《电气传动控制系统》第1章-课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章,电气传动系统的基础,1,第,1,章 电气传动系统的基础,1.2,调速装置,1.3,电气传动控制系统的结构,1.4,电气传动控制系统调速指标,1.5,控制器,PID,的调节作用,1.1,电机基础,2,电气传动系统的组成,电气传动系统一般由控制器、调速装置和电机组成,控制器,调速装置,电机,给定速度,实际速度,3,1.1,电机基础,4,（,1,）一个固定部件和一个旋转部件。固定部件在外面，旋转部件在里面，并由固定部件上的轴承支撑。两个部件都有圆柱形铁芯，中间由空气隙隔开。,（,2,）主磁通,从一个铁芯出来，经过空气隙通向另一个铁芯，构成闭合磁路。,（,3,）可以是里面的部件固定而外面的部件旋转。在特殊的情况下，两个部件都可以旋转,。,1.1.1,电机统一理论,磁链方程、电压方程、转矩方程,5,1.1.2,电机结构及工作原理,6,1.1.2,电机结构及工作原理,（,a,）他励直流电机 （,b,）并励直流电机 （,c,）串励直流电机（,d,）复励直流电机,7,1.1.2,电机结构及工作原理,交流异步电机,交流同步电机,直流电机,8,9,1.2,调速装置,1.2.1,直流调速装置,SIMOREG,系列,特点：全数字化,SINAMICS DCM,系列,特点：模块化、网络化,来源：,=R,a,调节过程：,改变电压,U,N,U,U,n,，,n,0,调速特性：,转速下降，机械特性曲线平行下移。,13,（,1,）调压调速,开环,V-M,系统的机械特性,（,1-3,）,14,（,1,）调压调速,开环,V-M,系统的机械特性,15,n,电动机转速（,r/min,）；,U,d0,空载整流电压（,V,）；,I,d,电枢电流（,A,）；,R,电枢回路总电阻（,）；,励磁磁通（,Wb,）；,Ce,由电机结构决定,的电动势常数；,n,o,理想空载转速（,r/min,）；,n,op,开环转速降（,r/min,）；,U,2,整流变压器副边相电压有,效值（,V,）。,对三相零式整流电路，,A,=1.17,；,对三相全控桥式整流电路，,A,=2.34,；,15,调压调速的特点：,机械特性较硬，负载不变时，转速降,n,不变,由于容许的输出转矩恒定，对于恒转矩性负载的拖动调速，能充分利用电动机的容量,由于电枢回路时间常数小，系统的动态响应快，适合于要求快速起、制动的设备的传动系统中，如初轧机、龙门刨床等设备。,16,（,2,）调磁调速,当负载电流不变时，改变可控电压,U,f,，也就是说改变电动机励磁磁通量,时，电动机的理想空载转速和转速降都在变化，随着磁通量的减少，转速降就越来越大，机械特性也就越软。,工作条件：,保持电压,U=U,N,；,保持电阻,R=R,a,；,调节过程：,减小励磁,N,n,，,n,0,调速特性：,转速上升，机械特性曲线变软。,17,（,1,）机械特性软，负载变化时转速的波动较大；,（,2,）可控电源容量小，一般为电动机容量的,10%,以下，电源设备造价低；,（,3,）磁场的时间常数大，系统的动态响应慢，,适合于起、制动快速性要求不高的设备的,传动控制。,改变励磁调速的特点：,18,（,3,）改变电枢回路电阻调速,改变电枢回路电阻的调速方法就是在电枢回路中串接附加电阻,R1,、,R2,来改变电动机电枢端电压，从而实现调速的目的。,工作条件：,保持励磁,=,N,；,保持,电压,U=U,N,；,调节过程：,改变增加电阻,R,a,R,R,n,，,n,0,不变；,调速特性：,转速下降，机械特性曲线变软。,19,（,1,）系统的结构简单；,（,2,）调速不连续，不平稳；,（,3,）机械特性软，从而影响调速范围,；,（,4,）电动机速度的改变是靠改变电枢回路串接,电阻大小来实现的，调速范围越大，串入,的电阻就越大，相应地电阻上消耗的能量,就越大，这是很不经济的。,改变电枢回路电阻调速的,特点,20,（,3,）改变电枢回路电阻调速,2024/12/7 周六,三种调速方法的性能比较,对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，无级调速，并且调速范围大。