直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、華中科技大學(xué)武昌分校華中科技大學(xué)武昌分校運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第第 1 1 篇篇eKIRUn 回顧：直流調(diào)速方法回顧：直流調(diào)速方法 由上式得出：有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由上式得出：有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （1 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U； （2 2）減弱勵(lì)磁磁通）減弱勵(lì)磁磁通 ； （3 3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻R。 工作條件：工作條件： 保持保持勵(lì)磁勵(lì)磁 = N ； 保持電阻保持電阻 R = Ra 調(diào)節(jié)過(guò)程：調(diào)節(jié)過(guò)程： 改變電壓改變電壓 UN U U n ， n0 調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線(xiàn)平行下移。曲線(xiàn)平行下移。nn

2、0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線(xiàn)調(diào)壓調(diào)速特性曲線(xiàn) 工作條件：工作條件： 保持保持勵(lì)磁勵(lì)磁 = N ； 保持電壓保持電壓 U =UN ； 調(diào)節(jié)過(guò)程：調(diào)節(jié)過(guò)程： 增加電阻增加電阻 Ra R R n ，n0不變；不變； 調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線(xiàn)變軟。曲線(xiàn)變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線(xiàn)調(diào)阻調(diào)速特性曲線(xiàn) 工作條件：工作條件： 保持電壓保持電壓 U =UN ； 保持電阻保持電阻 R = R a ； 調(diào)節(jié)過(guò)程：調(diào)節(jié)過(guò)程： 減小減小勵(lì)磁勵(lì)磁 N n ， n0 調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械

3、特性轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線(xiàn)變軟。曲線(xiàn)變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線(xiàn)調(diào)磁調(diào)速特性曲線(xiàn)自動(dòng)控制的直流調(diào)速系自動(dòng)控制的直流調(diào)速系 統(tǒng)往往以統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速為主。為主。1.1 直流調(diào)速的預(yù)備知識(shí)直流調(diào)速的預(yù)備知識(shí)1.2 比例調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)比例調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)1.3比例積分調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)比例積分調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)1.4 單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的限流保護(hù)單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的限流保護(hù) 晶閘管整流器晶閘管整流器用可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電用可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。壓。 直

4、流脈寬調(diào)制變換器直流脈寬調(diào)制變換器(PWM)用恒定直流電源或不用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行脈寬調(diào)制，控整流電源供電，利用電力電子開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。以產(chǎn)生可變的平均電壓。1.1.1 直流調(diào)速的可控電樞電源直流調(diào)速的可控電樞電源思考：思考： 1 半控整流，電機(jī)可運(yùn)行哪些象限？半控整流，電機(jī)可運(yùn)行哪些象限？2 全控整流，電機(jī)可運(yùn)行哪些象限全控整流，電機(jī)可運(yùn)行哪些象限3 若要四象限運(yùn)行，可如何改進(jìn)？若要四象限運(yùn)行，可如何改進(jìn)？v弱點(diǎn)控制強(qiáng)電。弱點(diǎn)控制強(qiáng)電。v在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器

5、是毫秒級(jí)，這將大大提高系而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。v由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。v晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的d dV V/d/dt t與與d di i/d/dt t 都十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短都十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。的時(shí)間內(nèi)損壞器件。v由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害電力公害”。思考

6、：思考：（1）什么是電壓系數(shù)，不可逆）什么是電壓系數(shù)，不可逆PWM變換電路的電壓系數(shù)變換電路的電壓系數(shù)是什么？是什么？（2）制動(dòng)時(shí)）制動(dòng)時(shí)VT1和和VT2如何交替工作？如何交替工作？2 直流直流PWM變換器變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（1）主電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；）主電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；（2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；電機(jī)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，）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)可達(dá)1: :10000左右；左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，）若與快速

