第2章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)(修改)

1、運(yùn)動運(yùn)動控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)第第2章章閉環(huán)控制的直流調(diào)速閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)1.理解開環(huán)調(diào)速的缺點及其改進(jìn)方法。理解開環(huán)調(diào)速的缺點及其改進(jìn)方法。2.掌握轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的組成，能掌握轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的組成，能畫出其原理圖。畫出其原理圖。3.掌握轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，掌握轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，會分析其抗干擾特性。會分析其抗干擾特性。4.通過與開環(huán)調(diào)速相比較，掌握閉環(huán)調(diào)通過與開環(huán)調(diào)速相比較，掌握閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點。速系統(tǒng)的優(yōu)點。5.理解單閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)對系理解單閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能的影響。統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能的影響。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1、控

2、制要求、控制要求 任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。 歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面：（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或 平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。2. 調(diào)速指標(biāo)n調(diào)速范圍：調(diào)速范圍：n 靜差率：靜差率：n調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 minmaxnnD %1000Nnns式中式中 nN = n0 - n

3、N )1 (NNsnsnD2.1 .1 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題n若晶閘管一電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對運(yùn)行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以找到一些用途。n 但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率有一定的要求。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。 2.1單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成及原理單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成及原理n例題例題 某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機(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歐姆，電

4、動機(jī)電動勢系數(shù)0.2。如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？解解 :當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為 開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為 這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。min/275min/2 . 018. 0305edNNrrCRIn%6 .21216. 02751000275NNNNnnns 如果要求D = 20，s 5%，則由式（1-29）可知 由上例可以看出，開環(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，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

5、的穩(wěn)速性能較差。穩(wěn)態(tài)速降大，靜差率數(shù)值高，往往不能滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。min/63. 2min/)05. 01 (2005. 01000)1 (NNrrsDsnn2.1.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性分析及改進(jìn)辦法開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性分析及改進(jìn)辦法n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性： 抗干擾能力差，當(dāng)電機(jī)的負(fù)載或電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，抗干擾能力差，當(dāng)電機(jī)的負(fù)載或電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會隨之改變，即轉(zhuǎn)速不夠穩(wěn)定，因此開環(huán)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會隨之改變，即轉(zhuǎn)速不夠穩(wěn)定，因此開環(huán)調(diào)速只能應(yīng)用于負(fù)載相對穩(wěn)定、對調(diào)速系統(tǒng)性能要求不調(diào)速只能應(yīng)用于負(fù)載相對穩(wěn)定、對

6、調(diào)速系統(tǒng)性能要求不高的場合。高的場合。n改進(jìn)辦法：改進(jìn)辦法： 采用閉環(huán)控制。根據(jù)自動控制理論，要想使被控量保持穩(wěn)采用閉環(huán)控制。根據(jù)自動控制理論，要想使被控量保持穩(wěn)定，可將被控量反饋到系統(tǒng)的輸入端，構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)定，可將被控量反饋到系統(tǒng)的輸入端，構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。將直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測出來，反饋到系統(tǒng)控制系統(tǒng)。將直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測出來，反饋到系統(tǒng)的輸入端，可構(gòu)成的輸入端，可構(gòu)成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)。 2.1.3 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及工作原理閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及工作原理 根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自

7、動產(chǎn)生糾正偏差的作用。 調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。 系統(tǒng)組成圖2-1 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖n1、給定電路：提供轉(zhuǎn)速控制電壓n2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器：由運(yùn)算放大器構(gòu)成的比例調(diào)節(jié)器n3、觸發(fā)電路GT：產(chǎn)生觸發(fā)脈沖n4、整流橋和電動機(jī)主回路：整流裝置輸出電壓大小決定電動機(jī)轉(zhuǎn)速。n5、轉(zhuǎn)速檢測與反饋電路：給定電壓的極性：運(yùn)算放大器具有反相作用，其輸出給定電壓的極性：運(yùn)算放大器具有反相作用，其輸出與給定電壓極性相反，所以給定采用負(fù)給定，以保證觸與給定電壓極性相反，所以給定采用負(fù)給定，以保證觸發(fā)電壓為正；發(fā)電壓為正；反饋電壓的

8、極性：為實現(xiàn)負(fù)反饋，反饋電壓的極性反饋電壓的極性：為實現(xiàn)負(fù)反饋，反饋電壓的極性為正。為正。n在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機(jī)同軸安裝一臺測速發(fā)電機(jī)與電動機(jī)同軸安裝一臺測速發(fā)電機(jī) TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓比的負(fù)反饋電壓Un ，nUn與給定電壓與給定電壓 U*n 相比較后，得到相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un ，調(diào)節(jié)原理調(diào)節(jié)原理n Un經(jīng)過放大器經(jīng)過放大器 ，產(chǎn)生電力電子變，產(chǎn)生電力電子變換器的控制電壓換器的控制電壓Uc ，用以控制電，用以控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速動機(jī)轉(zhuǎn)速 n。n閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)的主

9、閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)的主要差別就在于轉(zhuǎn)速經(jīng)過測量元件反要差別就在于轉(zhuǎn)速經(jīng)過測量元件反饋到輸入端參與控制。饋到輸入端參與控制。 n轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小受轉(zhuǎn)速給定轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小受轉(zhuǎn)速給定電壓電壓Un*控制，給定電壓為零時，電機(jī)停止；給控制，給定電壓為零時，電機(jī)停止；給定電壓增大時，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高；給定電壓減小時，定電壓增大時，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高；給定電壓減小時，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。n以升速控制為例，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理分析如以升速控制為例，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理分析如下：下：*nnnctdUUUUUUn當(dāng)然，轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)速反饋電壓會升高，但其升值小于給定電壓當(dāng)然，轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)

