直流调速系统课件.ppt

1、1自动控制的基本概念自动控制的基本概念系统框图第七章 直流调速系统7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统7.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统带电流截止负反馈的闭环调速系统7.4 闭环调速系统设计实例闭环调速系统设计实例7.1第七章 直流调速系统7.1.1 7.1.1 直流调速系统的基本概念直流调速系统的基本概念 在自动控制系统中，电力拖动系统是最重要的应用系统之一，而电动机又是电力拖动系统的核心部件，根据电动机供电方式的不同，它可分为直流电动机和交流电动机。直流电动机具有良好的启、制动性能，而且可以在较大范围内平滑的调速，因此，在轧钢设备、矿井升

2、降设备、挖掘钻探设备、金属切削设备、造纸设备、电梯等需要高性能可控制电力拖动的场合得到了广泛的应用。但直流电动机本身有着一些不可避免的缺陷，譬如存在换相问题、结构复杂、维修较困难、成本较高等因素，制约了直流拖动系统的发展。直流调速系统概述7.1第七章 直流调速系统7.1.1 7.1.1 直流调速系统的基本概念直流调速系统的基本概念 直流调速系统是最基本的拖动控制系统。eUIRnK式中，n为转速，单位为r/min；U为电枢电压，单位为V；I为电枢电流，单位为A；R为电枢回路总电阻，单位为；为励磁磁通，单位为Wb；Ke为由电动机结构决定的机电系数。直流电动机的转速方程式为由上式可知，调节直流电动机

3、转速的方法有三种：改变电枢供电电压U 改变励磁磁通 改变电枢回路电阻R123直流调速系统概述（71）7.1直流调速系统概述7.1.2 7.1.2 直流调速的三种方式直流调速的三种方式第七章 直流调速系统1改变电动机电枢电压的调速方式 由式（71）分析可知，当直流电动机的机械特性的硬度不变，其机械特性是一簇以U为参数的平行线。改变电动机电枢电流，其机械特性基本上是平行上下移动，转速随之改变，这种调速方式称为改变电枢电压调速方式。其机械特性如图71所示。考虑到电动机的绝缘性能，电枢电压的变化只能在小于额定电压的范围内适当调节，转速上限为电动机的额定转速，转速下限受低速时运转不稳定性的限制。7.1直

4、流调速系统概述7.1.2 7.1.2 直流调速的三种方式直流调速的三种方式第七章 直流调速系统图71 改变电枢电压调速的机械特性 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，此调速方式较好。改变电枢电压调速(简称调压调速)是直流调速系统的主要调速方式。7.1直流调速系统概述7.1.2 7.1.2 直流调速的三种方式直流调速的三种方式第七章 直流调速系统2改变励磁电流调速方式 改变电动机励磁回路的励磁电压大小，可改变励磁电流大小，从而改变励磁磁通大小而实现调速，此种调速方式称为改变励磁电流调速方式。其机械特性如图72所示。图 72 改变励磁电流调速的机械特性 这种调速方案属于恒功率调速。调磁调速

5、的调速范围不大，一般只是配合调压调速方式，在电动机额定转速之上作小范围的升速。7.1直流调速系统概述7.1.2 7.1.2 直流调速的三种方式直流调速的三种方式第七章 直流调速系统3电枢回路串电阻调速方式 在电动机电枢回路串接附加电阻，改变串接电阻的阻值，也可调节转速，此种调速方式称为电枢回路串电阻调速方式。其机械特性如图73所示。图73电枢回路串电阻调速的机械特性 这种调速方式只能进行有级调速，且有较大能量损耗，电动机的机械特性较软，转速受负载影响大，轻载和重载时转速不同。另外，该调速方式中的调速电阻损耗大，经济性差，一般只应用于少数性能要求不高的小功率场合。7.1直流调速系统概述7.1.3

6、 7.1.3 调压调速的三种主要形式调压调速的三种主要形式第七章 直流调速系统 调压调速在工程应用上是调速系统的主要方式。该调速方式需要有专门的、连续可调的直流电源供电。根据系统供电形式的不同，调压调速系统可分为以下三种：旋转变流机组系统、晶闸管可控整流系统、直流脉宽调速系统。旋转变流机组系统1 以旋转变流机组作为可控电源的供电的直流调速系统称为发电机电动机系统，该系统的主要部件为直流发电机G，直流电动机M，故简称GM系统，国际上通称为WandLeonand系统。7.1直流调速系统概述7.1.3 7.1.3 调压调速的三种主要形式调压调速的三种主要形式第七章 直流调速系统如图74所示为旋转变流

