第一章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)任課老師：許玉格辦公地點(diǎn)：三號(hào)樓509房Email：xuyuge@直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第1部分運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)用最普遍：自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)是最古老的電動(dòng)機(jī)也是控制性能最好的電動(dòng)機(jī)重要性及必要性調(diào)速：人為改變速度的方法。人為地改變電氣參數(shù)，有意識(shí)地使電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)由一條機(jī)械特性曲線轉(zhuǎn)換到另一條機(jī)械特性曲線上，為了生產(chǎn)需要而對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速進(jìn)行的一種控制。調(diào)速與電動(dòng)機(jī)在負(fù)載或電壓隨機(jī)波動(dòng)時(shí)而引起的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)變化是兩個(gè)不同的概念。引言直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：具有極好的運(yùn)行性能和控制特性，良好的起、制動(dòng)性能，易于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速。應(yīng)用：在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到廣范應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái)直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。引言直流電機(jī)的工作原理和主要結(jié)構(gòu)1、直流電機(jī)的物理模型圖解及基本結(jié)構(gòu)2、直流電機(jī)的工作原理：

將直流電動(dòng)機(jī)的工作原理歸結(jié)如下：將直流電源通過(guò)電刷接通電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流流過(guò)。電機(jī)內(nèi)部有磁場(chǎng)存在(可以由永磁體或定子勵(lì)磁電流im產(chǎn)生（他勵(lì)），磁動(dòng)勢(shì)F=imN)。載流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導(dǎo)體將受到電磁力f

的作用f=Bli（左手定則）所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以n(轉(zhuǎn)/分)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.風(fēng)扇2.機(jī)座3.電樞4.主磁極5.刷架6.換向器7.接線板8.出線盒9.換向極10.端蓋直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)額定運(yùn)行情況：根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電機(jī)的正常運(yùn)行狀態(tài)和條件額定值（銘牌數(shù)據(jù)）：表征電機(jī)額定運(yùn)行情況的各種數(shù)據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路圖（以晶閘管整流為例）M+_dUdIRL+_EnLTeT瞬時(shí)電壓平衡方程式：電磁轉(zhuǎn)矩方程式：+_U0整流電壓平均值方程式：電樞電壓平均值方程式：電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)方程式：

—轉(zhuǎn)速（r/min）；

—整流電壓或電樞供電電壓（V）；

U0

—電機(jī)電樞電壓（V）；—電樞電流（A）；

R—主回路總電阻（）；

其中

R=Rrec+Ra+RL；

—?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；

—由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；—由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；—電機(jī)在恒定磁通下的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比

nUdIdKeKTCeRrec是整流裝置內(nèi)阻，Ra是電樞電阻，RL是電抗器內(nèi)阻。：電動(dòng)機(jī)提供的電磁轉(zhuǎn)矩（動(dòng)力轉(zhuǎn)矩）：負(fù)載對(duì)運(yùn)動(dòng)力的反抗作用表現(xiàn)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（阻力轉(zhuǎn)矩）：工作機(jī)械系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：電動(dòng)機(jī)的角速度（rad/s）（）運(yùn)動(dòng)平衡方程：eTLT系統(tǒng)加速系統(tǒng)減速系統(tǒng)恒速或靜止

穩(wěn)定運(yùn)行的含義：（1）使系統(tǒng)以一定的速度勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，即；（2）系統(tǒng)受到干擾轉(zhuǎn)速稍有變化時(shí)，應(yīng)保證干擾消除后仍能以原來(lái)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

要使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小相等（必要條件），方向相反，相互平衡。即直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電壓平衡方程：機(jī)械特性：直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性:在電動(dòng)機(jī)的電樞電壓、勵(lì)磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。n0nNTLTnn斜率大，特性軟斜率小，特性硬直流調(diào)速系統(tǒng)主要內(nèi)容直流調(diào)速方法直流調(diào)速電源直流調(diào)速控制根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程

直流調(diào)速方法nUIRKe式中

—轉(zhuǎn)速（r/min）；

d—電樞供電電壓（V）；

d—電樞電流（A），由負(fù)載決定；

—回路總電阻（

）；

—?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；

—由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。

由上式可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ud

；（2）減弱勵(lì)磁磁通；（3）改變電樞回路總電阻R。（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