10、速反饋電壓會升高，但其升值小于給定電壓增值，電壓差總體上是增大的，轉(zhuǎn)速是上升的增值，電壓差總體上是增大的，轉(zhuǎn)速是上升的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 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)開環(huán)機(jī)械特性調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性 ed0dCRIUn測速反饋環(huán)節(jié)測速反饋環(huán)節(jié) nUnn 2.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能分析單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能分析n2.2.1穩(wěn)態(tài)關(guān)系穩(wěn)態(tài)關(guān)系n以上各關(guān)系式中新出現(xiàn)的系數(shù)為：以上各關(guān)系式中新出現(xiàn)的系數(shù)為： 比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin

11、/r） 電力電子變換器理想空載輸出電力電子變換器理想空載輸出電壓（電壓（V）（變換器內(nèi)阻已并入電樞回）（變換器內(nèi)阻已并入電樞回路總電阻路總電阻R中）。中）。pK0dU2.2.2靜特性方程式靜特性方程式式中式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán) 放大系數(shù)放大系數(shù) )K1(CRI)K1(CUKK)C/KK1(CRIUKKnede*Nspesped*nspespCKKK從上述五個關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式n注意：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，它在形式上與開環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為

12、“靜特性”，以示區(qū)別。n只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng) 圖圖2-2 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n只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng) 圖圖2-2 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2.2.3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖圖2-2 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2.2.4閉環(huán)調(diào)速與開環(huán)調(diào)速的比較閉環(huán)調(diào)速與開環(huán)調(diào)速的比較 n閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程式為閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程式為clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1

13、 (opopedenspeddnnCRICUKKCIUn0*0比較一下開環(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。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為:n式中，式中， 和和 分別表示閉環(huán)和開環(huán)系分別表示閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速； 和和 分別表示閉環(huán)和開環(huán)系分別表示閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。 cln0opn0clnopn穩(wěn)態(tài)速降的比較穩(wěn)態(tài)速降的比較（1）在相同的負(fù)載擾動下，閉環(huán)系統(tǒng)）在相同的負(fù)載擾動下，閉環(huán)系統(tǒng)的負(fù)載降落僅為開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落的負(fù)載降落僅為開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落 的的 。K11)K1(CRInedcledopCRI

14、n它們的關(guān)系是它們的關(guān)系是 K1nnopcl（2-4） 圖圖2-3 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性轉(zhuǎn)速靜差率的比較轉(zhuǎn)速靜差率的比較（2）在相同的理想空載轉(zhuǎn)速條件下，閉環(huán)）在相同的理想空載轉(zhuǎn)速條件下，閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速靜差率也僅為開環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速靜差率也僅為開環(huán)系統(tǒng)的 。 K11cl0clclnnsopopopnns0因為條件是因為條件是 ，所以，所以op0cl0nnK1ssopcl（2-5） 調(diào)速范圍的比較調(diào)速范圍的比較（3）在相同的靜差率約束下，閉環(huán)系統(tǒng)）在相同的靜差率約束下，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍為開環(huán)系統(tǒng)的（的調(diào)速范圍為開環(huán)系統(tǒng)的（1+K）倍。）倍。 當(dāng)系統(tǒng)

15、的最高轉(zhuǎn)速是電動機(jī)額定轉(zhuǎn)當(dāng)系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速是電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速速 ，所要求的靜差率為，所要求的靜差率為s時，時， Nn)s1(nnDclNcl)s1(nnDopNop由式（由式（2-4）得到）得到 opclD)K1(D（2-6） n從上述三點可見，從上述三點可見， 閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性要硬得多，機(jī)械特性要硬得多， 在保證一定靜差率的要求下，閉在保證一定靜差率的要求下，閉環(huán)系統(tǒng)能夠擴(kuò)大調(diào)速范圍。環(huán)系統(tǒng)能夠擴(kuò)大調(diào)速范圍。 2.2.5系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程圖圖2-4 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系n開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)

16、 Id n n例如：在圖例如：在圖2-4中工作點從中工作點從A A n閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng) Id n Un Un n Ud0 Uc 例如：在圖例如：在圖2-4中工作點從中工作點從A Bn最終從最終從A點所在的開環(huán)機(jī)械特性過渡到點所在的開環(huán)機(jī)械特性過渡到B點所在點所在的開環(huán)機(jī)械特性，電樞電壓由的開環(huán)機(jī)械特性，電樞電壓由 增加至增加至 。n閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是由多條開環(huán)機(jī)械特性上相閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是由多條開環(huán)機(jī)械特性上相應(yīng)的工作點組成的一條特性曲線。應(yīng)的工作點組成的一條特性曲線。n閉環(huán)系統(tǒng)減少穩(wěn)態(tài)速降實質(zhì) 據(jù)前述分析，閉環(huán)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

17、改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降。01dU02dU2.2.6閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本特征閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本特征n只有比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被只有比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍是有靜差的。調(diào)量仍是有靜差的。 由靜特性分析知，若采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(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)速差只能減小，卻不可能消除。因為閉環(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)有靜差調(diào)速系統(tǒng)。)(edcKICRInln反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定從給定

18、。 一方面能夠有效地抑制一切被包含在負(fù)反一方面能夠有效地抑制一切被包含在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用； 另一方面則能緊緊跟隨著給定作用，對給另一方面則能緊緊跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從。定信號的任何變化都是唯命是從。 擾動除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。調(diào)速系統(tǒng)的擾動源n 負(fù)載變化的擾動（使Id變化）；n 交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；n 電動機(jī)勵磁的變化的擾動（造成Ce 變化 ）；n 放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）；n 溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；n 檢測誤差的