7、机组供电的直流调速系统原理图。图74旋转变流机组供电的调速系统原理图直流发电机G由原动机M(交流异步电动机或同步电动机)拖动，G和M分别是发电机和电动机励磁回路的磁通。系统由原动机拖动直流发电机，改变发电机励磁回路的磁通G即可改变发电机的输出电压UG也就改变了直流电动机的电枢电压Ud，从而实现调压调速的目的。7.1直流调速系统概述7.1.3 7.1.3 调压调速的三种主要形式调压调速的三种主要形式第七章 直流调速系统 如图75所示为该系统的机械特性，从图中可知其机械特性曲线为一簇相互平行的直线，特性较硬。图75 G-M系统的机械特性 GM系统的特点是，以“旋转”机组实现供电和“变流”，所以称之

8、为旋转变流机组。这种系统的缺陷是明显的，设备多、体积大、费用高、效率低、机组安装需要基础、运行噪声大、维护麻烦。7.1直流调速系统概述7.1.3 7.1.3 调压调速的三种主要形式调压调速的三种主要形式第七章 直流调速系统晶闸管脉冲相位控制系统（晶闸管电动机系统）2 由晶闸管可控整流电路给直流电动机供电的系统称为晶闸管电动机系统，简称VM系统，又称静止的WandLeonand系统，其原理框图如图76所示。这类系统通过改变给定电压Ugn来改变晶闸管整流装置的触发脉冲的相位，从而可改变晶闸管整流器的输出电压Ud的平均值，进而达到改变直流电动机转速的目的。7.1直流调速系统概述7.1.3 7.1.3

9、 调压调速的三种主要形式调压调速的三种主要形式第七章 直流调速系统图76 晶闸管一电动机系统 在晶闸管一电动机系统中，主回路电流连续与否对晶闸管一电动机系统的开环机械特性将产生很大的影响。其机械特性如图77所示，在电流连续区，该特性曲线亦是一簇互相平行的直线，与GM系统的机械特性相似。图77 U-M系统的机械特性7.1直流调速系统概述7.1.3 7.1.3 调压调速的三种主要形式调压调速的三种主要形式第七章 直流调速系统 晶闸管电动机系统（VM系统）与上述发电机一电动机系统（GM）相比较，不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也有更大的优势，功率放大倍数可达 104 105，控制

10、功率小，有利于将微电子技术引入强电领域，与旋转变流机组和汞弧整流器相比，具有控制灵敏、响应快、占地面积小、能耗低、效率高、噪声小、维护方便等优点，因而得到了广泛应用，更重要的是，VM系统还是新兴的PWM调速系统的基础。但这种传统的晶闸管电动机系统，限于晶闸管的性能，也有它的缺点。7.1直流调速系统概述7.1.3 7.1.3 调压调速的三种主要形式调压调速的三种主要形式第七章 直流调速系统直流脉宽调速系统3 直流脉宽式调速系统，核心是脉冲宽度调制器（Pulse Width Modulation，缩写为PWM），它是通过改变脉冲宽度的控制方式对直流电源进行调制，从而改变输出电压平均值的方法，是在V

11、M调速系统的基础上，以脉宽调制式直流可调电源取代晶闸管相控整流电源后构成的直流电动机速度调节系统，其原理结构如图78 所示。7.1直流调速系统概述7.1.3 7.1.3 调压调速的三种主要形式调压调速的三种主要形式第七章 直流调速系统 该系统采用了全控型电力电子器件作为功率开关元件，并按脉宽调制方式对电动机的电枢电压进行调节，主电路结构简单，性能优越，是100KW以下直流电机调速的首选方案。其闭环控制方式、分析综合方法均与晶闸管直流电动机系统相同。图78 PWM直流脉宽调制式调速系统原理结构示意图7.1直流调速系统概述7.1.4 7.1.4 直流调速系统的性能指标直流调速系统的性能指标第七章