Un，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線Ra是電樞電阻UN是額定電壓N是額定勵(lì)磁（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

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線N是額定勵(lì)磁UN是額定電壓（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U

=UN

；保持電阻R=Ra；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。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線三種調(diào)速方法的性能與比較對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。第1章單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

本章著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計(jì)方法。本章提要1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成1.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析與設(shè)計(jì)1.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析與設(shè)計(jì)1.4無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)1.5電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

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(dòng)機(jī)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旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組——用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。晶閘管整流器——用大功率半導(dǎo)體器件的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。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。（詳見(jiàn)第四章）1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)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(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)M供電，調(diào)節(jié)G的勵(lì)磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)，國(guó)際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。

G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2G-M系統(tǒng)機(jī)械特性

1.1.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)圖1-3晶閘管-電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)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(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc

來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud

，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。

V-M系統(tǒng)的特點(diǎn)與G-M系統(tǒng)相比較：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104以上，其門極電流可以直接用晶體管來(lái)控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

V-M系統(tǒng)的問(wèn)題由于晶閘管的單向?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。晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的dV/dt與di/dt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。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“電力公害”。三種可控直流電源，G-M系統(tǒng)已經(jīng)很少使用，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)60~70年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。1.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析與設(shè)計(jì)

V-M系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)及其特性1.2.1V-M系統(tǒng)的介紹和開環(huán)機(jī)械特性

本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個(gè)主要問(wèn)題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制；（2）電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動(dòng)的措施；（4）晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性；（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。

在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時(shí)電壓ud

的波形，以及輸出平均電壓Ud

的數(shù)值。OOOOO1觸發(fā)脈沖相位控制（注意：電感性負(fù)載）UdIdE等效電路分析

如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時(shí)值ud和平均值Ud來(lái)表示，相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實(shí)際的整流電路。圖1-4V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

式中

—電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；

—整流電流瞬時(shí)值；

—主電路總電感；

—主電路等效電阻；且有R=Rrec+Ra+RL；EidLR瞬時(shí)電壓平衡方程Rrec是整流裝置內(nèi)阻，Ra是電樞電阻，RL是電抗器內(nèi)阻。對(duì)ud進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud

。用觸發(fā)脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud是晶閘管整流器的特點(diǎn)。

Ud與觸發(fā)脈沖相位角

的關(guān)系因整流電路的形式而異，對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，Ud=f()可用下式表示

式中—從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；

—

=

0時(shí)的整流電壓波形峰值；

—交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。Umm整流電壓的平均值計(jì)算表1-1不同整流電路的整流電壓值*U2

是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。整流與逆變狀態(tài)當(dāng)0<</2時(shí)，Ud>0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當(dāng)/2<<max

時(shí)，Ud<0，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖

逆變顛覆限制

通過(guò)設(shè)置控制電壓限幅值，來(lái)限制最大觸發(fā)角。2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

由于電流波形的脈動(dòng)，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形。當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí)，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲(chǔ)能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。V-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-5V-M系統(tǒng)的電流波形（三相零式電路）a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudidid3抑制電流脈動(dòng)的措施在V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利，同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動(dòng)的措施，主要是：設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。（1）平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個(gè)三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來(lái)平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路M4晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性

當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為

式中Ce=KeN—電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。（1）電流連續(xù)情況改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖所示。圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時(shí)電流波形可能斷續(xù)，上述公式已經(jīng)不適用了。圖1-5電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性

△n=Id

R/CenIdILO上述分析說(shuō)明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)與觸發(fā)角cos成比例的可控電壓源。補(bǔ)充：Uc~cos~Ud，整個(gè)晶閘管可控整流器可以看成一個(gè)線性可控電源。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示

式中；—一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。（2）電流斷續(xù)情況（3）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算當(dāng)阻抗角值已知時(shí)，對(duì)于不同的控制角，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。對(duì)于每一條特性，求解過(guò)程都計(jì)算到

=2/3為止，因?yàn)榻窃俅髸r(shí)，電流便連續(xù)了。對(duì)應(yīng)于

=2/3的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（4）V-M系統(tǒng)