7、響應(yīng)的電機(jī)配合，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；（5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；效率較高；（6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。相控整流器高。 兩種可控直流電源，兩種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)系統(tǒng)在上世紀(jì)6070年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量、調(diào)速精度要求較低的系統(tǒng)。量、調(diào)速精度要求較低的系統(tǒng)。 直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技

8、術(shù)，發(fā)展調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，在中、小容量的系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛。迅速，在中、小容量的系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛。 V-M系統(tǒng)是大容量中主要的直流調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)是大容量中主要的直流調(diào)速系統(tǒng)。 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為：系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為： )cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn式中式中 Ce = Ke N結(jié)論：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成結(jié)論：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)是一個(gè)線(xiàn)性的可控電壓源線(xiàn)性的可控電壓源。l 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性比較硬；特性比較硬；l 斷續(xù)段特性則很斷續(xù)段特性則很軟，而且

9、呈顯著軟，而且呈顯著的非線(xiàn)性，理想的非線(xiàn)性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很空載轉(zhuǎn)速翹得很高。高。de0deesICRnICRCUneme0emeesTCCRnTCCRCUn2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性式中式中 Cm 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； n0 = Us / Ce 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。比。或用轉(zhuǎn)矩表示，或用轉(zhuǎn)矩表示，（1）調(diào)速）調(diào)速（2）穩(wěn)速）穩(wěn)速（3）加、減速）加、減速 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)速之比用字母和最低轉(zhuǎn)速之比用字母 D 表示

10、表示.minmaxnnD 其中其中nmin 和和nmax 一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速. 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)速降落想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nN 與與理想空載轉(zhuǎn)速理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱(chēng)作靜差率之比，稱(chēng)作靜差率 s .0Nnns如理想空載轉(zhuǎn)速相同如理想空載轉(zhuǎn)速相同, ,機(jī)械特性越硬機(jī)械特性越硬,S,S越低越低. .對(duì)系統(tǒng)而言對(duì)系統(tǒng)而言, ,要求要求S S越低越好越低越好. . 機(jī)械特性硬度一樣機(jī)械特性硬度一樣,S是否一樣是否一樣?3. 靜差率與機(jī)械特性硬度

11、的區(qū)別靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別 對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜對(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。差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。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)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)。值為準(zhǔn)。 設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為 nN，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即NminNmin0Nnnnnns于是，最低轉(zhuǎn)速為于是，最低轉(zhuǎn)速為 snsnsnnNNNmin)1 (而調(diào)速范圍為而調(diào)速范圍為 min

12、NminmaxnnnnD將上面的式代入將上面的式代入 nmin，得，得 常用公式常用公式,理理解記憶解記憶!s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。q 重要結(jié)論：重要結(jié)論： 一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿(mǎn)足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。時(shí)還能滿(mǎn)足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即無(wú)反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即無(wú)反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。 調(diào)節(jié)控制電壓調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 晶閘管整流器和晶閘管整流器和PWM變換器都是可控的直流電變換器都是可控的

13、直流電源，用源，用UPE來(lái)統(tǒng)一表示可控直流電源來(lái)統(tǒng)一表示可控直流電源. 1.2.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電力電子變換器電力電子變換器 直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī) 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性為開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性為 csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn變換器的放變換器的放大倍數(shù)大倍數(shù)開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性edecsed0dCRICUKCRIUn eg1: 某龍門(mén)刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其某

14、龍門(mén)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 ：額定數(shù)據(jù)如下 ： 60kW、 220V、 305A、1000r/min，采用，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18 ，Ra=0.05 ，如果要求調(diào)速范圍如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率，靜差率5%，采用開(kāi)環(huán)調(diào)速能否滿(mǎn)足？若要，采用開(kāi)環(huán)調(diào)速能否滿(mǎn)足？若要滿(mǎn)足這個(gè)要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？滿(mǎn)足這個(gè)要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？3050.18=275r/min0.2dNNeIRnC2750.21621.6%1000275NNNNnsnn 10000.052.63 /min(1)20(10.05)NNn snr

