- 工业电能变换与控制技术
- 赵维城 吴春燕主编
- 4877字
- 2020-08-28 10:36:58
任务2 调节算法和调节器
3.2.1 控制策略与调节算法
综合电路输出的误差信号e(t),作为输入信号送到调节器的运算放大器中,经过数学处理,产生一个输出信号向下一级输出。如果下一级是调节对象,这个输出信号就是施加于调节对象的调控信号;如果下一级仍是一个调节器,这个输出信号就是下一级调节器的输入信号,调节器输入信号的来源与输出的信号的去向如图3.2.1所示。
图3.2.1 调节器输入信号的来源与输出信号的去向
由a(t)去调节调节对象的工作状态,最终目的是要使e(t)→0。那么什么样的a(t),能够尽快尽好的使e(t)→0呢?或者说为了尽快尽好的使e(t)→0,a(t)与e(t)应该是什么关系?应该如何由e(t)去求得a(t)?这就是控制策略的选择问题。e(t)不同,选择控制策略也应不同。不同的控制策略将产生不同的控制效果。
选择控制策略(调节策略),也就是选择一种算法,如何由误差信号e(t)算出调控指令a(t)。人们花了很多努力来设计有效的控制算法。在工程中已经得到广泛使用的控制策略是PID控制策略,或者说控制算法是PID算法。
1.比例调节策略和比例调节算法(P)
这个方法的特点是把误差e(t)放大适当的倍数KP,得到调控指令a(t)(通常是一个电压):
a(t)=KPe(t)
利用KPe(t)去调节对象的工作,使e(t)变小。如果放大倍数选择适当,就可能使e(t)变得很小(但不会变为0,否则KPe(t)=0,a(t)=0,就没有调节作用了)。
作为主要调节策略的比例调节策略,是最基本的一种调节策略。如果反馈信号与给定信号相比,只有大小的误差,没有相位的误差,这个策略是很有效的。把大小的误差大部分抵消了,输出量就比较理想了。
2.积分调节策略和积分调节算法(I)
比例调节策略是有差调节策略,它是以存在误差才能产生调控指令a(t)=KPe(t)为前提的。e(t)若为0,a(t)=0,调控指令就没有了。所以比例调节可以减小误差,但不能完全消除误差。
经过及时的比例调节后,大部分误差都立即被校正,但还剩下很小一点余差,对这些余差该怎么办呢?
对付余差,可以加上第二个调节策略——余差调节策略,即积分调节策略。这种策略能够通过积分运算把很小的余差积累起来,完全加以消除。设e(t)为误差,则对KPe(t)进行积分求a(t),即
a(t)是e(t)在时间中的积累。用积累起来的误差a(t)去调控调节对象,就可以把余差完全消除。式中,TI是积分器的时间常数。选择得合适的TI,可以使积分调节效果最好。
3.微分调节策略和微分调节算法(D)
微分调节是针对误差变化趋势进行的调节,其作用是抑制被调节量的突然变化。算法为
式中,TD是微分时间常数。选择合适的TD,可以达到最好的微分调节效果。
4.比例微分积分综合调节策略和综合调节算法
比例调节是与时间无关的调节,只要有误差,就会有比例调节。积分调节是时间上滞后的调节。误差出现了,它不能马上消除,要积累起来才能消除,并彻底消除。微分调节是时间上超前的调节。针对误差的突然变化采取行动,误差未到,调节先到。误差变化越快调节作用越强。不变不调,一变就调。
把P,I,D三种基本调节策略组合起来,可以构成复合的调节策略,如PI调节策略(比例—积分调节策略),DI调节策略(比例—微分调节策略)和PID调节策略(比例—微分—积分调节策略)。工业中用得最多的是PI调节策略。用P即时消除大部分误差,用I延迟消除全部剩余误差。
PI调节算法为
PID调节算法为
3.2.2 调节算法的实现——电子调节器
调节算法的实现有两种办法。
1.计算法
在计算机控制系统中,把调节算法编成计算程序,作为控制程序的一个子程序来调用。
2.模拟法
在模拟控制系统中,用电子调节器来模拟实现调节算法,通过集成运算放大电路直接将输入信号e(t)变成输出信号a(t)。电子调节器,就是用集成运算放大器构成的模拟计算器。
1)比例调节器(P)
比例调节器是由运算放大器构成的电子调节器,包括反相放大器、同相放大器和差分放大器三种类型,如图3.2.2所示。实际使用最广泛的是反相加(减)法运算放大器,同时完成信号综合与调节放大两项任务。
