第2章1、2節(jié)閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、運動運動控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)第第2章章閉環(huán)控制的直流調(diào)速閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)n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) n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) n調(diào)節(jié)器的設計方法調(diào)節(jié)器的設計方法 內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題 采用采用開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。如果負載的生產(chǎn)工藝對運行時的如果負載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以找到一些用途。速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無

2、級調(diào)速，可以找到一些用途。 但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有一定的要但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對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。求。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性為 nnCRICUKCRIUnedecsedd00 根據(jù)根據(jù)自動控制原理自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是，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。現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。而維而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，持被調(diào)

3、節(jié)量很少變化或不變， 調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速調(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，引入偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應該能將使調(diào)速系統(tǒng)應該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。 圖2-1 帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖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) 2.1.12.1.1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n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，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速

4、成正比的負反饋電壓饋電壓Un ，nUn與給定電壓與給定電壓 U*n 相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un ，n Un經(jīng)過放大器經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生電力電子變換器，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓的控制電壓Uc ，用以控制電動機轉(zhuǎn)速，用以控制電動機轉(zhuǎn)速 n。n閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)的主要差別就在于轉(zhuǎn)速經(jīng)過閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)的主要差別就在于轉(zhuǎn)速經(jīng)過測量元件反饋到輸入端參與控制。測量元件反饋到輸入端參與控制。 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系 n*nnUUU電壓比較環(huán)節(jié)電壓比較環(huán)節(jié)npcUKU比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器nUn測速反饋環(huán)節(jié)測速反

5、饋環(huán)節(jié)csdUKU0電力電子變換器電力電子變換器ed0dCRIUn直流電動機直流電動機以上各關系式中新出現(xiàn)的系數(shù)為：以上各關系式中新出現(xiàn)的系數(shù)為： 比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin/r） 電力電子變換器理想空載輸出電壓（電力電子變換器理想空載輸出電壓（V）（變換器內(nèi)阻已并入）（變換器內(nèi)阻已并入電樞回路總電阻電樞回路總電阻R中）。中）。pK0dU閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程n*nnUUU電壓比較環(huán)節(jié)電壓比較環(huán)節(jié)npcUKU比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器nUn測速反饋環(huán)節(jié)測速反饋環(huán)節(jié)csdUKU0電力電子變換器電力電子變換器ed0dCRIUn

6、直流電動機直流電動機 從上述五個關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)速從上述五個關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)的靜特性方程式系統(tǒng)的靜特性方程式)K1(CRI)K1(CUKK)C/KK1(CRIUKKnede*Nspesped*nsp閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程n*nnUUU電壓比較環(huán)節(jié)電壓比較環(huán)節(jié)npcUKU比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器nUn測速反饋環(huán)節(jié)測速反饋環(huán)節(jié)csdUKU0電力電子變換器電力電子變換器ed0dCRIUn直流電動機直流電動機ed0dCRIUn cs0dUKU edcsCRIUKn npcUKU n*nnUUU ednp

7、sCRIUKKn 從上述五個關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)速從上述五個關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)的靜特性方程式系統(tǒng)的靜特性方程式)1(ed)1(e*nsp)e/sp1(ed*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn n閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程靜特性方程ed)n*n(psCRIUUKKn nU ned)*n(psCRInUKKn n*nnUUU電壓比較環(huán)節(jié)電壓比較環(huán)節(jié)npcUKU比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器nUn測速反饋環(huán)節(jié)測速反饋環(huán)節(jié)csdUKU0電力電子變換器電力電子變換器ed0dCRIUn直流電動機直流電動機靜特性方程式靜特性

8、方程式式中式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán) 放大系數(shù)放大系數(shù) )K1(CRI)K1(CUKK)C/KK1(CRIUKKnede*Nspesped*nsp（2-1） espCKKKKpKs a1CenUn* Un n只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng) 圖圖2-2 轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖)1 (0)1 ()1 (e*nspede*nspKCUKKnIKCRIKCUKKnd令espCKKKn只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng) 圖圖2-22-2 轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

9、穩(wěn)態(tài)結構框圖)1 (0U)1 ()1 (ed*nede*nspKCRInKCRIKCUKKn令espCKKK穩(wěn)態(tài)結構圖穩(wěn)態(tài)結構圖 圖圖2-2 轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖+=)1 (*KCUKKneNsp)1 (KCRIned系統(tǒng)靜特性分析系統(tǒng)靜特性分析 n閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程式為閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程式為n它的開環(huán)機械特性為它的開環(huán)機械特性為 clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (（2-2） （2-3） opopedenspeddnnCRICUKKCIUn0*0cln0opn0clnopnn式中，式中， 和和 分別表示閉