15、Ds解：解：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為：系統(tǒng)的額定速降為：開(kāi)環(huán)系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為：開(kāi)環(huán)系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為：如要求如要求D=20，靜差率，靜差率S5%，即要求：，即要求：由以上分析可以看出，顯然采用開(kāi)環(huán)直流調(diào)速控制由以上分析可以看出，顯然采用開(kāi)環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)沒(méi)有辦法滿(mǎn)足工藝要求。我們知道調(diào)速范圍和系統(tǒng)沒(méi)有辦法滿(mǎn)足工藝要求。我們知道調(diào)速范圍和靜差率是相互制約的兩個(gè)量，既要擴(kuò)大調(diào)速范圍又靜差率是相互制約的兩個(gè)量，既要擴(kuò)大調(diào)速范圍又要降低靜差率，唯一的辦法是減少因負(fù)載所引起的要降低靜差率，唯一的辦法是減少因負(fù)載所引起的轉(zhuǎn)速降轉(zhuǎn)速降nN。 根據(jù)自動(dòng)控制原理，將

16、系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入根據(jù)自動(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行比較，用比較后的偏差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動(dòng)造成的影響，而行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動(dòng)造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是P調(diào)節(jié)單閉環(huán)控調(diào)節(jié)單閉環(huán)控制制的基本作用。的基本作用。 在負(fù)反饋基礎(chǔ)上的在負(fù)反饋基礎(chǔ)上的“檢測(cè)誤差，用以糾正誤差檢測(cè)誤差，用以糾正誤差”這一原這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個(gè)閉合理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個(gè)閉合的環(huán)路，因此也被稱(chēng)作

17、閉環(huán)控制系統(tǒng)。的環(huán)路，因此也被稱(chēng)作閉環(huán)控制系統(tǒng)。 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，因此所構(gòu)成的是在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，因此所構(gòu)成的是轉(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)。帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 運(yùn)放運(yùn)放（比較）（比較）調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)給定給定環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)電壓比較環(huán)節(jié)電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU 放大器放大器 npcUKU電力電子變換器電力電子變換器 cs0dUKU調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性 ed0dCRIUn測(cè)速反饋環(huán)節(jié)測(cè)速反饋環(huán)節(jié) nUn 穩(wěn)態(tài)關(guān)系穩(wěn)態(tài)關(guān)系Kp放大器的電壓放大器的電

18、壓放大系數(shù)；放大系數(shù)； Ks電力電子變換電力電子變換器的電壓放大系器的電壓放大系數(shù)；數(shù)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin/r）；）； Ud0UPE的理想空的理想空載輸出電壓；載輸出電壓； R電樞回路總電電樞回路總電阻。阻。*(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK KCCKCK式中式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù) 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)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。轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。 espCKKK 斷開(kāi)反饋回路，則系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性為斷開(kāi)反饋回

19、路，則系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性為 opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫(xiě)成而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫(xiě)成 llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1 ()1 (1開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特）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。性硬得多。n 系統(tǒng)特性比較系統(tǒng)特性比較Knnl1opc（2）如果比較同一）如果比較同一n0的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則的開(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)的靜差率要小得多。 Kssl1opc （3）當(dāng)要求的靜

20、差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以）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。大大提高調(diào)速范圍。opc)1 (DKDl（4）上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，）上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即即 K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。q 結(jié)論結(jié)論： P調(diào)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)調(diào)速系調(diào)節(jié)的單閉環(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。價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器

21、以及檢測(cè)與反饋裝置。 eg2:在例題在例題eg1中，要想滿(mǎn)足工藝要求將系統(tǒng)改為中，要想滿(mǎn)足工藝要求將系統(tǒng)改為P調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)，請(qǐng)問(wèn)怎樣調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)，請(qǐng)問(wèn)怎樣設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)P調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)才能滿(mǎn)足要求？調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)才能滿(mǎn)足要求？（=0.015V.min/r；Ks=30）6 .103163. 22751clopnnK462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK解：解：開(kāi)環(huán)系統(tǒng)額定速降為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)額定速降為 nop=275r/min閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為ncl2.63 r/min因此，只要放大器的放大系數(shù)等于或大于因此，只要放大器

