闭环调速系统调节器的工程设计方法.pptx

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1、第第6 6章章 闭环调速系统调节器的工程设计闭环调速系统调节器的工程设计法法6.1 6.1 6.1 6.1 典型系统及性能分析典型系统及性能分析典型系统及性能分析典型系统及性能分析6.2 6.2 6.2 6.2 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法6.3 6.3 6.3 6.3 转转转转速速速速电电电电流流流流双双双双闭闭闭闭环环环环系系系系统统统统的的的的设设设设计计计计第1页/共64页1.1.1.1.闭环控制系统设计的步骤闭环控制系统设计的步骤闭环控制系统设计的步骤闭环控制系统设计的步骤2.2.2.2.动态校正动态校正动态校正动态校正3.3.3.

2、3.工程设计法工程设计法工程设计法工程设计法（1 1）既便于分析计算，又有明确物理）既便于分析计算，又有明确物理概念的简便实用的方法概念的简便实用的方法工程设计法工程设计法（2 2）工程设计法思路）工程设计法思路（3 3）振荡指标法）振荡指标法调节器的工程设计法介绍调节器的工程设计法介绍第2页/共64页 C(t)C0tr ts tCmax5%(或或2%)CCmax控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标.跟随性能指标跟随性能指标:用阶跃响应来衡量用阶跃响应来衡量时域：上升时间时域：上升时间t tr r，超调量超调量，调节时间，调节时间t ts s

3、调节器的工程设计法介绍调节器的工程设计法介绍第3页/共64页h1c 2 (a)频域频域：开环对数幅频特性开环对数幅频特性 中频宽中频宽h=h=2 2/1 1 稳定性稳定性交接频率交接频率 c c快速性快速性低频段放大倍数低频段放大倍数|A(0)|A(0)|稳态精度稳态精度调节器的工程设计法介绍调节器的工程设计法介绍第4页/共64页闭环幅频特性闭环幅频特性闭环幅频特性闭环幅频特性谐振幅值谐振幅值M Mp p：稳定性稳定性 超调量超调量截止频率截止频率 d d：快速性快速性 M()1/2Mp1b0p d调节器的工程设计法介绍调节器的工程设计法介绍第5页/共64页 2CmaxN5%(或2%)Cbtm

4、tv 2 2 2 2.抗扰性能指标抗扰性能指标抗扰性能指标抗扰性能指标 用阶跃扰动恢用阶跃扰动恢 复过程来衡量复过程来衡量 动态降落动态降落动态降落动态降落调节器的工程设计法介绍调节器的工程设计法介绍CmaxC100%max 2N5%(或2%)Cbtmtv5%(或2%)Cbtv t t t 2CmaxNtm第6页/共64页6.1 6.1 典型系统及性能分析典型系统及性能分析主要内容主要内容（一）典型系统描述（一）典型系统描述（一）典型系统描述（一）典型系统描述（二）典型（二）典型（二）典型（二）典型型系统参数和性能指标的关型系统参数和性能指标的关型系统参数和性能指标的关型系统参数和性能指标的关

5、系系系系（三）典型（三）典型（三）典型（三）典型型系统参数和性能指标的关型系统参数和性能指标的关型系统参数和性能指标的关型系统参数和性能指标的关系系系系第7页/共64页（一）典型系统描述（一）典型系统描述（一）典型系统描述（一）典型系统描述 .典型典型典型典型型系统型系统型系统型系统开环传函开环传函 W(s)（K TT2 2TT3 3，且且 T T2 2，T T3 3都是小时间常数。都是小时间常数。K(s+1)s(T1s+1)(T2s+1)(T3s+1)第30页/共64页小惯性环节主要影响频率特性的高频段小惯性环节主要影响频率特性的高频段L/dB20406040201|T11|c1T2+T31

6、|T2T31|06.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法第31页/共64页（2 2 2 2）分析两个小惯性环节）分析两个小惯性环节）分析两个小惯性环节）分析两个小惯性环节 频率特性为频率特性为6.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法近似条件近似条件 第32页/共64页允许频带允许频带,10=3.16，而且而且 c c 和和 b b 比较接近比较接近条件变为条件变为 c 在此条件下在此条件下(T2s+1)(T3s+1)(T2+T3)s+1 T2 T3T2 T31=16.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法(3)(3)推广结论推广结论 系统有多个小惯性环节时，在

