直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課件

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

MotionControlSystem以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備－電動(dòng)機(jī)為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

MotionControlSystem以機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程在自動(dòng)化專業(yè)中的地位專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用和實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試能力訓(xùn)練。2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程在自動(dòng)化專業(yè)中的地位專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用和實(shí)際控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的種類按驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的DC調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法DC調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制位置隨動(dòng)系統(tǒng)交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)籠型異步電動(dòng)機(jī)的VVVF系統(tǒng)3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的種類按驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型3按被控物理量調(diào)速系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速為被控量位置隨動(dòng)/伺服系統(tǒng)以角位移或直線位移為被控量按控制類型模擬模擬數(shù)字混合全數(shù)字4按被控物理量調(diào)速系統(tǒng)4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)過渡過程短功率范圍寬調(diào)速范圍大可獲得良好動(dòng)靜態(tài)性能電機(jī)空載損耗小、效率高，短時(shí)過載能力強(qiáng)可四象限運(yùn)行5運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)過渡過程短5教學(xué)參考書電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)上海大學(xué)陳伯時(shí)機(jī)械工業(yè)出版社2006年第3版電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)清華大學(xué)楊耕等清華大學(xué)出版社2006年第1版運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)清華大學(xué)爾桂花等清華大學(xué)出版社2002年第1版6教學(xué)參考書電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)上海大學(xué)陳伯時(shí)6§1閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

為什么要采用閉環(huán)調(diào)速

制造業(yè)：鋼連軋、電爐；加工機(jī)床、造紙、印刷、紡織、印染、起重、傳送等

高新產(chǎn)業(yè)：機(jī)器人、電動(dòng)汽車、電動(dòng)艦船、高速列車等

生活：冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電梯等

7§1閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為什么要采用閉環(huán)調(diào)速7閉環(huán)控制的必要性舉例連軋機(jī)每一電機(jī)都必須按照它所拖動(dòng)軋輥前后鋼板的厚度和鋼板送入速度來控制自己的轉(zhuǎn)速8閉環(huán)控制的必要性舉例連軋機(jī)8開環(huán)控制與閉環(huán)控制1開環(huán)：系統(tǒng)的輸出量不被引回對系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響例

步進(jìn)數(shù)控

9開環(huán)控制與閉環(huán)控制1開環(huán)：系統(tǒng)的輸出量不被引回對系統(tǒng)的控制部開環(huán)控制與閉環(huán)控制2閉環(huán)按被控量的偏差進(jìn)行控制例

電爐箱恒溫若爐溫偏高，調(diào)節(jié)過程相反閉環(huán)反饋控制可以自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。10開環(huán)控制與閉環(huán)控制2閉環(huán)按被控量的偏差進(jìn)行控制10直流調(diào)速的主要方案

直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行遵循的4個(gè)基本方程1.改變電樞回路總電阻R〖簡便、有級、特性軟、高能耗〗2.改變電機(jī)主磁通〖無級、>ne、響應(yīng)慢〗；3.改變電樞電壓U〖無級、快、<ne。主流〗11直流調(diào)速的主要方案直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行遵循的4個(gè)基本方程111.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組可在轉(zhuǎn)矩允許范圍內(nèi)4象限運(yùn)行121.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組可在轉(zhuǎn)矩2、靜止式可控整流器通過晶閘管(Thyristor)直接對交流電源電壓進(jìn)行可控整流：簡稱V-M系統(tǒng)功率放大倍數(shù)高，控制功率?。豢焖傩暂^G-M高。單向，可逆運(yùn)行須采用開關(guān)切換或兩組設(shè)備反并聯(lián)；只能滯后觸發(fā)、功率因數(shù)低；需串聯(lián)較大的平波電抗器。132、靜止式可控整流器通過晶閘管(Thyristor)直接對交3、脈沖寬度調(diào)制變換器

[PWM,pulsewidthmodulation]電樞電壓的平均值開關(guān)頻率高，電流易連續(xù)，低速性能好，調(diào)速范圍寬，電機(jī)損耗?。还β试?，控制方便。143、脈沖寬度調(diào)制變換器

[PWM,pulsewidthm橋式雙極性PWM變換器輸出電壓平均值15橋式雙極性PWM變換器輸出電壓平均值151.2晶閘管整流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性V-M調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性電流連續(xù)時(shí)