22、的放大系數(shù)等于或大于46即可。即可。從分析可以看出，只需要設(shè)置一定放大倍數(shù)的從分析可以看出，只需要設(shè)置一定放大倍數(shù)的P調(diào)調(diào)節(jié)器即能解決開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不能解決的問(wèn)題。節(jié)器即能解決開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不能解決的問(wèn)題。Eg3：用線(xiàn)性集成電路運(yùn)算放大器作為電壓放大器的單閉環(huán)直流：用線(xiàn)性集成電路運(yùn)算放大器作為電壓放大器的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1-12所示，主電路是由晶閘管可控整流器供所示，主電路是由晶閘管可控整流器供電的電的V-M系統(tǒng)，已知數(shù)據(jù)如下：系統(tǒng)，已知數(shù)據(jù)如下：電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù)為電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù)為10KW，220V，55A，1000r/min，電樞電阻，電樞電阻Ra=0.5；晶閘管觸發(fā)

23、整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)接，二次線(xiàn)電壓聯(lián)接，二次線(xiàn)電壓U21=230V，電壓放大系數(shù)，電壓放大系數(shù)Ks=44；V-M系統(tǒng)電樞系統(tǒng)電樞回路總電阻回路總電阻R=1.0；測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，額定數(shù)據(jù)為測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1KW，110V，0.21A，1900r/min；直流穩(wěn)壓電源為直流穩(wěn)壓電源為15V。若生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍若生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率，靜差率S5%，試計(jì)算調(diào)速自動(dòng)，試計(jì)算調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)。（暫不考慮電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題）?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)。（暫不考慮電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題）。

24、min/r1925010005055-220n-ae.V.RIUCNNNmin7285192500155neop/r.CRIN總min5.26r050-1100501000s-1snncl/.DN）（）（353126572851-nnclop.K.min/r05790minr1900110etgV./C1557.9Xminr1000etgn/XCUrmin/.V.XC0115800579020etg解：解：（1）計(jì)算系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速降）計(jì)算系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速降先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)：先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)：則開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降為：則開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降為：（2）計(jì)算系統(tǒng)的閉環(huán)速降）計(jì)算系統(tǒng)的閉環(huán)速降（

25、3）計(jì)算系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)）計(jì)算系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù) （4）計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)系數(shù)和參數(shù)）計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)系數(shù)和參數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)包含測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)包含測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Cetg和其輸出電位器和其輸出電位器RP2的分壓系數(shù)（令其為的分壓系數(shù)（令其為X）。根據(jù)測(cè)速發(fā)電）。根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)，可求得：機(jī)的額定數(shù)據(jù)，可求得：當(dāng)主電路電機(jī)運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速當(dāng)主電路電機(jī)運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋電壓應(yīng)該小于等于電源電壓最大值，即：時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋電壓應(yīng)該小于等于電源電壓最大值，即：因此，因此，X0.259，取，取X=0.2，則：，則：137921020100005790

26、20ntgetg2.I.CRNNRPW.I.CWNNRP4322102010000579020ntgetg220.141925044011580353s./.C/KKKeP電位器電位器RP2的選擇方法如下：為了使測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的線(xiàn)性度沒(méi)有顯著影響，取測(cè)速發(fā)電機(jī)的選擇方法如下：為了使測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的線(xiàn)性度沒(méi)有顯著影響，取測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的20%，則：，則：此時(shí)此時(shí)RP2所消耗的功率為：所消耗的功率為：為了不致使電位器溫度很高，實(shí)選電位器的瓦數(shù)應(yīng)為消耗功率的一倍以上，故可將為了不致使電位器溫度很高，