7、一定条件下，可以将系统有多个小惯性环节时，在一定条件下，可以将它们看成一个小惯性环节，其时间常数等于系统各个小它们看成一个小惯性环节，其时间常数等于系统各个小惯性环节小时间常数之和。惯性环节小时间常数之和。第33页/共64页40 T1ab402040201|1|c1|T2 2.2.2.2.大惯性环节的近似处理大惯性环节的近似处理大惯性环节的近似处理大惯性环节的近似处理 设大惯性环节系统的开环传函为设大惯性环节系统的开环传函为a(s)=其中其中T T1 1 ，且且 c,即即 K(s)s(T1s+1)(T2s+1)T1s+1T111|6.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法第34页/共

8、64页大惯性环节主要影响系统的稳态特性大惯性环节主要影响系统的稳态特性大惯性环节主要影响系统的稳态特性大惯性环节主要影响系统的稳态特性分析大惯性环节的频率特性分析大惯性环节的频率特性=tg 若将若将 近似成近似成则幅值近似为则幅值近似为j T+1T1+11T1s+1T1s 条件T1，T110,c3/T1T1+111 16.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法第35页/共64页分析近似前后的系统的相角裕量分析近似前后的系统的相角裕量设设a(s)=Wb(s)=相频特性相频特性a()=90arctg1+arctgarctg2 =90(90arctg)+arctgarctg2K(s)s(T

9、1s+1)(T2s+1)K(s)T1s(T2s+1)16.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法第36页/共64页相角稳定裕量相角稳定裕量相角稳定裕量相角稳定裕量 a(c)=arctg+arctg c arctg c 2 b(c)=arctg c arctg c 2显然显然 a a(c c)b(c)a(s)为实际系统传函，为实际系统传函，W Wb b(s)(s)为等效系统传函。若按等效系统设计的系统满足稳为等效系统传函。若按等效系统设计的系统满足稳定性要求，实际系统的稳定性将更好。定性要求，实际系统的稳定性将更好。结论结论：低频段大惯性环节在作动态性能分析和设计时，可以近似看成积分环

10、节，：低频段大惯性环节在作动态性能分析和设计时，可以近似看成积分环节，但考虑稳态精度时，仍应采用原来的传函。但考虑稳态精度时，仍应采用原来的传函。c16.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法第37页/共64页 3 3 3 3.闭环传函的近似处理闭环传函的近似处理闭环传函的近似处理闭环传函的近似处理 通常将内环等效成一个惯性环节。通常将内环等效成一个惯性环节。设内闭环为设内闭环为 a a(s)=(s)=若若a a 1,1,即即 时时 as+bs+1as+bs+13abs+16.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法第38页/共64页 选择典型型的原则选择典型型的原则选择典型

11、型的原则选择典型型的原则 (1)(1)要保证系统静态无差，在扰动作用点以前应该含有积分环节要保证系统静态无差，在扰动作用点以前应该含有积分环节 (2)(2)典型典型型系统和典型型系统和典型型系统的性能各异，按照要求而选型系统的性能各异，按照要求而选 1 1 1 1.校正成典型校正成典型校正成典型校正成典型型举例型举例型举例型举例 设设Wobj=(其中其中 且且 )(1)(1)(1)(1)调节器的选择调节器的选择调节器的选择调节器的选择 典型典型型系统开环传函型系统开环传函:故选故选PIPI调节器调节器 Wpi(s)=K2(T1s+1)(s+2)Ks(Ts+1)Kpi(s+1)s6.2 6.2

12、调节器的工程设计法调节器的工程设计法第39页/共64页则校正后系统的开环传函变成则校正后系统的开环传函变成W(s)=Wpi(s)Wobj(s)=取取 )Kpi(s+1)s(T1s+1)(T s+2)K2则W(s)=(2)(2)调节器参数选择调节器参数选择调节器参数选择调节器参数选择 若已知若已知K2=1.25，T0.1s,T2=0.02s,要求要求%5%,则查表则查表 2.2 2.2得得 KT=0.5,即即K=,10sKpi=21|2TKK2 2TK2 0.120.021.25 s(Ts+1)Ks(T2s+1)KpiK2/6.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法第40页/共64页(

13、3)(3)(3)(3)调节器元件调节器元件调节器元件调节器元件 取取R0=20K,则则 R1=KpiR0=220=40K。C1=/R1=0.1/40 10=2.52 2 2 2.校正成典型校正成典型校正成典型校正成典型型系统举例型系统举例型系统举例型系统举例 设设obj 典型典型型系统开环传函为型系统开环传函为比较后选比较后选PIPI调节器调节器K2s(Ts+1)K(s+1)s(Ts+1)6.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法第41页/共64页Wpi=则则W(s)=WobjWpi(s)=其中其中K=K2Kpi/若要求若要求h=5,h=5,则则K=hTR0=.R1=.C1=。Kpi