10、環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；分別表示閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速； 和和 分別表示閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。分別表示閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。 穩(wěn)態(tài)速降的比較穩(wěn)態(tài)速降的比較（1）在相同的負載擾動下，閉環(huán)系統(tǒng)的負載降落）在相同的負載擾動下，閉環(huán)系統(tǒng)的負載降落僅為開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落的僅為開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落的 。K11)K1(CRInedcledopCRIn它們的關系是它們的關系是 K1nnopcl（2-4） clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (opopedenspeddnnCRICUKKCIUn0*0圖圖2-3 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特

11、性轉(zhuǎn)速靜差率的比較轉(zhuǎn)速靜差率的比較（2）在相同的理想空載轉(zhuǎn)速條件下，閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速）在相同的理想空載轉(zhuǎn)速條件下，閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速靜差率也僅為開環(huán)系統(tǒng)的靜差率也僅為開環(huán)系統(tǒng)的 。 K11cl0clclnnsopopopnns0因為條件是因為條件是 ，所以，所以op0cl0nnK1ssopcl（2-5） clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (opopedenspeddnnCRICUKKCIUn0*0調(diào)速范圍的比較調(diào)速范圍的比較（3）在相同的靜差率約束下，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍）在相同的靜差率約束下，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍為開環(huán)系統(tǒng)的（為開環(huán)系統(tǒng)的（1+K）倍。）倍。 當系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)

12、速是電動機額定轉(zhuǎn)速當系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速是電動機額定轉(zhuǎn)速 ，所要，所要求的靜差率為求的靜差率為s時，時， Nn)s1(nnDclNcl)s1(nnDopNop由式（由式（2-4） 得到得到 opclD)K1(D（2-6） K1nnopcln從上述三點可見，從上述三點可見， 閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)的機械特性要閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)的機械特性要硬得多，硬得多， 在保證一定靜差率的要求下，閉環(huán)系統(tǒng)能夠在保證一定靜差率的要求下，閉環(huán)系統(tǒng)能夠擴大調(diào)速范圍。擴大調(diào)速范圍。 有一V-M調(diào)速系統(tǒng)：電動機參數(shù)PN=2.2kW, UN=220V, IN=12.5A, nN=1500 r/min，電樞電阻Ra=1

13、.5，電樞回路電抗器電阻RL=0.8，整流裝置內(nèi)阻Rrec=1.0,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=35。要求系統(tǒng)滿足調(diào)速范圍D=20，靜差率 。（1）計算開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降nop和調(diào)速要求所允許的閉環(huán)靜態(tài)速降ncl 。（2）采用轉(zhuǎn)速負反饋組成閉環(huán)系統(tǒng)，試畫出系統(tǒng)的原理圖和靜態(tài)結構圖。（3）調(diào)整該系統(tǒng)參數(shù)，使當Un*=15V時，Id=IN，n=nN ，則轉(zhuǎn)速負反饋系數(shù) 應該是多少？（4）計算放大器所需的放大倍數(shù)。10%s 解：（1）22012.5 1.5201.25/15000.134min/1500NNaeeUI RnCCVr12.5 3.3/0.134307.836 /minNNeNopeUI

14、 RnCI RnrC 1500 10%8.33 /min120 90%NNn snrDsmin/33. 8rncl所以，所以，解：（2）解：（3） （4）111psndndeeK K UI RKUI RnCKKCK307.8361135.9558.33opclnKn 35.955 1512.5 3.31500135.9550.134 135.955rV min/0096. 0(4)可以求得可以求得35.9550.13414.34350.0096epsKCKK 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程圖圖2-4 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機械特性的關系閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機械特性的關系開環(huán)系統(tǒng) Id n 例如

15、：在圖2-4中工作點從A A 閉環(huán)系統(tǒng) Id n Un Un n Ud0 Uc例如：在圖2-4中工作點從A Bn最終從最終從A點所在的開環(huán)機械特性過渡到點所在的開環(huán)機械特性過渡到B點所在點所在的開環(huán)機械特性，電樞電壓由的開環(huán)機械特性，電樞電壓由 增加至增加至 。n閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是由多條開環(huán)機械特性上相閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是由多條開環(huán)機械特性上相應的工作點組成的一條特性曲線。應的工作點組成的一條特性曲線。 01dU02dU反饋控制規(guī)律反饋控制規(guī)律 1.只有比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍是只有比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍是有靜差的。有靜差的。 從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例

16、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。 只有 K = ，才能使 ncl = 0，而這是不可能的。過大的K值也會導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 )K1(CRInedcl2.反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定 。 一方面能夠有效地抑制一切被包含在負反饋環(huán)一方面能夠有效地抑制一切被包含在負反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；內(nèi)前向通道上的擾動作用； 另一方面則能緊緊跟隨著給定作用，對給定信號另一方面則能緊緊跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從。的任何變化都是唯命是從。 反饋控制規(guī)律反饋控制規(guī)律 擾動擾動除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上