,改变电阻只能实现有级调速；,减弱磁通也能够实现平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。,因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，最为常见。,21,G-M,系统,V-M,系统,PWM,系统,直流调速系统,2.,常用的直流调速装置,22,（,1,）,G-M,系统,改变发电机励磁电压,发电机输出电压,直流电动机电枢电压,改变电动机转速,即,旋转变流机组,，工作过程如下：,23,2024/12/7 周六,旋转变流机组用交流电动机和直流发电机 组成机组，以获得可调的直流电压。上世纪,40,60,年代广泛应用。,特点：,适用于对调速性能要求不高的场合；且一套系统至少包括两台电机和一台励磁发电机，设备多、体积大、效率低、维护不方便。,目前很少采用。,24,2024/12/7 周六,晶闸管直流调速系统（简称,V-M,直流调速系统）。,1957,年，晶闸管研制成功，晶闸管的诞生使变流技术产生了根本性的变革。到了六十年代，成套的晶闸管变流装置（整流器）投入生产。直到如今，,V-M,系统仍然显示出强大的生命力，是直流调速系统的主要形式。,25,（,2,）,V-M,系统,（,3,）直流斩波器（脉冲调制变换器：,PWM,变换器）,直流斩波器是将恒定的直流电压，利用,DC-DC,变换技术，斩波为有一定宽度的脉冲电压加在负载两端的装置。,若负载为直流电机，则构成直流斩波器或脉冲调制变换器供电的直流调速系统,（,1-4,）,26,PWM,变换器应用,-,交,-,直型电力机车,27,PWM-M,系统信号流动过程：,28,2024/12/7 周六,PWM,调速系统特点,电源采用不控整流源；,系统频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强；,低速性能好，,稳态,精度高，调速范围宽，电动,机损耗和发热较小；,电网功率因数高，效率高；,电路简单，控制方便。,受器件容量限制，只用于中、小功率的系统。,29,通用变频器发展历史,70 80,年：自主制造,天津电气传动所、西安电力电子所,80 90,年：进口,三垦,SVFSEMCO-i,、富士,FRN-G5/P5G9,型、三菱,FR-Z200 A500/F500,、安川,VS616G5G7,西门子,6SE70/MM440,、,ABB ACS500/600,、施耐德,ATV,（,TE),其它厂家：东芝、松下、明电舍；罗克韦尔（,AB),、丹佛斯、伦茨,高压变频器：西门子（三电平）、罗宾康（多电平）、,ABB(,三电平）,90,年以后：国产化,台湾普传、成都佳灵、山东惠丰、安邦信、微能、英威腾等,170,多个厂家。天津电气传动所和冶金自动化院研制出交,-,交变频器，利得华福、合康亿盛、微能、山东风光、广州智光等,20,多个厂家。,现在：模块化、网络化变频器,西门子,S120/G120,，,ABB ACS880,30,1.2.2,交流调速装置,SIEMENS,变频器外观,来源于：,31,ABB,变频器外观,0.55KW-110KW,1.1-0120/KVA,0.55-500KW,1.1-610/KVA,0.55-2800KW,1.1-3490/KVA,来源于：,32,深圳汇川公司变频器外观,来源于：,230/400 V,f,Mains,=50 Hz,U,Motor,=,可变,f,Motor,=,可变,U,1,I,1,U,ZK,I,ZK,U,2,I,2,主电路,变频器调速方式,42,变频器的基本构成,目前，实际应用,最多,的是,交,-,直,-,交,变频器。交,-,直,-,交变频器的基本构成如图所示，由,整流器,、,逆变器,、,滤波器,和,控制电路,组成。,43,三相,180,导电型六拍变频器一般为电压型变频器。整流器为可控整流器，如图所示。,图中，电容,C,很大，起滤波作用。直流侧电压为一恒定值，相当于电压源。在三相逆变器中，电动机正转时功率管的导通顺序是,VT,1,、,VT22,、,VT,3,、,VT,4,、,VT,5,、,VT6,，各功率管驱动信号间相隔,60,电角度。