19、擾動（使變化） 。 在圖2-4中，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。擾動作用與影響圖圖2-4 2-4 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用 抗擾能力反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。 例如：Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc 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。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 結(jié)論 反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效反饋

20、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，則緊緊地跟隨著的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。命是從的。n系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。 給定精度給定精度由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。取決于給定精度。 如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動，反饋控制系統(tǒng)無如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動，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)有的電

21、壓波動。法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動。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。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。 檢測精度檢測精度反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測精度決定了系統(tǒng)輸出精度。法克服的，因此檢測精度決定了系統(tǒng)輸出精度。2.1.2 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 限流保護(hù)限流保護(hù) n限流問題的提出：限流問題的提出：起動的沖擊電流起動的沖擊電流直流電動機(jī)全直流電動機(jī)全電壓起動時，會產(chǎn)生很大的沖擊電壓起動時，會產(chǎn)生很大的沖擊電流。電流。堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)電流電動機(jī)堵轉(zhuǎn)時，

22、電流電動機(jī)堵轉(zhuǎn)時，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。電流截止負(fù)反饋的應(yīng)用電流截止負(fù)反饋的應(yīng)用 n在原先的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在原先的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再增加一個電流負(fù)反饋，再增加一個電流負(fù)反饋，n令電流負(fù)反饋在電動機(jī)起動和堵轉(zhuǎn)時起作令電流負(fù)反饋在電動機(jī)起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，維持電流基本不變；用，維持電流基本不變；n當(dāng)電動機(jī)在正常運(yùn)行時，取消此電流負(fù)反當(dāng)電動機(jī)在正常運(yùn)行時，取消此電流負(fù)反饋，不影響系統(tǒng)的調(diào)速性能。饋，不影響系統(tǒng)的調(diào)速性能。n此類只在電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電此類只在電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋被稱為電流截止負(fù)反饋。流負(fù)反饋被稱為電流截止負(fù)反饋。 電

23、流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié) 在主電路中在主電路中的采樣電阻的采樣電阻 比較電壓比較電壓 時，時，輸出和輸入相等；輸出和輸入相等； 時，時，輸出為零。輸出為零。 圖2-6 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性sRcomU0comsdURI0comsdURI穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖圖2-7 帶電流截止負(fù)反饋環(huán)的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)帶電流截止負(fù)反饋環(huán)的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的形式電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的形式 圖圖2-8 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)（a）利用獨立直流電源作比較電壓（b）利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓靜特性方程式靜特性方程式 n當(dāng)當(dāng) 時，電流負(fù)反饋

24、被截止，系統(tǒng)時，電流負(fù)反饋被截止，系統(tǒng)就是單純的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，就是單純的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)， n當(dāng)當(dāng) 時，電流負(fù)反饋與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋時，電流負(fù)反饋與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時存在，同時存在， )K1(CRI)K1(CUKKnede*Nsp)1 ()()1 ()(*KCIRKKRKCUUKKnedsspecomnsp（2-1） （2-7） dcrdII dcrdII圖圖2-9 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性電流負(fù)反饋段的作用電流負(fù)反饋段的作用n相當(dāng)于在主電路中串入一個大電阻，因而相當(dāng)于在主電路中串入一個大電阻，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，被稱為系統(tǒng)靜特性的下垂穩(wěn)態(tài)速降極大，

25、被稱為系統(tǒng)靜特性的下垂段。段。n比較電壓比較電壓 和給定電壓和給定電壓 同時起作用，同時起作用，使得理想空載轉(zhuǎn)速達(dá)到使得理想空載轉(zhuǎn)速達(dá)到 。 comU*nU0n)1 ()(*0KCUUKKnecomnsp（2-8） 下垂段靜特性下垂段靜特性 n令令n=0，得到堵轉(zhuǎn)電流，得到堵轉(zhuǎn)電流Idbl，它限制了，它限制了電動機(jī)電流，起到了保護(hù)電動機(jī)的作電動機(jī)電流，起到了保護(hù)電動機(jī)的作用。用。n考慮到考慮到 Kp Ks Rs R，因此，因此sspcomnspdblRKKRUUKKI)(*（2-9） scomndblRUUI*（2-10） 參數(shù)設(shè)計參數(shù)設(shè)計n 應(yīng)小于電動機(jī)允許的最大電流，應(yīng)小于電動機(jī)允許的最大

26、電流，一般可取一般可取 ，n截止電流截止電流 可略大于電動機(jī)的額定可略大于電動機(jī)的額定電流，電流， dblINdblII)25 . 1 (dcrINdcrII)21.1 . 1 (2.1.3 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(tài)數(shù)學(xué)模型n任何一個帶有儲能環(huán)節(jié)的物理系統(tǒng)動態(tài)過任何一個帶有儲能環(huán)節(jié)的物理系統(tǒng)動態(tài)過程都應(yīng)該用微分方程來描述，程都應(yīng)該用微分方程來描述，n系統(tǒng)的響應(yīng)（即微分方程的解）包括兩部系統(tǒng)的響應(yīng)（即微分方程的解）包括兩部分：動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。分：動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。n轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在動態(tài)過程中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在動態(tài)過程中，輸出響應(yīng)不能立即