17、的除給定信號外，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一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用擾動作用”。n 調(diào)速系統(tǒng)的擾動源調(diào)速系統(tǒng)的擾動源n負載變化的擾動（使負載變化的擾動（使Id變化）；變化）；n交流電源電壓波動的擾動（使交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；變化）；n電動機勵磁的變化的擾動（造成電動機勵磁的變化的擾動（造成Ce 變化變化 ）；）；n放大器輸出電壓漂移的擾動（使放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）；變化）；n溫升引起主電路電阻增大的擾動（使溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；變化）；n檢測誤差的擾動（使檢測誤差的擾動（使 變化）變化） 。 各種

18、擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結構框圖上表示出來了，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結構框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。圖圖2-5 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用例如例如:KP UC Ud0 n Un Un Uc Ud0 n 3.系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。 反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是給定信號的正常調(diào)節(jié)反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是給定信號的正常調(diào)節(jié)還是外界的電壓波動。還是外界的電壓波動。 反饋通道上有一個測速反饋系數(shù)，它同樣存在反饋通道上有一個測速反饋系數(shù)，它同樣存在著因擾動而發(fā)生的波動，由于它不是

19、在被反饋環(huán)著因擾動而發(fā)生的波動，由于它不是在被反饋環(huán)包圍的前向通道上，因此也不能被抑制。包圍的前向通道上，因此也不能被抑制。 反饋控制規(guī)律反饋控制規(guī)律 例如：例如： Un Un Uc Ud0 n 2.1.2 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護 問題的提出：問題的提出： 采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓突然加上給定電壓時，時，由于由于慣性慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當于偏，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當于偏差電壓差電壓Un=Un*，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的 1+K 倍。倍

20、。n=0Un=0Un=Un*2.1.2 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護 問題的提出：問題的提出： 而放大器和晶閘管整流裝置的慣性都較小，整流電壓而放大器和晶閘管整流裝置的慣性都較小，整流電壓Ud一一下子就達到最高值。對電動機來說，下子就達到最高值。對電動機來說，相當于全電壓起動相當于全電壓起動，會產(chǎn)，會產(chǎn)生生很大的沖擊電流很大的沖擊電流，這不僅對電機換向不利，對過載能力低的，這不僅對電機換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。電力電子器件來說，更是不能允許的。n=0Un=0Un=Un*Ud達到最大值達到最大值2.1.2 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

21、的限流保護轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護 n限流問題的提出：限流問題的提出：堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)電流電動機堵轉(zhuǎn)時，電流將遠遠超過允許值電動機堵轉(zhuǎn)時，電流將遠遠超過允許值。 有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。故障，機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳

22、閘，也會給正常工作帶來不便。一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。 解決辦法：解決辦法：電樞串電阻起動；電樞串電阻起動；引入電流截止負反饋；引入電流截止負反饋；加積分給定環(huán)節(jié)。加積分給定環(huán)節(jié)。n 電流負反饋作用機理電流負反饋作用機理 為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。 根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應該引入那個物理量的負反饋。那么，引入應該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋電流

23、負反饋，應，應該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。 考慮到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運行考慮到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運行時應讓電流自由地隨著負載增減。時應讓電流自由地隨著負載增減。 如果采用某種方法，當電流大到一定程度時才接入電流負如果采用某種方法，當電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負反饋起作用控制轉(zhuǎn)反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負反饋，簡稱速。這種方法叫做電流截止負反饋，簡稱截流反饋截流反饋。電流截止負反饋的應用電流截止負反饋的應用

24、 n在原先的轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)系統(tǒng)的基礎上，再增加一個電在原先的轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)系統(tǒng)的基礎上，再增加一個電流負反饋，流負反饋，n令電流負反饋在電動機起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，維持電流令電流負反饋在電動機起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，維持電流基本不變；基本不變；n當電動機在正常運行時，取消此電流負反饋，不影響系當電動機在正常運行時，取消此電流負反饋，不影響系統(tǒng)的調(diào)速性能。統(tǒng)的調(diào)速性能。n此類只在電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負反饋被稱此類只在電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負反饋被稱為電流截止負反饋。為電流截止負反饋。 電流截止負反饋環(huán)節(jié)電流截止負反饋環(huán)節(jié) 在主電路中的采在主電路中的采樣電阻樣電阻 比較電壓比較電壓 時

25、，時，輸出和輸入相等；輸出和輸入相等； 時，時，輸出為零。輸出為零。 圖2-6 電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性sRcomU0comsdURI0comsdURI穩(wěn)態(tài)結構框圖穩(wěn)態(tài)結構框圖 圖圖2-7 帶電流截止負反饋環(huán)的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)帶電流截止負反饋環(huán)的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)結構框圖穩(wěn)態(tài)結構框圖電流截止負反饋環(huán)節(jié)的形式電流截止負反饋環(huán)節(jié)的形式 圖圖2-8 電流截止負反饋環(huán)節(jié)電流截止負反饋環(huán)節(jié)（a）利用獨立直流電源作比較電壓（b）利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓0VDdscomI RU 時，導通idscomUI RU靜特性方程式靜特性方程式 n當當 時，電流負反饋被截止，系統(tǒng)就是單純的轉(zhuǎn)速時，電流負反饋被