,180,导电型的特点是每只功率管的导通时间为,180,，在任意瞬间有三个功率管同时导通（每条桥臂上有一只功率管导通），它们的换流是在同一条桥臂内进行，即在,VT1-VT4,，,VT3-VT6,，,VT5-VT2,之间进行相互换流。,三相,180,导电型六拍变频器主电路图,（,1,）,180,导电型六拍变频器,44,设负载为星形连接，逆变器的换流是瞬间完成的，若以电 动机定子绕组中性点,O,点电位为参考点，在不同导通区间的相电压可通过图中的等值电路求得，,三相,180,导电型六拍逆变器供电的等值电路,在区间中，,561,导通，则,:,区间,?,45,（,1,）,180,导电型六拍变频器,功率管,VT1,、,VT2,、,VT3,、,VT4,、,VT5,、,VT6,顺次导通时的电压波形如图所示。,180,导电型六拍逆变器电压波形,问题：,结合右侧波形，说明电机是如何调速的？,46,（,1,）,180,导电型六拍变频器,相电压和线电压的有效值，为：,（,1-8,）,（,1-9,）,47,（,1,）,180,导电型六拍变频器,对线电压和相电压进行谐波分析，可将其分解成傅氏级数,，为：,（,1-10,）,（,1-11,）,48,（,1,）,180,导电型六拍变频器,三相,120,导电型六拍变频器一般为电流型变频器，整流器为可控整流器，如图所示。,图中，电感,L,很大，起滤波作用。直流侧电流为一恒定值，相当于电流源。在三相逆变器中，电动机正转时功率管的导通顺序是,VT1,、,VT,2,、,VT,3,、,VT,4,、,VT,5,、,VT,6,，各功率管驱动信号间相隔,60,电角度。,120,导电型的特点是每只功率管的导通时间为,120,，任意瞬间有两只功率管同时导通，它们的换流在相邻桥臂中进行。,三相,120,导电型六拍变频器主电路图,（,2,）,120,导电型六拍变频器,49,设负载为星形连接，,120,导电型三相逆变器供电时各区间的等值电路如图所示：,三相,120,导电型六拍逆变器供电的等值电路,在区间中，,61,导通，则,:,区间,?,50,（,2,）,120,导电型六拍变频器,其各功率管导通区间、相电流波形如图,120,导电型六拍逆变器电流波形,51,（,2,）,120,导电型六拍变频器,逆变器输出电流的有效值，为：,对逆变器输出电流进行谐波分析，可将其分解成傅氏级数,，为：,当电动机绕组为三角形连接时，电动机相电流分解成傅氏级数为,:,（,1-12,）,（,1-13,）,（,1-14,）,52,（,2,）,120,导电型六拍变频器,（,3,）,脉宽调制型变频器,脉宽调制型变频器简称,PWM,（,Pulse Width Modulation,）变频器。,概念,整流器为不可控整流器，逆变器多为电压型逆变器，如图所示,三相,PWM,变频器主电路图,53,电压型,SPWM,逆变器的脉冲控制波形,PWM?,SPWM?,SVPWM?,CHBPWM?,SHEPWM?,VVVF?,54,PWM,变频器与六拍变频器相比，具有以下优点：,（,1,）,PWM,变频器自身同时完成变频和变压的功能，与六拍变频器相比，节省了一个调压控制级，从而使控制电路得到了简化。,（,2,）,PWM,变频器比六拍变频器输出电压谐波小。驱动电动机时，其输出电流谐波更是明显改善，从而减小了电动机转矩脉动和损耗。,（,3,）,PWM,变频器由于应用,IGBT,等电压型控制器件，并且开关频率很高，所以比六拍变频器体积小很多。,（,4,）,PWM,变频器控制精度高，系统功能全，适于高性能的交流调速系统，而六拍变频器的性能要差一些，控制精度也不是很高。,55,无论是直流电机还是交流电机，一般来说，都遵循一个共同的调速原则：在基速以下采用恒磁通调速，在基速以上采用恒功率调速。,56,1.2.3,调速的一般原则,1.,恒磁通变频调速,依据电磁感应定律以及三相异步电动机的特性，则三相异步电动机的每相电势有效值为：,从上式可得电动机磁通为：,其中，为常数。,如果忽略定子压降，则 ，上式可写成：,在变频调速时，如果只降低定子频率 而定子每相电压保持额定值不变，则 要增大。,（,1-15,）,57,由于在 时，电动机的主磁路就已接近饱和，再增大，主磁路必然过饱和，这将使励磁电流急剧增大，铁损耗增加，下降。