161.2晶閘管整流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性V-M調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械電流斷續(xù)時(shí)非線性顯著：電壓波形與反電勢有關(guān)，即與轉(zhuǎn)速有關(guān)。理想空載轉(zhuǎn)速很高：電流為0時(shí)，反電勢等于觸發(fā)瞬間電壓，對三相半波特性很軟：電流為脈沖波，負(fù)載增大時(shí)，為提供足夠平均電流，電流峰值高，即要求輸出電壓與反電勢差要大：速降大。相當(dāng)于整流內(nèi)阻變大。17電流斷續(xù)時(shí)非線性顯著：電壓波形與反電勢有關(guān)，即與轉(zhuǎn)速有關(guān)。1晶閘管觸發(fā)和整流裝置的

放大系數(shù)和傳遞函數(shù)非線性晶閘管整流放大系數(shù)的線性化處理18晶閘管觸發(fā)和整流裝置的

放大系數(shù)和傳遞函數(shù)非線性晶閘管整流放晶閘管整流傳遞函數(shù)的近似處理晶閘管觸發(fā)與整流的失控時(shí)間與純滯后特性19晶閘管整流傳遞函數(shù)的近似處理晶閘管觸發(fā)與整流的失控時(shí)晶閘管觸發(fā)與整流裝置的傳遞函數(shù)考慮到平均失控時(shí)間很小，忽略高階項(xiàng)，晶閘管觸發(fā)與整流裝置的傳遞函數(shù)可近似為一階慣性環(huán)節(jié)。20晶閘管觸發(fā)與整流裝置的傳遞函數(shù)考慮到平均失控時(shí)間很小，忽略高1.3直流PWM(PulseWidthModulation)調(diào)速系統(tǒng)

不可逆PWM變換器定義，對不可逆PWM變換器，特點(diǎn)：線路簡單。電流不能反向，無制動(dòng)能力，只能單象限運(yùn)行。

211.3直流PWM(PulseWidthModulati有制動(dòng)能力的不可逆PWM變換器

22有制動(dòng)能力的不可逆PWM變換器

22

橋式可逆PWM變換器

特點(diǎn)：電流連續(xù)；可四象限運(yùn)行；低速平穩(wěn)。

23橋式可逆PWM變換器

特點(diǎn)：電流連續(xù)；可四象限運(yùn)行；低速平直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

對雙極橋式變換器：

24直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

對雙極橋式變換器：24直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

直流PWM放大器的失控時(shí)間與滯后特性傳遞函數(shù)與V-M系統(tǒng)具有相同的形式，但滯后時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于V-M系統(tǒng)25直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

直流PWM放大器的失控時(shí)間與滯1.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]

一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1、

調(diào)速：范圍寬、無級2、

穩(wěn)速：精度高、抗擾強(qiáng)、波動(dòng)小。3、

加減速：快、平穩(wěn)調(diào)速指標(biāo)：生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比：261.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]靜差率

靜差率S的實(shí)用算式(最大靜差率)調(diào)速范圍D、靜差率和靜態(tài)速降是相互關(guān)聯(lián)的：

27靜差率

靜差率S的實(shí)用算式(最大靜差率)27穩(wěn)速精度

指在規(guī)定的電網(wǎng)質(zhì)量和負(fù)載擾動(dòng)條件下，在規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間(如1小時(shí)或8小時(shí))內(nèi)，在某一指定的轉(zhuǎn)速下，t時(shí)間(通常取1秒)內(nèi)平均轉(zhuǎn)速最大值和另一t時(shí)間內(nèi)平均轉(zhuǎn)速最小值的相對誤差百分?jǐn)?shù)。

一般閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)速精度比較容易達(dá)到，穩(wěn)速精度指標(biāo)通常被用來確定調(diào)速范圍的速度下限。28穩(wěn)速精度

指在規(guī)定的電網(wǎng)質(zhì)量和負(fù)載擾動(dòng)條件下，在規(guī)定的開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速的問題

從控制理論的立場分析，速度指令可視為階躍型輸入指令DnN實(shí)際是額定狀態(tài)下系統(tǒng)輸出對階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，在開環(huán)狀態(tài)下，當(dāng)靜差率要求較高即S較小時(shí)，系統(tǒng)所能達(dá)到的調(diào)速范圍D是很小的。29開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速的問題