26、截止，系統(tǒng)就是單純的轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)，負反饋調(diào)速系統(tǒng)， n當當 時，電流負反饋與轉(zhuǎn)速負反饋同時存在，時，電流負反饋與轉(zhuǎn)速負反饋同時存在， )K1(CRI)K1(CUKKnede*Nsp)1 ()()1 ()(*KCIRKKRKCUUKKnedsspecomnsp（2-1） （2-7） dcrdII dcrdII靜特性方程式靜特性方程式 n當當 時，電流負反饋與轉(zhuǎn)速負反饋同時存在，時，電流負反饋與轉(zhuǎn)速負反饋同時存在， *()(1)(1)psnideeK K UURInCKCK)1 ()()1 ()(*KCIRKKRKCUUKKnedsspecomnspdcrdII*()(1)(1)(1)psn

27、pssdcomdeeeK K UK K R IURInCKCKCK*(1)(1)(1)(1)psnpscompssddeeeeK K UK K UK K R IRInCKCKCKCK圖圖2-9 帶電流截止負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性帶電流截止負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性（1）電流負反饋的作用相當于在主電路）電流負反饋的作用相當于在主電路中串入一個大電阻中串入一個大電阻 Kp Ks Rs ，因而穩(wěn)，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。態(tài)速降極大，特性急劇下垂。（2）比較電壓）比較電壓 Ucom 與給定電壓與給定電壓 Un* 的作的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到到（2-8

28、） )1 ()(ecom*nsp0KCUUKKn*psncompssdee()()(1)(1)K K UURK K R InCKCK*0(1)psneK K UnCK)1 ()(ecom*nsp0KCUUKKn(1)deRInCK ()(1)pssdeRK K R InCK圖圖2-9 帶電流截止負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性帶電流截止負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性（3 3）這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機）這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機特性。當挖土機遇到堅硬的石塊而過載時，電特性。當挖土機遇到堅硬的石塊而過載時，電動機停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流。令動機停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流。令n

29、 n=0=0，得，得到堵轉(zhuǎn)電流到堵轉(zhuǎn)電流I Idbldbl，它限制了電動機電流，起到了，它限制了電動機電流，起到了保護電動機的作用。保護電動機的作用。在式中，令在式中，令 n = 0，得，得sspcomnspdblRKKRUUKKI)(*（2-9） scomndblRUUI*0)1 ()()1 ()(edsspecom*nspKCIRKKRKCUUKKn考慮到考慮到 Kp Ks Rs R，因此，因此 參數(shù)設計參數(shù)設計n 應小于電動機允許的最大電流，一般可取應小于電動機允許的最大電流，一般可取 ，n截止電流截止電流 可略大于電動機的額定電流，可略大于電動機的額定電流， dblINdblII)25

30、 . 1 (dcrINdcrII)21.1 . 1 (n在題2.5的轉(zhuǎn)速負反饋系統(tǒng)中增設電流截止環(huán)節(jié)，要求堵轉(zhuǎn)電流 ，臨界截止電流 ，應該選用多大的比較電壓和電流反饋采樣電阻？要求電流反饋采樣電阻不超過主電路總電阻的1/3 ,如果做不到，需要增加電流反饋放大器，試畫出系統(tǒng)的原理圖和靜態(tài)結構圖，并計算電流反饋放大系數(shù)。這時電流反饋采樣電阻和比較電壓各為多少？ NdblII2NdcrII2 . 1AIINdbl252AIINdcr152 . 115comcomdcrssUUIRR*1525ncomcomdblssUUUIRR1.01.50.81.1 ,(/3)331.1 ,ssRRRR不符合要求，

31、取需加電流反饋放大器1.1sR 15 1.1 16.5comdcrsUIRV解：（1） ，（2）由于需要的檢測電阻值大，說明要求的電流信號值也大。要同時滿足檢測電阻小和電流信號大的要求，則必須采用放大器，對電流信號進行放大。為此， 取，則0idscomUI RU1.5151.522.5scomRUVdcrdII*111psnpsisdcomdeeeK K UK K KR IURInCKCKCK（3） 當時，有*()(1)(1)psnideeK K UURInCKCK*(1)(1)(1)(1)psnpsicompsisddeeeeK K UK K KUK K K R IRInCKCKCKCK*1

32、1psnicompsisdeeK KUK URK K K RInCKCKdcrdII*11psnicompsisdeeK KUK URK K K RInCKCK*psnicomnicomdblpsisisK KUK UUK UIRK K K RK R1516.52515/ 22.513.51.361.1iiiKKK（3） 當時，有當n=0時，2.1.3 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)，必須首先建為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學模型，對于連續(xù)的線性定立描述系統(tǒng)動態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學