27、實(shí)選電位器的瓦數(shù)應(yīng)為消耗功率的一倍以上，故可將RP2選為選為10W，1.5K的的可調(diào)電位器?？烧{(diào)電位器。（5）計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)）計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求，前已求出閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求，前已求出閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為K53.3，則運(yùn)算放大器的放大系數(shù)，則運(yùn)算放大器的放大系數(shù)Kp應(yīng)：應(yīng)：實(shí)取實(shí)取Kp=21。運(yùn)算放大器的輸入、輸出電阻根據(jù)運(yùn)算放大器的型號(hào)實(shí)際選取。運(yùn)算放大器的輸入、輸出電阻根據(jù)運(yùn)算放大器的型號(hào)實(shí)際選取。 一個(gè)帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的線(xiàn)性物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程可以用線(xiàn)一個(gè)帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的線(xiàn)性物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程可以用線(xiàn)性微分方程描述，性微分方程描述， 微

28、分方程的解即系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，它包括兩部分：動(dòng)態(tài)微分方程的解即系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，它包括兩部分：動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。 在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，從施加給定輸入值的時(shí)刻開(kāi)始，到輸出在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，從施加給定輸入值的時(shí)刻開(kāi)始，到輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；達(dá)到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)； 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，可用穩(wěn)態(tài)解來(lái)描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，可用穩(wěn)態(tài)解來(lái)描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。 建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1 1）列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程；）列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程；（2 2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3

29、 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)。）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） 電樞主回路的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型電樞主回路的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型EtILRIUddddd0主電路電流連續(xù)，則主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為動(dòng)態(tài)電壓方程為 電路方程電路方程電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 dtdnJtdnd375GDTTG2Le 額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 dmeICT nCEeTL 包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩GD2 電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛 輪慣量輪慣量Cm

30、電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，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)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，s。RLTlmeGmCCRJT定義下列時(shí)間常數(shù)定義下列時(shí)間常數(shù)整理后得整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdmLdLCTI式中式中 為負(fù)載電流。為負(fù)載電流。 微分方程微分方程取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) 11)()()(0ddsTRsEsUsIl電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù) sTRsIsIsEmdLd)()()( 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)n

31、 電樞回路動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖電樞回路動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 1/CeUd0(s)IdL (s) E(s)Id (s)E(s)+- 1/R Tl s+1 R Tmsn(s)整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖控制輸入量控制輸入量擾動(dòng)量擾動(dòng)量n(s)Ud0 (s)+- 1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化 在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看待。發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看待。 應(yīng)用線(xiàn)性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計(jì)

32、時(shí)，應(yīng)用線(xiàn)性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計(jì)時(shí)，須事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。須事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。 （2） 電力電子變換器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型電力電子變換器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 晶閘管整流變換器晶閘管整流變換器 晶閘管觸發(fā)和整流晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是決定，計(jì)算方法是cdsUUK 如果不可能實(shí)測(cè)特性，可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。如果不可能實(shí)測(cè)特性，可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。 例如：例如： 設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為 Uc = 010V 相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是相對(duì)應(yīng)的整流

33、電壓的變化范圍是 Ud = 0220V 可取可取 Ks = 220/10 = 22 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算 在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。管的失控時(shí)間引起的。 最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，間的時(shí)間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定由下式確定:l 最大失控時(shí)間計(jì)算最大失控時(shí)間計(jì)算式中式中 交流電流

34、頻率；交流電流頻率； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fmmfT1maxs 相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō)，相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō)，Ts 是不大的，是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值 Ts = Tsmax /2，并，并認(rèn)為是常數(shù)。下表列出了不同整流電路的失控時(shí)間。認(rèn)為是常數(shù)。下表列出了不同整流電路的失控時(shí)間。各種整流電路的失控時(shí)間（各種整流電路的失控時(shí)間（f =50Hz） 用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入裝置的輸入-輸出關(guān)系為輸出關(guān)系為)( 1scs0dTtUKUsTKsU

