电力拖动自动控制系统 复习大纲

《电力拖动自动控制系统》辅导《电力拖动自动控制系统》是工业自动化专业的主要专业课之一。本课程教材采用陈伯时主编的《电力拖动自动控制系统》（第4版）。本课程的教学内容分为三大部分。第一部分是以直流电动机为控制对象的直流拖动控制系统，主要包括教材中第二章至第四章，介绍直流拖动自动控制系统的基本概念、基本组成环节和基本控制规律及自动控制系统中调节器的工程设计方法。第二部分是以交流电动机为控制对象的交流拖动系统，主要包括教材中第五章至第八章，主要对交流拖动系统中的一些基本理论、基本环节和控制规律进行了分析。第三部分是伺服系统，主要是介绍伺服系统的特征和组成已经控制对象的数学模型已近伺服系统的设计，主要是教材中第九章内容。本次教学内容是第一、二、三、五章和第六章部分内容，为便于同学们复习，下面给出各章复习要求。本次期末考试采用闭卷考试，共三大部分题目，第一部分为填空题，没空2分，共40分；第二部分为简答题，每题8分，共24分；第三部分为计算题，每题12分，共36分。计算题的内容为直流调速系统的直流控制部分出一个大题；V-M调速系统部分出一个大题，开环闭环的速降以及反馈系数和放大倍数方面的计算；三相半波的双闭环调速系统计算，计算电流和转速反馈系数，设计和计算电流调节器的各个参数，设计转速调节器，并验证。下面各个部分的内容为填空和简答的重点内容，颜色标红的部分为重点复习内容！第一章结论【本章重点】1.电力拖动控制系统的基本类型：调速系统、伺服系统、张力控制系统、多电动机同步控制系统1)直流电机拖动控制系统的基本类型；A．转速反馈控制的直流调速系统b.转速、电流反馈控制的直流调速系统c.可逆控制和弱磁控制的直流调速系统2)交流电机拖动控制系统的基本类型。a.基于稳态模型的异步电动机调速系统b.基于动态模型的异步电动机调速系统c.绕线转子异步电动机双馈调速系统d.同步电动机变压变频调速系统2.典型的生产机械负载转矩有哪几种，特性是什么。a.恒转矩负载负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载a）位能性恒转矩负载b)反抗性恒转矩负载图1-3恒转矩负载特性b.恒功率负载负载转矩与转速成反比，而功率为常数，称作恒功率负载图1-4恒功率转矩负载特性c.风机、泵类负载负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、泵类负载LT常数mmLLPT常数22mnLT图1-5风机、泵类负载特性第二章转速反馈控制直流调速系统第三章转速、电流反馈控制直流调速系统【本章重点】1.转速控制的要求和调速指标：对于调速系统转速控制的要求：（1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内调节转速；（2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；（3）加、减速——频繁起动、制动的设备要求加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。l）调速范围D；生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速2）静差率S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所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比：minmaxnnD0nnsN用百分数表示用来衡量调速系统在负荷变化下转速的稳定度。特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系。对于同一个调速系统，ΔnN值是定值。要求s值越小时，系统能够允许的调速范围D也越小。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。2．闭环调速系统的组成，静特性的含义，转速负反馈闭环调速系统的稳态结构图。闭环调速系统的组成a.测速发电机b.电压比较环节c.比例调节器d.测速反馈环节e.电力电子变换器f.直流电动机Kp——比例调节器的比例系数α——转速反馈系数（V·min/r）静特性的含义闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。他在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同。静特性方程式——闭环系统的开环放大系数%1000nnsN)1(snsnDNNn*nnUUUnpcUKUnUncsdUKU0ed0dCRIUn**(1/)(1)(1)psndpsndepseeeKKUIRKKURInCKKCCKCKespCKKK转速负反馈闭环调速系统的稳态结构图（a）闭环调速系统（b）只考虑给定作用时的闭环系统（c）只考虑扰动作用时的闭环系统3．开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较。开环机械特性为比例控制闭环系统的静特性为比较后不难得出：（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多当时，（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1()1(Knnopcl1Kssopcl1opclDKD)1(clopnn004．闭环系统能够减少稳态速降的实质。比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。5．反馈控制规律（转速反馈闭环调速系统的三个基本特性）。（1）比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统（2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动,服从给定（3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度6．反馈控制闭环直流调速系统的稳态参数计算。P32-33比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性7．截流反馈的概念，电流截止负反馈环节的特点，以及带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性。截流反馈的概念系统中必须有自动限制电枢电流的环节。引入电流负反馈，可以使它不超过允许值。但这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常的稳速运行时又得取消。