變流技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制--第 4 課

1、閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 第第 二二 章章變流技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制變流技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制變流技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制變流技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制變流技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制變流技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)容提要內(nèi)容提要 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無法滿足人們期無法滿足人們期望的性能指標(biāo)。望的性能指標(biāo)。 本章就本章就閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)展開分析和討論。展開分析和討論。1.1.轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.2.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)3.3.調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法本章內(nèi)容本章內(nèi)容4. 4. 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流

2、調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn) 5. 5. 直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真2.1 2.1 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)本節(jié)提要本節(jié)提要1.1.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)的控制規(guī)律控制規(guī)律2.2.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)3.3.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(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型4.4.PIPI控制規(guī)律及控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.1.1 2.1.1 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律 根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按系統(tǒng)是按被

3、調(diào)量的偏差被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，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。正偏差的作用。 調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)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。速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。 1、系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)工作原理圖圖2-1 2-1 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg比例放大器比例放大器放大

4、倍數(shù)放大倍數(shù)KP（P調(diào)節(jié)器）調(diào)節(jié)器）2、穩(wěn)態(tài)分析條件、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，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：出主要矛盾，先作如下的假定： （1 1）忽略各種）忽略各種非線性因素非線性因素，假定系統(tǒng)，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的線性的，或者，或者只取其線性工作段；只取其線性工作段； （2 2）忽略控制電源和電位器的）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻內(nèi)阻。直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)eddCRIUn0+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+U

5、nUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUd0UcUnntg電壓比較環(huán)節(jié)電壓比較環(huán)節(jié)Un = Un*-Un比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器Uc = KpUn電力電子變換器電力電子變換器Ud0 = KsUc測(cè)速反饋環(huán)節(jié)測(cè)速反饋環(huán)節(jié)Un = n 3 3、穩(wěn)態(tài)關(guān)系穩(wěn)態(tài)關(guān)系 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：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比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器 npcUKU電力電子變換器電力電子變換器 cs0dUKU直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī) ed0dCRIUn測(cè)速反饋環(huán)節(jié)測(cè)速反饋環(huán)節(jié) nUn以上各關(guān)系式中：以上各關(guān)系式中： 放大器的電壓放大系數(shù)；放

6、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)；電力電子變換器的電壓放大系數(shù)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，（轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，（Vmin/rVmin/r）；）； UPE UPE的理想空載輸出電壓；的理想空載輸出電壓； 電樞回路總電阻。電樞回路總電阻。KpKsRUd0*psndee(1)(1)K K URICKCK 從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，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：式： 4 4、靜特性方程靜特性方程*psndepse(1/)K K UI RnCK KCnn0（2-1）K-閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)

7、閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)esPCKKK 式中閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)式中閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K K為：為：espCKKK 它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把它相當(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)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)，是速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。nEC e電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為：電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為：注意：注意： 式式 表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表示閉環(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)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

8、特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“閉環(huán)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性調(diào)速系統(tǒng)靜特性”，以示區(qū)別。，以示區(qū)別。+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntgKP 1CeKSUnespCKKK*psndee(1)(1)K KURICKCKnKpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs 5 5、閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖圖2-2 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)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)圖( (a)a) 圖中各方塊內(nèi)的符號(hào)代表該環(huán)節(jié)

9、的圖中各方塊內(nèi)的符號(hào)代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)放大系數(shù)。運(yùn)用結(jié)。運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算法同樣可以推出式（構(gòu)圖運(yùn)算法同樣可以推出式（2-12-1）所表示的）所表示的靜特性方程式靜特性方程式。 方法如下：將方法如下：將給定量給定量和和擾動(dòng)量擾動(dòng)量看成兩個(gè)獨(dú)立的輸入量，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。給定量給定量擾動(dòng)量擾動(dòng)量b b）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)c c）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng))1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn

10、n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E 由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者者疊加疊加起來，即得系統(tǒng)的起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式靜特性方程式：)1 ()1 (ede*nspKCRIKCUKKnKpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs可得轉(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：可得轉(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：6、系統(tǒng)靜特性分析、系統(tǒng)靜特性分析 比較一下比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和和閉環(huán)系統(tǒng)的靜閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。

11、 如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特開環(huán)機(jī)械特性性為：為： opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(23) 而而閉環(huán)時(shí)的靜特性閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成：可寫成： llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1 ()1 (22) 比較式（比較式（2-32-3）和式（）和式（2-22-2）不難得出以下的論斷）不難得出以下的論斷： （1 1）閉環(huán)系統(tǒng)靜）閉環(huán)系統(tǒng)靜特特性可以比開環(huán)系統(tǒng)性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。機(jī)械特性硬得多。Knnl1opc(2-4) 它們的關(guān)系是：它們的關(guān)系是：edopCRIn)1 (edcKCRInl和和 在同樣的

12、負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為：為：當(dāng)當(dāng) n n0op0op =n =n0cl0cl 時(shí)：時(shí)： （2 2）在相同的理想空載轉(zhuǎn)速條件下，閉）在相同的理想空載轉(zhuǎn)速條件下，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多環(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：閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為：lllnnsc0ccop0opopnns和和Kssl1opc（2-5） (3)(3)當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)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)速范圍可以大大提高調(diào)速范圍opc)1(DKDl(2-6) 如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nN；而對(duì)最；而

13、對(duì)最低速靜差率的要求相同，那么：低速靜差率的要求相同，那么：)1 (opNopsnsnD)1 (cNcsnsnDll 開環(huán)時(shí)：開環(huán)時(shí)： 閉環(huán)時(shí)：閉環(huán)時(shí)： 再考慮式（再考慮式（2-42-4），）， 得：得： Knnl1opc （4 4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必）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)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。Knnl1opc(2-4) 轉(zhuǎn)速降關(guān)系：轉(zhuǎn)速降關(guān)系：Kssl1opc（2-5）靜差率關(guān)系：靜差率關(guān)系：opc)1 (DKDl(2-6) 調(diào)

14、速范圍關(guān)系：調(diào)速范圍關(guān)系： （1 1）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性， （2 2）在保證一定）在保證一定靜差率靜差率的要求下，的要求下，能夠能夠提高調(diào)速范圍提高調(diào)速范圍。 為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)： （1 1）電壓放大器電壓放大器 （2 2）檢測(cè)與反饋裝置檢測(cè)與反饋裝置。 結(jié)論：結(jié)論：例題例題2-1 2-1 在例題在例題1-21-2中，龍門刨床要求中，龍門刨床要求: : D D = 20 = 20，s s 5% R，因此：，因此：scom*ndbRUUIl（2-10）sspcom*nspdb)(RKKRUUKKIl（2-9）五五、電流截止負(fù)反饋