12、直流调速系统 在工业、工程应用领域，许多工艺要求都依赖于对速度的控制。这些工艺过程对速度控制方面的要求归纳起来有以下三个方面：调速调速。稳速稳速。启动、制动性能启动、制动性能。7.1直流调速系统概述第七章 直流调速系统 上述三个方面的要求可具体转化为调速系统的稳态(静态)性能指标和动态性能指标。稳态性能指标1 稳态性能指标也称静态指标，是指系统稳定运行时的性能指标，具体指调速系统稳定运行时的调速范围、静差率，位置随动系统的定位精度和速度跟踪精度，张力控制系统的稳态张力误差等等。下面分别予以介绍。7.1.4 7.1.4 直流调速系统的性能指标直流调速系统的性能指标7.1直流调速系统概述第七章 直

13、流调速系统1)调速范围D 电力拖动控制系统的调速范围是指电动机在额定负载下，运行的最高转速nMAX与最低转速nMIN之比，用D表示，即MAXMINnDn 对于单纯的调压调速系统来说，电动机的最高转速nMAX即为其额定转速ned。D值越大，系统的调速范围越宽。调速范围又称做调速比。根据这个指标，电力拖动系统可分为：调速范围小的系统，一般指D3；调速范围中等的系统，一般指3D50；调速范围宽的系统，一般指D50。现代电力拖动控制系统的调速范围可以做到D10000。（72）7.1.4 7.1.4 直流调速系统的性能指标直流调速系统的性能指标7.1直流调速系统概述第七章 直流调速系统2)静差率s 当系

14、统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定负载所引起的转速降落ned与理想空载转速n0之比，称做静差率，用s表示，即000edednnnsnn或用百分数表示为0100%ednsn 由上式可知，静差率是用来表示负载转矩变化时电动机转速变化程度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的变化程度越小，稳定度越高。7.1.4 7.1.4 直流调速系统的性能指标直流调速系统的性能指标7.1直流调速系统概述第七章 直流调速系统3)D、s、ned 三者之间的关系 在单纯的调压调速系统中，nMAX就是指电动机的额定转速ned，即nMAX ned。而调速系统的静差率是指系统最低速时的静差率，即

15、0minednsn又因为min0min(1)edededednsnnnnnss代人调速范围的表达式maxminmin,ednnDnn得(1)edednsDns（75）（76）7.1.4 7.1.4 直流调速系统的性能指标直流调速系统的性能指标7.1直流调速系统概述第七章 直流调速系统 上式表示了调速范围D、静差率s以及额定转速降ned之间应当满足的关系。对于同一个调速系统，ned可由电动机的出厂数据给出，D和s由生产机械的要求确定，当系统的特性硬度或ned值一定时，如果对静差率s的要求越小，则系统能够达到的调速范围D越小。当对D、s都提出一定的要求时，为了满足要求就必须使ned小于某一值。一般

16、来讲，调速系统要解决的问题就是如何减少转速降落ned的问题。电力拖动系统的另一项静态指标是调速平滑性，它用调速时可以得到的相邻转速之比来表示。无级调速时，该比值接近于1，即转速可以连续平滑调节。7.1.4 7.1.4 直流调速系统的性能指标直流调速系统的性能指标7.1直流调速系统概述第七章 直流调速系统动态性能指标2 电力拖动控制系统在动态过程中的性能指标称做动态指标。衡量系统动态性能的指标分为跟随性能指标和抗扰性能指标两类。1)跟随性能指标 在给定信号(或称参考输入信号)R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。在直流调速系统中，跟随性能指标主要有以下各项：上升时

17、间t r。超调量。调节时间t s。7.1.4 7.1.4 直流调速系统的性能指标直流调速系统的性能指标7.1直流调速系统概述第七章 直流调速系统2)抗扰性能指标 一般以系统稳定运行中突然加一个使输出量降低的扰动N以后的过渡过程作为典型的跟随过程。抗扰性能指标主要有下述两项：动态降落Cmax%。恢复时间tv。动态降落Cmax%越小，恢复时间tv越短，系统的抗干扰性能越好。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。7.1.4 7.1.4 直流调速系统的性能指标直流调速系统的性能指标7.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速

18、系统常用调节器第七章 直流调速系统 带强负反馈的集成电路运算放大器具有高稳定度的电压放大能力，它可以很方便地实现信号的叠加(综合)、微分、积分等运算，它有着很高的输入阻抗和较低的输出阻抗，容易实现线路的匹配。在模拟控制的电气传动系统申，多采用线性集成运算放大器作为系统的调节器。7.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第七章 直流调速系统调节器的传递函数1运算放大器作调节器使用时，多数接成反相放大器，如图79所示。图79 运算放大器构成的调节器 其中Z0为输入阻抗；Z1为反馈阻抗；Z ba1为同相输入端的平衡阻抗，用以降低放大器失调电流的影响。