35、sUsWse)()()(sc0ds按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為 上式中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)為非最小相位上式中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)麻煩。為了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)麻煩。為了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)，則變成函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)，則變成 33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT 考慮到考慮到 Ts 很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成成一階慣性環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)。sTKsWsss1)( PWM控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)

36、模型和晶閘管控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)觸發(fā)與整流裝置基本一致。其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成成:sTKsUsUsWse)()()(sc0ds 當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為10kHz時(shí)，時(shí)，T = 0.1ms ，在一般的電力，在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此,1)(ssssTKsW與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。注意：注意：TsT （開(kāi)關(guān)周期）（開(kāi)關(guān)周期） 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

37、和直流閉環(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)，即此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即 放大器放大器pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfnsnsUsW測(cè)速反饋測(cè)速反饋（4） 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)設(shè)

38、設(shè)Idl=0，從給定看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞，從給定看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是函數(shù)是 111)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll由閉環(huán)傳函知由閉環(huán)傳函知:系統(tǒng)的特征方程為系統(tǒng)的特征方程為 0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll它的一般表達(dá)式為它的一般表達(dá)式為 0322130asasasa 根據(jù)勞斯判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是根據(jù)勞斯判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)

39、定的充分必要條件是 0000030213210aaaaaaaa，因特征方程中各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此因特征方程中各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有穩(wěn)定條件就只有 0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTlls2ssm)(TTTTTTKll整理后得整理后得常用常用,理解理解記憶記憶!eg4：在例題：在例題eg3中，已知中，已知R=1.0，Ks=44，Ce=0.1925V.min/r，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量GD2=10N.m2。根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)D=10，S5%計(jì)算，系計(jì)算，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K53.3，試判別這個(gè)系統(tǒng)的

40、穩(wěn)定性。，試判別這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解解 ：首先要確定主電路的電感值，用以計(jì)算電磁時(shí)間常數(shù)。首先要確定主電路的電感值，用以計(jì)算電磁時(shí)間常數(shù)。對(duì)于對(duì)于V-M系統(tǒng)，為了使主電路電流連續(xù)，應(yīng)該設(shè)置平波電系統(tǒng)，為了使主電路電流連續(xù)，應(yīng)該設(shè)置平波電抗器。例題抗器。例題1-3給出的是三相橋式可控整流電路，為了保給出的是三相橋式可控整流電路，為了保證最小電流證最小電流Idmin=10%IdN時(shí)電流仍能連續(xù)，應(yīng)采用式時(shí)電流仍能連續(xù)，應(yīng)采用式（1-2）計(jì)算電樞回路的總電感量，即：）計(jì)算電樞回路的總電感量，即：dmin2693.0IUL V.UU813232303l22H.IU.Lm7316%10558132693

41、06930dmin2s.RLTl0170010170s.CCRGDTmem075019250301925037501103752sTs00167.044900167001700016700016700170075022.).(.TTT)TT(TKslsslm取取L=17mH=0.017H電磁時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)：閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為：閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為： 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿(mǎn)足的穩(wěn)定條件：為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿(mǎn)足的穩(wěn)定條件：按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求設(shè)計(jì)時(shí)的按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求設(shè)計(jì)時(shí)的K53.3，顯然，此閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。，顯然，此閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。 在

42、比例控制直流在比例控制直流V-M調(diào)速系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定調(diào)速系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是互相矛盾的。性的要求常常是互相矛盾的。 根據(jù)自動(dòng)控制原理，要解決這個(gè)矛盾，必須恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)根據(jù)自動(dòng)控制原理，要解決這個(gè)矛盾，必須恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)校正裝置，用來(lái)改造系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)校正裝置，用來(lái)改造系統(tǒng)。 在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常用串聯(lián)校正和反饋校正。在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常用串聯(lián)校正和反饋校正。 對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，傳遞函數(shù)對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，傳遞函數(shù)階次較低，一般采用階次較低，一般采用PI調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動(dòng)態(tài)校

