交流伺服运动控制系统的建模、控制系统设计及仿真方法PPT文档格式.ppt
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过程控制:
3-103-10分贝分贝2020度以上度以上3.2.13.2.1双闭环调速系统结构及分析双闭环调速系统结构及分析3.2.23.2.2典型系统特性分析及非典型系统典型化典型系统特性分析及非典型系统典型化3.2.33.2.3双闭环调速系统工程化设计双闭环调速系统工程化设计3.2PMSM3.2PMSM双闭环调速双闭环调速系统设计系统设计ASR转速调节器ACR电流调节器TG测速发电机TA电流互感器UPE电力电子变换器+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG内环外环ni11、转速、电流双闭环、转速、电流双闭环直流直流调速系统的组成调速系统的组成转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器节器的输出去控制电力电子变换器UPEUPE。
从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;
转速环在从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;
转速环在外边,称作外环。
外边,称作外环。
3.2.13.2.1双闭环调速系统结构及分析双闭环调速系统结构及分析22、动态抗扰性能分析、动态抗扰性能分析一般来说,双闭环调速系统具有比较满意的动一般来说,双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。
对于调速系统,最重要的动态性能是抗扰态性能。
对于调速系统,最重要的动态性能是抗扰性能。
主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。
性能。
1/Cen*nUd0n+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACRi*i-EId电机模型由动态结构图中可以看出,负载扰动作用在由动态结构图中可以看出,负载扰动作用在电流环之后,因此只能靠转速调节器电流环之后,因此只能靠转速调节器ASRASR来产生抗来产生抗负载扰动的作用。
在设计负载扰动的作用。
在设计ASRASR时,应要求有较好的时,应要求有较好的抗扰性能指标。
抗扰性能指标。
Ud1/Cen*nUd0n+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACRi*i-EIdIdL负载扰动电网扰动22、动态抗扰性能分析、动态抗扰性能分析33、转速和电流两个调节器的作用、转速和电流两个调节器的作用转速调节器转速调节器在双闭环调速系统中的作用可在双闭环调速系统中的作用可以归纳如下:
以归纳如下:
(11)转速调节器是调速系统的)转速调节器是调速系统的主导调节器主导调节器,它使转速它使转速nn很快地很快地跟随跟随给定电压变化,稳态时可给定电压变化,稳态时可减小转速误差,如果采用减小转速误差,如果采用PIPI调节器,则可实现无调节器,则可实现无静差。
静差。
(22)对)对负载变化负载变化起抗扰作用。
起抗扰作用。
(33)其输出限幅值决定电机允许的)其输出限幅值决定电机允许的最大电流最大电流。
(11)作为内环的调节器,在外环转速的调节)作为内环的调节器,在外环转速的调节过程中,它的作用是使电流紧紧过程中,它的作用是使电流紧紧跟随跟随其给定电压其给定电压(即外环调节器的输出量)变化。
(即外环调节器的输出量)变化。
(22)对)对电网电压的波动电网电压的波动起及时抗扰的作用。
起及时抗扰的作用。
(33)在转速动态过程中,保证获得电机允许)在转速动态过程中,保证获得电机允许的最大电流,从而加快动态过程。
的最大电流,从而加快动态过程。
(44)当电机过载甚至堵转时,限制电枢电流)当电机过载甚至堵转时,限制电枢电流的最大值,起快速的自动保护作用。
一旦故障消的最大值,起快速的自动保护作用。
一旦故障消失,系统立即自动恢复正常。
这个作用对系统的失,系统立即自动恢复正常。
这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。
可靠运行来说是十分重要的。
33、转速和电流两个调节器的作用:
、转速和电流两个调节器的作用:
电流调节器电流调节器44、调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法必要性:
必要性:
用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动相互有矛盾的静、动态性能要求态性能要求,需要设计者有扎实的理论基础和丰富,需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验,而初学者则不易掌握,于是有必要建的实践经验,而初学者则不易掌握,于是有必要建立实用的设计方法。
立实用的设计方法。
可能性:
大多数现代的电力拖动自动控制系统均可大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低由低阶系统近似阶系统近似。
若事先深入研究低阶典型系统的特性。
若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表,那么将实际系统校正或简化成典型系并制成图表,那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照,设计过程就简便多了。
这统的形式再与图表对照,设计过程就简便多了。
这样,就有了建立工程设计方法的可能性。
样,就有了建立工程设计方法的可能性。
设计方法的原则(11)概念清楚、易懂;
)概念清楚、易懂;
(22)计算公式简明、好记;
)计算公式简明、好记;
