第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、第第1篇篇直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 式中 n轉(zhuǎn)速（r/min）; u電樞電壓（v）； i電樞電流（a）； r電樞回路總電阻(）； 勵磁磁通（wb）； ke 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。ekirun調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的方法 （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓； （2）減弱勵磁磁通； （3）改變電樞回路電阻。自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。（1）調(diào)壓調(diào)速n工作條件： 保持勵磁 = n ； 保持電阻 r = ran調(diào)節(jié)過程： 改變電壓 un u u n ， n0 n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移。nn0o

2、iilunu 1u 2u 3nnn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速n工作條件： 保持勵磁 = n ； 保持電壓 u =un ；n調(diào)節(jié)過程： 增加電阻 ra r r n ，n0不變；n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。nn0oiilr ar 1r 2r 3nnn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速n工作條件： 保持電壓 u =un ； 保持電阻 r = r a ；n調(diào)節(jié)過程： 減小勵磁 n n ， n0 n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。nn0otetl n 1 2 3nnn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線第第2章章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 本章

3、著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計方法。本章提要本章提要1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2 晶閘管-電動機系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）的主要問題1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題1.4 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計1.5 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計1.6 比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源。 本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種n旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得

4、可調(diào)的直流電壓。n靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。n直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。1.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機組旋轉(zhuǎn)變流機組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（g-m系統(tǒng)） g-m系統(tǒng)工作原理 由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發(fā)電機 g 實現(xiàn)變流，由 g 給需要調(diào)速的直流電動機 m 供電，調(diào)節(jié)g 的勵磁電流 if 即可改變其輸出電壓 u，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 n 。 這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱g-m系統(tǒng)，國際上通稱ward-leonard系統(tǒng)。 g-m系統(tǒng)特性n第i象限

5、第iv象限otetl-tln0n1n2第ii象限第iii象限圖1-2 g-m系統(tǒng)機械特性 1.1.2 靜止式可控整流器靜止式可控整流器圖1-3 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)） v-m系統(tǒng)工作原理 晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱v-m系統(tǒng)，又稱靜止的ward-leonard系統(tǒng)），圖中vt是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 gt 的控制電壓 uc 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓ud ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。 v-m系統(tǒng)的特點 與g-m系統(tǒng)相比較：n晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 4

6、 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。n在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。 v-m系統(tǒng)的問題n由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。n晶閘管對過電壓、過電流和過高的dv/dt與di/dt 都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。n由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。3晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)的機械特性n當(dāng)電流波形連續(xù)時，v-m系統(tǒng)的機械特性方程式為（2-7）式中，ce電動機在額定磁通下的電動勢 系數(shù))riu(c1n

7、d0deneekc圖2-5 電流連續(xù)時v-m系統(tǒng)的機械特性圖26 v-m系統(tǒng)機械特性在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機械特性；在電流斷續(xù)區(qū)，機械特性很軟，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。 n當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復(fù)雜得多。 n電流斷續(xù)區(qū)與電流連續(xù)區(qū)的分界線是 的曲線，當(dāng) 時，電流便開始連續(xù)了。 一個電流脈波的導(dǎo)通角。 32321.1.3 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。

8、a）原理圖b）電壓波形圖touusudtton控制電路控制電路m 1. 直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖1-5 直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 2. 斬波器的基本控制原理 在原理圖中，vt 表示電力電子開關(guān)器件，vd 表示續(xù)流二極管。當(dāng)vt 導(dǎo)通時，直流電源電壓 us 加到電動機上；當(dāng)vt 關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng) vd 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖1-5b ，好像是電源電壓us在ton 時間內(nèi)被接上，又在 t ton 時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為 3. 輸出電壓計算ssonduuttu(1-2)式中 t 晶閘管的開關(guān)周期；

9、ton 開通時間； 占空比， = ton / t = ton f ；其中 f 為開關(guān)頻率。 為了節(jié)能，并實行無觸點控制，現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、gto、igbt等。 采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（pwm-pulse width modulation）。 pwm系統(tǒng)的優(yōu)點（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；pw

10、m系統(tǒng)的優(yōu)點（續(xù)）（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。2.直流pwm調(diào)速系統(tǒng)的機械特性n對于帶制動電流通路的不可逆電路，其電壓平衡方程式分兩個階段：n (2-19)n (2-20)式中r、l分別為電樞電路的電阻和電感。)0(onddsttedtdilriuedtdilridd0)(ttton電壓平均值方程電壓平均值方程 平均電壓平均電壓 平均電流平均電流 電樞電感壓降的均值電樞電感壓降的均值 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速ncrieriueddssduudi0dtdild ecen （2-21）