反之如果频率往上升高，磁通减少，在一定的负载下有过电流的危险，这也是不允许的。为此通常要求磁通保持恒定，即,恒压频比控制特性,1-,无低频补偿,2-,有低频补偿,在基频以下变频调速时，采用恒磁通控制，也就是压频比恒定控制。,1.,恒磁通变频调速,58,保持,=,常数 由于电动机电势不能直接检测，常用,来近似计算，所以 等于常数的恒压频比控制是一种近似恒磁通控制方式，也是异步电动机变频调速常采用的一种配合控制方式。,电动机的电磁转矩为：,（,1-16,）,1.,恒磁通变频调速,59,最大转矩：,下面考虑两种极端情况：,（,1,）,当频率较高时，,可忽略，则最大转矩可简化为：,（,2,）,当频率较低时，,可忽略，则最大转矩可简化为：,（,1-17,）,1.,恒磁通变频调速,60,低频时有时会拖不动负载，所以要进行补偿。,为常数时的变频调速机械特性,1.,恒磁通变频调速,61,低速的电压补偿,在实际用应用中，由于电机的感应电势,E,1,难以测量和控制，采用近似恒磁通原则，即,在低频时，定子电阻,r,1,上压降对最大转矩有较大影响。为保持理想的恒磁通,在低频时，,U,1,和,E,1,差值较大,在实际控制回路中加入一个函数发生器，以补偿低频段定子电阻引起的压降。,蓝色无补偿,有补偿,f1,U1,补偿后的机械特性,1.,恒磁通变频调速,62,2.,恒功率变频调速,在基速以上变频调速时，若要保持 恒定，则,=,常数，定子电压需要高于额定值，这是不允许的。因此，基频以上变频调速时，应使 保持额定值不变。这样，随着,升高，气隙磁通将减小，相当于弱磁调速方法。,不同频率下各机械特性曲线的稳定运行区段近似平行,63,（,1,）保持恒功率的原因,电压不变,属恒功率变频调速,当频率,f,高于,50Hz,时，如果还按压频比等于常数的原则，电压就要高于额定电压，这显然是不允许的。应换另一种调速原则。,如何得出？,2.,恒功率变频调速,64,P=F*,v,/1000,F=T/R,v,=2R,n,/60,线速度,=,周长*每秒转速,(n)=2R*,每分转速,(n)/60=R*n/30,P-,计算功率,KW,，,F-,所需拉力,N,v,-,工作机线速度,m/S,，,T-,转矩,Nm,R-,作用半径,m,，,n,-,每分转数,P*1000=/30*T*,n,30000/*P=T*,n,30000/3.1415926*P=T*,n,9549.297*P=T*,n,2.,恒功率变频调速,65,（,2,）恒功率调速原则,恒功率变频调速原则,恒功率变频调速适用于负载随转速升高而减轻的情况，如车床刀具等。通常为扩大调速范围，在基速以上采用恒功率调速；在基速以下采用恒转矩调速。,（,1-24,）,2.,恒功率变频调速,66,保持,U/f=,常数，属于近似恒磁通变频调速，属于近似恒转矩调速方式。,保持,U,N,=,常数，属于近似恒功率调速方式。,2.,恒功率变频调速,67,3.,电气传动统一的调速原则,如果忽略交流电机的定子压降和直流电机的电枢回路压降，交、直流电机遵循共同的调速规律。,对于直流电机,对于交流电机,（,1-25,）,（,1-26,）,（,1-27,）,参数取值,68,4.,变频控制时的电动机运行状态,图所示为变频器控制电机时在整个调速范围的一族机械特性曲线。,在额定转速,以下,采用恒转矩变频调速，而在额定转速,以上,采用恒功率变频调速，因此调速范围明显扩大。,异步电动机变频调速可以实现,四,象限运行。如果按照一定规律控制，异步电动机的,起动、制动、反转和调速,过程时间都可以缩至很短，因此在变频调速时，异步电动机可具有良好的动态特性。,异步电动机变频调速时,的机械特性,69,变频时的起动状态,当频率由,f1f2f3,时，电动机 将沿着图示虚线由点,123,加速，转速由,n1n2n3,，达到新的稳定运行点。为了缩短加速时间，应当使电动机在加速过程中始终保持有最大转矩，即应当使电机沿着最大转矩的包络线进行加速。,异步电动机变频调速的加速过程,70,变频时的再生发电制动状态,在变频调速系统中，电动机转速的下降是通过降低频率来实现的。,当异步电动机在某一频率下运转时，如果将频率迅速降低，使转差率变负，则可以使电动机处于再生发电制动状态，此时电动机运行于,第二,象限，如图所示。