19、由于运算放大器的开环放大倍数很大，不论输人和反馈阻抗为何形式，放大器的反相输入端(图79中A点)的电位近似于零，称A点为虚地点。7.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第七章 直流调速系统00/iniUZ于是有11/exiUZ 又由于放大器的输人电阻很大，经过A点输入放大器的电流也接近于零，因此所以调节器的传递函数W(s)可写成111000()()()exinUsi ZZW sUsi ZZ 应该注意的是，运算放大器使用反相输人时，输入电压Uin和输出电压Uex的极性是相反的，在实际线路的设计中应予考虑。7.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.

20、2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第七章 直流调速系统 当运算放大器的反相输入端有两个输入信号时，如图710(a)所示，由于A点的I0，可得1201021()()()inINexUsUSUsZZZ 此时，输出量为11120102()()()exininZZUsUsUsZZ011120102()()ininZZUsUsZZ当Z01=Z02时,11201()()()exininZUsUsUsZ 用结构图可以表示为图710(b)和(c)。可见，运算放大器具有信号综合的作用。7.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第七章 直流调速系

21、统图710综合多个信号的调节器 (a)原理图 (b)结构图Z01 Z02 (c)结构图Z01=Z027.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第七章 直流调速系统常用的典型调节器2 比例(P)调节器比例调节器如图712(a)所示。传递函数WP(s)为10()()()exppinUsRWsKUsR 图711 比例调节器(a)原理图 (b)阶跃响应 这是一个纯比例调节器，输出信号以一定比例复现输入信号，如图711(b)所示。7.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第七章 直流调速系统 积分(I)调

22、节器图712(a)所示为积分调节器原理图传递函数WI(s)为10101()1/11()()exIinUsC sW sUsRC R ss 图 712 积分调节器（a）原理图 （b）阶跃响应11exinUUdt其中 1C1R0为积分时间常数。积分调节器的输出为 ，其阶跃响应为Uex=（t/1）Uin，是一条随时间线性增长的直线，输出响应 如图712(b)所示。7.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第七章 直流调速系统比例积分(PI)调节器比例积分调节器如图713(a)所示。阶跃响应如图713(b)所示。传递函数WPI（s）为1110001()1

23、/1()()exPIinUsRC sRWsUsRRR C s111(1)ppppKKKKsss 图713比例积分调节器（a）原理图 (b)阶跃响应式中，1 PI调节器的积分时间常数 PI调节器的超前时间常数Kp一PI调节器比例部分放大系数比例积分器的输出为PexPininKUK UUdt7.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第七章 直流调速系统调节器辅助电路3 调节器在实际应用中往往带有输出限幅电路，以满足电气传动系统的某些要求，输出限幅电路有外限幅和内限幅两类。图714是利用二极管钳位的外限幅电路，或称输出限幅电路。图714 二极管钳位的

24、外限幅电路和封锁电路7.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第七章 直流调速系统 外限幅电路只保证对外输出限幅，对集成电路本身的输出电路(C点电压)并没有限制住，只是把多余的电压降在电阻Rlim 上而已。这样，当调节器输出达到限幅时，PI调节器电容C1 上的电压继续上升，直到集成电路内的输出级晶体管饱和为止。一旦控制系统需要调节器的输出电压从限幅值降低下来，电容上的多余电压还需要一段放电时间，这将影响系统的动态过程。这是外限幅电路的缺点。7.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第七章 直流调

25、速系统 要避免上述缺点可采用内限幅电路，或称反馈限幅电路。最简单的内限幅电路是利用两个对接稳压管的电路，如图715(a)所示。图715 内限幅电路 （a）稳压管钳位的内限幅电路 （b）二极管钳位的内限幅电路7.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第七章 直流调速系统 当输出电压Uex 要超过限幅值时，马上击穿该方向的稳压管，对运算放大器产生强烈的反馈作用，使 Uex 回到限幅值。稳压管限幅电路虽然简单，但要调整限幅值时必须更换稳压管，是其不足之处。为了克服这个缺点，可以采用如图715(b)所示的二极管钳位的内限幅电路。封锁电路 带有积分环节的

