自動控制系統(tǒng)課件第一章1-3

1.3單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負反饋，與恒定給定值相比較，以構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，故引入轉(zhuǎn)速負反饋，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

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)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(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。

2/6/20231第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)圖

采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctUnntg1)單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)組成及其工作原理系統(tǒng)組成2/6/20232第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

調(diào)節(jié)原理在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓Un

，與給定電壓U*n

相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓Un

，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uct

，用以控制電動機轉(zhuǎn)速n。2/6/20233第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

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）假定系統(tǒng)只工作在V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段；（3）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。2/6/20234第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負反饋直流調(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)機械特性測速反饋環(huán)節(jié)

穩(wěn)態(tài)關(guān)系2/6/20235第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)以上各關(guān)系式中

—比例調(diào)節(jié)器的放大系數(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）；KpKsn2/6/20236第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖KpKsn

U*nUct?UnEnUdUn++-IdR-Ks圖

轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2/6/20237第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

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2/6/20238第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

式中閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為它相當于在測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速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。

2/6/20239第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)注意：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。2/6/202310第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

對于靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖中各方塊內(nèi)的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運用結(jié)構(gòu)圖運算法同樣可以推出式所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動量看成兩個獨立的輸入量，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，2/6/202311第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)1）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKsn

Uct?Un

n

UdUn+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-Ennn2/6/202312第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)2）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-+KpKsn

1/Ce-IdRnUd+-En2/6/202313第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

由于已認為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式2/6/202314第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系

比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(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)機械特性為

(1-a)

而閉環(huán)時的靜特性可寫成

(1-b)

2/6/202315第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)比較式（1-a）和式（1-b）不難得出以下的論斷：（1）閉環(huán)系統(tǒng)特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。在同樣的負載擾動下，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2/6/202316第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（2）如果比較同一的開環(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n0op=n0cl

時，2/6/202317第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)（3）當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時， 閉環(huán)時， 得

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）2/6/202318第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。

上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即K

要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。2/6/202319第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

把以上四點概括起來，可得下述結(jié)論：結(jié)論：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是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。

2/6/202320第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)例題2-1

某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻0.18，電動機電動勢系數(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？2/6/202321第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)解當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(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。2/6/202322第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)如果要求D=20，s

≤

5%由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/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)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。2/6/202323第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)例題2-2

在例題2-1中，龍門刨床要求

D=20，s≤

5%，

已知Ks=30，=0.015V·min/r，

Ke

=0.2V·min/r，

如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？

2/6/202324第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)解在上例中已經(jīng)求得

Δnop=275r/min，但為了滿足調(diào)速要求，須有

Δncl=2.63r/min，由式可得2/6/202325第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)代入已知參數(shù)，則得即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標。2/6/202326第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程開環(huán)系統(tǒng)

Id

n

例如：在下圖中工作點從AA’

閉環(huán)系統(tǒng)Id

nUnUn

nUdUct例如：在下圖中工作點從AB2/6/202327第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)n0OIdId1Id3Id2Id4ABCA’D閉環(huán)靜特性開環(huán)機械特性圖閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關(guān)系Ud4Ud3Ud2Ud12/6/202328第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

由此看來，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，在于它能隨著負載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。2/6/202329第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

反饋控制規(guī)律

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。

2/6/202330第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)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)。實際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進行控制的。2/6/202331第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)2.抵抗擾動,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反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從。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”。

2/6/202332第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的擾動源負載變化的擾動（使Id變化）；交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；電動機勵磁變化的擾動（造成Ke

變化

）；放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）；溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；檢測誤差的擾動（使n變化）。

在下圖中，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。2/6/202333第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)擾動作用與影響圖

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用

勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

n

1/KeU*nUct?UnEnUdUn++--

R

2/6/202334第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)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：UctUdnUnUn

nUdUct

2/6/202335第1章單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)抗擾能力（續(xù)）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