,此时，电能通过逆变器回馈到变频器直流侧。在减速过程中若始终保持频率比电动机转速下降得快，那么电动机就一直维持在,再生发电制动状态,。,异步电动机再生发电制动状态的机械特性,71,变频时的能耗制动状态,交流异步电动机在定子绕组中通入直流电流，就会产生,能耗制动,。,变频控制时，为了加快制动过程，缩短制动时间，防止传动系统在停机后继续爬行，在再生制动方式下先将转速下降到一定程度，然后通过逆变器向电动机的两相绕组中通入直流，使电动机进行,直流能耗制动,，如图所示。,72,异步电动机能耗制动状态的机械特性,73,1.3,电气传动控制系统的结构,74,开环控制方式是指,，控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。,开环控制系统,可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。,V-M,调速系统的开环控制结构：,75,1.3.1,开环控制结构,V-M,调速系统的开环控制结构：,理想空载转速,静态速降,（,1-31,）,开环控制结构没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差,结构简单、调整方便、成本低,应用在精度要求不高或扰动影响较小的系统。,76,1.3.1,开环控制结构,闭环控制又称反馈控制，主要按偏差进行控制。其特点是无论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差 时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个 偏差，使被控量与期望值趋于一致。,V-M,调速系统的闭环控制方式：,77,1.3.2,闭环控制结构,(1),、比例调节器,(2),、触发器及晶闸管变流装置,;U,ct,=K,p,U,n,U,d0,=K,s,U,ct,（,1-33,）,（,1-32,）,78,1.3.2,闭环控制结构,(3),、转速检测环节,(4),、主电路,转速反馈系数,（,1-35,）,（,1-34,）,79,1.3.2,闭环控制结构,闭环系统的开环放大倍数；,（,5,）、转速闭环调速系统的静特性方程,闭环系统的静态速降。,闭环系统的理想空载转速；,（,1-36,）,80,1.3.2,闭环控制结构,1.3.3,开环与闭环控制结构对比,转速闭环系统的静态速降,:,闭环系统的调速范围,:,开环系统的调速范围,:,（,1-37,）,（,1-38,）,81,闭环控制的优点,:,提高,K,，,S,减小，,D,增大,A,开环控制静特性,B,闭环控制静特性,82,1.3.3,开环与闭环控制结构对比,、为开环系统机械特性,为闭环系统静特性,（,1,）假设负载电流由,I,L1,增到,I,L2,，再由,I,L2,增加到,I,L3,，则闭环系统的自动调节作用如图所示。,（,2,）若为开环系统，则当负载发生上述变化时，转速将沿着开环特性变化。,（,3,）当系统闭环后，在负载发生上述变化时，转速,n,下降，,U,n,增加，,U,ct,增加，致使整流电压,U,d,增大，转速有所恢复。,（,4,）电机分别由机械特性曲线的,A,点过渡到曲线的,B,点,上稳定运行，再过渡到曲线的,C,点上稳定运行。由于转速反馈的调节作用，所以负载增加时转速下降不多，其静特性较硬。,负载变化的调节过程,83,1.3.3,开环与闭环控制结构对比,2024/12/7 周六,1.4,电气传动控制系统的调速指标,84,2024/12/7 周六,调速系统,速度控制,主要要求,调速系统,控制要求,调 速,稳 速,加、减速,在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地或平滑地调节转速（,静,）。,以一定的精度在所需转速上稳定运行,(,静,),；在可能的干扰下，不允许有过大的转速波动,(,动,),。,频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳,(,动,),。