單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).ppt

第二章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),2-2 有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),2-3 無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),2-1直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念,2-1 直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念,一、直流調(diào)速主要的調(diào)速方法,1、直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)供電原理圖,圖1-1直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)供電原理圖,（1）調(diào)壓調(diào)速,工作條件： 保持勵(lì)磁 = N ； 保持電阻 R = Ra 調(diào)節(jié)過(guò)程： 改變電壓 UN U 調(diào)速特性： 機(jī)械特性曲線平行下移。,（2）調(diào)阻調(diào)速,工作條件： 保持勵(lì)磁 = N ； 保持電壓 U =UN ； 調(diào)節(jié)過(guò)程： 增加電阻 Ra R R n ，n0不變； 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。,（3）調(diào)磁調(diào)速,工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = R a ； 調(diào)節(jié)過(guò)程： 減小勵(lì)磁 N n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。,圖2-3 調(diào)磁調(diào)速特性曲線,1、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組-用交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，以獲得可調(diào)的直流電壓（G-M系統(tǒng)）。,圖3 G-M系統(tǒng)原理圖,組成：,由M拖動(dòng)G=G=給M=供電直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)GE給G=和M=勵(lì)磁。,原理：,調(diào)節(jié)IfU改變轉(zhuǎn)速n變化。改變方向，n轉(zhuǎn)向跟著改變。,特點(diǎn)：,設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝維護(hù)不便、運(yùn)行有噪聲。,2、靜止可控整流器-利用靜止的可控整流器(如晶閘管可控整流器)，獲得可調(diào)的直流電壓。（V-M系統(tǒng)）,圖4 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng),晶閘管整流器可以是單相、三相或多相；電路形式可以是半波、全波、半控、全控等類型；,通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的移相電壓，可改變整流電壓Ud，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。,優(yōu)點(diǎn):整流裝置效率高、體積小、成本低、無(wú)噪聲。,缺點(diǎn):可逆難；過(guò)電壓、過(guò)電流能力差；諧波電流大。,組成：,原理：,3、直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器,圖5 直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖,VT工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。VT通時(shí)，U加到M；VT斷時(shí)，U與M斷開(kāi)，M經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。平均電壓可通過(guò)改變VT的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)M的轉(zhuǎn)速。,優(yōu)點(diǎn): 運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、靜動(dòng)態(tài)性能好；,缺點(diǎn): 容量不大,原理：,電動(dòng)機(jī)平均電壓,為占空比,三、調(diào)速指標(biāo),1、調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即,其中nmin 和nmax 一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。,2、靜差率 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nN ，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即,或用百分?jǐn)?shù)表示,式中 nN = n0 - nN,圖6 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率,3. 靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別,然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的 。對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。,例如：在1000r/min時(shí)降落10r/min，只占1%；在100r/min時(shí)同樣降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min時(shí)，再降落10r/min，就占100%，這時(shí)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提高才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。,靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）,3. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系,設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即,于是，最低轉(zhuǎn)速為,而調(diào)速范圍為,將上面的式代入 nmin，得,上式表明調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)， nN 值一定，可見(jiàn)，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。,例題1-1 某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為，額定速降 nN = 115r/min，當(dāng)要求靜差率30%時(shí)，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？,解 要求30%時(shí)，調(diào)速范圍為 若要求20%，則調(diào)速范圍只有 若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是,圖4 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng),圖7 V-M系統(tǒng)電流波形,3.開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性,晶閘管整流器可看成是一個(gè)線性的可控電壓源,特性很軟，呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。,電流連續(xù)時(shí)：,電流斷續(xù)時(shí)：,電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程為：,改變控制角得到一組平行的直線，但電流波形可能出現(xiàn)斷續(xù)，上述公式不再適用。,2-2 單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng),開(kāi)環(huán)存在的問(wèn)題：,例1-2：某龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻0.18，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為0.2。如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率5%，采用開(kāi)環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個(gè)要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？,問(wèn)題的提出,解 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為 這已大大超過(guò)了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。,如果要求D = 20，s 5%，則由式（1-29）可知 由上例可以看出，開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275 r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！ 由此可見(jiàn)，開(kāi)環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。,一、系統(tǒng)的組成及靜特性,(1)原理框圖,1、系統(tǒng)的組成,圖8,2、調(diào)節(jié)原理,在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī) TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un ，與給定電壓 U*n 相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un ，經(jīng)過(guò)放大器 A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc ，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n。