從控制理論的立場分析，29閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性

靜特性：假定：1、忽略非線性2、忽略電源、電位器內(nèi)阻電壓比較放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)特性

測速反饋：

30閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性靜特性：30靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

31靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖31開環(huán)機(jī)械特性與閉環(huán)靜特性的關(guān)系

開環(huán)特性

閉環(huán)靜特性

硬度【在相同負(fù)載下兩者的速降關(guān)系為】靜差率：對相同理想空載轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍：對相同靜差率、相同額定轉(zhuǎn)速結(jié)論：閉環(huán)可獲得比開環(huán)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，在保證一定靜差率要求下提高調(diào)速范圍

32開環(huán)機(jī)械特性與閉環(huán)靜特性的關(guān)系開環(huán)特性32閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)速降低于開環(huán)的原因

從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的立場分析，閉環(huán)系統(tǒng)能大大提高穩(wěn)速性能的原因是系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)可通過閉環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電壓自動(dòng)跟蹤負(fù)載變化，補(bǔ)償電樞電流在回路電阻上的壓降損失，從而維持轉(zhuǎn)速基本不變。穩(wěn)速原理可從圖所示的閉環(huán)與開環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系得到理解。

33閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)速降低于開環(huán)的原因從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的立場分析比例單閉環(huán)反饋控制規(guī)律

規(guī)律1、僅比例調(diào)節(jié)，必存在靜差2、對作用于前向通道的擾動(dòng)有較強(qiáng)的抑制作用3、對作用于給定和反饋通道的擾動(dòng)無抑制作用，系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋精度。34比例單閉環(huán)反饋控制規(guī)律

規(guī)律34穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算【例1－4】V-M系統(tǒng)額定數(shù)據(jù)為DCM：10kW,220V,55A,1000r/min,電樞電阻0.5W；晶閘管三相橋式全波可控整流，電壓放大系數(shù)44；電樞回路總電阻1W；永磁直流測速發(fā)電機(jī)110V，1900r/min。要求：D＝10，s<=5%，計(jì)算穩(wěn)態(tài)參數(shù)。解：滿足指標(biāo)要求的額定負(fù)載下穩(wěn)態(tài)速降：

35穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算【例1－4】V-M系統(tǒng)額定數(shù)據(jù)為DCM：10k閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)

注意：電機(jī)電勢常數(shù)計(jì)算與電機(jī)以外電路參數(shù)無關(guān)。開環(huán)速降與電樞回路參數(shù)有關(guān)。36閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)注意：電機(jī)電勢常數(shù)計(jì)算與電機(jī)以外轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

取，1000r/min時(shí)，。運(yùn)算放大器比例放大系數(shù)

設(shè)輸入電阻為10K，則比例電阻為240K。習(xí)題1-4,1-6,1-8,1-1037轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)取，1000r/mi比例單閉環(huán)Matlab仿真無電流限制的比例單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真38比例單閉環(huán)Matlab仿真無電流限制的比例單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真比例單閉環(huán)仿真電流尖峰=210A>>2倍額定電流110A39比例單閉環(huán)仿真電流尖峰=210A>>2倍額定電流110A39限流保護(hù)－電流截止負(fù)反饋

問題的提出：起動(dòng)、嚴(yán)重過載、堵轉(zhuǎn)－過流損壞功率器件40限流保護(hù)－電流截止負(fù)反饋問題的提出：起動(dòng)、嚴(yán)重過載、堵轉(zhuǎn)－

2、對策：電流截止負(fù)反饋

412、對策：電流截止負(fù)反饋

41電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于主電路中串入大電阻，特性急劇下垂;

比較電壓與轉(zhuǎn)速給定作用一致，理想空載轉(zhuǎn)速大幅提高

堵轉(zhuǎn)電流

截止電流

42電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于主電路中串入大電阻，特性急劇下垂電流截止比例單閉環(huán)Matlab仿真結(jié)構(gòu)圖仿真43電流截止比例單閉環(huán)Matlab仿真結(jié)構(gòu)圖仿真43電流截止比例單閉環(huán)仿真最大電流尖峰=90A系統(tǒng)不穩(wěn)定、存在靜差44電流截止比例單閉環(huán)仿真最大電流尖峰=90A441.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]數(shù)學(xué)模型