33、模型，對于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用常系統(tǒng)，其數(shù)學模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動態(tài)結構圖表示。傳遞函數(shù)和動態(tài)結構圖表示。 建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基本步驟如下：建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學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)動態(tài)）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)動態(tài)過程的微分方程；過程的微分方程；（2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3）組成系統(tǒng)的動態(tài)結構圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。）組成系統(tǒng)的動態(tài)結構圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。2.1.3 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)

34、數(shù)學模型n任何一個帶有儲能環(huán)節(jié)的物理系統(tǒng)動態(tài)過程都應該用微分任何一個帶有儲能環(huán)節(jié)的物理系統(tǒng)動態(tài)過程都應該用微分方程來描述，方程來描述，n系統(tǒng)的響應（即微分方程的解）包括兩部分：動態(tài)響應和系統(tǒng)的響應（即微分方程的解）包括兩部分：動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)解。穩(wěn)態(tài)解。n轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在動態(tài)過程中，輸出響應不能立轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在動態(tài)過程中，輸出響應不能立即達到給定的輸入值，這就是系統(tǒng)的動態(tài)響應；即達到給定的輸入值，這就是系統(tǒng)的動態(tài)響應；n只有當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，才能用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)只有當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，才能用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。特性。n 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)：各環(huán)節(jié)：比例

35、放大器、電力電子器件、直流電動機和轉(zhuǎn)速檢測及反饋比例放大器、電力電子器件、直流電動機和轉(zhuǎn)速檢測及反饋環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型n第一個環(huán)節(jié)是比例放大器，其響應可以認為是瞬第一個環(huán)節(jié)是比例放大器，其響應可以認為是瞬時的，所以它的傳遞函數(shù)就是它的放大系數(shù)，即時的，所以它的傳遞函數(shù)就是它的放大系數(shù)，即pncPKsUsUsW)()()(（2-11） 電力電子變換器電力電子變換器n第二個環(huán)節(jié)是電力電子變換器，晶閘管觸發(fā)與整第二個環(huán)節(jié)是電力電子變換器，晶閘管觸發(fā)與整流裝置的近似傳遞函數(shù)，與流裝置的近似傳遞函數(shù)，與PWM控制與變換裝控制與變換裝置的近似傳遞函數(shù)表達式是相

36、同的，都是置的近似傳遞函數(shù)表達式是相同的，都是sT1K)s(U)s(U)s(Wssc0ds（2-12） TL+-MUd0+-E R LneidM直流電動機直流電動機EtILRIUddddd0(2-13) 假定主電路電流假定主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為方程為 電路方程電路方程圖圖1-33 他勵直流電動機等效電路他勵直流電動機等效電路 直流電動機直流電動機n在額定勵磁下，在額定勵磁下， ，忽略摩擦力及彈性變形，忽略摩擦力及彈性變形，電力拖動系統(tǒng)運動的微分方程為電力拖動系統(tǒng)運動的微分方程為 （2-14）式中式中 電磁轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩（Nm）; 包括電動機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)包括電動

37、機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩（矩（Nm）；）； 電力拖動系統(tǒng)折算到電動機軸上電力拖動系統(tǒng)折算到電動機軸上的飛輪慣量（的飛輪慣量（Nm2）；）；dtdn375GDTT2LeeTLT2GDnCEe直流電動機直流電動機n在額定勵磁下，在額定勵磁下，式中式中 電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（Nm/A）n再定義再定義 電樞回路電磁時間常數(shù)電樞回路電磁時間常數(shù)(s)， 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)（電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)（s）,dmeICT mClTRLTlmT2375memGD RTC C直流電動機直流電動機n根據(jù)根據(jù)R、Te、Tl 和和 Tm 的的定義對式（的的定義對式（2-13）和）和（2-14）作整

38、理后得）作整理后得 )dddd(0dtIlTIREU EtILRIU ddddd0tILRIEUddddd0 RLlT tERTIIddmdLdmLdLCTI式中式中 為負載電流。為負載電流。 直流電動機直流電動機meddmeCTIICT eCEnneCE mCtnGDmCLTeTIIdd3752dLd mLdLCTI RCCTGDCCRGDTmem3752me3752m tnRCTtnmRCCCTIIddemddmemdLd tERTIIddmdLd直流電動機直流電動機在零初始條件下，取等式兩側的拉氏變換，得在零初始條件下，取等式兩側的拉氏變換，得電流與電壓電流與電壓間的傳遞函數(shù)為間的傳遞函

39、數(shù)為 n轉(zhuǎn)速與電流之間的傳遞函數(shù)為轉(zhuǎn)速與電流之間的傳遞函數(shù)為11)()()(0sTRsEsUsIldd)s(TR)s(I)s(I)s(EmdLddd0dd()dlIUER ITtmddLddTEIIRt圖圖2-11 額定勵磁下的直流電動機的動態(tài)結構框圖額定勵磁下的直流電動機的動態(tài)結構框圖)()(11)(11)()()(00sEsUsTRsIsTRsEsUsIdldldd)()()()()()()()(sIsIsTRsEsTRsIsIsEdLdmmdLd 由上圖由上圖c可以看出，直流電動機有兩個輸入量可以看出，直流電動機有兩個輸入量: 一個是施加在電樞上的一個是施加在電樞上的理想空載電壓理想空載