27、達(dá)到給定的輸入值，這輸出響應(yīng)不能立即達(dá)到給定的輸入值，這就是系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；就是系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；n只有當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，才能用穩(wěn)態(tài)解來只有當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，才能用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型n第一個環(huán)節(jié)是比例放大器，其響應(yīng)可第一個環(huán)節(jié)是比例放大器，其響應(yīng)可以認(rèn)為是瞬時的，所以它的傳遞函數(shù)以認(rèn)為是瞬時的，所以它的傳遞函數(shù)就是它的放大系數(shù)，即就是它的放大系數(shù)，即pncPKsUsUsW)()()(（2-11） 電力電子變換器電力電子變換器n第二個環(huán)節(jié)是電力電子變換器，晶閘第二個環(huán)節(jié)是電力電子變換器，晶閘管觸發(fā)與整流裝置的近似

28、傳遞函數(shù)，管觸發(fā)與整流裝置的近似傳遞函數(shù)，與與PWM控制與變換裝置的近似傳遞控制與變換裝置的近似傳遞函數(shù)表達(dá)式是相同的，都是函數(shù)表達(dá)式是相同的，都是sT1K)s(U)s(U)s(Wssc0ds（2-12） 直流電動機(jī)直流電動機(jī)n第三個環(huán)節(jié)是直流電動機(jī)，假定主電第三個環(huán)節(jié)是直流電動機(jī)，假定主電路電流連續(xù)，則主電路電壓的微分方路電流連續(xù)，則主電路電壓的微分方程為程為 （2-13） 式中式中 R主電路的總電阻（主電路的總電阻（） L主電路的總電感（主電路的總電感（mH）EdtdILRIUdd0d直流電動機(jī)直流電動機(jī)n在額定勵磁下，在額定勵磁下， ，忽略摩擦力及彈性，忽略摩擦力及彈性變形，電力拖動系統(tǒng)

29、運(yùn)動的微分方程為變形，電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動的微分方程為 （2-14）式中式中 電磁轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩（Nm）; 包括電動機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的包括電動機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Nm）；）； 電力拖動系統(tǒng)折算到電動機(jī)電力拖動系統(tǒng)折算到電動機(jī)軸上的飛輪慣量（軸上的飛輪慣量（Nm2）；）；dtdn375GDTT2LeeTLT2GDnCEe直流電動機(jī)直流電動機(jī)n在額定勵磁下，在額定勵磁下，式中式中 電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（Nm/A）n再定義再定義 電樞回路電磁時間常數(shù)電樞回路電磁時間常數(shù)(s)， 電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)（電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)（s）,dmeICT mClTRLTlmTme2

30、mCC375GDT 直流電動機(jī)直流電動機(jī)圖圖2-10 他勵直流電動機(jī)在額定勵磁下的等效電路他勵直流電動機(jī)在額定勵磁下的等效電路直流電動機(jī)直流電動機(jī)n根據(jù)根據(jù)R、Te、Tl 和和 Tm 的的定義對式的的定義對式 （2-13）和（）和（2-14）作整理后得）作整理后得 式中式中 負(fù)載電流（負(fù)載電流（A）。）。dtdERTIIdtdITIREUmdLddldd)(0mLdLCTI直流電動機(jī)直流電動機(jī)n電流與電壓間的傳遞函數(shù)為電流與電壓間的傳遞函數(shù)為 （2-15）n轉(zhuǎn)速與電流之間的傳遞函數(shù)為轉(zhuǎn)速與電流之間的傳遞函數(shù)為 （2-16）11)()()(0sTRsEsUsIldd)s(TR)s(I)s(I)s

31、(EmdLd圖圖2-11 額定勵磁下的直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖額定勵磁下的直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖直流電動機(jī)直流電動機(jī)n直流電動機(jī)有兩個輸入量，直流電動機(jī)有兩個輸入量，n一個是控制輸入量一個是控制輸入量 Ud0，n另一個是擾動輸入量另一個是擾動輸入量 Idl。n電勢電勢E是根據(jù)直流電動機(jī)工作時電壓是根據(jù)直流電動機(jī)工作時電壓平衡方程式而形成的內(nèi)部反饋量。平衡方程式而形成的內(nèi)部反饋量。 n進(jìn)行等效變換，得到圖進(jìn)行等效變換，得到圖2-12的形式。的形式。n額定勵磁下的直流電動機(jī)是一個二階線性額定勵磁下的直流電動機(jī)是一個二階線性環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)，Tm 和和 Tl 兩個時間常數(shù)分別表示機(jī)電兩個時間常數(shù)分別表示

32、機(jī)電慣性和電磁慣性。慣性和電磁慣性。 圖2-12直流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換直流電動機(jī)直流電動機(jī)測速反饋測速反饋 n第四個環(huán)節(jié)是測速反饋環(huán)節(jié)，認(rèn)為它第四個環(huán)節(jié)是測速反饋環(huán)節(jié)，認(rèn)為它的響應(yīng)時間是瞬時的，傳遞函數(shù)就是的響應(yīng)時間是瞬時的，傳遞函數(shù)就是它的放大系數(shù)。它的放大系數(shù)。)s( n)s(U)s(Wnfn（2-17） 動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖圖2-13 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 開環(huán)傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù) 式中式中 )1sTsTT)(1sT(K)s(U)s(U)s(Wm2Lmsnn（2-18） espC/KKK閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù) 1sK

33、1TTsK1)TT(TsK1TTT)K1(CKK)1sTsTT)(1sT(C/KK1)1sTsTT)(1sT(C/KK)s( n)s(U)s(Wsm2slm3slmespm2lmsespm2lmsesp*ncl（2-19） 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 n三階系統(tǒng)的的特征方程為三階系統(tǒng)的的特征方程為 （2-20）n穩(wěn)定的充分必要條件穩(wěn)定的充分必要條件 即即 （2-21） 01sK1TTsK1)TT(TsK1TTTsm2slm3slm0K1TTTK1TTK1)TT(Tslmsmslmsl2sslmTTT)TT(TKn式（式（2-21）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)）右