機(jī)械特性（5）V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn)上圖繪出了完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見(jiàn)：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和

傳遞函數(shù)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。應(yīng)用線性控制理論進(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)。實(shí)際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。如有可能，最好先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線，下圖是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時(shí)的特性。設(shè)計(jì)時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速范圍的工作點(diǎn)都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是 圖1-6晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測(cè)定

如果不可能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

Uc=0~10V

相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V

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)和整流裝置的傳遞函數(shù)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)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來(lái)到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud1Ud2TsOOOO（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析

圖1-7晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間Ts

(單相橋式電路)顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，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)，由下式確定

（2）最大失控時(shí)間計(jì)算式中

—交流電流頻率；

—一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm

（3）Ts

值的選取

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，在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值Ts

=Tsmax/2，并認(rèn)為是常數(shù)。也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts=Tsmax

。下表列出了不同整流電路的失控時(shí)間。表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)與整流裝置的輸入-輸出關(guān)系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為

（4）傳遞函數(shù)的求取由于上式中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。為了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開，則上式變成

（5）近似傳遞函數(shù)考慮到Ts

很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。

（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud(s)Uc(s)Ud(s)(a)準(zhǔn)確的（b）近似的圖1-8晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖ssss轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)

任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。

歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面：1.控制要求（1）調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級(jí)）或平滑地（無(wú)級(jí)）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(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速——頻繁起、制動(dòng)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(dòng)盡量平穩(wěn)。2.調(diào)速指標(biāo)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。

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

思考：對(duì)于某個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，靜差率是一個(gè)值還是一組值？0TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

nO圖1-9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)，轉(zhuǎn)速全部降落完了。

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)）4.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

上式表示調(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。由可知s↓→D↓

結(jié)論1：

一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題若可逆直流脈寬調(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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，可以找到一些用途。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)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。課本例1-11.2.2轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性根據(jù)自動(dòng)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(huì)自動(dòng)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Ufn

，與給定電壓Un

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

。UcUd0u~ACDCUdUc

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。穩(wěn)態(tài)分析條件下面分析閉環(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：（1）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；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。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)

放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性測(cè)速反饋環(huán)節(jié)

穩(wěn)態(tài)關(guān)系比例控制器穩(wěn)態(tài)關(guān)系（續(xù)）以上各關(guān)系式中

—放大器的電壓放大系數(shù)；

—電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；

—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，（V·min/r）；

—UPE的理想空載輸出電壓；

—電樞回路總電阻。KpKsRUd

從上述五個(gè)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

靜特性方程靜特性方程（續(xù)）

式中閉環(huán)系統(tǒng)的開環(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。KpKs

1/CeUnUc?UnEnUdUfn++-IdR-UnKs閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-10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)圖圖中各方塊內(nèi)的符號(hào)代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算法同樣可以推出相應(yīng)的靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動(dòng)量看成兩個(gè)獨(dú)立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)求出各自的輸出與輸入關(guān)系式，b）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)c）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)UnKpKs

1/CeUc?Un

n

UdUfn+-+KpKs

1/Ce-IdR

nUd+-E由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來(lái)，即得系統(tǒng)的靜特性方程式1.2.3開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性

的比較

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

而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成

比較兩式不難得出以下的論斷：（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(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）如果比較同樣的開環(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)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為

和當(dāng)n0k=n0b

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：開環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， 再考慮上式，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。

系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程開環(huán)系統(tǒng)

Id

n例如：在下圖中工作點(diǎn)從AA’

閉環(huán)系統(tǒng)Id

nUfnUn

nUdUc例如：在下圖中工作點(diǎn)從ABKpKs

1/CeUnUc?UnEnUdUfn++-IdR-UnKsIdnUfn?Un→Uc→Ud→n

n0OIdId1Id3Id2Id4ABCA’D閉環(huán)靜特性開環(huán)機(jī)械特性圖1-11閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系Ud4Ud3Ud2Ud1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。1.2.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)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nb=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1-12閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用

勵(lì)磁變化Id變化電源波動(dòng)Kp變化電阻變化檢測(cè)誤差KpKs

1/CeUnUc?UnEnUdUfn++--

R

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：UsUdnUfnUn

nUdUc

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：UfnUn

Uc

Udn

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，如上圖中的轉(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?/p>