图3.2.2 比例调节器
2)积分调节器(I)
用积分电容C作反相输入运算放大器的反馈回路,即得到积分调节器电路如图3.2.3所示。积分电容C的作用是累计误差,将误差电压e(t)积分成为误差电荷q(t),又将q(t)变成反馈电压。由于N点为虚地,电位为0,反馈电压也就是输出电压。
图3.2.3 积分调节器电路图
由图3.2.3(a)可知,N点为虚地GND,电位为0,故得等效电路如图3.2.3(b)所示。按KCL有
i1=i2i1
可由e(t)和R求得
电容的特性
故
即
故电路实现了输入电压信号e(t)的积分,将e(t)变为输出电压信号,积分时间常数TI=RC。
3)微分调节器(D)
用微分电容C作反相运算放大器的输入回路,就得到微分调节电路,如图3.2.4所示。
图3.2.4 微分调节电路
因为N点为虚地,电位近似为0,故可画出等效电路图如图3.2.4(b)所示,即
i1=i2
电容器的特性是,q为电容器上所充电荷,为充电电流,电容电压uC=e(t)-0=e(t),于是q=CDuC=CDe(t),而
Rf上的电压为0-a(t),故
代入前式即得
可见此电路实现了输入电压信号e(t)的微分运算,将误差信号e(t)变为输出电压信号,微分常数TD=RfCD。
4)比例积分调节器(PI)
这是工业中应用较广的调节器,由比例调节与积分调节两个功能合成。比例调节可以立即消除大部分误差,积分调节则消除比例调节无法消除的其余误差。两者相结合,构成无差调节器,因此获得广泛应用。PI调节器的反馈回路既包含比例元件R,又包含积分元件C,如图3.2.5所示。
因为N点为虚地,电位为0,故可画出等效电路图如图3.2.5(b)所示,即
i1(t)=i2(t)
图3.2.5 比例积分调节电路
又
即
故
可见PI调节器实现了对输入电压信号e(t)进行比例—积分运算。
一个控制系统的性能好不好,取决于系统的设计与调试。系统的每一个组成环节都需要精心调试。如传感器、调理变送器,都要逐一先测定好传递特性,确认正确后,再连入系统。但在系统调试中,关键的调试是对调节器的调试。调节器的三个参数KP,TI,TD,如何整定,决定系统的性能。比例放大倍数KP是由电阻之比决定的。时间常数TI,TD是由电阻和电容的乘积RC决定的。实际的调节器,远比上面讲的基本线路复杂。在众多的电阻、电容中,该调哪个,不能盲目瞎猜。要在看懂线路,理解工作原理的基础上小心的进行。需要调节的元件,通常是电位器、可调电阻、可调电容。调整好了的元件,都用红油漆打点、封定。如果必须重调,要记住其原来的位置和电阻值。调不好可以返回原地,再找办法。切忌越调越乱。调试也要运用负反馈原理。用示波器显示出给定信号与输出信号,有意改变一下给定信号,看看输出信号是如何响应的?就可以判断调对了,还是调错了,调多了还是调少了,由此决定下一步应该怎么调。这样一步一步接近目标,直到符合要求为止。由于比例调节策略是主要策略,积分、微分调节策略是辅助策略,所以调节时可以先调比例,调好比例后再调积分和微分。如果调节器是由两个或多个调节器组合起来构成的,这样做比较方便,可以先调前面的比例调节器。图3.2.6所示的是由比例调节器、积分调节器、差分放大器组成的一个PI调节器。
图3.2.6 PI调节器
3.2.3 调节器的串联——多环反馈、主从调节
如果对调节的品质要求不是很高,则用一个反馈回路、一个调节器来进行调节就可以了。这个调节器可能只包含一个简单调节器,也可能由多个简单调节器组成,但反馈回路只有一个,被调节的参数也只有一个。这是单回路调节系统,比较简单。
如果一个调节对象有多个调节参数需要调节,这些被调节参数之间存在着相互影响,对调节品质的要求又较高,这时应该选定一个参数作为主要调节参数,其他参数为辅助调节参数,采用多个闭环、多个调节器进行调节。调节主参数的闭环称为主环,其他闭环称为副环。主环总是在副环的外面,所以又称外环,其他环则为内环。主环的调节器称为主调节器,起主要和主导的调节作用。其他调节器则为从调节器,起随从和辅助的调节作用,配合主调节器工作,使主调节器达到更好、更快的调节效果。主调节器总是第一个调节器,其他调节器一个接一个,依次串联于主调节器的后面。