当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截止负反馈。电流截止负反馈环节的特点图2-39电流截止负反馈环节的输入输出特性当输入信号IdRc-Ucom0时，输出Ui=IdRc-Ucom，slsslmTTTTTTK2)(当IdRc-Ucom≤0时，输出Ui=0。带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性图2-40带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图静特性：当Id≤Idcr时，电流负反馈被截止，静特性与只有转速负反馈调速系统的静特性相同，当IdIdcr后，引入了电流负反馈，静特性变成图2-41带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性CA段:电流负反馈被截止AB段:电流负反馈起作用8．反馈控制闭环调速系统的动态数学模型的建立、动态结构图、传递函数、以及稳定条件。数学模型)1()1(*KCRIKCUKKnedensp)1()()1()()1()()1()1(**KCIRKKRKCUUKKKCRIUIRKCKKKCUKKnedsspecomnspedcomdsespensp一个带有储能环节的线性物理系统的动态过程可以用线性微分方程描述，微分方程的解即系统的动态过程，它包括两部分：动态响应和稳态解。在动态过程中，从施加给定输入值的时刻开始，到输出达到稳态值以前，是系统的动态响应；系统达到稳态后，可用稳态解来描述系统的稳态特性。电力电子变换器的传递函数测速反馈的传递函数动态结构图图2-23转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图转速反馈控制的直流调速系统的开环传递函数式中稳定条件根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是整理后得9．PI调节器的设计。PI调节器的设计方法，如根轨迹法、频率法等。关键之处是：既要求PI控制调速系统的稳定性好，又要求系统的快速性好，同时还要求稳态精度高和抗干扰性能好。1)(sTKsWsss)()()(snsUsWnfn)1)(1()()()(2sTsTTsTKsUsUsWmlmsnnespCKKK/0111)(KTTTKTTKTTTslmsmslmslsslmTTTTTTK2)(10．无静差调速系统的含义，积分控制规律的含义、结构。积分调节器与比例调节器的区别。比例控制、积分控制和比例积分控制规律的区别。无静差调速系统的含义：系统被调量在稳态时等于系统的给定量，偏差为零。积分控制规律的含义、结构：积分控制规律是指控制器的输出变量户与输入偏差e的积分成正比积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。在输入转速误差信号ΔUn的作用下，积分调节器的输入输出关系为其传递函数是其中，τ——积分时间常数。积分调节器与比例调节器的区别：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。比例控制、积分控制和比例积分控制规律的区别。比例控制也称“有差控制”，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。积分控制规律又称无差控制规律。但因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。PI控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。11．无静差直流调速系统的分析及稳态参数计算。t0ncdtU1UssWI1)(12．直流电动机转速的调速方法有那些。（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。13．转速、电流双闭环直流调速系统的组成，主要包括：双闭环直流调速系统的原理框图和稳态结构图。图3-2转速、电流反馈控制直流调速系统原理图ASR——转速调节器ACR——电流调节器TG——测速发电机图3-3双闭环直流调速系统的稳态结构图α——转速反馈系数β——电流反馈系数14．双闭环直流调速系统PI调节器在稳态时的特征：l）饱和——输出达到限幅值；当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；2）不饱和——输出未达到限幅值。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。15．双闭环直流调速系统的静特性。图3-4双闭环直流调速系统的静特性AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm,n=n0。BC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm,nn0。在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，转速调节器为饱和输出U*im，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差。当ASR处于饱和状态时，Id=Idm，若负载电流减小，IdIdm，使转速上升，nn0，Δn0，ASR反向积分，使ASR调节器退出饱和。16．双闭环直流调速系统在稳态工作时各变量间的关系（分析出现特殊情况时候的运行状况）、稳态工作点和稳态参数的计算。双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系0*nnUUnndLdiiIIUU*根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数电流反馈系数两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。17．双闭环直流调速系统起动过程中电流和转速的三个阶段：l）电流上升阶段（0~t1）；电流从0到达最大允许值在t=0时，系统突加阶跃给定信号Un*，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下，Id很快上升，在Id上升到Idl之前，电动机转矩小于负载转矩，转速为零。当Id≥IdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id=Idm，Ui=U*im。2）恒流升速阶段（t1~t2）；Id