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。1.2.5轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算見(jiàn)課本和課堂講解1.2.6閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)及其特性

問(wèn)題的提出：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。

問(wèn)題的提出（續(xù)）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)。本節(jié)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。電流負(fù)反饋?zhàn)饔脵C(jī)理為了解決反饋閉環(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，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)反饋，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)反饋引入方法僅采用電流負(fù)反饋，不要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋這種系統(tǒng)的靜特性如圖中B

線，特性很陡。顯然僅對(duì)起動(dòng)有利，對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行不利。

Idbln0IdOn'0A—轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性B—電流負(fù)反饋特性調(diào)速系統(tǒng)靜特性M+-UdIdRcUfi接放大器M同時(shí)采用轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋1.電流檢測(cè)與反饋（1）電樞回路串檢測(cè)電阻；（2）電樞回路接直流互感器；（3）交流電路接交流互感器；（4）采用霍爾傳感器。電流檢測(cè)與反饋電路轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)

Kp

Ks

1/CeUnUc?UnIdEnUdUfn++--

R

-2.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖

Rc

Ufi3.靜特性方程與轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)特性方程相比，上式多了一項(xiàng)由電流反饋引起的轉(zhuǎn)速降落。4.穩(wěn)態(tài)特性

Idbl0n0轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性轉(zhuǎn)速電流負(fù)反饋特性采用轉(zhuǎn)速電流調(diào)速系統(tǒng)靜特性Idn'0O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1-13電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓M++--

UdId

RcVDUfi

Ucom接放大器Mb)利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓

UbrM+-

UdId

RcVSTUfi接放大器M電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)（續(xù)）c)封鎖運(yùn)算放大器的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)

UbrM+-

UdId

RcVSUfi++R1UcUnR0+VTM2.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)0UfiId

Rc

-

Ucom電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的I/O特性

圖1-14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nKpKs

1/CeUnUc?UnIdEUdUfn++--

RRc-UcomId

Rc

-

Ucom-3.靜特性方程與特性曲線由上圖可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式。當(dāng)Id

≤

Idc

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)的靜特性相同，現(xiàn)重寫于下

當(dāng)Id

Idc時(shí)，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成

IdblIdcn0IdOn'0AB圖1-15帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

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KpKsRc

，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，在上式中，令n=0，得

一般KpKsRc>>R，因此4.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=（1.5~2）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

Idc

≥（1.1~1.2）IN1.3單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)本節(jié)提要單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件動(dòng)態(tài)校正——PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過(guò)拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。

1.3.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)

數(shù)學(xué)模型

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+-MUd+-E

R

LneidM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)假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為

電路方程如果，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

式中

—包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N-m；

—電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量，N-m2；

—電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，

N-m/A；

TLGD2

—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)；

—電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)。定義下列時(shí)間常數(shù)

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)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

Id

(s)IL(s)+-E

(s)

R

Tmsb.電流與電動(dòng)勢(shì)的結(jié)構(gòu)圖E(s)Ud+-1/RTls+1Id

(s)a.電流與電壓的結(jié)構(gòu)圖+額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)c.整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖

1/CeUdIL

(s)

EId(s)++--E

1/R

Tls+1

R

Tms

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IL

=0，結(jié)構(gòu)圖即簡(jiǎn)化成下圖b。

n(s)Ud

(s)+-1/Ce

TmTls2+Tms+1IL

(s)

R(Tls+1)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化a.IL≠0n(s)1/Ce

TmTls2+Tms+1Ud

(s)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化（續(xù)）b.IL=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)Un(s)IL

(s)

Uc

(s)Ufn(s)+-

KsTss+1KP1/Ce

TmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud(s)5.調(diào)速系統(tǒng)的開環(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)的開環(huán)傳遞函數(shù)是

式中K=KpKs/Ce

6.調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

設(shè)IL=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

1.3.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件由上式可知，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

上式的各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，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。

1.3.3動(dòng)態(tài)校正——PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.概述在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況，這時(shí)，必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置，用來(lái)改造系統(tǒng)，使它同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求。2.動(dòng)態(tài)校正的方法串聯(lián)校正；并聯(lián)校正；反饋校正。而且對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。