11、機械特性 n機械特性方程式為 (2-22)n或用轉(zhuǎn)矩表示， (2-23)式中， 電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。dedeesicrnicrcun0emeemeestccrntccrcun0nmmkcescun0圖2-12直流pwm調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機械特性c c+3 電能回饋與泵升電壓的限制電能回饋與泵升電壓的限制 pwm變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容c濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容c同時對感性負(fù)載的無功功率起儲能緩沖作用。 n 泵升電壓產(chǎn)生的原因 對于pwm變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機制動時吸收運

12、行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電泵升電壓壓”。 電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。 在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，這時，可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻 rb 來消耗掉部分動能。分流電路靠開關(guān)器件 vtb 在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時接通。 n 泵升電壓限制n 泵升電壓限制電路過電壓信號usrbvtbc+n 泵升電壓限制（續(xù)） 對于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把

13、多余的能量逆變后回饋電網(wǎng)。當(dāng)然，這樣一來，系統(tǒng)就更復(fù)雜了。pwm系統(tǒng)的優(yōu)越性n主電路線路簡單，需用的功率器件少；n開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；n低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；n系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；n功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；n直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。返回目錄返回目錄2.2 穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和 直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性n對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求：（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速以一

14、定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動；（3）加、減速頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。2.2.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)1、調(diào)速范圍、調(diào)速范圍n生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母d表示，即（2-27）nnmax和nmin是電動機在額定負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，n對于少數(shù)負(fù)載很輕的機械，也可用實際負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。minmaxnnd 2、靜差率、靜差率sn當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落n

15、n與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比：（2-28）n用百分?jǐn)?shù)表示（2-29）0nnsn%1000nnsn靜差率與機械特性硬度的區(qū)別圖2-14 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率n特性a和b的硬度相同，n特性a和b額定速降相同，n特性a和b的靜差率不相同。 n例如例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。 調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低轉(zhuǎn)速時 所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。靜差率與機械特性硬度的區(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)：電機額

16、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 的 靜 差 率 ， 即nminnmin0nnnnnns于是，最低轉(zhuǎn)速為 snsnsnnnnnmin)1 (而調(diào)速范圍為 minnminmaxnnnnd將上面的式代入 nmin，得 )1 (nnsnsnd（2-30） （2-30）n對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，nn值是定值。n要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍d也越小。)1 (snsndnn 結(jié)論結(jié)論 一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍圍。因此

17、，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。 因為單提調(diào)速范圍，而脫離對靜差率的要因為單提調(diào)速范圍，而脫離對靜差率的要求，任何系統(tǒng)都能實現(xiàn)；反之，單提靜差求，任何系統(tǒng)都能實現(xiàn)；反之，單提靜差率不限制調(diào)速范圍，實現(xiàn)起來就容易多了。率不限制調(diào)速范圍，實現(xiàn)起來就容易多了。例題例題2-1 n某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為nn=1430r/min，額定速降nn=115r/min， 當(dāng)要求靜差率s30%時，允許多大的調(diào)速范圍？ 如果要求靜差率s 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

18、是多少？ 解解 在要求s 30%時，允許的調(diào)速范圍為 若要求s 20%，則允許的調(diào)速范圍只有 若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (snsndnn1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430d%6 .44446. 011510143011510nnnndnnds2.2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即無反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。n調(diào)節(jié)控制電壓uc就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。n晶閘管整流器和pwm變換器都是可控的直流電源，用upe來統(tǒng)一表示可控直流電源， 圖215 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖機械特性機械特性 n

19、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電力電子變換器直流電動機 n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性為 csduku0ed0dcriunedecsed0dcricukcriun（2-31） 圖2-16 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-17 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性例題例題2-2 某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，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r=0.18，電動機電動勢系數(shù)ce=0.2vmin/r。如果要求調(diào)速范圍d=20，靜差率s5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降nn最多能有多少？ 解解:當(dāng)電流連續(xù)時，v-m系統(tǒng)的額定