14、(s+1)sKpi(s+1)sK2s(Ts+1)K(s+1)s(Ts+1)h+12hT5+125T6.2 6.2 调节器的工程设计法调节器的工程设计法第42页/共64页6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计主要内容主要内容(一一一一)退饱和超调退饱和超调退饱和超调退饱和超调(二二二二)转速电流的双闭环系统的设计转速电流的双闭环系统的设计转速电流的双闭环系统的设计转速电流的双闭环系统的设计第43页/共64页(一一一一)退饱和超调退饱和超调退饱和超调退饱和超调1 1.考虑转速调节器考虑转速调节器(ASR)ASR)饱和非线性时的跟饱和非线性时的跟随性能随性能(1)(1)分析

15、启动过程，引出分析启动过程，引出“退饱和超调退饱和超调”概概念念6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第44页/共64页nIdnn*Idl0IdmOtt0 t2t(2)(2)分段线性化方法分析启动过程分段线性化方法分析启动过程6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第45页/共64页ASRASR饱和时饱和时,电机基本按恒加速启动电机基本按恒加速启动,加速度为加速度为(IdmIdL)推导推导(6.2):TeTL=dndtRCeTmGD375dndtASRASR饱和时饱和时,I Id dIIdmdm,则上式变为则上式变为6.3 6.3 转速电流双闭

16、环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第46页/共64页CmdmCmdL IdmIdl=Tm所以所以=(IdmIdl)因为启动的第一阶段很短，忽略启动延时时间因为启动的第一阶段很短，忽略启动延时时间t t，认为一开始认为一开始就按恒加速启动，则就按恒加速启动，则 所以所以t dtGD375RCeCm CeCm RdndtCeRdndtdnRCeTmn*t(IdmIdl)RCeTmCeTmn*(IdmIdl)R(6.5)6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第47页/共64页ASRASR退饱和时退饱和时双闭环系统在线性范围内运行时的结构图如下图双闭环系统在线性范围内运行时

17、的结构图如下图6.56.5所示所示图图6.5 6.5 转速、电流双闭环系统的动态结构图转速、电流双闭环系统的动态结构图6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第48页/共64页 其中其中W W1 1(s)(s)为扰动作用点之前的传函为扰动作用点之前的传函,由此可求得退饱和由此可求得退饱和超调量超调量,其中初始状态为其中初始状态为n(0)=n*,Id(0)=Idm(3)(3)(3)(3)退饱和超调退饱和超调退饱和超调退饱和超调:分析比较超调量与负载扰动时动态速升分析比较超调量与负载扰动时动态速升 坐标变换坐标变换:00,nn=nn*,tt 结构图变为结构图变为 W1(s)

18、RCeTmsUn*(s)/n+Id(s)n(s)6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第49页/共64页W1(s)RCeTms0Id(s)IdL(s)n(s)初始条件变为初始条件变为:n(0)=0,Id(0)=Idm若转速环校正成典型若转速环校正成典型型，则型，则W1(s)=，则结构图变为则结构图变为K1(hTs+1)s(Ts+1)K1(hTs+1)s(Ts+1)RCeTmsIdL(s)Id(s)Id(s)n(s)6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第50页/共64页 与图与图6.46.4相当，如果两者的初始条件一样，则图相当，如果两者的初

19、始条件一样，则图6.46.4的的分析结果可直接用于此图。分析结果可直接用于此图。设图设图6.46.4的负载变化为的负载变化为IdmdL，则初始条件为则初始条件为n(0)=0,Id(0)=Idm，此时，扰动分析的结果可以用于此时，扰动分析的结果可以用于分析退饱和超调量分析退饱和超调量nf(t)，退饱和超调量与扰动下的退饱和超调量与扰动下的动态速升的大小是一样的。也就是说，考虑动态速升的大小是一样的。也就是说，考虑ASRASR饱和非线饱和非线性后，调速系统的跟随性能与扰动性能是一致的。性后，调速系统的跟随性能与扰动性能是一致的。2 2 2 2.退饱和超调量和调节时间的计算退饱和超调量和调节时间的计

20、算退饱和超调量和调节时间的计算退饱和超调量和调节时间的计算(利用分析所得表、图，计算利用分析所得表、图，计算，t ts s)6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第51页/共64页 查表可得查表可得 ，而而 ，应该找出对应应该找出对应 的的 ，即得即得 对应于对应于 的的 为为 例例 设设，T/Tm=0.1，则则h5时，负时，负 载为载为IdL=Inom下启动到下启动到n*的超调量为的超调量为 6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第52页/共64页=(2InomInom)=81.2%0.30.12=4.9%=2与与n*、IdL有关有关,空载