PID調(diào)節(jié)器的類型：比例微分（PD）比例積分（PI）比例積分微分（PID）

PID調(diào)節(jié)器的功能由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對(duì)快速性的限制來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后—超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器；在隨動(dòng)系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用PD或PID調(diào)節(jié)器。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是伯德圖（BodeDiagram），即開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡(jiǎn)便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。正因?yàn)槿绱?，伯德圖是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方法。在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時(shí)，通常將伯德圖分成低、中、高三個(gè)頻段，頻段的分割界限是大致的，不同文獻(xiàn)上的分割方法也不盡相同，這并不影響對(duì)系統(tǒng)性能的定性分析。下圖繪出了自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型伯德圖。典型伯德圖

從圖中三個(gè)頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個(gè)方面：0L/dBc/s-1-20dB/dec低頻段中頻段高頻段典型的控制系統(tǒng)伯德圖

伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好；低頻段的斜率陡、增益高，說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高；高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說(shuō)明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。設(shè)計(jì)時(shí)往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個(gè)矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結(jié)果。4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在實(shí)際系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還要有一定的裕度，以防參數(shù)變化和一些未計(jì)入因素的影響。在伯德圖上，用來(lái)衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：相角裕度和以分貝表示的增益裕度GM。一般要求：

=30°－

60°；GM>6dB

。保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實(shí)際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動(dòng)態(tài)過(guò)程振蕩弱、超調(diào)小。

5.設(shè)計(jì)步驟系統(tǒng)建?！紫葢?yīng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，選擇基本部件，按穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算參數(shù)，形成基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱原始系統(tǒng)。系統(tǒng)分析——建立原始系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，畫出其伯德圖，檢查它的穩(wěn)定性和其他動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)——如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，或動(dòng)態(tài)性能不好，就必須配置合適的動(dòng)態(tài)校正裝置，使校正后的系統(tǒng)全面滿足性能要求。PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)步驟根據(jù)原始的帶比例放大器閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖和期望的經(jīng)過(guò)校正的系統(tǒng)伯德圖可設(shè)計(jì)出PI調(diào)節(jié)器。其具體設(shè)計(jì)步驟如下：判斷原始系統(tǒng)是否穩(wěn)定；根據(jù)工藝要求的動(dòng)態(tài)性能或系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度確定校正后系統(tǒng)預(yù)期的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性；確定原始系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性；確定校正環(huán)節(jié)添加部分的對(duì)數(shù)頻率特性;計(jì)算PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

6.設(shè)計(jì)方法湊試法——設(shè)計(jì)時(shí)往往須用多種手段，反復(fù)試湊。工程設(shè)計(jì)法——詳見(jiàn)第2章。1.4無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)前節(jié)主要討論，采用比例（P）放大器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有一定的穩(wěn)定裕度，同時(shí)還能滿足一定的穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)。但是，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng)。本節(jié)將討論，采用積分（I）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器代替比例放大器，構(gòu)成無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。

本節(jié)提要系統(tǒng)無(wú)靜差的實(shí)現(xiàn)采用積分調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)擾抗誤差分析1.4.1系統(tǒng)無(wú)靜差的實(shí)現(xiàn)

如前，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=KpUnUc0，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，即Un

0；Uc

=0，電動(dòng)機(jī)停止。

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。1.4.2采用積分調(diào)節(jié)器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++CU0RbalUiR0+A積分調(diào)節(jié)器a)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

U0UiU0mtUiU0Ob)階躍輸入時(shí)的輸出特性Φ(ω)ωL/dB0L(ω)-20dB1/ωΦO-π/2c)Bode圖積分調(diào)節(jié)器2.積分調(diào)節(jié)器的特性3.積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

4.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，按照上式，應(yīng)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。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

由上圖b可見(jiàn)，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UnUfn

，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc

便一直增長(zhǎng)；只有達(dá)到Un=Ufn

，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。5.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。

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。

無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)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。

6比例積分控制規(guī)律

上一小節(jié)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，積分控制卻又不如比例控制。如圖所示，在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。兩種調(diào)節(jié)器特性比較τ