20、速降為開環(huán)系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為如要求 ， ，即要求3050.18=275r/min0.2dnneirnc2750.21621.6%1000275nnnnnsnn 10000.052.63 /min(1)20(10.05)nnn snrds20d%5s2.3 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)n根據(jù)自動控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行比較，用比較后的偏差值對系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制反饋控制的基本作用。 2.3.1 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型n在負(fù)反饋基礎(chǔ)上的“檢測誤差，用以糾正誤差”這一原理

21、組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。n在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。1轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖2-18 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 n電壓比較環(huán)節(jié)n比例調(diào)節(jié)器n測速反饋環(huán)節(jié) n電力電子變換器 n直流電動機 n*nnuuunpcukununcsduku0ed0dcriunkp比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（vmin/r）靜特性方程式 *(1/)(1)(1)psndpsndepseeek k ui rk k urinck kcckck（2-32） 式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán) 放大系數(shù) n閉環(huán)調(diào)

22、速系統(tǒng)的靜特性靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。 espckkk圖2-19轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（b）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng) 圖2-19轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（c）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)圖2-19轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（a）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 2.3.2 比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1開環(huán)系統(tǒng)機械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系n開環(huán)機械特性為 (2-46) 式中， 表示開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速， 表示開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。opopedenspeddnncricukkcriun0*0opn0opn2.3.2 比例控制的直流調(diào)

23、速系統(tǒng)n比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性為 (2-47) 式中， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。clcledenspnnkcrikcukkn0*)1 ()1 (0clncln（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng) 機械特性硬得多n在同樣的負(fù)載擾動下， 開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落 閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落n它們的關(guān)系是 (2-48)edopcrin)1 (kcrinedclknnopcl1（2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng) 小得多n閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率為n開環(huán)系統(tǒng)的靜差率為n當(dāng) 時， （2-49）clclclnns0opopopnns0clopnn00kssopcl1（3）如果所要求的靜差率一定，則

24、閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍n如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nn，最低速靜差率都是s，可得 開環(huán)時， 閉環(huán)時， n得到 （2-50）)1 (snsndopnop)1 (snsndclnclopcldkd)1 ( 把以上三點概括起來，可得下述結(jié)論：結(jié)論結(jié)論2： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(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，為此所率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。檢測與反饋裝置。 圖2-24 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和

25、開環(huán)系統(tǒng)機械特性的關(guān)系n開環(huán)系統(tǒng) id n 例如：在圖2-24中工作點從a an 閉環(huán)系統(tǒng) id n un un uc n ud0 例如：在圖2-24中工作點從a bn比例控制直流調(diào)速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自動調(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，以補償電樞回路電阻壓降的變化。例題2-3 在例題2-2中，龍門刨床要求d=20，s5%，已知 ks=30,= 0.015vmin/r，ce=0.2vmin/r，采用比例控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)滿足上述要求時，比例放大器的放大系數(shù)應(yīng)該有多少？ 解: n開環(huán)系統(tǒng)額定速降為 =275 r/min，n閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為 2.63 r/m

26、in，由式（2-48）可得n則得n即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46。opncln6 .103163. 22751clopnnk462 . 0/015. 0306 .103/espckkk2反饋控制規(guī)律（1）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)靜差的控制系統(tǒng)n 比例控制反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。n但只要比例放大系數(shù)kp常數(shù)，開環(huán)放大系數(shù)k，反饋控制就只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它，n這樣的控制系統(tǒng)叫做有靜差控制系統(tǒng)。（2）反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動）反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動, 服服從給定從給定n反饋控制系統(tǒng)具有

27、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作用。n對于給定作用的變化唯命是從。2反饋控制規(guī)律圖2-25 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用檢測誤差檢測誤差n 抗擾能力n反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。n例如：ks ud0 n un un n ud0 uc n 抗擾能力（續(xù)）n但是，如果在反饋通道上的測速反饋系數(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，反而會增大被調(diào)量的誤差。n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。n 給定作用 與眾不同的是在反饋環(huán)外的給定作用，如圖

28、上圖中的轉(zhuǎn)速給定信號，它的些微變化都會使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋作用的抑制。 n 結(jié)論3： 反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能反饋控制系統(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)夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的號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的）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度精度n反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的給定電壓的電源波動。n反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克