,85,2024/12/7 周六,调速范围,(,静态指标,),其中：,n,min,和,n,max,一般都指电动机额定负载时的转速。,对于负载很轻的机械，可用实际负载时的转速。,在不弱磁的调速系统中，,n,max,n,nom,1.4.1,静态调速指标,（,1-39,）,静态调速指标要求调速系统能在最高转速与最低转速之间调节转速，并且要求系统能在不同转速下稳定地工作。,调速系统的静态指标包括调速范围和静差率。,86,2024/12/7 周六,静差率,(,静态指标,),当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落,n,nom,，与理想空载转速,n,0,之比，称作静差率,n,n,01,0,I,I,L,U,n,U,1,n,2,n,nom,n,02,（,1-41,）,87,2024/12/7 周六,静差率与机械特性,静差率,是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。如果电动机机械特性很软，转速降落大，则静差率大，表示系统对转矩变化敏感，即转速的稳定性差。静差率和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。,然而，静差率和机械特性硬度又是有,区别,的。,88,调速范围与静差率之间的关系,（,1,）在同一理想空载转速,n,o,下，,S,越小，,n,nom,越,小，系统的机械特性越硬。,（,2,）,S,越小，系统允许的,D,也变小；若增大,D,，则,S,也随之变大。,（,3,）在一定的,S,下，减小,n,nom,，,D,才能扩大。,n,n,0,0,I,I,L,U,n,U,1,n,1,n,nom,n,0min,（,1-43,）,89,2024/12/7 周六,开环系统的特点,（,1,）,S,和,D,同方向变化；,（,2,）,稳态精度越高，即,S,越小，则,D,也越小,；,指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。,（,3,）,S,较大，,D,很小（比较期望）。,90,91,常见机械的调速指标：,生产机械,调速范围,静差率,热连轧机,10,30,0.01,0.005,冷连轧机,15,0.02,机床主传动,2,4,0.05,0.1,造纸机,3,20,0.01,0.001,龙门刨床,矿井提升机,20,40,0.05,91,1.4.2,动态调速指标,动态指标，是指调速系统在给定信号和扰动信号的作用下，系统的动态过程品质。动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳。,当电机在某一转速下稳定运行时，若受负载变化、交流电源电压波动等外界因素的影响，转速波动应尽量小。,调速系统的动态指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标。,92,动态跟随性能指标,延迟时间,指响应时间第一次到达其终值一半所需的时间,上升时间,指响应从终值的,10%,上升到终值的,90%,所需的时间；对于有震荡的系统，指响应第一次到达稳态值所需要的时间。,峰值时间,指响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间。,调节时间,指响应到达并保持在终值 （或 ）内所需的最短 时间。,超调量,指响应的最大偏离量 与终值 的差与终值 比的百分数，即,若 ，则响应无超调。,93,1.4.2,动态调速指标,抗干扰性能指标,干扰作用在系统的,前向通道,干扰作用在系统的,反馈通道,闭环系统对包在环里并作用在前向通道内的所有扰动具有抑制作用,但对作用于反馈通道的测量干扰无力调节。,94,1.4.2,动态调速指标,例如,，调速系统最主要的扰动是,负载扰动,和,电源电压波动,，转速闭环系统的扰动作用如图所示：,K,p,K,S,+,-,U,ct,+,-,U,d0,E,U,n,n,I,d,Kp,变化,电源波动,电阻变化,励磁变化,扰动,R,95,1.4.2,动态调速指标,96,系统的,抗扰性能,好坏是通过,最大动态转速降,的大小和,恢复时间,的长短来评价的。