng)的一般要求

300

~

600

,

GM

6dB-40dB/decL(ω)ω-40dB/dec

中頻寬

h

ω1=

1/hT-20dB/decωcω2

=1/T63對不穩(wěn)定比例型單轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)用PI調(diào)節(jié)器校正電

額定數(shù)據(jù)為：10kW,220V,55A,1000r/min,Ra=0.5Tl=0.017s，Tm=0.075s,

925Vmin/r；UPE：Ks=44，Ts＝0.00167s；電樞回路總電阻R=1；比例調(diào)節(jié)器：Kp=21轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：a=0.0

158

Vmin/r；64校正前原始系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為55.58(0.049S

1)(0.026S

1)(0.00167S

1)pp,

K K

55.58,

K

21G(S

)

111T

0.049轉(zhuǎn)折頻率

1

122

38.5[1/

s]

1

T

0.026

1

13

T

0.00167

600[1/

s]320

lg

K

20

lg

55.58

34.9dB01-20-40-6020lgK4034.920

20.4[1/

s]L/dB10

20.4

38.5

100

c1

6001000

/s-1-42-200o-157-183-236-4不穩(wěn)定

21

20

lg

K

20

lg

2

40

lg

c1

20

lg

c12

12

208.9s

1c1

K12(c1

)

183065比例單環(huán)仿真10k1a1-K-a1/0.075sTransfer

Fcn1440.00167s+1Transfer