29、服的。n現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用數(shù)字給定和數(shù)字測速來提高調(diào)速系統(tǒng)的精度。 n穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算是自動控制系統(tǒng)設(shè)計的第一步，它決定了控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成環(huán)節(jié)，有了基本環(huán)節(jié)組成系統(tǒng)之后，再通過動態(tài)參數(shù)設(shè)計，就可使系統(tǒng)臻于完善。系統(tǒng)設(shè)計舉例與參數(shù)計算（一）系統(tǒng)設(shè)計舉例與參數(shù)計算（一）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 用線性集成電路運算放大器作為電壓放大器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1-28所示，主電路是晶閘管可控整流器供電的v-m系統(tǒng)。已知數(shù)據(jù)如下：n電動機：額定數(shù)據(jù)為10kw，220v，55a，1000r/min，電樞電阻 ra = 0.5n晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器y/y聯(lián)結(jié)，二次線電壓

30、 u2l = 230v，電壓放大系數(shù) ks = 44nv-m系統(tǒng)電樞回路總電阻：r = 1.0n測速發(fā)電機：永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1w，110v，0.21a，1900r/minn直流穩(wěn)壓電源：15v 若生產(chǎn)機械要求調(diào)速范圍d=10，靜差率s5%，試計算調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)（暫不考慮電動機的起動問題）。n解解 1）為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，額定負(fù)載時的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為min/26. 5min/ r)05. 01 (1005. 01000)1 (nclrsdsnn2）求閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)先計算電動機的電動勢系數(shù)rvnriucmin/1925. 010005 . 055220nannemin

31、/7 .2851925. 00 . 155enoprcrin則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為3 .5313 .54126. 57 .2851clopnnk3）計算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)包含測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)cetg和其輸出電位器的分壓系數(shù) ，即 = 2 cetg根據(jù)測速發(fā)電機的額定數(shù)據(jù)，rvcmin/0579. 01900110etg先試取 2 =0.2，再檢驗是否合適。 現(xiàn)假定測速發(fā)電機與主電動機直接聯(lián)接，則在電動機最高轉(zhuǎn)速1000r/min時，轉(zhuǎn)速反饋電壓為 穩(wěn)態(tài)時un很小， u*n只要略大于 un 即可，現(xiàn)有直流穩(wěn)壓電源為15v，完全能夠滿足給定電

32、壓的需要。因此，取 2 =0.2是正確的。 vcu58.1110000579. 02 . 01000etg2n于是，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的計算結(jié)果是 電位器的選擇方法如下：為了使測速發(fā)電機的電樞壓降對轉(zhuǎn)速檢測信號的線性度沒有顯著影響，取測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20%，則 =1379rvcmin/01158. 00579. 02 . 0etg221. 02 . 010000579. 02 . 0ntgnetg2rpincr此時所消耗的功率為 為了使電位器溫度不致很高，實選瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上，故可為選用10w，1.5k的可調(diào)電位器。w43. 221. 02 . 0100005

33、79. 02 . 0ntgnetg2rpincw4）計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù) 根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求，前已求出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為 k 53.3，則運算放大器的放大系數(shù) kp 應(yīng)為 實取=21。14.201925. 04401158. 03 .53espckkk運算放大器的參數(shù)計算如下：根據(jù)所用運算放大器的型號，取 r0 =40k,則k84040210p1rkr2轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型n一個帶有儲能環(huán)節(jié)的線性物理系統(tǒng)的動態(tài)過程可以用線性微分方程描述，n微分方程的解即系統(tǒng)的動態(tài)過程，它包括兩部分：動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。n在動態(tài)過程中，從施加給定輸入值的時刻開始，到輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)

34、值以前，是系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；n系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，可用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。n比例放大器的傳遞函數(shù) n測速反饋的傳遞函數(shù)(2-33) pncaksususw)()()(（2-42） )()()(snsuswnfn（2）電力電子變換裝置的動態(tài)傳遞函數(shù)n晶閘管的滯后n晶閘管的失控時間 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間 最大失控時間 mf1tmaxs(2-13) 平均失控時間 maxsst21t 式中，f 交流電源頻率(hz)， m 一周內(nèi)整流電壓的脈 波數(shù)。整流電路形式最大失控時間 tsmax(ms)平均失控時間 ts(ms)單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式20106.673.331053.