26、调节器在实际应用中，在零输入条件下往往出现漂移，引起传动系统“爬行”。为了防止漂移输出引起传动系统的误动作，常在积分反馈支路上并联一个场效应开关管VT。7.2单闭环直流调速系统7.2.1 7.2.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第七章 直流调速系统 输入滤波电路含输入滤波电路的PI调节器如图716(a)所示。图716 含滤波输入的PI调节器（a）原理图 （b）结构图7.2单闭环直流调速系统7.2.2 7.2.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第七章 直流调速系统 开环调速系统可实现一定范围的无级调速无级调速，而且开环调速系统的结结构简单构简单。但在实际中许多要求无级调速的

27、工作机械常要求较高的调速性能指标。开环调速系统往往不能满足高性能工作机械对性能指标的要求。开环系统不能满足静态指标的原因是静态速降太大静态速降太大，即负载变化时，转速变化太大。根据反馈控制原理，要稳定哪个参数，就引入哪个参数的负反馈，与恒值给定相比较，构成闭环系统，因此必须引入转速负反馈，构成闭环调速系统。7.2单闭环直流调速系统7.2.2 7.2.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第七章 直流调速系统单闭环有静差直流调速系统组成及静特性1反馈控制的闭环系统，其原理图如图717所示。图717 单闭环有静差调速系统原理图7.2单闭环直流调速系统7.2.2 7.2.2 单闭环直流调速系统单闭

28、环直流调速系统第七章 直流调速系统 为了突出主要矛盾，在分析系统静特性时，先作如下假定：忽略各种非线性因素，假定各环节的输入输出关系都是线性的；假定系统只工作在VM系统开环机械特性的连续段；忽略直流电源及电位器内阻。这样，图717所示系统中各环节的关系如下：电压比较环节nnnUUU放大器ctpnUKU晶闸管触发整流装置dsctUK UV-M系统开环机械特性/ddenUI RC测速发电机nnUa n7.2单闭环直流调速系统7.2.2 7.2.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第七章 直流调速系统由上述关系式，可得闭环系统的静态结构图，如图718所示。图718单闭环有静差调速系统静态结构图由

29、静态结构图可求得转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式1/(1)(1)PSndPSndePSneeeK K UI RK K URInCK K aCCKCK7.2单闭环直流调速系统7.2.2 7.2.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第七章 直流调速系统下面比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性。如果断开图718所示系统的反馈回路，则相应的开环机械特性为0ddPSndOPOPUI RK K UI RnnnCeCeCe而闭环系统的静特性可写成0(1)(1)PSndCLCLK K URInnnCeKCeK 通过对比得出，闭环系统的静特性比开环系统的机械特性的硬度大大提高；对于相同理想空载转

30、速，闭环系统的静差率要小得多；闭环系统可以大大提高调速范围。但是要取得上述优点，闭环系统必须设置放大器。7.2单闭环直流调速系统7.2.2 7.2.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第七章 直流调速系统 调速系统的稳态压降是由电枢回路电阻压降引起的，系统闭环后这个电阻并没有减少，那么闭环系统静特性变硬的实质是什么呢?7.2单闭环直流调速系统7.2.2 7.2.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第七章 直流调速系统该转速闭环调速系统具有以下三个基本特征：具有比例调节器的反馈闭环系统是有静差的；1 1反馈闭环控制系统具有良好的抗干扰性能，它对于被负反馈环包围的前向通道上的一切扰动作用都

31、能有效地加以抑制；2 2反馈闭环控制系统对给定信号和检测装置中的扰动无能为力。3 37.2单闭环直流调速系统7.2.2 7.2.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第七章 直流调速系统单闭环有静差直流调速系统的动态特性2 根据系统原理图717和静态结构图718，可得出系统的动态结构图如图721所示。图721 单闭环有静差调速系统的动态结构图 综上分析，单闭环有静差调速系统，静特性变硬，在一定静差率要求下调速范围变宽，而且系统具有良好的抗干扰性能。但该系统存在两个问题，一是系统的静态精度和动态稳定性的矛盾，二是启动时冲击电流太大。7.2单闭环直流调速系统7.2.2 7.2.2 单闭环直流调速