UPE：

DCM

電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)，

R、L分別為電樞回路總電阻總電感

451.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

由轉(zhuǎn)矩平衡方程：系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)

由電勢平衡方程：反電勢與轉(zhuǎn)速之間的傳遞函數(shù)為46數(shù)學(xué)模型

由轉(zhuǎn)矩平衡方程：46直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖[重]

由圖可見，直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)是一個(gè)雙輸入單輸出系統(tǒng)。其中，電樞電壓為參考輸入或指令輸入，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為擾動(dòng)輸入。負(fù)載擾動(dòng)輸入常常被等效為“負(fù)載電流”的形式，以使結(jié)構(gòu)圖更加簡潔，但這種表達(dá)方式容易引起物理概念上的誤解，因?yàn)槭聦?shí)上并不存在負(fù)載電流，它只是負(fù)載轉(zhuǎn)矩的一種數(shù)學(xué)上的等效。

47直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖[重]由圖可見，直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)圖變換48結(jié)構(gòu)圖變換48單轉(zhuǎn)速閉環(huán)比例型直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

49單轉(zhuǎn)速閉環(huán)比例型直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

49系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)

50系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)50對給定的閉環(huán)傳遞函數(shù)

51對給定的閉環(huán)傳遞函數(shù)51穩(wěn)定條件

由Routh判據(jù)，穩(wěn)定條件為：或：K：比例型單轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)例1－5，1－6，1－7【閱讀】習(xí)題1-12,1-1552穩(wěn)定條件

由Routh判據(jù)，穩(wěn)定條件為：52

1.6

動(dòng)態(tài)校正－PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]

問題的提出：穩(wěn)定性與靜差指標(biāo)的矛盾對策：串聯(lián)校正：對調(diào)速系統(tǒng)，一般采用PI結(jié)構(gòu)一、PID調(diào)節(jié)器

實(shí)踐證明，對于特性為和等控制對象，PID控制是一種最優(yōu)的控制算法。53

1.6動(dòng)態(tài)校正－PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]

問題的提出：穩(wěn)PID控制參數(shù)

比例因子增大，可使響應(yīng)速度加快。但偏大時(shí)會(huì)使振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間變長，太大時(shí)系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。過小又會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但積分控制帶來的相角滯后會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降、幅值衰減會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)減緩.

微分控制可以改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)，如減小超調(diào)、縮短調(diào)節(jié)時(shí)間等。但微分控制作用過強(qiáng)也會(huì)使系統(tǒng)對不希望高頻噪聲的抑制能力顯著降低，穩(wěn)態(tài)性能下降。對電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于反饋檢測信號(hào)中常富含高頻噪聲,一般不采用。

54PID控制參數(shù)比例因子增大，可使響應(yīng)速度加快。但偏大時(shí)會(huì)使二、模擬PI調(diào)節(jié)器的組成與響應(yīng)特性

按控制理論對傳遞函數(shù)的符號(hào)約定，其輸出對輸入絕對值間的傳遞函數(shù)為55二、模擬PI調(diào)節(jié)器的組成與響應(yīng)特性

按控制理論對傳遞函數(shù)的PI調(diào)節(jié)器的飽和限幅特性在調(diào)速系統(tǒng)中使用的模擬PI調(diào)節(jié)器，通常都采用運(yùn)算放大器構(gòu)成，受其工作電壓限制，運(yùn)算放大器都有自然飽和限幅特性，其輸出達(dá)到一定數(shù)值后將不可能繼續(xù)增大。為了保證放大器正負(fù)輸出特性對稱，使用中常不直接用其自然限幅而另設(shè)限幅電路。PI調(diào)節(jié)器工作時(shí)是否進(jìn)入飽和限幅狀態(tài)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)影響很大，正確理解限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)，對分析與設(shè)計(jì)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和采用此類調(diào)節(jié)器的自動(dòng)控制系統(tǒng)是十分重要的。

56PI調(diào)節(jié)器的飽和限幅特性在調(diào)速系統(tǒng)中使用的模擬PI調(diào)節(jié)器，通限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器當(dāng)PI調(diào)節(jié)器的輸入即誤差信號(hào)E大小和變化規(guī)律不同時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的輸出變化情況會(huì)有很大差異