40、電壓 另一個是另一個是負載電流負載電流。 前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。 電勢電勢E是根據(jù)直流電動機工作時電壓平衡方程式而形成的是根據(jù)直流電動機工作時電壓平衡方程式而形成的內(nèi)部反饋量。內(nèi)部反饋量。 如果不需要在結構圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點如果不需要在結構圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進行等效變換，得下圖移前，再進行等效變換，得下圖a。如果是理想空載，則。如果是理想空載，則 IdL = 0，結構圖即簡化成下圖，結構圖即簡化成下圖b。 1/CeUd0IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tmsn(s)Ud0

41、 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n 動態(tài)結構圖的變換和簡化動態(tài)結構圖的變換和簡化a. IdL 0額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環(huán)節(jié)，額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環(huán)節(jié)，Tm 和和Tl 兩個時兩個時間常數(shù)分別表示機電慣性和電磁慣性。間常數(shù)分別表示機電慣性和電磁慣性。 n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)n 動態(tài)結構圖的變換和簡化動態(tài)結構圖的變換和簡化b. IdL= 0測速反饋測速反饋 n第四個環(huán)節(jié)是測速反饋環(huán)節(jié)，認為它的響應時間第四個環(huán)節(jié)是測速反饋環(huán)節(jié)，認為它的響應時間是瞬時的，傳遞函數(shù)就是它的放大系數(shù)。是瞬時

42、的，傳遞函數(shù)就是它的放大系數(shù)。)s(n)s(U)s(Wnfn（2-17） 動態(tài)結構框圖動態(tài)結構框圖 圖圖2-13 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖 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)中的相互關系組合起來，就可以畫出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，關系組合起來，就可以畫出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，如下圖所示。由圖可見，將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)如下圖所示。由圖可見，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

43、一個三階線性系統(tǒng)。三階線性系統(tǒng)。 開環(huán)傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù) 式中式中 2smm( )1/( )( )11nsepnlUsKCW sKUsT sT TsT s) 1)(1()()()(2sTsTTsTKsUsUsWmLmsnn（2-18） espC/KKK閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù) 設設Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系，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)是統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 ( )( )( )nnU sW sU s( )( )( )nnU sW sU s*( )( ) ( )( )nnnU sW sU sU s*( )( )( )( )( )nnnU sW s U s

44、W s U s*( )( )( )(1( )nn sW sU sW s*( )( )( )( )( )nnnU sW s U sW s U s*(1( )( )( )( )nW sn sW s U s *( )( )( )nnnU sU sU s( )( )nU sn s閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)KsTsTTsTCKKl) 1)(1(/m2msesp（2-19） *( )( )( )( )(1( )clnn sW sWsUsW s) 1)(1(/1) 1)(1(/)(m2msespm2msespcsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWlll111)(1)1 (sm2sm3smespsKTT

45、sKTTTsKTTTKCKKllpse2smmcpse2smm/(1)(1)( )/(1)(1)(1)lllK KCTsT TsT sW sK KCTsT TsT s單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 n三階系統(tǒng)的的特征方程為三階系統(tǒng)的的特征方程為 （2-20）01sK1TTsK1)TT(TsK1TTTsm2slm3slm它的一般表達式為它的一般表達式為 0322130asasasa 根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是穩(wěn)定的充分必要條件是 0000030213210aaaaaaaa， 式（式（2-20）的各項

46、系數(shù)顯然都是大于零的）的各項系數(shù)顯然都是大于零的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 n三階系統(tǒng)的的特征方程為三階系統(tǒng)的的特征方程為 （2-20）n因此因此穩(wěn)定的充分必要條件穩(wěn)定的充分必要條件 即即 （2-21） 01sK1TTsK1)TT(TsK1TTTsm2slm3slm0K1TTTK1TTK1)TT(Tslmsmslmsl2sslmTTT)TT(TK03021aaaan右邊稱作右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)KcrnKKcr 時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，以致無法工作。時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，以致無法工作。n由于由于Tl、Ts和和Tm都是系統(tǒng)的固有參數(shù)，而閉環(huán)系統(tǒng)都是系

47、統(tǒng)的固有參數(shù)，而閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)開環(huán)放大系數(shù)K中的中的Ks、Ce和和也是系統(tǒng)的既有參數(shù)，也是系統(tǒng)的既有參數(shù)，唯有唯有Kp是可以調(diào)節(jié)的指標。是可以調(diào)節(jié)的指標。n要使得要使得K35.955相矛盾，故系統(tǒng)不穩(wěn)定。要使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，K最大為30.52。如果Ts=0.001s220.0820.01510.00010.00010.0151*0.000182.556lmlsscrsTTTTKTT系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。2.1.4 PI控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設計控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設計1. 概概 述述 在設計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定在設計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標發(fā)生矛盾的情況，