32、系统单闭环直流调速系统第七章 直流调速系统其他单闭环有静差直流调速系统3 我们知道，如果忽略电枢压降，则直流电机的转速近似与电枢电压成正比，所以，对调速要求不高的系统来说，可以采用电压负反馈的调速系统，其原理图和静态结构图如图722(a)、(b)所示。图722 电压负反馈调速系统(a)原理图 (b)静态结构图7.2单闭环直流调速系统7.2.2 7.2.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第七章 直流调速系统 电压负反馈调速系统的静态速降比同等放大系数的转速负反馈系统要大一些，静态性能要差一些。为了弥补电压负反馈静态速降相对较差的不足，在采用电压负反馈的基础上，再增加电流正反馈，其原理图和静

33、态结构图如图723(a)、(b)所示。图723 带电流正反馈的电压负反馈调速系统(a)原理图 (b)静态结构图7.2单闭环直流调速系统7.2.2 7.2.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第七章 直流调速系统 由静态结构图可以看出，当负载增大使静态速降增加时，电流反馈信号也增大，通过正反馈作用使整流电压Ud增加，从而补偿了转速的降落。如果参数选择得合适，可以使静差非常之小，甚至无差。这种控制称为“补偿控制”，由于电流的大小反映了负载扰动，又叫做负载扰动量的补偿控制。它只能补偿负载扰动，对于其他扰动，它所起的作用可能是坏的。而负反馈控制对一切包在负反馈环内前向通道上的扰动都起抑制作用。另外

34、，补偿控制完全依赖于参数的配合，当参数受温度等因素的影响而发生变化时，补偿作用就会受影响。因此全面地看，补偿控制不如反馈控制好。7.2单闭环直流调速系统7.2.3 7.2.3 无静差调速系统概述及积分控制规律无静差调速系统概述及积分控制规律第七章 直流调速系统 积分调节器的输出等于输入量的累积，当输入量等于零时，输出量维持为某一值，也就是说积分调节器的稳态输出不靠输入量来维持。由于积分控制不仅靠偏差本身，还能靠偏差的累积，其积分为dtUUnct11 稳态时控制电压可以不靠偏差来维持，因而积分控制的系统是无静差调速系统。但是积分控制的系统，在动态时是有误差的。7.2单闭环直流调速系统7.2.3

35、7.2.3 无静差调速系统概述及积分控制规律无静差调速系统概述及积分控制规律第七章 直流调速系统 积分调节器固然能使系统在稳态时无静差，但它的动态响应却太慢了。与此相反，采用比例调节器虽然有静差，动态反应却较快。如果既要静态准，又要响应快，可以将两者结合起来，采用比例积分调节器。采用PI调节器的单闭环无静差调速系统如图724所示。图724 无静差调速系统原理图7.2单闭环直流调速系统7.2.3 7.2.3 无静差调速系统概述及积分控制规律无静差调速系统概述及积分控制规律第七章 直流调速系统 下面分析一下比例积分调节器构成的无静差调速系统的抗负载扰动过程。图725给出了无静差系统的抗负载扰动过程

36、。图725 无静差系统的抗扰动过程最后要说明两点：无静差系统动态仍是有差的；严格来说“无静差”只是理论上的。7.3带电流截止负反馈的闭环调速系统7.3.1 7.3.1 电流截止负反馈的引入电流截止负反馈的引入第七章 直流调速系统 单闭环调速系统存在的另一个问题是启动电流过大，为了解决这个问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。这样的当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈称为电流截止负反馈。带电流截止负反馈的闭环调速系统如 图726所示。图726 带电流截止负反馈的闭环调速系统7.3带电流截止负反馈的闭环调速系统7.3.2 7.3.2 带电流截止负反馈的闭环调速系统静特性带电流截止负反馈的闭环

37、调速系统静特性第七章 直流调速系统电流截止负反馈环节的输入输出特性如图727所示。图727电流截止负反馈环节的输入输出特性 当输入信号UiUvs为正时，输人和输出相等；当UiUvs为负值时，输出Ui为零。这是一个由两段线性环节组成的非线性环节。7.3带电流截止负反馈的闭环调速系统第七章 直流调速系统7.3.2 7.3.2 带电流截止负反馈的闭环调速系统静特性带电流截止负反馈的闭环调速系统静特性带电流截止负反馈的闭环调速系统静态结构图，如图728所示。图728带电流截止负反馈的闭环调速系统静态结构图由静态结构图可以推导出该系统的静态特性方程式。当IdIdcr时，电流负反馈截止，此时有*11psn