,UPE的組成,圖中，UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc 。,3、系統(tǒng)組成,UPE的組成（續(xù)）,目前，組成UPE的電力電子器件有如下幾種選擇方案： 對(duì)于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器； 對(duì)于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開(kāi)關(guān)器件，如GTO、IGCT等； 對(duì)于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。,下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定： 忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段； 忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。,二、 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性,(1) 閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性的定量分析,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,圖9 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖, 單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,圖10 有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,式中 閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K為 它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開(kāi)后，從放大器輸入起直到測(cè)速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。 電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為,注意： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開(kāi)環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。,(2) 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系,比較一下開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開(kāi)反饋回路，則上述系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性為,閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成,比較上面兩式，不難得出以下的論斷：,（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。 在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 和 它們的關(guān)系是,系統(tǒng)特性比較,系統(tǒng)特性比較（續(xù)）,（2）如果比較同一的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。 閉環(huán)系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 和 當(dāng) n0op =n0cl 時(shí)，,（3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。 如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對(duì)最低速靜差率的要求相同，那么： 開(kāi)環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， 得,系統(tǒng)特性比較（續(xù)）,系統(tǒng)特性比較（續(xù)）,（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。 上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即 K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。,把以上四點(diǎn)概括起來(lái)，可得下述結(jié)論： 結(jié)論2： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。,例題1-3 在例題1-2中，龍門刨床要求 D = 20， s 5%， 已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r， Ce = 0.2Vmin/r， 如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？,解 在上例中已經(jīng)求得 nop = 275 r/min， 但為了滿足調(diào)速要求，須有 ncl = 2.63 r/min， 由式（1-38）可得,代入已知參數(shù)，則得 即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)過(guò)程演示,比較放大,晶閘管整流,給定Un,下一步,控制Uc,（ 負(fù)載變化）,比較器,上一步,下一步,負(fù)載減小， 上升加快,比較放大,晶閘管整流,給定Un,控制Uc,（負(fù)載減小，轉(zhuǎn)速加快）,比較器,上一步,下一步,電機(jī)轉(zhuǎn)速加快,比較放大,晶閘管整流,給定Un,控制Uc,（負(fù)載減小，轉(zhuǎn)速加快，測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快）,上一步,下一步,測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快,比較放大,晶閘管整流,給定Un,控制Uc,（負(fù)載減小，轉(zhuǎn)速加快，測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，反饋電壓增大）,上一步,下一步,反饋電壓增大,比較放大,晶閘管整流,給定Un,控制Uc,上一步,下一步,比較結(jié)果減小,比較放大,晶閘管整流,給定Un,控制Uc,上一步,下一步,輸出電壓減小,比較放大,晶閘管整流,給定Un,控制Uc,上一步,下一步,電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢,比較放大,晶閘管整流,給定Un,控制Uc,上一步,exit,上升速度減慢,比較放大,晶閘管整流,給定Un,控制Uc,由此看來(lái)，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降。,3、閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性,(1)閉環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的定性分析,圖11 有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性圖,(3)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本特征,轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個(gè)基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。,1. 被調(diào)量有靜差,從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。然而，Kp =常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 只有 K = ，才能使 ncl = 0，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的。,2. 抵抗擾動(dòng), 服從給定,反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用，但對(duì)給定作用的變化則唯命是從。 擾動(dòng)除給定信號(hào)外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會(huì)引起輸出量變化的因素都叫做“擾動(dòng)作用”。,調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)源,負(fù)載變化的擾動(dòng)（使Id變化）； 交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)（使Ks變化）； 電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng)（造成Ce 變化 ）； 放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng)（使Kp變化）； 溫升引起主電路電阻增大的擾動(dòng)（使R變化）； 檢測(cè)誤差的擾動(dòng)（使變化） 。 在下圖中，各種擾動(dòng)作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來(lái)了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。,擾動(dòng)作用與影響,圖12 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用,抗擾能力,反饋控制系統(tǒng)對(duì)被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)都有抑制功能。 例如：Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc,抗擾能力（續(xù)）,但是，如果在反饋通道上的測(cè)速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會(huì)增大被調(diào)量的誤差。 例如： Un Un Uc Ud0 n 因此，反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)。