扰动响应曲线与抗扰性能指标如图所示,t,N,0,N(t),c(t),c(t),N(t),t,f,最大动态降落,恢复时间,突加阶跃扰动后在过渡过程中所引起的输出量最大降落值,从扰动作用时刻开始到输出信号达到并不再超出给定的误差允许范围 所需要的时间,显然，越小，越短，则系统抗扰能力越强,96,1.4.2,动态调速指标,97,另外，,扰动,所引起的静态偏差是容易消除的，只要在调节器中引入,积分控制,规律，既可实现,消除静差,的目的。但如果想最大限度地减小动态速降和恢复时间，就不能完全依靠反馈控制，而是要和其它控制,配合,，比如，加前馈控制，即实现复合控制，就可以进一步改善系统的抗扰性能。,在线性系统中，,稳定性,与,快速性,之间往往是,相互矛盾,的，对于同一个系统，为了减小其暂态响应的超调量，常常会导致过渡过程时间加长；为了加快响应速度，缩短过渡过程时间，却又会使超调量加大。因此，在设计控制系统时，应充分考虑快速性与稳定性之间的矛盾。,97,1.4.2,动态调速指标,98,1.5,控制器的,PID,调节作用,98,99,1.5.1 PID,调节规律,1.5.2,数字式,PID,调节器,在工程实际中，应用最为广泛的调节规律为,比例,、,积分,和,微分,调节规律，简称,PID,。,PID,之所以能作为一种基本控制方式获得广泛应用，是由于它具有原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应性广等许多优点。,99,1.5.1,PID,调节规律,比例调节规律,比例控制的,时域,数学表达式：,传递函数,表达式：,纯比例调节器的,单位阶跃响应特性,如下图所示：,比例控制的,特点：,控制及时、适当，只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强；控制结果存在静差，即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。,（,1-44,）,（,1-45,）,100,下面以,汽轮机速度调节器,为例，说明机械式模拟调节器的,比例控制,作用，其简化原理图如下所示：,101,1.5.1,PID,调节规律,积分调节规律,积分控制的,时域,数学表达式：,传递函数,表达式：,单位阶跃输入作用下，积分调节器的,响应特性,如下图所示：,积分控制的,特点：,当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上；积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。,（,1-46,）,（,1-47,）,102,1.5.1,PID,调节规律,微分控制调节规律,微分控制的,时域,数学表达式：,传递函数表达式：,单位阶跃输入作用下，微分调节器的,响应特性,如下图所示：,微分控制的,特点：,微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。但微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和,P,或,PI,结合，组成,PD,控制或,PID,控制。,（,1-48,）,（,1-49,）,103,1.5.1,PID,调节规律,比例积分控制,比例积分控制的传递函数,表达式：,下图所示为比例积分调节器的单位阶跃,响应特性,：,比例积分控制的,特点：,当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差。,其中,，称为积分系数。,（,1-50,）,104,1.5.1,PID,调节规律,下面仍以,汽轮机速度调节器,为例，说明机械式模拟调节器的,比例积分,控制作用。其简化原理图如下所示：,105,1.5.1,PID,调节规律,比例微分控制,比例微分控制的传递函数,表达式：,下图所示为比例微分调节器的单位阶跃,响应特性：,比例微分控制的,特点：,对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增加微分作用。