輸入誤差信號(hào)為階躍形式:當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行中負(fù)載過重電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)，比例部分在0時(shí)刻突跳，積分部分按時(shí)間常數(shù)線性增長，經(jīng)過一個(gè)很短的時(shí)間，調(diào)節(jié)器輸出即達(dá)到飽和限幅值。

57限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器當(dāng)PI調(diào)節(jié)器的輸入即誤差信號(hào)E大小和變化誤差衰減比較慢時(shí)系統(tǒng)無過載、反饋無斷路、主電路工作正常，一般誤差僅會(huì)在一開始輸出還來不及變化時(shí)躍變，隨著調(diào)節(jié)器輸出的控制作用，系統(tǒng)輸出增長，誤差便逐漸減小，調(diào)節(jié)器輸出的比例部分相應(yīng)減小積分部分繼續(xù)增大但增大速率減緩。當(dāng)被控對象的等效慣性時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)時(shí)，輸出增長比較慢即誤差衰減比較慢，調(diào)節(jié)器輸出的積分部分增長速度快于比例部分下降的速度，在誤差尚未衰減到零時(shí)調(diào)節(jié)器輸出仍會(huì)達(dá)到飽和限幅值。

58誤差衰減比較慢時(shí)系統(tǒng)無過載、反饋無斷路、主電路工作正常，一般誤差衰減較快時(shí)如果被控對象的等效慣性時(shí)間常數(shù)較小，誤差衰減較快，會(huì)使調(diào)節(jié)器輸出的比例部分下降速率快于積分增長，在經(jīng)歷一個(gè)初始的最大值后逐漸下降，到t1時(shí)刻誤差等于零時(shí)，比例部分輸出也為零而積分部分保持t1時(shí)刻的值不變，調(diào)節(jié)器的輸出完全由積分部分確定，調(diào)節(jié)器完全工作在線性區(qū)

59誤差衰減較快時(shí)如果被控對象的等效慣性時(shí)間常數(shù)較小，誤差衰減較PI調(diào)節(jié)器特性討論1在系統(tǒng)閉環(huán)控制的動(dòng)態(tài)過程中，PI調(diào)節(jié)器是否飽和，對系統(tǒng)輸出影響很大。從積分器的原理可知，PI調(diào)節(jié)器一旦飽和，只有輸入的誤差信號(hào)變號(hào)，它才可能退出飽和輸出狀態(tài)，誤差變號(hào)意味著系統(tǒng)輸出值大于指令值，而系統(tǒng)正常工作時(shí)調(diào)節(jié)器應(yīng)當(dāng)工作在線性區(qū)，所以調(diào)節(jié)器飽和再回到線性工作區(qū)意味著系統(tǒng)輸出必然產(chǎn)生超調(diào)。60PI調(diào)節(jié)器特性討論1在系統(tǒng)閉環(huán)控制的動(dòng)態(tài)過程中，PI調(diào)節(jié)器是PI調(diào)節(jié)器特性討論2分析PI調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)輸出時(shí)特別要注意它與P調(diào)節(jié)器的區(qū)別。誤差信號(hào)變化時(shí)，比例部分立即將此變化按比例放大輸出，馬上產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，積分部分需根據(jù)比例因子和積分時(shí)間常數(shù)共同確定的斜率隨時(shí)間增長逐漸變化產(chǎn)生輸出，調(diào)節(jié)作用相對緩慢。但當(dāng)誤差消失為零時(shí)，比例部分輸出也為零，而積分部分可保持誤差消失瞬間的輸出值，由積分部分決定的調(diào)節(jié)器輸出值代表了誤差消失前全部誤差變化的積累效應(yīng)。誤差很小時(shí)，雖然比例部分也很小，積分部分卻能持續(xù)變化，只要誤差不為零，積分輸出的變化在調(diào)節(jié)器飽和以前不會(huì)停止，這也是采用PI調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)能達(dá)到無靜差的原因。

61PI調(diào)節(jié)器特性討論2分析PI調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)輸出時(shí)特別要注意它PI調(diào)節(jié)器特性討論3PI調(diào)節(jié)器的輸出由比例和積分兩部分共同決定，不能簡單地根據(jù)誤差的增減來判斷調(diào)節(jié)器輸出值的增減。調(diào)節(jié)器輸出的變化應(yīng)當(dāng)通過對