(33)不仅给出参数计算公式,且指明参数调整方向;
)不仅给出参数计算公式,且指明参数调整方向;
(44)能考虑饱和非线性控制的情况,同样给出简单)能考虑饱和非线性控制的情况,同样给出简单的计算公式;
的计算公式;
(55)适用于各种可简化成典型系统的反馈控制系统。
)适用于各种可简化成典型系统的反馈控制系统。
设计方法的思路(11)选择选择调节器结构调节器结构,使系统典型化并满足稳定和使系统典型化并满足稳定和稳态精度稳态精度;
(22)设计)设计调节器的参数调节器的参数,以满足动态性能指标的要,以满足动态性能指标的要求求。
44、调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法11、典型系统、典型系统一般来说,许多控制系统的一般来说,许多控制系统的开环传递函数开环传递函数都可都可表示表示为为R(s)C(s)上式中,分母中的上式中,分母中的ssrr项表示该系统在原点处有项表示该系统在原点处有rr重重极点,极点,rr取不同值,分别称作取不同值,分别称作00型、型、II型、型、型、型、。
自动控制理论已经证明,自动控制理论已经证明,00型系统稳态精度低型系统稳态精度低,而,而型和型和型以上的系统很难稳定型以上的系统很难稳定。
因此,为了保证稳定性和较好的稳态精度,因此,为了保证稳定性和较好的稳态精度,多选用多选用II型和型和IIII型系统型系统。
3.2.23.2.2典型系统特性分析及非典型系统典型化典型系统特性分析及非典型系统典型化11)典型)典型II型系统型系统结构图与传递函数结构图与传递函数T:
系统的惯性时间常数;
K:
系统的开环增益。
开环对数开环对数频率频率特性特性O性能特性性能特性对数幅频特性的中频段以对数幅频特性的中频段以20dB/dec20dB/dec的斜率穿越的斜率穿越0dB0dB线,只要参数的选择能保证线,只要参数的选择能保证足够的中频带宽度,系统就足够的中频带宽度,系统就一定是稳定的,且有足够的一定是稳定的,且有足够的稳定裕量,即选择参数满足稳定裕量,即选择参数满足于是,相角稳定裕度于是,相角稳定裕度22)典型)典型型系统型系统结构图和传递函数结构图和传递函数O开环对数开环对数频率频率特性特性性能特性性能特性也是以也是以20dB/dec20dB/dec的斜率的斜率穿越零分贝线。
由于分母中穿越零分贝线。
由于分母中ss22项对应的相频特性是项对应的相频特性是-180-180,后面还有一个惯性环节,在,后面还有一个惯性环节,在分子添上一个比例微分环节分子添上一个比例微分环节(s+1s+1),是为了把相频特),是为了把相频特性抬到性抬到180180线以上,以保线以上,以保证系统稳定,即应选择参数满证系统稳定,即应选择参数满足足或或且且比比TT大得越多,系统的大得越多,系统的稳定裕度越大。
稳定裕度越大。
33)控制系统的动态性能指标)控制系统的动态性能指标自动控制系统的动态性能指标包括:
自动控制系统的动态性能指标包括:
5%(或2%)0Otrts典型阶跃响应曲线和跟随性能指标tr:
tr:
上升时间上升时间:
超调量超调量ts:
ts:
调节时间调节时间跟随性能指标跟随性能指标在给定信号或参考输在给定信号或参考输入信号的作用下,系统输入信号的作用下,系统输出量的变化情况可用跟随出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。
常用的性能指标来描述。
常用的阶跃响应跟随性能指标有:
阶跃响应跟随性能指标有:
突加扰动的动态过程和抗扰性能指标5%(或2%)OtmtvCb一般来说,一般来说,调速系统的动态指调速系统的动态指标以抗扰性能为主标以抗扰性能为主随动系统的动态指随动系统的动态指标则以跟随性能为主标则以跟随性能为主抗扰性能指标抗扰性能指标抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。
常用的抗扰性能指标有的能力。
常用的抗扰性能指标有CCmaxmax:
动态降落:
动态降落ttvv:
恢复时间:
恢复时间F22、典型、典型II型系统性能指标和参数的关系型系统性能指标和参数的关系典型典型II型系统的开环传递函数包含两个参数:
开型系统的开环传递函数包含两个参数:
开环增益环增益KK和时间常数和时间常数TT。
时间常数。
时间常数TT在实际系统在实际系统中往往是控制对象本身固有的,中往往是控制对象本身固有的,能够由调节器改变能够由调节器改变的只有开环增益的只有开环增益KK,需要按照性能指标选择参数,需要按照性能指标选择参数KK的大小。
的大小。
不同不同KK值时典型值时典型II型系统的开环对数频率特性,箭型系统的开环对数频率特性,箭头表示头表示KK值增大时特性变化的方向。
值增大时特性变化的方向。
KK与截止频率与截止频率cc的关系的关系:
当当c1/T1/T时,特性以时,特性以20dB/dec20dB/dec斜率穿越零斜率穿越零分贝线,系统有较好的稳定性。
由图中的特性可知分贝线,系统有较好的稳定性。
由图中的特性可知所以所以KK=cc(当(当cc1/T1/T时)时)KK值越大,截止频率值越大,截止频率c也越大,系统响应越快,也越大,系统响应越快,但相角稳定裕度但相角稳定裕度=90=90arctgarctgcTT越小,这也说越小,这也说明快速性与稳定性之间的矛盾。
在具体选择参数明快速性与稳定性之间的矛盾。
在具体选择参数KK时,时,须在二者之间取折衷须在二者之间取折衷。
下面将用数字定量地表示下面将用数字定量地表示KK值与各项性能指标值与各项性能指标之间的关系。
之间的关系。
I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差型系统在不同输入信号作用下的稳态误差输入信号输入信号阶跃输入阶跃输入斜坡输入斜坡输入加速度输入加速度输入稳态误差稳态误差0v0/K11)典型)典型II型系统跟随
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- 交流 伺服 运动 控制系统 建模 设计 仿真 方法