變流技術與運動控制--第 4 課

1、閉環(huán)控制的直流調速系統閉環(huán)控制的直流調速系統 第第 二二 章章變流技術與運動控制變流技術與運動控制變流技術與運動控制變流技術與運動控制變流技術與運動控制變流技術與運動控制內容提要內容提要 開環(huán)調速系統開環(huán)調速系統無法滿足人們期無法滿足人們期望的性能指標。望的性能指標。 本章就本章就閉環(huán)控制的直流調速系統閉環(huán)控制的直流調速系統展開分析和討論。展開分析和討論。1.1.轉速單閉環(huán)直流調速系統轉速單閉環(huán)直流調速系統2.2.轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統3.3.調節(jié)器的設計方法調節(jié)器的設計方法本章內容本章內容4. 4. 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統的數字實現轉速、電流雙閉環(huán)直流

2、調速系統的數字實現 5. 5. 直流調速系統的仿真直流調速系統的仿真2.1 2.1 轉速單閉環(huán)直流調速系統轉速單閉環(huán)直流調速系統本節(jié)提要本節(jié)提要1.1.轉速單閉環(huán)直流調速系統的轉速單閉環(huán)直流調速系統的控制規(guī)律控制規(guī)律2.2.轉速單閉環(huán)直流調速系統的轉速單閉環(huán)直流調速系統的限流保護限流保護3.3.轉速單閉環(huán)直流調速系統的轉速單閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)數學模型動態(tài)數學模型4.4.PIPI控制規(guī)律及控制規(guī)律及調節(jié)器的設計調節(jié)器的設計2.1.1 2.1.1 轉速單閉環(huán)直流調速系統的控制規(guī)律轉速單閉環(huán)直流調速系統的控制規(guī)律 根據自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)根據自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統是按系統是按被

3、調量的偏差被調量的偏差進行控制的系統，進行控制的系統，只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。正偏差的作用。 調速系統的調速系統的轉速降落轉速降落正是由負載引起正是由負載引起的轉速偏差，顯然，引入轉速閉環(huán)將使調的轉速偏差，顯然，引入轉速閉環(huán)將使調速系統應該能夠大大減少轉速降落。速系統應該能夠大大減少轉速降落。 1、系統工作原理、系統工作原理圖圖2-1 2-1 采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg比例放大器比例放大器放大

4、倍數放大倍數KP（P調節(jié)器）調節(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)調速系統的穩(wěn)態(tài)特性，下面分析閉環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉速降落。為了突以確定它如何能夠減少轉速降落。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，假定系統中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系都是中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關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阻內阻。直流電動機直流電動機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比例調節(jié)器比例調節(jié)器Uc = KpUn電力電子變換器電力電子變換器Ud0 = KsUc測速反饋環(huán)節(jié)測速反饋環(huán)節(jié)Un = n 3 3、穩(wěn)態(tài)關系穩(wěn)態(tài)關系 轉速負反饋直流調速系統中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下：轉速負反饋直流調速系統中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下： 電壓比較環(huán)節(jié)電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU比例調節(jié)器比例調節(jié)器 npcUKU電力電子變換器電力電子變換器 cs0dUKU直流電動機直流電動機 ed0dCRIUn測速反饋環(huán)節(jié)測速反饋環(huán)節(jié) nUn以上各關系式中：以上各關系式中： 放大器的電壓放大系數；放

6、大器的電壓放大系數； 電力電子變換器的電壓放大系數；電力電子變換器的電壓放大系數； 轉速反饋系數，（轉速反饋系數，（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 從上述五個關系式中消去中間變量，整理后，從上述五個關系式中消去中間變量，整理后，即得轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統的靜特性方程即得轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統的靜特性方程式：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)系統開環(huán)放大系數

7、閉環(huán)系統開環(huán)放大系數esPCKKK 式中閉環(huán)系統的開環(huán)放大系數式中閉環(huán)系統的開環(huán)放大系數K K為：為：espCKKK 它相當于在測速反饋電位器輸出端把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，是速反饋輸出為止總的電壓放大系數，是各各環(huán)節(jié)單獨的放大系數的乘積環(huán)節(jié)單獨的放大系數的乘積。nEC e電動機環(huán)節(jié)放大系數為：電動機環(huán)節(jié)放大系數為：注意：注意： 式式 表示閉環(huán)系統電動機轉速表示閉環(huán)系統電動機轉速 與負載電流（或轉矩）間的穩(wěn)態(tài)關系，它在形式上與開環(huán)與負載電流（或轉矩）間的穩(wěn)態(tài)關系，它在形式上與開環(huán)機械