43、正的任務(wù)。動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。(1) 積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器+CUexRbalUinR0+A積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器dtUdtUCRidtCUinin0ex111CR0 UexUinUexmtUinUexOb) 階躍輸入時(shí)的輸出特性階躍輸入時(shí)的輸出特性(2) 積分調(diào)節(jié)器的特性積分調(diào)節(jié)器的特性dtUdtUCRidtCUinin0ex111 如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差是轉(zhuǎn)速偏差電壓電壓 Un的積分，應(yīng)有的積分，應(yīng)有t0ncd1tUU每一時(shí)刻每一時(shí)刻 Uc 的大小和的大小和 Un 與橫軸所包圍的面積成與橫軸所包圍的面積成正比正比.積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程積

44、分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程a) 階躍輸入階躍輸入 b) 一般輸入一般輸入n 輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程 比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而比例調(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。積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。 積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時(shí)積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時(shí)Un =0，只要?dú)v史上有過(guò)，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?？刂齐妷?。ssKsKsUsUsW11)()()(pipiinexpiKpi=R1/R0 =R0C1+C1RbalUin

45、R0+AR1UextUUKtUCRURRUd1d1ininpiin10in01exUexUinUexmtUinUexOK piUi nv PI調(diào)節(jié)器輸入，輸出特性調(diào)節(jié)器輸入，輸出特性比例部分能迅速響比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。態(tài)偏差。 tUUKtUCRURRUd1d1ininpiin10in01ex 有靜差調(diào)速系統(tǒng)有靜差調(diào)速系統(tǒng)v 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 TL1 突增突增到到 TL2 時(shí)，有靜差調(diào)速系時(shí)，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速統(tǒng)的轉(zhuǎn)速 n 、偏差電壓、偏差電壓 Un 和控制電壓和控制電壓 Uc 的變的變化過(guò)程示于右圖?；^(guò)程示于右圖。

46、 v雖然現(xiàn)在雖然現(xiàn)在 Un = 0，只要，只要?dú)v史上有過(guò)歷史上有過(guò) Un ，其積分，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓壓 Uc。積分控制規(guī)律和比。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此。在于此。 1.3.3 PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)1 PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算如下：調(diào)節(jié)的

47、單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算如下：0n*nnnUU 在實(shí)際系統(tǒng)中，為了避免在實(shí)際系統(tǒng)中，為了避免運(yùn)算放大器長(zhǎng)期工作時(shí)的運(yùn)算放大器長(zhǎng)期工作時(shí)的零點(diǎn)漂移，常常在零點(diǎn)漂移，常常在 R1 C1兩兩端再并接一個(gè)電阻端再并接一個(gè)電阻R1 ，以便把放大系數(shù)壓低一些。以便把放大系數(shù)壓低一些。這樣就成為一個(gè)近似的這樣就成為一個(gè)近似的PI調(diào)節(jié)器，或稱(chēng)調(diào)節(jié)器，或稱(chēng)“準(zhǔn)準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器器” ，系統(tǒng)也只是一個(gè)近，系統(tǒng)也只是一個(gè)近似的無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)似的無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。 +-UinR0RbalR1C1R1AUex 準(zhǔn)比例積分調(diào)節(jié)器準(zhǔn)比例積分調(diào)節(jié)器 思考題：思考題：1 在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)中，突減負(fù)載后在轉(zhuǎn)