,給定作用,與眾不同的是在反饋環(huán)外的給定作用，如轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，它的些微變化都會(huì)使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋?zhàn)饔玫囊种啤?結(jié)論3：,反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從的。,3. 系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)精度,給定精度由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。 如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng)，反饋控制系統(tǒng)無(wú)法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動(dòng)。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。 檢測(cè)精度反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無(wú)法克服的，因此檢測(cè)精度決定了系統(tǒng)輸出精度。,四、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算,直流調(diào)速系統(tǒng)如下圖所示，根據(jù)給定的技術(shù)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)計(jì)算。已知數(shù)據(jù)如下：,解：1. 為滿足D=10，s5%，額定負(fù)載時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為,2. 根據(jù)ncl，確定系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K,當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，近似認(rèn)為 ，則,電位器RP2的選擇方法如下：當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓，且其電流約為額定值的20%時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)電樞壓降對(duì)檢測(cè)信號(hào)的線性度影響較小。,則,此時(shí)RP2所消耗的功率為,為了使電位器不過(guò)熱，實(shí)選功率應(yīng)為消耗功率的一倍以 上，故選RP2為10W、1.5k的可調(diào)電位器。,4、計(jì)算放大器的電壓放大系數(shù),實(shí)取P20。,如果取放大器輸入電阻020/k， 則P2020/k400/k。,2.2.3.單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析,動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：,可以將動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)定性為兩個(gè)方面： 穩(wěn)定性（最大超調(diào)量 和振蕩次數(shù)N） 快速性（上升時(shí)間 tr、調(diào)節(jié)時(shí)間 ts ）。 控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。,建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下： （1）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程； （2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)； （3）組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。,1. 電力電子器件的傳遞函數(shù),構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動(dòng)機(jī)。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，都是,只是在不同場(chǎng)合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。,TL,+,-,M,Ud0,+,-,E,R,L,ne,id,圖12 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路,2. 直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù),如果，忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為,額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為, 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，s； 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，s。,定義下列時(shí)間常數(shù),代入式（1-46）和（1-47）,并考慮式（1-48）和（1-49），整理后得,式中 為負(fù)載電流。,微分方程,在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù),電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù),傳遞函數(shù),a,b,動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,+,圖13額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,n(s),圖14. 整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖,由上圖c可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個(gè)是負(fù)載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換，得下圖a。如果是理想空載，則 IdL = 0，結(jié)構(gòu)圖即簡(jiǎn)化成下圖b。,動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化,a. IdL 0,動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化（續(xù)）,b. IdL= 0,直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即,放大器,測(cè)速反饋,3. 控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來(lái)，就可以畫出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。由圖可見(jiàn)，將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作是一個(gè)三階線性系統(tǒng)。,4. 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,5. 調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù),由圖可見(jiàn)，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是,式中 K = Kp Ks / Ce,6. 調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù),設(shè)Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是,1.5.2 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件,已知反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為,它的一般表達(dá)式為,根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是,顯然的各項(xiàng)系數(shù)都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有,或,整理后得,上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) Kcr, 當(dāng) K Kcr 時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。 對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。,動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾？,問(wèn)題的提出,問(wèn)題的提出：,2.2.4限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋,起動(dòng)的沖擊電流直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，如果沒(méi)有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對(duì)電機(jī)換向不利，對(duì)過(guò)載能力低的電力電子器件來(lái)說(shuō)，更是不能允許的。 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動(dòng)的沖擊電流采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí)，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來(lái)，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于偏差電壓，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的 1+K 倍。,這時(shí)，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達(dá)到它的最高值，對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于全壓起動(dòng)，當(dāng)然是不允許的。 