8、特性相似，但本質上卻有很大不同，故定名為機械特性相似，但本質上卻有很大不同，故定名為“閉環(huán)閉環(huán)調速系統靜特性調速系統靜特性”，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)系統的穩(wěn)態(tài)結構框圖閉環(huán)系統的穩(wěn)態(tài)結構框圖圖圖2-2 2-2 轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統穩(wěn)態(tài)結構圖轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統穩(wěn)態(tài)結構圖( (a)a) 圖中各方塊內的符號代表該環(huán)節(jié)

9、的圖中各方塊內的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數放大系數。運用結。運用結構圖運算法同樣可以推出式（構圖運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量擾動量看成兩個獨立的輸入量，看成兩個獨立的輸入量，先按它們分別作用下的系統求出各自的輸出與輸入關系式先按它們分別作用下的系統求出各自的輸出與輸入關系式。給定量給定量擾動量擾動量b b）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統只考慮給定作用時的閉環(huán)系統c c）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統)1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn

10、n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E 由于已認為系統是線性的，可以把二由于已認為系統是線性的，可以把二者者疊加疊加起來，即得系統的起來，即得系統的靜特性方程式靜特性方程式：)1 ()1 (ede*nspKCRIKCUKKnKpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs可得轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統穩(wěn)態(tài)結構圖：可得轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統穩(wěn)態(tài)結構圖：6、系統靜特性分析、系統靜特性分析 比較一下比較一下開環(huán)系統的機械特性開環(huán)系統的機械特性和和閉環(huán)系統的靜閉環(huán)系統的靜特性特性，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，則上述系統的如果斷開反饋回路，則上述系統的開環(huán)機械特開環(huán)機械特性性為：為： opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(23) 而而閉環(huán)時的靜特性閉環(huán)時的靜特性可寫成：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)系統靜）閉環(huán)系統靜特特性可以比開環(huán)系統性可以比開環(huán)系統機械特性硬得多。機械特性硬得多。Knnl1opc(2-4) 它們的關系是：它們的關系是：edopCRIn)1 (edcKCRInl和和 在同樣的

12、負載擾動下，兩者的轉速降落分別在同樣的負載擾動下，兩者的轉速降落分別為：為：當當 n n0op0op =n =n0cl0cl 時：時： （2 2）在相同的理想空載轉速條件下，閉）在相同的理想空載轉速條件下，閉環(huán)系統的靜差率要小得多環(huán)系統的靜差率要小得多閉環(huán)系統和開環(huán)系統的靜差率分別為：閉環(huán)系統和開環(huán)系統的靜差率分別為：lllnnsc0ccop0opopnns和和Kssl1opc（2-5） (3)(3)當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統可以大大提高調速范圍可以大大提高調速范圍opc)1(DKDl(2-6) 如果電動機的最高轉速都是如果電動機的最高轉速都是nN；而對最；而

13、對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：開環(huán)時： 閉環(huán)時：閉環(huán)時： 再考慮式（再考慮式（2-42-4），）， 得：得： Knnl1opc （4 4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統必）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統必須設置放大器須設置放大器 上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點。 即即K 要足夠大，因此必須設置放大器。要足夠大，因此必須設置放大器。Knnl1opc(2-4) 轉速降關系：轉速降關系：Kssl1opc（2-5）靜差率關系：靜差率關系：opc)1 (DKDl(2-6) 調

14、速范圍關系：調速范圍關系： （1 1）閉環(huán)調速系統可以獲得比開環(huán)）閉環(huán)調速系統可以獲得比開環(huán)調速系統硬得多的調速系統硬得多的穩(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，能夠能夠提高調速范圍提高調速范圍。 為此所需付出的代價是，須增設為此所需付出的代價是，須增設： （1 1）電壓放大器電壓放大器 （2 2）檢測與反饋裝置檢測與反饋裝置。 結論：結論：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、電流截止負反饋