第六章 电力拖动自动控制系统

第六章 电力拖动自动控制系统6.1 自动调速系统主要性能指标 机电传动控制系统选择调速方案的依据： 生产机械对调速系统提出的调速技术指标 静态指标 调速系统的调速技术指标 动态指标 一、静态技术指标1. 静差度S: 静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。

速度稳定性指标

n0 ne ne ne n0 ne 静态速降 n0 n0 当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内，即要求静差 度S小于一定数值。 S 普通设备S≤50%

普通车床S≤30%

龙门刨床S≤5%

冷轧机S≤2%

热轧机0.2%~0.5%

造纸机S≤0.1%

电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高 ; 在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他 转速时必能满足要求。

2. 调速范围D 在额定负载下，允许的最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提 下所能达到的最低转速之比称为调速范围 。 n D e max ne min车床 20~120 龙门刨床 20~40 钻床 2~12 铣床 20~30 轧钢机 3~15 造纸机 10~20 进给机械 5~30000

3. 调速的平滑性

调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。调速 无级调速 有级调速

以改变直流电动机电枢外加电压调速为例，说明调速范围D与静差度S之间 的关系 ：

D

ne max n S e max n ne ( 1 S ) n02 1 e n 02 最高速度由系统中所使用电动机的额定转速 决定； 静差度S和调速范围D由生产机械的要求决定； 当上述三个参数确定后，则要求静态速降是 一个定值。超调量

ne max ne max ne min n02 ne

二、动态技术指标 从一种稳定速度变化到另一种 稳定速度运转(启动、制动过程仅 是特例而已),由于有电磁惯性和 机械惯性，过程不能瞬时完成，而 需要一段时间，即要经过一段过渡 过程，或称动态过程。 1. 最大超调量 n n2 M p max 100% n2

超调量太大，达不到生产工艺上的要求； 超调量太小，会使过渡过程过于缓慢，不 利于生产率的提高等

范围： M p 10% ~ 35%

超调量

2. 过渡过程时间T

从输入控制(或扰动)作用于系统 开始直到被调量 n 进入(0.05 ~0.02)n2 稳定值区间时为止(并且以后不再越出 这个范围)的一段时间，叫作过渡过程 时间。3. 振荡次数 N过渡过程时间 在过渡过程时间内,被调量n在其稳定值 上下摆动的次数。

如图所示是三种不同调速系统被调量从x1改变为x2时的变化情况。系 统 1 2 超调 量 0 大 过渡过程 时间T 长 长 振荡次 数 无 多 性能 不好 不好

3

小

短

中

好

6.2 晶闸管-电动机直流传动控制系统 分类： 按结

构的不同： 单闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统 可逆系统 按静态误差的不同： 无静差直流调速系统 有静差直流调速系统

任务： 调节速度； 扩大调速范围，减小静态误差。6.2.1 单闭环直流调速系统 一、有静差调速系统 单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系 统，简称有静差调速系统； (一)转速负反馈调速系统 1. 基本组成

放大器：将外加电 压和反馈信号经转换后 的电压之差进行放大。

触发电路：将放大器放大后 的电压信号变为脉冲型号去控 制整流电路的输出大小。

整流电路：变交流 电压为直流电压， 输出电压大小由触 发电路输出脉冲信 号所决定，整流电 路的输出为直流电 动机电枢的外加电 压；

直流电动机：系 统的控制对象。

给定电位器： 调节Rg的位置可 改变给定电压Ug 的大小 。

转换元件：将测速 发电机的转速转换成 电压信号以便与给定 电压进行比较。

测速发电机：与直流电动机 M同轴相连，即两者的速度相 同，测速发电机用来测量电动 机的速度，称检测元件；

由系统的结构分析可知： 系统的调速方法是改变外加电压调速； 系统的反馈信号是被控制对象n本身; 反馈电压和给定电压的极性相反，即: U U g U f 该系统又称转速负反馈调速系统。

2. 工作原理 (1) 稳态( Ug、Uf 不变) U U g U f 不变 U k不变 不变 U d 不变 n 不变 当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。 (2) 调速(Uf不变，改变Ug的大小) U g U U g U f U k U d n U g U U g U f U k U d n 改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速.

(3) 稳速(Ug不变、负载变化使Uf变化 )当负载增加使 n U f U U g U f U k U d n 当负载减小使 n U f U U g U f U k U d n

当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈能维持速度基本不变，这 种状态称为稳速。

PID控制的特点 PID 控制是比例积分微分控制–(Proportional-Integral-Differential)

历史最久、应用最广，适应性最强的控制方 式 在工业生产过程中，PID控制算法占85%~90%

比例调节的特点 u=Kce 如果采用比例调节，则在负荷扰动下 的调节过程结束后，被调量不可能与设 定值准确相等，它们之间一定有残差。 因为根据比例调节的特点，只有调节 器的输入有变化,即被调量和设定值之间 有偏差,调节器的输出才会发生变化。

积分控制的

调节规律 2 积分调节的特点，无差调节 积分调节的特点是无差调节 –只要偏差不为零，控制输出就不为零，它就 要动作到把被调量的静差完全消除为止u S0 edtt 0

e

–而一旦被调量偏差 e 为零，积分调节器的输 出就会保持不变。

–调节器的输出可以停在任何数值上,即:u t t

被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调 量没有余差，而调节阀则可以停在新的负荷所要 求的开度上。

微分控制的调节规律 调节器的输出u与被调量或其偏差e对于 时间的导数成正比，即u S2 de dt

微分调节的特点 P和I是根据已经形成的被调参数与给定值之偏 差而动作(即偏差的方向和大小进行调节)。 微分调节是根据偏差信号的微分,即偏差变化的 速度而动作的。 微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递 滞后和容量滞后。 微分调节容易出现输出的振荡

常规PID控制系统的原理比例 r(t) + e(t) 积分 微分 + + + u(t) 广义被控对象 y(t)

–输入：控制偏差e ( t ) = r ( t ) - y ( t ) –输出：偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组 合u (t ) K c (e(t ) 1 TI

t

0

e(t )dt TD

de(t ) ) dt

式中

Kc —— 比例系数 TI —— 积分时间常数 TD —— 微分时间常数