堵轉(zhuǎn)電流有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無(wú)限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。如果只依靠過(guò)流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過(guò)載就跳閘，也會(huì)給正常工作帶來(lái)不便。, 解決辦法： 電樞串電阻起動(dòng)； 引入電流截止負(fù)反饋； 加積分給定環(huán)節(jié)。 這里主要討論如何采用電流截止負(fù)反饋來(lái)限制起動(dòng)電流。,1、電流截止負(fù)反饋,考慮到，限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減。 如果采用某種方法，當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時(shí)僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負(fù)反饋，簡(jiǎn)稱截流反饋。,1、電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié),圖16 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié),2、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),圖17電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的I/O特性,圖18帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,3、靜特性方程與特性曲線,由圖18可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式。 當(dāng) Id Idcr 時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式相同 當(dāng) Id Idcr時(shí)，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成,圖19 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,4、靜特性兩個(gè)特點(diǎn),（1）電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻 Kp Ks Rs ，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。 （2）比較電壓 Ucom 與給定電壓 Un* 的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到,這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過(guò)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)停下，電流也不過(guò)是堵轉(zhuǎn)電流，令 n = 0，得 一般 Kp Ks Rs R，因此,5、 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì),Idbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取 Idbl =（1.52） IN 從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取 Idcr （1.11.2）IN,問(wèn)題的提出,采用P放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，Kp 越大，系統(tǒng)精度越高；但 Kp 過(guò)大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。 進(jìn)一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例調(diào)節(jié)器， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為 Uc = Kp Un Uc 0，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，即Un 0 ； Uc = 0，電動(dòng)機(jī)停止。,2.3 比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng),因此，在采用比例調(diào)節(jié)器控制的自動(dòng)系統(tǒng)中，輸入偏差是維系系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，必然要產(chǎn)生靜差，因此是有靜差系統(tǒng)。 如果要消除系統(tǒng)誤差，必須尋找其他控制方法，比如：采用積分（Integration）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器來(lái)代替比例放大器。,2.3.1 積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律,1、 積分調(diào)節(jié)器 如圖，由運(yùn)算放大器可構(gòu)成一個(gè)積分電路。根據(jù)電路分析，其電路方程,圖20 積分調(diào)節(jié)器原理圖,-,方程兩邊取積分，得,式中， 積分時(shí)間常數(shù)。 當(dāng)初始值為零時(shí)，在階躍輸入作用下，對(duì)上式進(jìn)行積分運(yùn)算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出,圖21 積分調(diào)節(jié)器階躍輸入時(shí)的輸出特性,2、積分調(diào)節(jié)器的特性,3、 轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律,如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差電壓Un的積分，則有 如果是Un 階躍函數(shù)，則 Uc 按線性規(guī)律增長(zhǎng)，每一時(shí)刻 Uc 的大小和 Un 與橫軸所包圍的面積成正比，如下圖 a 所示。,圖22 積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程 a) 階躍輸入 b) 一般輸入,輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程,圖a 、b繪出的 Un 是負(fù)載變化時(shí)的偏差電壓波形，按照Un與橫軸所包圍面積的正比關(guān)系，可得相應(yīng)的Uc 曲線，圖中Un 的最大值對(duì)應(yīng)于Uc 的拐點(diǎn)。 若初值不是零，還應(yīng)加上初始電壓Uc0 ，則積分式變成,在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，當(dāng) Un 變化時(shí)，只要其極性不變，即只要仍是 Un* Un ，積分調(diào)節(jié)器的輸出 Uc 便一直增長(zhǎng)；只有達(dá)到 Un* = Un ， Un = 0時(shí)，Uc 才停止上升；不到 Un 變負(fù)，Uc 不會(huì)下降。在這里，值得特別強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng) Un = 0時(shí)，Uc并不是零，而是一個(gè)終值 Ucf ；如果 Un 不再變化，此終值便保持恒定不變，這是積分控制的特點(diǎn)。,分析結(jié)果： 采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號(hào)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。,4、比例與積分控制的比較,有靜差調(diào)速系統(tǒng) 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時(shí)，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓 Un 和控制電壓 Uc的變化過(guò)程示于下圖。,當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 TL1 突增到 TL2 時(shí)，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速 n 、偏差電壓 Un 和控制電壓 Uc 的變化過(guò)程示于右圖。,圖23 有靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載過(guò)程,突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng),當(dāng)負(fù)載突增時(shí)，積分控制的無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線示于下圖。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un 必為零。如果 Un 不為零，則 Uc 繼續(xù)變化，就不是穩(wěn)態(tài)了。在突加負(fù)載引起動(dòng)態(tài)速降時(shí)產(chǎn)生Un，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，Un 又恢復(fù)為零，但 Uc 已從 Uc1 上升到 Uc2 ，使電樞電壓由 Ud1 上升到 Ud2，以克服負(fù)載電流增加的壓降。 在這里，Uc 的改變并非僅僅依靠 Un 本身，而是依靠 Un 在一段時(shí)間內(nèi)的積累。,圖24 積分控制無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng) 突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,雖然現(xiàn)在Un = 0，只要?dú)v史上有過(guò) Un ，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓 Uc。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此。,將以上的分析歸納起來(lái)，可得下述論斷： 比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。,2.3.2 比例積分控制規(guī)律,前面的分析從無(wú)靜差的角度突出地表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上