《自动控制原理与系统》课件《自控》第6章.pptx
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1、第第6章章 直流调速控制系统直流调速控制系统 本章主要介绍转速单闭环负反馈直流调速系统和转速、电流双闭环直流调速系统的结构组成、控制原理和性能分析。6.1 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统6.2 电流、转速双闭环直流调速系统电流、转速双闭环直流调速系统6.1 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统6.1.16.1.1直流调速系统的基本概念直流调速系统的基本概念直流电动机的转速方程式 调节直流电动机转速有三种方法,一是改变电枢供电电压U调速,即在额定转速以下改变电枢电压调速。二是改变励磁磁通调速,即额定状态下减小磁通,电机升速。三是改变电枢回路电阻R调速,即电枢回路串接不同值的电阻,获得不同的
2、电机转速。6.1.26.1.2直流调速系统的主要性能指标直流调速系统的主要性能指标 所有的可控生产设备,其生产工艺对控制性能都有一定的要求。例如,在机械加工工业中,精密机床要求的加工精度达百分之几毫米;重型铣床的进给机构需要在很宽的范围内调速,其最高进给速度可达600 mm/min,而精加工时最低进给速度只有2 mm/min;又如,巨型轧钢设备,需要轧钢机的轧辊在不到一秒的时间内就得完成从正转到反转的全部过程,而且操作频繁;轧制板材的轧钢机的定位系统,其定位精度要求不大于0.01mm。再如,高速造纸机,抄纸速度可达到1000m/min,要求稳速误差小于0.01%。这些例子说明直流调速系统的生产
3、设备对直流电动机在稳定性、调速的快速性和准确性方面都提出具体的较严格的要求。1.稳态性能指标稳态性能指标 直流调速系统的稳态性能指标有调速范围和静差率。调速范围是指电动机在额定负载下,运行的最高转速与最低转速之比,用D表示,即 电力拖动系统可分为:调速范围小的系统,一般指D3;调速范围中等的系统,一般指3D50;调速范围宽的系统,一般指D50。现代电力拖动控制系统的调速范围可以做到D10000。静差率是指当系统在某一转速下运行时,负载由理想空载增加到额定负载所引起的转速降落与理想空载转速之比,用表示,即或用百分数表示为 一般所说静差率的要求是指系统最低速时能达到的静差率指标。所规定的调速范围,
4、是指在最低速时满足静差率要求下所能达到的最大范围。静差率是用来表示负载转矩变化时电动机转速变化的程度的,它和机械特性的硬度有关,特性越硬,静差率越小,转速的变化程度越小,稳定度越高。2.动态指标动态指标 电力拖动控制系统在动态过程中的性能指标称做动态指标。动态性能指标分跟随性能指标和抗扰性能指标。其中跟随性能指标具体包括上升时间超调量 调节时间等,抗扰性能指标具体包括动态速降恢复时间图6-1 系统抗扰动态过程示意图 最大动态降落是指系统稳定运行时,突加一定数值的阶跃扰动(例如额定负载扰动)后引起的输出量的最大降落 最大动态降落常用百分数表示,即 调速系统突加负载扰动时的动态降落称为动态速降,用
5、表示。表示从阶跃扰动作用开始,到输出量恢复到原稳态值的5%(或2%)范围之内所需的时间,定义为恢复时间,用表示。恢复时间 一般来说,对于调速系统,其动态指标以抗扰性能为主,跟随性能为次。6.1.3 6.1.3 转速单闭环直流调速系统的组成结构和控制原理转速单闭环直流调速系统的组成结构和控制原理1.组成结构组成结构图6-2 转速负反馈调速系统原理框图2.2.控制原理控制原理 通过检测环节(测速发电机TG和电阻RP2)实时检测电机转速,并转换成与转速成正比的负反馈电压Ufn,与转速给定电压Ugn比较后,得到偏差电压Un,经放大器放大后产生触发器CF的控制电压Uc,用以控制电动机的转速。根据反馈控制
6、理论,闭环反馈控制系统是按被控量的偏差进行控制的系统,只要被控量出现偏差,它就会自动调节以减小这一偏差。具体的调节过程是:负载加重导致电机转速瞬间下降,反馈电压也按比例减小,而给定电压不变,这样偏差电压增大,放大器的输出即控制电压 也增大,晶闸管整流电路的导通时间增加,使得整流输出后加在电动机电枢回路上的电压 增大,电枢电流 和电磁转矩都得以加强,从而使电机转速回升。如图6-3所示。负载减小时,单闭环控制系统自动调节转速的过程正好相反,如图6-4所示。图6-3负载增大时的调速过程图6-4负载减小时的调速过程6.1.4 6.1.4 转速单闭环直流调速系统的性能分析转速单闭环直流调速系统的性能分析
7、1.静态指标静态指标系统中各环节的稳态输入输出关系如下。电压比较环节:运算放大器:晶闸管整流器及触发装置:UM系统的开环机械特性:转速检测环节:图6-5 转速负反馈单闭环调速系统的稳态框图化简结构图,可得到系统的静特性方程式为式中,K=KpKs /Ce,为闭环系统的开环放大系数,它是系统中各个环节单独放大系数的乘积;为闭环系统的理想空载转速;为闭环系统的稳态速降。6.1.5 6.1.5 转速单闭环系统静特性的优点转速单闭环系统静特性的优点如果将闭环系统的反馈回路断开,即令,则系统就变成了开环系统,其机械特性方程式为式中,和分别表示开环系统的理想空载转速和稳态速降。闭环系统的静特性与开环系统的机
8、械特性相比,有如下优点。(1)闭环系统的静特性比开环系统机械特性硬得多。(2)闭环系统的静差率比开环系统的小得多。当=时,则有(3)当要求的静差率一定时,闭环系统的调速范围可以大大提高。如果电动机的最高转速都是,且对最低转速静差率的要求相同,则有开环系统:闭环系统:综合分析闭环系统的上述三条优越性能,不难看出闭环系统必须设置放大器,而且开环放大系数K=KpKs /Ce值要足够大。实际上,无论是开环系统还是闭环系统,给定电压Ugn和触发装置的控制电压Uc都是属于同一数量级的电压。在开环系统中,Ugn直接作为Uc来控制,因而不须设置放大器;而在闭环系统中,引入转速反馈电压Ufn后,若要使转速偏差小
9、,Un=Ugn-Ufn就必须压得很低,甚至低到使触发整流装置不能正常工作的程度,所以必须设置放大器,才能获得足够的控制电压Uc。3.转速转速单闭环控制电路的特点单闭环控制电路的特点(1)采用比例放大器的反馈控制系统是有静差的。(2)被调量紧紧跟随给定量的变化。电动机转速能在一定范围内调节,被控量(转速)仅跟随给定信号而变化。(3)对包围在闭环中前向通路上的各种扰动有较强的抑制作用。当系统给定电压不变时,该控制系统对被包围在系统前向通道上的各种扰动都有抑制作用。如放大器的增益、交流电源电压波动、负载变化,被控电动机磁场变动等干扰因素引起的转速变化有抑制能力。如图6-6所示。图6-6 反馈控制系统
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