21、启动或启动到低于额定转速时空载启动或启动到低于额定转速时,将发生变化。将发生变化。Cmax Cb2R Ce T Tm1 n*Cmax CbRnom CeT Tm1 n*6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第53页/共64页 (二二二二)转速电流的双闭环系统的设计转速电流的双闭环系统的设计转速电流的双闭环系统的设计转速电流的双闭环系统的设计 求解：求解：三相桥式电路三相桥式电路Ts=0.0017s i=Uim*/Idm=Uim*/Inom=10/1.5136=0.05V/A （取（取U Uimim*10V10V Ti=0.0037)则则WI(s)=其中其中KI=Ki

22、iKS/R i KIs(Ti s+1)选选PIPI调节器将电流环校正成典型调节器将电流环校正成典型型系统型系统 (i i5%)5%)WACR(s)=Ki is+1is6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第58页/共64页取取R0=40K,则则Ri=KiR0=1.01340K 40K Ci=0.03/(401000)=0.75 fCoi=0.2 fiRi4ToiR040.002401000要求要求 i5%，查表查表2.2，KITi=0.5 KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1 1/S，iTl=0.03sKi=KI=135.1 =1.013(3)(3)(

23、3)(3)调节器参数选择调节器参数选择调节器参数选择调节器参数选择i RKS i0.030.5400.056.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第59页/共64页电流环交接频率电流环交接频率 ci=KI=135.1 1/S晶闸管装置传递函数近似条件晶闸管装置传递函数近似条件:ci 现在现在=-=196.1 1/S ci，满足条件满足条件小惯性环节近似处理条件小惯性环节近似处理条件：ci 13TS 13TS 130.0017 1 3ToiTS 现在现在=180.8 1/S ci，满足近似条件满足近似条件。1 3ToiTS 130.00170.002(4)(4)(4)(4

24、)近似条件检验近似条件检验近似条件检验近似条件检验6.3 6.3 转速电流双闭环系统的设计转速电流双闭环系统的设计第60页/共64页复习思考题复习思考题5 5 1.1.采用工程设计法作动态设计时，如何确定校正后开环传函采用工程设计法作动态设计时，如何确定校正后开环传函是典型是典型I I型还是典型型还是典型IIII型。型。2 2.小惯性环节和大惯性环节近似处理的条件和方法是什么？小惯性环节和大惯性环节近似处理的条件和方法是什么？3 3.如何计算转速电流双闭环系统启动时间和超调量？如何计算转速电流双闭环系统启动时间和超调量？4.4.什么叫工程设计法？工程设计法和频率特性法有什么区别什么叫工程设计法

25、？工程设计法和频率特性法有什么区别？第61页/共64页5.5.工程设计法的思路是什么？写出工程设计法作调节工程设计法的思路是什么？写出工程设计法作调节器设计的步骤。器设计的步骤。6.6.调速系统的静态和动态性能指标有哪些？调速系统的静态和动态性能指标有哪些？7.7.某反馈控制系统已校正成典型某反馈控制系统已校正成典型型系统。已知时间型系统。已知时间常数常数T=0.1sT=0.1s，要求阶跃响应超调量，要求阶跃响应超调量1010。求系。求系统的开环增益统的开环增益K K，并计算调节时间，并计算调节时间t ts s和上升时间和上升时间t tr r。如果要求上升时间小于如果要求上升时间小于0.25s

26、0.25s，则，则K K和和。复习思考题复习思考题5 5第62页/共64页8.8.已知一个由三相桥式晶闸管电路供电的转速电流双闭已知一个由三相桥式晶闸管电路供电的转速电流双闭环调速系统，电机的参数为环调速系统，电机的参数为60kW,220V,305A,1000r/min,C60kW,220V,305A,1000r/min,Ce e=0.2V/(r/min),=0.2V/(r/min),过过载倍数载倍数=1.5=1.5；电路其余参数为；电路其余参数为R=0.18R=0.18，K Ks s=30=30，T T1 1=0.012s=0.012s，T Tm m=0.12s=0.12s，T T0i0i=

27、0.0025s=0.0025s，T T0n0n=0.014s=0.014s，额，额定转速时转速给定电压为定转速时转速给定电压为15V15V，调节器限幅电压为，调节器限幅电压为12V12V。（1 1）确定电流反馈系数）确定电流反馈系数i i和转速反馈系数和转速反馈系数n n。（2 2）系统要求静态无差，动态电流超调量）系统要求静态无差，动态电流超调量i i55，空，空载启动到额定转速的超调量载启动到额定转速的超调量n n1212，试设计电流和，试设计电流和转速调节器的参数。设输入电阻转速调节器的参数。设输入电阻R R0 0=20k=20k。（3 3）计算空载启动到额定转速的时间。）计算空载启动到额定转速的时间。复习思考题复习思考题5 5 第63页/共64页感谢您的观看。第64页/共64页