38、deek k kRInCkCk7.3带电流截止负反馈的闭环调速系统第七章 直流调速系统7.3.2 7.3.2 带电流截止负反馈的闭环调速系统静特性带电流截止负反馈的闭环调速系统静特性当Id Idcr时，电流负反馈起作用*111psnpsdidvseeek k Uk kRInIUCkCkCk*11psnpsideek k UVvsRk kICkCk将上面两式画成静态特性曲线，如图729所示。图729 带电流截止负反馈的闭环调速系统静态特性电流负反馈被截止时相当于图中n0A段，它就是闭环调速系统本身的静态特性，显然是比较硬的。电流负反馈起作用相当于AB段。7.3带电流截止负反馈的闭环调速系统第七章

39、 直流调速系统7.3.3 7.3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统启动过程带电流截止负反馈的闭环调速系统启动过程 由于系统中有电流限制环节，所以可以突加给定电压启动，启动过程如图730(a)所示。理想的启动过程波形如图730(b)所示。图730 调速系统启动过程的电流和转速波形(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动过程 (b)理想快速启动过程 综上所述，带电流截止负反馈的闭环调速系统，具有一定的调速范围和稳态精度，同时又能限制启动电流和堵转工作，线路简单，调整方便，很有实用价值，但是系统的启动过程不理想。7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统设计一个反馈控制系统步骤：总体设计基本

40、部件选择静态参数设计建立动态数学模型分析稳定性和动态性能总体设计基本部件选择静态参数设计7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统 动态校正方法有许多种，在调速系统中常用串联校正和反馈校正，它们可以很容易地利用由运算放大器构成的有源校正调节器来实现。通常采用经典控制理论中的频率特性法频率特性法来设计校正环节，基本思路是：根据工作机械和工艺要求确定系统的动态、静态性能指标；然后，根据性能指标求得相应的预期开环对数频率特性；最后，比较预期开环频率特性和基本系统的频率特性，从而确定校正环节的结构和参数。1237.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统 以龙门刨床为例，其工作台拖动系统采用VM

41、直流调速系统。其中，直流电机的额定参数为60kW、220V、305A、I000r/min，电枢电阻 R a=0.066，电机过载系数为=1.5。晶闸管变流装置采用三相桥式电路，其放大系数为k s=U d/U c t=30，VM系统主回路总电阻为R0.18，总电感为2.16mH。测速发电机为永磁式直流测速发电机，额定参数为23.1W、110V、0.21A、1900r/min。旋转系统总飞轮矩GD2=78Nm2，控制电路采用15V电源。试设计闭环调速控制系统，使系统达到静态指标D=20，s5%，动态性能指标=60o，并使系统可以在阶跃给定信号下直接启动。7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系

42、统第一步，静态设计。第一步，静态设计。系统所要求的静态性能指标为有差，系统在阶跃给定信号下可直接启动，故先考虑采用比例调节器的带电流截止负反馈的单闭环系统。由于该系统在稳定运行时，电流负反馈不作用，因此设计时先不考虑电流截止环节，求满足静态性能指标要求的调节器参数，再设计电流截止负反馈环节。(1)根据性能指标要求，求系统允许的速降。系统允许的速降为1000 0.052.63/min(1)20(1 0.05)nomCLnsnrDs7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统 (2)根据 nCL求开环放大倍数K。开环系统降nop和闭环系统速降ncl 的关系为1opCLnKn 先求nop，根据开环

43、机械特性nomOPeRInC而其中1220305 0.0660.2/(min)1000nomnomsenomUIRCVrn 于是有305 0.18275/min0.2nomaOPeIRnrC7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统所以27511103.62.63OPCLnKn 因为 ，为了求调节器放大系数Kp，须先求转速反馈系数 。/PSneKK K aCna(3)转速反馈环节参数计算。由图726可知，转速反馈电压 Un 是经过测速发电机TG和电位器RP2得到的，于是测速反馈系数为TGRPnnKanUa2/式中 测速反馈系数；电位器电阻比值；测速发电机传递系数，它是测速发电机额定电压和额