35、331.67表2-2 晶閘管整流器的失控時間（f=50hz）電力電子變換裝置動態(tài)傳遞函數(shù)的特點 n滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時間引起的。n失控時間是個隨機值。n最大失控時間是兩個相鄰自然換相點之間的時間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器的類型有關(guān)。晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù) n滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號1(t)，輸出要隔一定時間后才出現(xiàn)響應(yīng)1(t-ts)。n輸入輸出關(guān)系為： )( 10scsdttukun 傳遞函數(shù)為stscdsseksususw)()()(0（214） 傳遞函數(shù)的近似處理n按泰勒級數(shù)展開，可得 3322! 31! 211)(stststkekekswssssstss

36、tssssn 依據(jù)工程近似處理的原則，可忽略高次項，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié) st1k)s(wsss（2-16） 圖29 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖準(zhǔn)確的近似的（3）直流電動機的動態(tài)傳遞函數(shù)圖2-20 他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路n假定主電路電流連續(xù)，動態(tài)電壓方程為(2-34)n忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動機軸上的動力學(xué)方程為(2-35)edtdilriuddd0dtdngdttle3752n額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 (2-36) (2-37) 包括電動機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 拖動裝置折算到電動機軸上的飛輪慣量 電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)n再定義下列時間常數(shù)：

37、 電樞回路電磁時間常數(shù)(s) 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)(s)nceedmeict lt2gdemcc30rltlmemccrgdt3752n整理后得 (2-38) (2-39)式中， 負(fù)載電流（a）。)(0dtditireudldddtdertiimdldmldlctin在零初始條件下，取拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) (2-40)n電流與電動勢間的傳遞函數(shù) (2-41)11)()()(0strsesusilddstrsisisemdld)()()(傳遞函數(shù)n 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 id (s)idl(s)+-e (s) r tmsb. 式（131）的結(jié)構(gòu)圖e(s)ud0+-1/rtl s+1id

38、(s)a. 式（130）的結(jié)構(gòu)圖+圖1-34 額定勵磁下直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)c. 整個直流電動機的動態(tài)的結(jié)構(gòu)圖 1/ceud0idl (s) eid (s)un+- 1/r tl s+1 r tmsn直流電動機有兩個輸入量，n一個是施加在電樞上的理想空載電壓ud0，是控制輸入量，n另一個是負(fù)載電流idl。擾動輸入量。n如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進(jìn)行等效變換，得圖2-22。 n額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環(huán)節(jié)，n時間常數(shù)tm表示機電慣性n時間常數(shù)tl表示電磁慣性。 圖2-22 直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換 圖2-23 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)

39、結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) ) 1)(1()()()(2ststtstksususwmlmsnn(2-44) 式中 espckkk/轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) kststtstckkststtstckkststtstckksusnswmlmsespmlmsespmlmsespncl) 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)()()(222*111)(1)1 (23skttsktttsktttkckksmslmslmesp（2-45） 3比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動態(tài)穩(wěn)定性n比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為 (2-51)n根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)

40、，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是n整理后得 (2-52)0111)(123skttsktttsktttsmslmslm0111)(ktttkttktttslmsmslmslsslmttttttk2)(例題2-4 在例題2-3中，系統(tǒng)采用的是三相橋式可控整流電路，已知電樞回路總電阻 ，電感量 3mh，系統(tǒng)運動部分的飛輪慣量 ，試判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。0.18r l 2260mngd解 ：n電磁時間常數(shù)n機電時間常數(shù) n晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為 n為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿足的穩(wěn)定條件：n閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和例題2-3中穩(wěn)態(tài)性能要求 是矛盾的。srltl0167. 018. 0003. 0sccrgdtmem

41、075. 02 . 0302 . 037518. 0603752sts00167. 05 .4900167. 00167. 000167. 0)00167. 00167. 0(075. 0)(22slsslmttttttk103.5k 例題2-5 在上題的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，若改用全控型器件的pwm調(diào)速系統(tǒng)，電動機不變，電樞回路參數(shù)為： ， ， ，pwm開關(guān)頻率為8 。按同樣的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) ， ，該系統(tǒng)能否穩(wěn)定？如果對靜差率的要求不變，在保證穩(wěn)定時，系統(tǒng)能夠達(dá)到的最大調(diào)速范圍有多少？0.1r 1lmh44sk khz20d 5%s 解 ：0.0010.01 s0.1lltr2600.10.04

42、17 s375375 0.20.230memgd rtc c10.000125 s8000st 4 .339000125. 001. 0000125. 0)000125. 001. 0(0417. 0)(22slsslmttttttkn按照穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 、 要求 n npwm調(diào)速系統(tǒng)能夠在滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求下穩(wěn)定運行。 20d 5%s 2.63 r/mincln（見例題2-2） 3050.1152.5 r/min0.2nopei rnc152.511572.63opclnkn 0，積分調(diào)節(jié)器的輸出uc便一直增長；只有達(dá)到un=0時， uc才停止上升；只有到un變負(fù)， uc才會下降。n當(dāng)un=