理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作用。,其中,，称为微分系数。,（,1-51,）,106,1.5.1,PID,调节规律,第一项为比例（,P,）部分，第二项为积分（,I,）部分，第三项为微分（,D,）部分；为调节器的比例增益，为积分时间（以,s,或,min,为单位），为微分时间（也以,s,或,min,为单位）。,比例积分微分控制,模拟,PID,控制器的,算法为：,写成,传递函数,形式：,其中,为调节器输出的增量值，,为被控参数与给定值之差,（,1-52,）,（,1-53,）,107,1.5.1,PID,调节规律,理想,PID,调节器的单位阶跃响应特性如下图实线所示，而,实际的,PID,调节器,的积分和微分环节具有,饱和作用,，如图中虚线所示。,PID,控制的特点：,将比例、积分、微分三种控制规律,结合,在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。,108,1.5.1,PID,调节规律,1.5.2,数字式,PID,调节器,模拟调节器,数字调节器,模拟,信号,数字,信号,调节器的分类,109,模拟调节器的,局限性,：,（,1,）,功能单一，灵活性差；,（,2,）,信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便；,（,3,）,接线过多，系统维护难度大,随着计算机技术、网络通信技术及显示技术的发展，,数字控制器,成为在工业控制领域中占主导地位的控制器。,数字式控制器由以下两部分组成,：,以,微处理器,为核心的硬件电路,由,系统程序、用户程序,构成的软件,110,1.5.2,数字式,PID,调节器,1.,数字式,PID,调节器的控制算法,模拟,PID,控制器,离散化,数字,PID,控制器,模拟,PID,控制器的算法为,：,111,1.5.2,数字式,PID,调节器,对模拟,PID,控制器进行,离散化,处理，用,后向差分,近似代替微分,：,省略采用周期,T,，即,kT,记为,k,=,式中，为积分系数；为微分系数。上式即为位置式数字,PID,控制算法，简称,位置式,PID,算法,112,1.5.2,数字式,PID,调节器,由,位置式数字,PID,算法得,增量式数字,PID,算法：,=,实际应用中究竟是用位置式,PID,算法还是增量式,PID,算法，关键是看,执行机构的特性,。如果执行机构具有,积分特性部件,（,如步进电动机、具有齿轮传递特性的位置执行机构等），则应该采用,增量式,PID,算法,；如果执行机构,没有积分特性部件,，则应该采用,位置式,PID,算法,。,113,1.5.2,数字式,PID,调节器,2.,数字式调节器的,PID,参数对系统性能的影响,（,1,）,比例系数,Kp,对系统性能的影响,对系统,静态性能,的影响：在系统稳定的情况下，,Kp,增加，稳态误差减小，进而提高系统的控制精度。,对系统,动态性能,的影响：,Kp,增加，系统响应速度加快；但如果,Kp,偏大，系统输出震荡次数增多，调节时间加长；且,Kp,过大会导致系统不稳定。,114,1.5.2,数字式,PID,调节器,（,2,）,积分时间常数,Ti,对系统性能的影响,对系统,静态性能,的影响：积分控制能消除系统静差，但如果,Ti,过大，积分作用太弱，以致不能消除静差。,对系统,动态性能,的影响：,若Ti太小，系统将不稳定；若Ti太大，对系统动态性能影响减小。,（,3,）,微分常数,Td,对系统性能的影响,对系统,动态性能,的影响：,选择合适的Td将使系统的超调量减小，调节时间缩短，允许加大比例控制；但若Td过大或过小都会适得其反。,115,1.5.2,数字式,PID,调节器,数字,PID,控制算法,的参数整定方法,模拟化设计方法,离散化设计方法,先在连续域上完成分析、设计，从而得到满足性能指标的模拟控制器的传递函数，然后再将模拟控制器离散化，得到与连续系统性能指标相近的数字控制系统。,将连续被控对象用适当的方法（一般用零阶保持器法）离散后，系统完全变成离散系统，然后用离散系统的设计方法直接在,Z,域进行控制器的设计。,PID,整定方法,116,第,1,章 结束,117,