以直流电动机为例,可调节的参数有转速、转矩、电压、电流、磁场等。这些参数是相互关联的。根据负载的需要,可以选择转速为主要调节参数或目标参数,而选电流为辅助调节参数。由测速发电机TG和速度调节器(主调节器)ASR构成主环(速度环),电流传感器TA和电流调节器(从调节器)ACR构成副环(电流环),从而构成转速、电流双闭环自动调速系统,以获得比较理想的速度调节性能,如图3.2.7所示。
在这个双环主从调节系统中,主调节器ASR与电流调节器ACR串联连接,主调节器的速度给定信号由操作者输入,输出的是转速调控指令,此指令传给从调节器ACR,作为ACR的给定信号要求ACR执行。ACR将转速指令与电流反馈信号综合,构成电流调控指令,下达给晶闸管整流器的控制电路执行。根据系统电路图(见图3.2.7),可以画出系统方框图(见图3.2.8)。两种图对照阅读,更加容易理解。
图3.2.7 系统电路图
图3.2.8 系统方框图
图3.2.9所示的是一个包含位置环、速度环、电流环的直流电动机位置伺服控制系统。最终调节对象是直流伺服电动机所驱动的伺服机构的运行位置。位置控制是主要的目标控制。位置控制目标要求以尽快的速度实现,所以速度调节紧接在位置调节之后。速度目标又要求以尽可能大的电流快速实现,所以电流调节又紧接在速度调节之后。多个调节器串联调节,前级为主,后级为辅。前级指挥后级,后级实现前级的要求。
图3.2.9 直流电动机位置伺服控制系统
3.2.4 调控指令——指向电力电子变换装置
各种控制信息,经过多个环节的变换、传递,最后以调控指令信号的形式从最末一级调节器输出,向电力电子变换装置传送。此前的变换是在弱电下进行的信息变换,此后的变换,是强电系统中的功率变换。电能变换在电力电子变换装置中进行,电能/非电能变换则在电动机、电解槽、电镀槽等用电设备中进行。
电力电子变换,是以电力电子开关方式实现的电能形态和量值的变换,是把复杂信息注入电能中,将低品质电能转化为高品质电能,将普通形态电能转化为特殊形态电能的变换。实现电力电子变换的设备或系统,称为电力电子装置或电力电子系统。
电力电子系统越来越复杂,电力电子变换种类越来越多,但最基本的电力电子变换还是四大类,即AC/DC变换(整流器),DC/AC变换(逆变器),AC/AC变换(变频器),DC/DC变换(直流变压器)。更复杂的变换链,都由这四种变换组成,如AC/DC/AC/DC变换(逆变电焊机),AC/DC/AC变换(高,中频感应电炉),AC/DC/DC变换(脉冲电镀电源,脉冲电化电源,开关电源等),AC/DC/AC变换(变频变压电源,UPS电源),DC/AC/DC/AC变换(车载电源)等。
电力电子系统或电力电子装置本身也由两部分组成,即变换部与控制部。变换部即电力电子系统的主电路,主电路承担电力电子变换的任务。控制部包括测量电路、控制电路、保护电路、显示电路、操作电路。控制电路承担对电力电子变换的测控任务。这两部分用框图描述如图3.2.10所示。
控制部的主体,是控制器和驱动器。变换部由两类元件组成,一类是储/放能元件,即电感与电容`。另一类是电力电子开关,如二极管、晶闸管、IGBT、MOSFET等。这些元件组成特定的拓扑网络来实现电能/电能变换。L、C元件在变换中起基础作用,通过特定的充电/放电、充磁/放磁实现所需的电能变换。电力电子开关在变换中起着主导作用,通过对拓扑网络进行准时、快速、高效的切换,来主导L、C元件充/放电和充/放磁有条不紊的进行。因为L、C元件在变换中的基础作用,对网络拓扑的结构和L、C元件的参数进行精确设计是至关重要的。因为电力电子开关对变换的主导作用,对电力电子开关进行实时、精确、可靠的控制也是至关重要的。
图3.2.10 电力电子系统框图
电力电子变换的强大功能,全都是电力电子开关赋予的。只因有了电力电子开关的发明,才有电力电子变换的产生。所以要弄清电力电子变换与控制的原理,必须把电力电子开关的工作方式和控制方式搞清楚。
电力电子变换装置的调控指令通常以直流控制电压的形式出现。末级调节器所发出的这一调控指令,发送到电力电子变换装置的控制部中。控制部依据调控指令,生成控制电力电子开关的控制脉冲信号,去控制电力电子开关的工作。