43、0時， uc并不是零，而是某一個固定值ucf n突加負(fù)載時，由于idl的增加，轉(zhuǎn)速n下降，導(dǎo)致un變正，n在積分調(diào)節(jié)器的作用下，uc上升，電樞電壓ud上升，以克服idl增加的壓降，最終進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài) 。*nnuu0nu2dldii2ccuu 圖2-27積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時的動態(tài)過程積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別：n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。n積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時un =0，只要歷史上有過un ，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運行所需要的控制電壓。2比例積分控制規(guī)律n比例積分調(diào)節(jié)器（pi調(diào)節(jié)器）的輸入輸出關(guān)系為 （2

44、-55）式中，uinpi調(diào)節(jié)器的輸入，uexpi調(diào)節(jié)器的輸出。n其傳遞函數(shù)為 （2-56）式中，kppi調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)， pi調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。n令1=kp，則pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也可寫成如下形式 （2-57）表明，pi調(diào)節(jié)器也可用積分和比例微分兩個環(huán)節(jié)表示，式中，1微分項中的超前時間常數(shù)。tininpexdtuuku01sskskswpppi11)(sskswppi111)(n用運算放大器來實現(xiàn)pi調(diào)節(jié)器的輸入極性和輸出極性是反相的； (2-58)n式中 rbal為運算放大器同相輸入端的平衡電阻。圖2-28 比例積分（pi）調(diào)節(jié)器線路圖dtuukdtucrurruininpinin

45、ex11100101rrkp10crnpi控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點。n比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，n積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。n在t=0時就有uex(t)=kpuin，實現(xiàn)了快速控制；n隨后uex(t)按積分規(guī)律增長， 。n在t=t1時，uin=0， 。 圖2-29 pi調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性ininpexutuktu)(in1exutun在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用pi調(diào)節(jié)器輸出部分uc由兩部分組成，n比例部分和un成正比，n積分部分表示了從t=0到此時刻對un(t)的積分值，nuc是這兩部分之和。圖2-30 閉環(huán)系統(tǒng)中pi調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程2.3.4

46、 直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析圖2-31 比例積分控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器用asr表示） n使用比例調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-44） 式中 n使用積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-59） 式中 n使用比例積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-60） 式中 ) 1)(1()(2ststtstkswmlmsespckkk/) 1)(1()(2ststtstskswmlmsesckk) 1)(1() 1()(2ststtstsskkswmlmspesckkn根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中積分環(huán)節(jié)的數(shù)目劃分控制系統(tǒng)的類型， 比例控制的調(diào)速系統(tǒng)是0型系統(tǒng)， 積分控制、比

47、例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是型系統(tǒng)。n穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值，即 （2-61）n衡量系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度的是系統(tǒng)對給定輸入un*的跟隨能力；n衡量系統(tǒng)抑制干擾能力的是系統(tǒng)抑制負(fù)載電流idl的抗擾能力。)()()(*tututunnn1階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差n在分析階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差時，令idl(s)=0。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-62）n階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 ) 1)(1(11)()(2*ststtstksusumlmsnnsusunn*)(kuststtstksussusunmlmsnsnsn1) 1)(1(11)(*2*00limlim（2-65） n積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)

48、的誤差傳遞函數(shù)為 （2-63）n階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 susunn*)(（2-66） ) 1)(1(11)()(2*ststtstsksusumlmsnn0) 1)(1(11)(2*00limlimststtstsksussusumlmsnsnsnn比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-64）n階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 susunn*)(（2-67） ) 1)(1() 1(11)()(2*ststtstsskksusumlmspnn0) 1)(1() 1(11)(2*00limlimststtstsskksussusumlmspnsnsnn在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，n0型系統(tǒng)對于階躍給定

49、輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱作有差調(diào)速系統(tǒng)；n型系統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無差，被稱作無差調(diào)速系統(tǒng)。2擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差n在分析由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差時，令un*(s)=0。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-68）n階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-72) ) 1)(1(1) 1() 1()()(22ststtstkststtcstrsisumlmsmlmeldln)1 () 1)(1(1) 1() 1()(2200limlimkcriststtstkststtcstrsissusuedlmlmsmlmeldlsnsnsisidldl)(n積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-70）n階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (

50、2-73) sisidldl)() 1)(1(1) 1() 1()()(22ststtstskststtcstrsisumlmsmlmeldln0) 1)(1(1) 1() 1()(2200limlimststtstskststtcstrsissusumlmsmlmeldlsnsnn比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-71）n階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-74) sisidldl)() 1)(1() 1(1) 1() 1()()(22ststtstsskkststtcstrsisumlmspmlmeldln0) 1)(1() 1(1) 1() 1()(2200limlimststtstss

51、kkststtcstrsissusumlmspmlmeldlsnsnn由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差取決于誤差點與擾動加入點之間的傳遞函數(shù)。n比例控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)無積分環(huán)節(jié)，故存在擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差，稱作有靜差調(diào)速系統(tǒng)；n積分控制或比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)具有積分環(huán)節(jié)，所以由階躍擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差為0，稱作無靜差調(diào)速系統(tǒng)。2.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制n以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱微機數(shù)字控制系統(tǒng)）硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；n其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改

52、起來靈活方便。 2.4.1微機數(shù)字控制的特殊問題圖2-32 微型計算機采樣控制系統(tǒng)框圖 n微機控制的調(diào)速系統(tǒng)是一個數(shù)字采樣系統(tǒng)。其中k1是給定值的采樣開關(guān)，k2是反饋值的采樣開關(guān)，k3是輸出的采樣開關(guān)。若所有的采樣開關(guān)是等周期地一起開和閉，則稱為同步采樣。n微型計算機只有在采樣開關(guān)閉合時才能輸入和輸出信號。只能在采樣時刻對模擬的連續(xù)信號進(jìn)行采樣，把連續(xù)信號變成脈沖信號，即離散的模擬信號。n信號的離散化是微機數(shù)字控制系統(tǒng)的第一個特點。n采樣后得到的離散模擬信號本質(zhì)上還是模擬信號，不能直接送入計算機，還須經(jīng)過數(shù)字量化。n用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制數(shù)）來逼近離散模擬信號的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。n信號的

53、數(shù)字化是微機數(shù)字控制系統(tǒng)的第二個特點。n根據(jù)香農(nóng)（shannon）采樣定理： 如果模擬信號的最高頻率為fmax ，只要按照f2fmax采樣頻率進(jìn)行采樣，取出的樣品序列就可以代表（或恢復(fù)）模擬信號。n在電動機調(diào)速系統(tǒng)中，控制對象是電動機的轉(zhuǎn)速和電流，是快速變化的物理量，必須具有較高的采樣頻率。n微型計算機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是一種快速數(shù)字采樣系統(tǒng)，要求微型計算機在較短的采樣周期之內(nèi)，完成信號的轉(zhuǎn)換、采集，完成按某種控制規(guī)律實施的控制運算，完成控制信號的輸出。2.4.2轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化圖2-33 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖 1旋轉(zhuǎn)編碼器n光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是檢測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機相連，當(dāng)

54、電動機轉(zhuǎn)動時，帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。n旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對式和增量式兩種。n絕對式編碼器常用于檢測轉(zhuǎn)角。n增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，從而可以計算轉(zhuǎn)速。n增加一對發(fā)光與接收裝置，使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(jié)距的1/4。n正轉(zhuǎn)時a相超前b相；反轉(zhuǎn)時b相超前a相。n采用簡單的鑒相電路可以分辨出轉(zhuǎn)向。 圖2-34 區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的a、b兩組脈沖序列 2數(shù)字測速方法的精度指標(biāo)n（1）分辨率）分辨率n用改變一個計數(shù)值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來表示分辨率，用符號q表示。n當(dāng)被測轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時，引起記數(shù)值增量為1，則該測

55、速方法的分辨率是 （2-75）n分辨率q越小，說明測速裝置對轉(zhuǎn)速變化的檢測越敏感，從而測速的精度也越高。12nnqn（2）測速誤差率）測速誤差率n轉(zhuǎn)速實際值和測量值之差與實際值之比定義為測速誤差率，記作 （2-76）n測速誤差率反映了測速方法的準(zhǔn)確性，越小，準(zhǔn)確度越高。100%nn3m法測速n記取一個采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)來算出轉(zhuǎn)速的方法稱為m法測速，又稱頻率法測速。 (2-77)式中: n轉(zhuǎn)速，單位為r/min； m1時間tc內(nèi)的脈沖個數(shù)； z旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù); tc采樣周期，單位為s。r/min 601cztmn n由系統(tǒng)的定時器按采樣周期的時間定期地發(fā)出一個采樣脈