34、邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)KcrnKKcr 時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，以致無法工作。時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，以致無法工作。n由于由于Tl、Ts和和Tm都是系統(tǒng)的固有參數(shù)，而閉都是系統(tǒng)的固有參數(shù)，而閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K中的中的Ks、Ce和和也是系也是系統(tǒng)的既有參數(shù)，唯有統(tǒng)的既有參數(shù)，唯有Kp是可以調(diào)節(jié)的指標(biāo)。是可以調(diào)節(jié)的指標(biāo)。n要使得要使得K0，積分，積分調(diào)節(jié)器的輸出調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一便一直增長；只有達(dá)到直增長；只有達(dá)到Un=0時，時， Uc才停止才停止上升；只有到上升；只有到Un變變負(fù)，負(fù)， Uc才會下降。才會下降。n當(dāng)當(dāng)Un=0時，時， Uc并并不是零，而是某一個不是零，而是某一個固定

35、值固定值Ucf 圖2-14 積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程無靜差調(diào)速系統(tǒng)無靜差調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載突增時的動態(tài)過程負(fù)載突增時的動態(tài)過程 n由于由于Idl的增加，轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)速n下降，導(dǎo)致下降，導(dǎo)致Un變正，變正，在積分調(diào)節(jié)器的作用在積分調(diào)節(jié)器的作用下，下，Uc上升，電樞電上升，電樞電壓壓Ud上升，以克服上升，以克服Idl增加的壓降，最終進(jìn)增加的壓降，最終進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)入新的穩(wěn)態(tài) 。 *nnUU0nU2dLdII2ccUU n積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的區(qū)別在于：積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的區(qū)別在于：n比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，狀，n積分調(diào)節(jié)器的輸出

36、包含了輸入偏差量的全部積分調(diào)節(jié)器的輸出包含了輸入偏差量的全部歷史。雖然當(dāng)前的歷史。雖然當(dāng)前的Un=0，只要歷史上有過，只要歷史上有過Un，其積分輸出就有一定數(shù)值，就能輸出，其積分輸出就有一定數(shù)值，就能輸出穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓Uc。n對于對于1型系統(tǒng)能否實現(xiàn)擾動作用無靜差型系統(tǒng)能否實現(xiàn)擾動作用無靜差的關(guān)鍵是：的關(guān)鍵是： 必須在擾動作用點前含有積分環(huán)節(jié)，必須在擾動作用點前含有積分環(huán)節(jié)，當(dāng)然此擾動是指階躍擾動。當(dāng)然此擾動是指階躍擾動。 比例積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律n在階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸在階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出出

37、可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出只能逐漸地變化，如圖只能逐漸地變化，如圖2-14所示。所示。n調(diào)速系統(tǒng)一般應(yīng)具有快與準(zhǔn)的性能，即調(diào)速系統(tǒng)一般應(yīng)具有快與準(zhǔn)的性能，即系統(tǒng)既是靜態(tài)無差又具有快速響應(yīng)的性系統(tǒng)既是靜態(tài)無差又具有快速響應(yīng)的性能。實現(xiàn)的方法是把比例和積分兩種控能。實現(xiàn)的方法是把比例和積分兩種控制結(jié)合起來，組成比例積分調(diào)節(jié)器制結(jié)合起來，組成比例積分調(diào)節(jié)器（PI）。）。 PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 nPI調(diào)節(jié)器的表達(dá)式，調(diào)節(jié)器的表達(dá)式，（2-27） 式中式中 UexPI調(diào)節(jié)器的輸出；調(diào)節(jié)器的輸出； UinPI調(diào)節(jié)器的輸入。調(diào)節(jié)器的輸入。n其傳遞函數(shù)為其傳遞函數(shù)為（2-28） 式中式中 KpPI調(diào)節(jié)器的比

38、例放大系數(shù)；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)。調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。tininpexdtUUKU01ssKsKsWppPI11)(傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) n令令1=Kp，則傳遞函數(shù)也可寫成如下形式，則傳遞函數(shù)也可寫成如下形式（2-29） 1是微分項中的超前時間常數(shù)。是微分項中的超前時間常數(shù)。nPI控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)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。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，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。積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。 ssKsWpPI111)(輸出特性輸出特性 n

39、在在t=0時就有時就有Uex(t)=KpUin，實現(xiàn)，實現(xiàn)了快速控制；了快速控制；n隨后隨后Uex(t)按積分規(guī)按積分規(guī)律增長，律增長， 。n在在t=t1時，時，Uin=0， 。 圖2-16 PI調(diào)節(jié)器的輸出特性ininpexUtUKtU)(in1exUtU輸入和輸出動態(tài)過程輸入和輸出動態(tài)過程 n在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用采用PI調(diào)節(jié)器輸出部調(diào)節(jié)器輸出部分分Uc由兩部分組成，由兩部分組成，n比例部分和比例部分和Un成成正比，正比，n積分部分表示了從積分部分表示了從t=0到此時刻對到此時刻對Un(t)的積分值，的積分值，nUc是這兩部分之和。是這兩部分之和。圖2-17 閉環(huán)系統(tǒng)中P