48、這時，必須性與穩(wěn)態(tài)性能指標發(fā)生矛盾的情況，這時，必須設計合適的動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它設計合適的動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時滿足動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標兩方面的要求。同時滿足動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標兩方面的要求。2.1.4 PI控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設計控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設計n典型開環(huán)傳遞函數(shù)為：典型開環(huán)傳遞函數(shù)為： （2-22）n分母中的分母中的 項表示該系統(tǒng)在原點處有項表示該系統(tǒng)在原點處有r重極點，重極點，稱作稱作r型系統(tǒng)。型系統(tǒng)。rsn1jjrm1ii)1sT(s)1s(K)s(W積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律n采用放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)采用放大器的閉環(huán)

49、直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)有有3個開環(huán)極點，但沒有在原點處的極點。因此它個開環(huán)極點，但沒有在原點處的極點。因此它是歸屬于是歸屬于0型系統(tǒng)。型系統(tǒng)。n在階躍輸入時，該在階躍輸入時，該0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是 。n把該系統(tǒng)的類型改進為把該系統(tǒng)的類型改進為1型系統(tǒng)，就能把原先的型系統(tǒng)，就能把原先的0型有靜差系統(tǒng)改進為型有靜差系統(tǒng)改進為1型無差系統(tǒng)。型無差系統(tǒng)。 K11) 1)(1()()()(2sTsTTsTKsUsUsWmLmsnn2. 動態(tài)校正的方法動態(tài)校正的方法n串聯(lián)校正；串聯(lián)校正；n并聯(lián)校正；并聯(lián)校正；n反饋校正。反饋校正。 而且對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校而且對于一個系

50、統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也正方案也不是唯一不是唯一的。的。 在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，最常用的是串在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡單，也容聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡單，也容易實現(xiàn)。易實現(xiàn)。2.1.4 PI控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設計控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設計串聯(lián)校正方法：串聯(lián)校正方法：l無源網(wǎng)絡校正無源網(wǎng)絡校正RC網(wǎng)絡；網(wǎng)絡；l有源網(wǎng)絡校正有源網(wǎng)絡校正PID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。 對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，對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，一般采用由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能

51、完成動態(tài)校正的任務。器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務。2.1.4 PI控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設計控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設計 PID調(diào)節(jié)器的類型：調(diào)節(jié)器的類型：n比例微分（比例微分（PD）n比例積分（比例積分（PI）n比例積分微分（比例積分微分（PID）2.1.4 PI控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設計控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設計 PID調(diào)節(jié)器的功能調(diào)節(jié)器的功能n由由PD調(diào)節(jié)器構成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)調(diào)節(jié)器構成的超前校正，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；能受到影響；n由由PI調(diào)節(jié)器構成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精調(diào)節(jié)器構成的滯后校正，可以

52、保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；n用用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實現(xiàn)與調(diào)試要復雜一些。體實現(xiàn)與調(diào)試要復雜一些。 一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用采用PI調(diào)節(jié)器；在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要調(diào)節(jié)器；在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用要求，須用 PD 或或PID 調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。問題

53、的提出問題的提出 采用采用P放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，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；但越大，系統(tǒng)精度越高；但 Kp 過大，將降低過大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定。系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定。 進一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例進一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為 Uc = Kp UnnUc 0，電動機運行，即，電動機運行，即 Un 0 ；nUc = 0，電動機停止。，電動機停止。 積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器 因此，在采用因此，在采用比例調(diào)節(jié)器控制的自動比例調(diào)節(jié)器控制的自動系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，輸入偏差是維系

54、系統(tǒng)運行的基礎，必然要產(chǎn)生輸入偏差是維系系統(tǒng)運行的基礎，必然要產(chǎn)生靜差，因此是靜差，因此是有靜差系統(tǒng)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，如果要消除系統(tǒng)誤差，必須尋找其他控制方法，比如：比如：采用積分（采用積分（Integration）調(diào)節(jié)器或比例積）調(diào)節(jié)器或比例積分（分（PI）調(diào)節(jié)器來代替比例放大器）調(diào)節(jié)器來代替比例放大器。積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器 如圖，由運算放大如圖，由運算放大器可構成一個積分電器可構成一個積分電路。根據(jù)電路分析，路。根據(jù)電路分析，其電路方程其電路方程+CUCRbalUnR0+A積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器a) 原理圖原理圖tUCRUddc0n-