56、沖信號，n計數(shù)器記錄下在兩個采樣脈沖信號之間的旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖個數(shù)。圖235 m法測速原理示意圖nm法測速分辨率為 （2-78）nm法測速的分辨率與實際轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)。nm法的測速誤差率的最大值為 （2-79）nmax與m1成反比。轉(zhuǎn)速愈低，m1愈小，誤差率愈大。 cccztztmztmq6060) 1(6011%100m1%100ztm60 zt)1m(60 ztm601c1c1c1max4t法測速nt法測速是測出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個輸出脈沖之間的間隔時間來計算轉(zhuǎn)速，又被稱為周期法測速。n與m法測速不同的是， t法測速所計的是計算機發(fā)出的高頻時鐘脈沖的個數(shù)，以旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的相鄰兩個脈沖的同樣變化

57、沿作為計數(shù)器的起始點和終止點。圖2-36t法測速原理示意圖n準(zhǔn)確的測速時間是用所得的高頻時鐘脈沖個數(shù)m2計算出來的，即 ，n電動機轉(zhuǎn)速為 （2-80）02/ fmtt026060tfnztzmnt法測速的分辨率定義為時鐘脈沖個數(shù)由m2變成(m2-1)時轉(zhuǎn)速的變化量， （2-81）n綜合式（2-80）和式（2-81），可得 (2-82)nt法測速的分辨率與轉(zhuǎn)速高低有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，q值越小，分辨能力越強。) 1(6060) 1(602202020mzmfzmfmzfqznfznq0260nt法測速誤差率的最大值為 （2-83）n低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖m2個數(shù)多，誤差率

58、小，測速精度高。nt法測速更適用于低速段。0022max0226060 (1)1100%100%601ffz mzmfmzm5m/t法測速n在m法測速中，隨著電動機的轉(zhuǎn)速的降低，計數(shù)值減少，測速裝置的分辨能力變差，測速誤差增大。nt法測速正好相反，隨著電動機轉(zhuǎn)速的增加，計數(shù)值減小，測速裝置的分辨能力越來越差。n綜合這兩種測速方法的特點，產(chǎn)生了m/t測速法，它無論在高速還是在低速時都具有較高的分辨能力和檢測精度。圖2-37 m/t法測速原理示意圖n關(guān)鍵是和計數(shù)同步開始和關(guān)閉，實際的檢測時間與旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖一致，能有效減小測速誤差。n采樣時鐘tc 由系統(tǒng)的定時器產(chǎn)生，其數(shù)值始終不變。n檢測周

59、期由采樣脈沖tc的邊沿之后的第一個脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿來決定，即t= tc t1+ t2 。 n檢測周期t內(nèi)被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角為 (2-84)n旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出z個脈沖，在檢測周期t內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)是m1，則 (2-85)n若時鐘脈沖頻率是f0，在檢測周期t內(nèi)時鐘脈沖計數(shù)值為m2 ，則 (2-86)n綜合式(2-74)、式(2-75)和式(2-76)便可求出被測的轉(zhuǎn)速為： (2-87)260ntzm2102fmt 210zmmf60n n在高速段，tct1，tct2，可看成ttc： (2-88)nm2f0tf0tc，代入式（2-78)可得： (2-89) n在高速段，與m法測速的分

60、辨率完全相同。n在低速段，m11，m2隨轉(zhuǎn)速變化，分辨率與t法測速完全相同。nm/t法測速無論是在高速還是在低速都有較強的分辨能力。202102106060) 1(60zmfzmmfzmmfqczt60q n在m/t法測速中，檢測時間是以脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿為基準(zhǔn)，計數(shù)值m2最多產(chǎn)生一個時鐘脈沖的誤差。nm2的數(shù)值在中、高速時，基本上是一個常數(shù) m2tf0tcf0，其測速誤差率為 ，n在低速時， m2 tf0 tcf0 ，nm/t法測速具有較高的測量精度。 %1001m122.4.3數(shù)字pi調(diào)節(jié)器npi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)列出如下： （2-56） n輸出函數(shù)和輸入誤差函數(shù)關(guān)系的時域表達(dá)式為