40、I調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計調(diào)節(jié)器的設(shè)計n在設(shè)計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，對數(shù)頻率特性圖在設(shè)計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，對數(shù)頻率特性圖（伯德圖）是較常用的方法。（伯德圖）是較常用的方法。 n在伯德圖中，用來衡量系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指在伯德圖中，用來衡量系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：相角裕度標(biāo)是：相角裕度和以分貝表示的增益裕度和以分貝表示的增益裕度GM。一般要求。一般要求=3060，GM6dB。n在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味統(tǒng)動態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動態(tài)過程震蕩弱、超調(diào)小。著動態(tài)過程震蕩弱、超調(diào)小。伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系伯

41、德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系n1）中頻段以）中頻段以-20dB/dec的斜率穿越的斜率穿越0dB線，而線，而且這一斜率能覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)且這一斜率能覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。的穩(wěn)定性好。n2）截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)）截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好。的快速性越好。n3）低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)）低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。態(tài)精度高。n4）高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越）高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。圖圖2-18 自動控制系統(tǒng)的典型伯德

42、圖自動控制系統(tǒng)的典型伯德圖例題例題2-1 n直流電動機(jī)：額定電壓直流電動機(jī)：額定電壓 ，額定，額定電流電流 ，額定轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)速 ，電動機(jī)電勢系數(shù)電動機(jī)電勢系數(shù) ，n晶閘管裝置放大系數(shù)晶閘管裝置放大系數(shù) ， ，n電樞回路總電阻電樞回路總電阻n時間常數(shù)時間常數(shù) ， ，n轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)VUN220AIdN55min/1000rnNrVCemin/192. 044Ks0.00167ssT0 . 1R0.00167slT0.075smTmin/r0.01158V（1）在采用比例調(diào)節(jié)器時，為了達(dá)到）在采用比例調(diào)節(jié)器時，為了達(dá)到 ， 的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，試計算比例調(diào)節(jié)器的放的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，試計算比例

43、調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)。大系數(shù)。（2）用伯德圖判別系統(tǒng)是否穩(wěn)定。）用伯德圖判別系統(tǒng)是否穩(wěn)定。（3）利用伯德圖設(shè)計）利用伯德圖設(shè)計PI調(diào)節(jié)器。能在保證調(diào)節(jié)器。能在保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。例題例題2-1 10D %5s 解解:（1）額定負(fù)載時的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為）額定負(fù)載時的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為 開環(huán)系統(tǒng)額定速降為開環(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)為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為例題例題2-1 min/r26. 5)05. 01(1005. 01000)s1(DsnnNclmin/r7 .2851925. 00 . 155CRIneNop3 .5313 .54126. 57 .285

44、1nnKclop（2）閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是）閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是例題例題2-1 ) 10167. 0)(1026. 0)(1049. 0(3 .55) 1075. 0001275. 0)(10167. 0(3 .55) 1)(1()(22sssssssTsTTsTKsWmlms其中三個轉(zhuǎn)折頻率分別為其中三個轉(zhuǎn)折頻率分別為例題例題2-1 111s4 .20049. 01T1122s5 .38026. 01T1133s6000167. 01T1dBK9 .343 .55lg20lg20圖2-19 采用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)的伯德圖相角裕度相角裕度和增益裕度和增益裕度GM都是負(fù)值，都是負(fù)值，閉

45、環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 （3）采用）采用PI調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為按頻段特征的要求（按頻段特征的要求（1）和（）和（3），希望），希望-20dB/dec的頻帶寬度要寬，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。的頻帶寬度要寬，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用采用1=T1的方法，把的方法，把-20dB/dec的頻帶往低頻段的頻帶往低頻段延伸，同時改善了低頻段的斜率。延伸，同時改善了低頻段的斜率。例題例題2-1 )1s0167. 0)(1s026. 0)(1s049. 0( s)1s(K)s(W11ps049. 0T11)1s0167. 0)(1s026. 0( s049. 0K)

46、s(Wp 按頻段特性的要求（按頻段特性的要求（1）和（）和（3）：選擇）：選擇Kp,使得使得c處的頻率斜率是處的頻率斜率是-20dB/dec，同時使該，同時使該斜率的寬度足夠?qū)?；斜率的寬度足夠?qū)挘?在本題中，要使在本題中，要使 。 現(xiàn)取現(xiàn)取 ，使得，使得 。 開環(huán)傳遞函數(shù)成為開環(huán)傳遞函數(shù)成為例題例題2-1 12cs5 .38T10.5568pK-130sc) 10167. 0)(1026. 0(36.11) 10167. 0)(1026. 0(049. 05568. 0)(sssssssW圖2-20 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器校正相角裕度相角裕度和增益裕度和增益裕度GM都已變成都已變成較大的

47、正值，有足夠的穩(wěn)定裕度較大的正值，有足夠的穩(wěn)定裕度 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 這個設(shè)計結(jié)果不是唯一的，截止頻率已降這個設(shè)計結(jié)果不是唯一的，截止頻率已降到到 ，相角裕度，相角裕度和增益裕度和增益裕度GM都已都已變成較大的正值，有足夠的穩(wěn)定裕度，但快變成較大的正值，有足夠的穩(wěn)定裕度，但快速性被壓低了許多。速性被壓低了許多。 在工程設(shè)計中應(yīng)根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動態(tài)在工程設(shè)計中應(yīng)根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動態(tài)性能指標(biāo)來選擇合適的性能指標(biāo)來選擇合適的PI參數(shù)。在本章的參數(shù)。在本章的2.4節(jié)，將作深入的討論。節(jié)，將作深入的討論。 例題例題2-1 -130scssssKsWpPI049. 0) 104

48、9. 0(5568. 01)(112.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)n轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所檢測的誤差是轉(zhuǎn)速，它要消除的轉(zhuǎn)速，所檢測的誤差是轉(zhuǎn)速，它要消除的也是擾動對轉(zhuǎn)速的影響。也是擾動對轉(zhuǎn)速的影響。n轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）的動態(tài)過程。的動態(tài)過程。n在調(diào)速系統(tǒng)中有兩類情況對電流的控制提在調(diào)速系統(tǒng)中有兩類情況對電流的控制提出了要求：一是起、制動的時間控制問題，出了要求：一是起、制動的時間控制問題，二是負(fù)載擾動的電流控制問題。二是負(fù)載擾動的電流控制問題。2.2.