55、n0C1ddUCRtUi0i110ii -方程兩邊取積分，方程兩邊取積分， 得得 t0ncdtU1UCR0積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器n把比例調(diào)節(jié)器把比例調(diào)節(jié)器 (2-23) 換成積分調(diào)節(jié)器換成積分調(diào)節(jié)器 （2-24）n當初始值為零時，在當初始值為零時，在階躍輸入階躍輸入作用下，對式進行積作用下，對式進行積分運算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出分運算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出n在零初始條件下，取等式兩側的拉氏變換，得積分在零初始條件下，取等式兩側的拉氏變換，得積分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是傳遞函數(shù)是 （2-25）npcUKUt0ncdtU1UssWI1)(tUUnC積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器n采用積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的

56、開環(huán)傳遞函采用積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是數(shù)是 式中式中 （2-26）n采用積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)成了采用積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)成了1型系統(tǒng)，型系統(tǒng)，它被稱為它被稱為無靜差調(diào)速系統(tǒng)。無靜差調(diào)速系統(tǒng)。 )1sTsTT)(1sT( sK)s(U)s(U)s(Wm2LmsnnesCKK積分控制規(guī)律積分控制規(guī)律 t0ncdtU1Un 輸入輸入UN是階躍信號，是階躍信號，則輸出則輸出Uc 按按線性線性規(guī)律增規(guī)律增長。長。當輸出值達到積分調(diào)節(jié)當輸出值達到積分調(diào)節(jié)器輸出的飽和值器輸出的飽和值Ucom時，時，便維持在便維持在Ucom不變。不變。 圖2-14 積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程

57、tUUnC積分控制規(guī)律積分控制規(guī)律n只要只要Un0，積分調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)器的輸出器的輸出Uc便一直增長；便一直增長；只有達到只有達到Un=0時，時， Uc才停止上升；只有到才停止上升；只有到Un變負，變負， Uc才會下降。才會下降。n當當Un=0時，時， Uc并不是并不是零，而是某一個固定值零，而是某一個固定值Ucf 圖2-14 積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程t0ncdtU1U無靜差調(diào)速系統(tǒng)無靜差調(diào)速系統(tǒng)負載突增時的動態(tài)過程負載突增時的動態(tài)過程 n由于由于Idl的增加，轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)速n下降，下降，導致導致Un變正，在積分調(diào)節(jié)器變正，在積分調(diào)節(jié)器的作用下，的作用下，Uc上升，電樞電壓上升，電樞電

58、壓Ud上升，以克服上升，以克服Idl增加的壓降，增加的壓降，最終進入新的穩(wěn)態(tài)最終進入新的穩(wěn)態(tài) 。 *nnUU0nU2dLdII2ccUU U Uc c 的改變并非僅僅依靠的改變并非僅僅依靠 U Un n 本本身，而是依靠身，而是依靠 U Un n 在一段時間內(nèi)在一段時間內(nèi)的的積累積累。積分調(diào)節(jié)器的特點：積分調(diào)節(jié)器的特點：延緩作用延緩作用 當輸入信號為階躍信號時，輸出不能當輸入信號為階躍信號時，輸出不能突變，而是逐漸積分線性漸增突變，而是逐漸積分線性漸增積累作用積累作用 只要輸入端有信號，盡管很微小，積只要輸入端有信號，盡管很微小，積分也會進行，直至輸出達到限幅值。只要輸入為零，分也會進行，直至

59、輸出達到限幅值。只要輸入為零，積累就停止。積累就停止。記憶作用記憶作用 在積分過程中，若突然使輸入信號為在積分過程中，若突然使輸入信號為零，其輸出則始終保持在輸入信號改變前那個瞬間零，其輸出則始終保持在輸入信號改變前那個瞬間的值不變。的值不變。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的區(qū)別在于：積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的區(qū)別在于：n比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀現(xiàn)狀，n積分調(diào)節(jié)器的輸出包含了輸入偏差量的積分調(diào)節(jié)器的輸出包含了輸入偏差量的全部歷史全部歷史。雖然當前的雖然當前的Un=0，只要歷史上有過，只要歷史上有過Un，其積分，其積分輸出就有一定數(shù)值，就能輸出穩(wěn)

60、態(tài)運行所需要的控輸出就有一定數(shù)值，就能輸出穩(wěn)態(tài)運行所需要的控制電壓制電壓Uc。n在階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即在階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應，而積分調(diào)節(jié)器的輸出只能逐漸地變化。響應，而積分調(diào)節(jié)器的輸出只能逐漸地變化。n對于對于1型系統(tǒng)能否實現(xiàn)擾動作用無靜差的關鍵是：型系統(tǒng)能否實現(xiàn)擾動作用無靜差的關鍵是： 必須在擾動作用點前含有積分環(huán)節(jié)，當然此必須在擾動作用點前含有積分環(huán)節(jié)，當然此擾動是指階躍擾動。擾動是指階躍擾動。 n調(diào)速系統(tǒng)一般應具有快與準的性能，即系統(tǒng)既是靜態(tài)調(diào)速系統(tǒng)一般應具有快與準的性能，即系統(tǒng)既是靜態(tài)無差又具有快速響應的性能。無差又具有快速響應的性能。無