U0UiU0mtUiU0Ob)I調(diào)節(jié)器a)P調(diào)節(jié)器U0UitUiU0O兩種調(diào)節(jié)器I/O特性曲線那么，如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，該怎么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來(lái)就行了，這便是比例積分控制。1.PI調(diào)節(jié)器

在模擬電子控制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路如圖所示。U0++C1RbalUiR0+AR1

比例積分（PI）調(diào)節(jié)器

2.PI輸入輸出關(guān)系按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得式中

—PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；

—PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。

由此可見(jiàn)，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成。3.PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)當(dāng)初始條件為零時(shí)，取上式兩側(cè)的拉氏變換，移項(xiàng)后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

令，則傳遞函數(shù)也可以寫成如下形式

注意：

上式表明，PI調(diào)節(jié)器也可以用一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)來(lái)表示，1是微分項(xiàng)中的超前時(shí)間常數(shù)，它和積分時(shí)間常數(shù)的物理意義是不同的。

4.PI調(diào)節(jié)器輸出時(shí)間特性

U0UiU0mtUiU0OKpUia)PI調(diào)節(jié)器輸出特性曲線OtOt

UcUc?Un121+2b)PI調(diào)節(jié)器輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程

PI調(diào)節(jié)器輸出特性曲線階躍輸入情況

在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性示于上圖a，從這個(gè)特性上可以看出比例積分作用的物理意義。突加輸入信號(hào)時(shí)，由于電容C1兩端電壓不能突變，相當(dāng)于兩端瞬間短路，在運(yùn)算放大器反饋回路中只剩下電阻R1，電路等效于一個(gè)放大系數(shù)為Kpi

的比例調(diào)節(jié)器，在輸出端立即呈現(xiàn)電壓KpiUi，實(shí)現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長(zhǎng)處。此后，隨著電容C1被充電，輸出電壓U0

開始積分，其數(shù)值不斷增長(zhǎng)，直到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，C1兩端電壓等于U0，R1已不起作用，又和積分調(diào)節(jié)器一樣了，這時(shí)又能發(fā)揮積分控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。因此，PI調(diào)節(jié)器輸出是由比例和積分兩部分相加而成的。一般輸入情況上圖b繪出了比例積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程。假設(shè)輸入偏差電壓Un的波形如圖所示，則輸出波形中比例部分①和Un

成正比，積分部分②是Un

的積分曲線，而PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uc

是這兩部分之和①+②。可見(jiàn)，Uc既具有快速響應(yīng)性能，又足以消除調(diào)速系統(tǒng)的靜差。除此以外，比例積分調(diào)節(jié)器還是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的校正裝置，因此，它在調(diào)速系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

分析結(jié)果

由此可見(jiàn)，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。

1.4.3采用比例積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)組成工作原理穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性參數(shù)計(jì)算1.系統(tǒng)組成無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)

++-+-M

TG+-RP2nRP1UnR0R0RbalUcVT

VSUiTALIdR1C1UfnUd-+MTG2.工作原理3.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流低于其截止值時(shí)，上述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于下圖，其中代表PI調(diào)節(jié)器的方框中無(wú)法用放大系數(shù)表示，一般畫出它的輸出特性，以表明是比例積分作用。

無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（Id

<

Idc

）

Ks

1/CeUnUc?UnIdREnUdUfn++--穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性（續(xù)）無(wú)靜差系統(tǒng)的理想靜特性如右圖所示。當(dāng)Id

<

Idc時(shí)，系統(tǒng)無(wú)靜差，靜特性是不同轉(zhuǎn)速時(shí)的一族水平線。當(dāng)Id

>

Idc

時(shí)，電流截止負(fù)反饋起作用，靜特性急劇下垂，基本上是一條垂直線。整個(gè)靜特性近似呈矩形。

OIdIdcn1n2nmaxn帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

必須指出嚴(yán)格地說(shuō)，“無(wú)靜差”只是理論上的，實(shí)際系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，PI調(diào)節(jié)器積分電容兩端電壓不變，相當(dāng)于運(yùn)算放大器的反饋回路開路，其放大系數(shù)等于運(yùn)算放大器本身的開環(huán)放