49、1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制規(guī)律雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制規(guī)律n對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)盡對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)盡量縮短起、制動過程的時間，完成時間最量縮短起、制動過程的時間，完成時間最優(yōu)控制。優(yōu)控制。n即在過渡過程中始終保持轉(zhuǎn)矩為允許的最即在過渡過程中始終保持轉(zhuǎn)矩為允許的最大值，使直流電動機(jī)以最大的加速度加、大值，使直流電動機(jī)以最大的加速度加、減速。減速。n到達(dá)給定轉(zhuǎn)速時，立即讓電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載到達(dá)給定轉(zhuǎn)速時，立即讓電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。轉(zhuǎn)矩相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。圖2-21 時間最優(yōu)的理想過渡過程雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) n根據(jù)反饋控制原理，以某物理量作負(fù)反饋

50、根據(jù)反饋控制原理，以某物理量作負(fù)反饋控制，就能實現(xiàn)對該物理量的無差控制?？刂疲湍軐崿F(xiàn)對該物理量的無差控制。n用一個調(diào)節(jié)器難以兼顧對轉(zhuǎn)速的控制和對用一個調(diào)節(jié)器難以兼顧對轉(zhuǎn)速的控制和對電流的控制。電流的控制。n如果在系統(tǒng)中另設(shè)一個電流調(diào)節(jié)器，構(gòu)成如果在系統(tǒng)中另設(shè)一個電流調(diào)節(jié)器，構(gòu)成電流閉環(huán)。電流調(diào)節(jié)器串聯(lián)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電流閉環(huán)。電流調(diào)節(jié)器串聯(lián)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器之后，形成以電流反饋作為內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速反之后，形成以電流反饋作為內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速反饋作為外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。饋作為外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 n在起、制動過程中，電流閉環(huán)起作用，在起、制動過程中，電流閉環(huán)起作用，保持電流恒定，縮小系統(tǒng)的過渡過程保持電流恒定，縮

51、小系統(tǒng)的過渡過程時間。時間。n一旦到達(dá)給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)自動進(jìn)入轉(zhuǎn)一旦到達(dá)給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)自動進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制方式，轉(zhuǎn)速閉環(huán)起主導(dǎo)作用，速控制方式，轉(zhuǎn)速閉環(huán)起主導(dǎo)作用，而電流內(nèi)環(huán)則起跟隨作用，使實際電而電流內(nèi)環(huán)則起跟隨作用，使實際電流快速跟隨給定值（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸流快速跟隨給定值（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出），以保持轉(zhuǎn)速恒定。出），以保持轉(zhuǎn)速恒定。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖 圖圖2-22 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TA-電流互感器 帶限幅作用的輸出帶限幅作用的輸出nASR調(diào)節(jié)器的輸出不再作為電力電

52、子變換器的調(diào)節(jié)器的輸出不再作為電力電子變換器的控制電壓控制電壓Uc，而是用來和電流反饋量作比較，而是用來和電流反饋量作比較，故被稱之為電流給定故被稱之為電流給定Ui*。nASR調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)器和ACR調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，作用的，nASR調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓決定了電流給定的調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值最大值Uim*，nACR調(diào)節(jié)器的輸出電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓Ucm限制了電子電力變限制了電子電力變換器的最大輸出電壓換器的最大輸出電壓Udm。2.2.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算圖圖2-23 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系

53、統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)穩(wěn)態(tài)參數(shù)穩(wěn)態(tài)參數(shù) n雙閉環(huán)系統(tǒng)所采用的是帶限幅的雙閉環(huán)系統(tǒng)所采用的是帶限幅的PI調(diào)調(diào)節(jié)器。在穩(wěn)態(tài)時，節(jié)器。在穩(wěn)態(tài)時，PI調(diào)節(jié)器的作用使調(diào)節(jié)器的作用使得輸入偏差電壓得輸入偏差電壓U總為零?？倿榱恪?0n*nnnUUdi*iIUU系統(tǒng)的靜特性系統(tǒng)的靜特性 nAB段是兩個調(diào)段是兩個調(diào)節(jié)器都不飽和節(jié)器都不飽和時的靜特性，時的靜特性，IdIdm, n=n0。nBC段是段是ASR調(diào)調(diào)節(jié)器飽和時的節(jié)器飽和時的靜特性，靜特性，Id=Idm, nIdm，電動機(jī)仍處于加速過程，從而使轉(zhuǎn)速超過了電動機(jī)仍處于加速過程，從而使轉(zhuǎn)速超過了給定值，這個現(xiàn)象稱