44、定转速的比值，即KTG 110/19000.0579 V min/r naTGK2RPa7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统 若取 =0.2，则电机运行在额定转速1000 r/min时，对应的转速反馈电压 Un 为2RPaTGRPnomnKanU21000 0.2 0.057911.58VnU 对于闭环系统，转速给定电压 应稍大于转速反馈电压Un。由于给定的控制电源为15V，若取 ，计算额定转速下的转速反馈电压为11.58V。因此，这样的选择系统可在额定转速下稳定运行，并可在额定转速以下实现无级调速。此时，转速反馈系数为 an 0.20.05790.0116 Vmin/r 所以 ，取

45、 KP=60。2.02RPa103.6 0.259.530 0.0116ePSnKCKK a7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统 (4)电流截止环节设计。根据前面对电流截止负反馈闭环系统的分析，稳压管的稳压值UVS决定了临界截止电流对应的电流反馈电压Udcr，而Udcr iIdcr。取临界截止电流Idcr1.2 Inom。电流反馈系数i=Ui/Id，调节电位器RP3，可以调节i。由于控制电源电压为15V，电枢电流为最大值(即堵转电流)时，电流反馈电压 U i 应该小于电源电压。假设调节电位器RP3，使Id=Idb1 时，Ui10V，则电流反馈系数为 i=Ui/Idb1 Ui/Inom

46、 10/1.5 305 0.022 V/A。于是稳压管的稳压值为 UVS Idcr i 1.23050.022 8 V7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统第二步，动态设计。第二步，动态设计。(1)系统的稳定性分析。考虑负反馈闭环系统的动态结构如图721所示，根据劳斯判据，可得闭环系统稳定的条件为式(715)，即21111()mSSmmSSST TTTTTTKTTTTT而所设计系统中机电时间常数Tm、电枢回路电磁时间常数T1、晶闸管变流装置平均滞后时间TS分别为278 0.180.098375375 0.2 9.55 0.2memGD RTsCC10.002160.0120.18LTs

47、R0.00167sTs7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统于是系统稳定运行的条件为 根据第一步静态设计中的分析，要满足D20，s 103.6设计比例调节器所构成的系统是不稳定的，必须作动态校正。(2)系统的动态校正。这里将采用开环对数频率特性设计串联校正调节器。由图721可知，经过静态设计后满足静态性能指标的负反馈闭环系统的开环传递函数为0.0980.0980.00167670.001670.0120.012K 21/()(1)(1)PsnesmmK K aCW sT sT TsT s21(1)(1)smmKT sT TsT s7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统图721

48、单闭环有静差调速系统的动态结构图7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统而于是闭环系统的开环传递函数为22110.098 0.0120.0981mmT TsT sss(0.0841)(0.0141)ss12(1)(1)TsT s相应的开环对数幅频特性如图731中曲线所示。其中三个转折频率分别为103.6()(0.001671)(0.0141)(0.0841)W ssss1111111.90.084sT1221171.40.014sT133116000.00167sT7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统图731 闭环系统的串联校正而20 lg K=20 lg103.6 40.3d

49、B，由图731可以求出截止频率 ，相角裕量为由此也可得出系统不稳定的结论。1296.8cls12180arctanarctanarctanoclclclsTTT10.6o 7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统 被校正系统的开环对数福频特性；校正后系统的开环对数幅频特性；校正环节的对数福频特性 在负反馈闭环调速系统中实现串联校正常用PI(或滞后)、PD(或超前)、PID(或滞后超前)之类调节器。由PI调节器构成滞后校正，可以保证稳态精度，但以牺牲快速性换取系统的稳定性；用PD调节器构成超前校正可以提高稳定裕量，并获得足够的快速性，但会影响稳态精度；用PID调节器实现滞后超前校正则兼有二

50、者的优点，可以全面提高系统性能，但调节器线路相对复杂，调试比较麻烦。7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统 一般的调速系统要求以稳定性和准确性为主，对快速性要求不高，经常采用PI调节器构成串联滞后校正，其传递函数为1PIsks 调节器设计方法灵活多样，有时需要反复试凑才能得到满意的结果。针对本例静态设计所得的闭环系统，由于系统不稳定，要设法将截止频率减下来，以使系统有足够的稳定裕量。因此，将校正环节的转折频率 设置在远小于被校正系统截止频率c1处。1/7.4闭环调速系统设计实例第七章 直流调速系统为了方便起见，通常令=T1，被校正系统中时间常数大的惯性环节为111Ts 即在传递函数上使