[中国计量学院电力拖动自动控制系统陈伯时第三版课件]1-5闭环控制的直流调速系统.ppt

51 闭环控制的直流调速系统 本章提要 1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管-电动机系统的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和 设计 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统 本节要点： 1.5.1 反馈控制闭环直流调速系统的动态 数学模型 为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示,基本步骤如下： （1）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程； （2）求出各环节的传递函数； （3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。 反馈控制有静差直流调速系统原理图 1. 电力电子器件的传递函数 构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是 2. 直流电动机的传递函数 由上图c可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。 ▲理想空载电压-------控制输入量 ▲负载电流----------扰动输入量 如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，得下图a。如果是理想空载，则 IdL = 0，结构图即简化成下图b。 3. 控制与检测环节的传递函数 直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即 5. 调速系统的开环传递函数 6. 调速系统的闭环传递函数 1.5.2 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件 由式（1-57）可知，反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为 整理后得 1.5.3 动态校正—PI调节器的设计 1. 概 述 在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况（如例题1-5、例题1-7中要求更高调速范围时），这时，必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面的要求。 2. 动态校正的方法 串联校正 并联校正 反馈校正 而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。 在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。 串联校正方法： 无源网络校正——RC网络； 有源网络校正——PID调节器。 对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。 PID调节器的类型： 比例微分（PD） 比例积分（PI） 比例积分微分（PID） ? PID调节器的功能 由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响； 由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的； 用PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。 3. 系统设计工具 在设计校正装置时，主要的研究工具是伯德图（Bode Diagram），即开环对数频率特性的渐近线。它的绘制方法简便，可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。 伯德图是自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法。 典型伯德图 从图中三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面： 以上四个方面常常是互相矛盾的。对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可能牺牲快速性；提高截止频率可以加快系统的响应，又容易引入高频干扰；如此等等。 设计时往往须在稳、准、快和抗干扰这四个矛盾的方面之间取得折中，才能获得比较满意的结果。 4. 系统设计要求 在实际系统中，动态稳定性不仅必须保证，而且还要有一定的裕度，以防参数变化和一些未计入因素的影响。 在伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定裕度的指标是：相角裕度? 和以分贝表示的增益裕度 GM。一般要求： ? = 30°~ 60° GM 6dB 5. 设计步骤 6. 设计方法 凑试法——设计时往往须用多种手段，反复试凑。 工程设计法——详见第2章。 1.5.4 系统设计举例与参数