48、速負(fù)反饋單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)中，突減負(fù)載后系統(tǒng)又進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，輸出電壓系統(tǒng)又進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，輸出電壓UdUd是增是增加，減小還是不變？加，減小還是不變？2 在無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)中，突加負(fù)載后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)在無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)中，突加負(fù)載后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速和輸出電壓速和輸出電壓UdUd是增加，減少還是不變？是增加，減少還是不變？3 有一積分器，如下圖有一積分器，如下圖a所示，其輸入信號(hào)所示，其輸入信號(hào)Uin為為階躍信號(hào)，若反饋信號(hào)波形如圖階躍信號(hào)，若反饋信號(hào)波形如圖b中的中的Uf1或或Uf2，問(wèn)問(wèn): :在不考慮積分器限幅時(shí)，所示兩種反饋情況在不考慮積分器限幅時(shí)，所示兩種反饋情況下的積分輸出是否

49、一樣？下的積分輸出是否一樣？eg5：在例題：在例題eg4中，已經(jīng)表明，按照穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)是中，已經(jīng)表明，按照穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。試?yán)貌聢D設(shè)計(jì)不穩(wěn)定的。試?yán)貌聢D設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)能在保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)能在保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。定運(yùn)行。解：原始系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：解：原始系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：) 1)(1()()()(2sTsTTsTKsUsUsWmlmsnn已知已知Ts=0.00167S，Tl=0.017S，Tm=0.075S，在這里，在這里，Tm4Tl，因此分母，因此分母中的二次項(xiàng)（中的二次項(xiàng)（TmTlS2+TmS+1）

50、可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即：）可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即：TmTlS2+TmS+1=0.001275S2+0.075S+1=（0.049S+1）（）（0.026S+1）根據(jù)例題根據(jù)例題eg3的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為：的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為：K=KpKs/ce=(21440.01158)/0.1925=55.58于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是：于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是：) 100167. 0)(1026. 0)(1049. 0(58.55)(SSSSG 原始系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：原始系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：0.1925Ce0.01158,44

51、,Ks21,Kp ) 100167. 0)(1026. 0)(1049. 0(58.55)(SSSSG12119 .208sKc01183)(c02040101001000120.420.4 38.538.5600600-20-40-60c120lgK34.9L/dB-20/s-1180900270o-183-236-4不穩(wěn)定不穩(wěn)定/1 4 .20049. 01111sT/1 5 .38026. 01122sT/1 60000167. 01133sTdBK9 .3458.55lg20lg20KpiKpi1 1c2=30L1L2559. 058.3721PIKSKTpi088. 0559. 00

52、49. 01ssspi088. 01049. 0)(v問(wèn)題的提出：?jiǎn)栴}的提出： 起動(dòng)的沖擊電流起動(dòng)的沖擊電流 堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)電流v 解決辦法：解決辦法：電樞串電阻電樞串電阻起動(dòng)；起動(dòng)；加積分給定環(huán)節(jié)；加積分給定環(huán)節(jié)；引入電流引入電流截止負(fù)反饋。截止負(fù)反饋。本節(jié)主要討論本節(jié)主要討論如何采如何采用電流用電流截止負(fù)反饋來(lái)截止負(fù)反饋來(lái)限制起動(dòng)電流限制起動(dòng)電流。 為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，系統(tǒng)中必須有的問(wèn)題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。 根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，根據(jù)反饋控制原理，要

53、維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反電流負(fù)反饋饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值。，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值。電流負(fù)反饋引入方式電流負(fù)反饋引入方式同時(shí)采用轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋同時(shí)采用轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋電流截止負(fù)反饋？電流截止負(fù)反饋？ 1. 電流檢測(cè)與反饋方法電流檢測(cè)與反饋方法（1）電樞回路電樞回路串檢測(cè)電阻；串檢測(cè)電阻；（2）電樞回路電樞回路接直流互感器；接直流互感器；（3）交流電路接交流互感器；）交流電路接交流互感器；（4）采用霍爾傳感器。）采用霍爾傳感器。b) 利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓 UbrM+- UdId RsVSTUi接調(diào)節(jié)器a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓M+- UdId RsVDUi Ucom接調(diào)節(jié)器2 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)電流截止負(fù)