54、之為起動過程的轉(zhuǎn)速超給定值，這個現(xiàn)象稱之為起動過程的轉(zhuǎn)速超調(diào)。調(diào)。n轉(zhuǎn)速的超調(diào)造成了轉(zhuǎn)速的超調(diào)造成了Un0，ASR退出飽和狀退出飽和狀態(tài)，態(tài)，Ui和和Id很快下降。但是轉(zhuǎn)速仍在上升，很快下降。但是轉(zhuǎn)速仍在上升，直到直到t=t3時，時，Id= Idl ，轉(zhuǎn)速才到達(dá)峰值，轉(zhuǎn)速才到達(dá)峰值，n在在t3t4時間內(nèi)，時間內(nèi)， Id 2fmax采樣頻率進(jìn)行采樣，則取出的采樣頻率進(jìn)行采樣，則取出的樣品序列就可以代表（或恢復(fù)）模擬信號。樣品序列就可以代表（或恢復(fù)）模擬信號。n一般把速度環(huán)的最大采樣周期定為一般把速度環(huán)的最大采樣周期定為10ms，把電流環(huán)的最大采樣周期定為把電流環(huán)的最大采樣周期定為1ms，把采樣，

55、把采樣周期定為被控對象的時間常數(shù)的周期定為被控對象的時間常數(shù)的1/51/10。 2.3.2 轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化n旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件，旋旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機(jī)同軸相連，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)編碼器與電動機(jī)同軸相連，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)動時，帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。角信號。n旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對式和增量式兩種。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，在伺服系絕對式編碼器常用于檢測轉(zhuǎn)角，在伺服系統(tǒng)中得到廣泛的使用。統(tǒng)中得到廣泛的使用。n增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)增量式編碼器在碼

56、盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，又稱作脈沖編碼器。量的光柵，又稱作脈沖編碼器。 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器 碼盤軸發(fā)光裝置接收裝置CCV圖圖2-29 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖轉(zhuǎn)向的鑒別轉(zhuǎn)向的鑒別n增加一對發(fā)光與接收裝置，使兩對發(fā)光與增加一對發(fā)光與接收裝置，使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(jié)距的接收裝置錯開光柵節(jié)距的1/4，則兩組脈沖，則兩組脈沖序列序列A和和B的相位相差的相位相差90。n正轉(zhuǎn)時正轉(zhuǎn)時A相超前相超前B相；反轉(zhuǎn)時相；反轉(zhuǎn)時B相超前相超前A相。相。采用簡單的鑒相電路就可以分辨出轉(zhuǎn)向。采用簡單的鑒相電路就可以分辨出轉(zhuǎn)向。 正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)圖圖2-30 區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的區(qū)分旋轉(zhuǎn)方

57、向的A、B兩組脈沖序列兩組脈沖序列ABAB轉(zhuǎn)向的鑒別轉(zhuǎn)向的鑒別分辨率分辨率 n用改變一個計數(shù)字所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來用改變一個計數(shù)字所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來表示分辨率，用符號表示分辨率，用符號Q表示。表示。n當(dāng)被測轉(zhuǎn)速由當(dāng)被測轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)樽優(yōu)閚2時，引起記數(shù)值改時，引起記數(shù)值改變了一個字，則該測速方法的分辨率是變了一個字，則該測速方法的分辨率是 （2-36）n分辨率分辨率Q越小，說明測速裝置對轉(zhuǎn)速變化越小，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。的檢測越敏感，從而測速的精度也越高。12nnQ測速誤差率測速誤差率 n轉(zhuǎn)速實際值和測量值之差轉(zhuǎn)速實際值和測量值之差n 與實際值與實際值

58、n 之比定義為測速誤差率，記作之比定義為測速誤差率，記作 （2-37）n測速誤差率反映了測速方法的準(zhǔn)確性，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。越小，準(zhǔn)確度越高。 %100nnM法測速法測速 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)速的方法稱為沖個數(shù)來算出轉(zhuǎn)速的方法稱為M法測速，法測速，又稱測頻法測速。又稱測頻法測速。 (2-38)式中式中: n轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)速，單位為r/min； M1時間時間Tc內(nèi)的脈沖個數(shù)；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)；旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù)； Tc采樣周期，單位為采樣周期，單位為s。c

59、1ZTM60n M法測速的方法法測速的方法 n由系統(tǒng)的定時器按采樣周期的時間定期地由系統(tǒng)的定時器按采樣周期的時間定期地發(fā)出一個時間到的信號，而計數(shù)器則記錄發(fā)出一個時間到的信號，而計數(shù)器則記錄下在兩個采樣脈沖信號之間的旋轉(zhuǎn)編碼器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)，的脈沖個數(shù)， 圖231 M法測速原理示意圖M法測速分辨率法測速分辨率 nM法測速分辨率法測速分辨率的最大值的最大值為為(2-39)n用用M法測速時的分辨率與轉(zhuǎn)速的大小法測速時的分辨率與轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)。無關(guān)。cc1c1ZT60ZTM60ZT)1M(60QM法的測速誤差率法的測速誤差率 n測量誤差的最大可能性是測量誤差的最大可能

60、性是1個脈沖。因此，個脈沖。因此，M法的測速誤差率的最大值為法的測速誤差率的最大值為 （2-40）nM1與轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越低，與轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越低， M1越小，越小，測量誤差率越大，測速精度則越低。這是測量誤差率越大，測速精度則越低。這是M法測速的缺點。法測速的缺點。%100M1%100ZTM60 ZT)1M(60 ZTM601c1c1c1maxT法測速法測速 nT法測速是測出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個輸出脈沖法測速是測出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個輸出脈沖之間的間隔時間來計算出轉(zhuǎn)速。它又被稱之間的間隔時間來計算出轉(zhuǎn)速。它又被稱為測周法測速。為測周法測速。nT法測速同樣也是用計數(shù)器加以實現(xiàn)，法測速同樣也是用計數(shù)器加