線性部分兩邊求導(dǎo)來分析

PI調(diào)節(jié)器輸出的變化趨勢由決定?？傊?，誤差較大時(shí)主要由P起快速調(diào)節(jié)作用，誤差較小時(shí)則主要靠I的累積記憶產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用來消除靜差。62PI調(diào)節(jié)器特性討論3PI調(diào)節(jié)器的輸出由比例和積分兩部分共同決動(dòng)態(tài)校正

設(shè)計(jì)工具：Bode圖最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的一般要求

希望特性：中頻段以－20dB/dec斜率穿越0dB線，并覆蓋足夠頻帶寬截止頻率wc越高，快速性越好低頻段斜率陡、增益高：穩(wěn)態(tài)精度高高頻段衰減快：抗高頻噪聲干擾強(qiáng)63動(dòng)態(tài)校正設(shè)計(jì)工具：Bode圖63對不穩(wěn)定比例型單轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)用PI調(diào)節(jié)器校正

電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)為：10kW,220V,55A,1000r/min,Ra=0.5W,Tl=0.017s，Tm=0.075s,Ce=0.1925Vmin/r；UPE：Ks=44，Ts＝0.00167s；電樞回路總電阻R=1W；比例調(diào)節(jié)器：Kp=21轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：a=0.01158Vmin/r；64對不穩(wěn)定比例型單轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)用PI調(diào)節(jié)器校正電動(dòng)機(jī)校正前原始系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為轉(zhuǎn)折頻率65校正前原始系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為65比例單環(huán)仿真66比例單環(huán)仿真66改用PI調(diào)節(jié)器校正

考慮原系統(tǒng)已采用比例調(diào)節(jié)，現(xiàn)換為PI調(diào)節(jié)，需先除去原比例影響：

取

67改用PI調(diào)節(jié)器校正考慮原系統(tǒng)已采用比例調(diào)節(jié)，現(xiàn)換為PI調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器校正校正后系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕度，但快速性下降許多。68PI調(diào)節(jié)器校正校正后系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕度，但快速性下降許多。PI調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正69PI調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正69無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

采用PI調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無靜差；電流截止負(fù)反饋限制動(dòng)態(tài)過程電流沖擊。穩(wěn)態(tài)時(shí)，

70無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

采用PI調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無靜差主要結(jié)論

1、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可在允許負(fù)載范圍內(nèi)，依靠自動(dòng)調(diào)節(jié)UPE輸出電壓獲得比開環(huán)硬得多的機(jī)械特性和大得多的調(diào)速范圍。2、對比例型系統(tǒng)，比例系數(shù)越大，系統(tǒng)靜差越小，但過大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。3、采用PI調(diào)節(jié)，在允許負(fù)載范圍內(nèi)，依靠自動(dòng)調(diào)節(jié)UPE輸出電壓可獲得無靜差機(jī)械特性。4、穩(wěn)態(tài)時(shí)，PI調(diào)節(jié)器輸入為0，輸出保持某一固定值。5、PI調(diào)節(jié)器中比例主要起快速調(diào)節(jié)作用，積分主要起消除靜差作用。

71主要結(jié)論1、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可在允許負(fù)載范圍內(nèi)，依靠自動(dòng)調(diào)節(jié)U運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

MotionControlSystem以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備－電動(dòng)機(jī)為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)?？刂齐妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。72運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

MotionControlSystem以機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程在自動(dòng)化專業(yè)中的地位專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用和實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試能力訓(xùn)練。73運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程在自動(dòng)化專業(yè)中的地位專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用和實(shí)際控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的種類按驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的DC調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法DC調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制位置隨動(dòng)系統(tǒng)交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)籠型異步電動(dòng)機(jī)的VVVF系統(tǒng)74運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的種類按驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型3按被控物理量調(diào)速系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速為被控量位置隨動(dòng)/伺服系統(tǒng)以角位移或直線位移為被控量按控制類型模擬模擬數(shù)字混合全數(shù)字75按被控物理量調(diào)速系統(tǒng)4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)過渡過程短功率范圍寬調(diào)速范圍大可獲得良好動(dòng)靜態(tài)性能電機(jī)空載損耗小、效率高，短時(shí)過載能力強(qiáng)可四象限運(yùn)行76運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)過渡過程短5教學(xué)參考書電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)上海大學(xué)陳伯時(shí)機(jī)械工業(yè)出版社2006年第3版電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)清華大學(xué)楊耕等清華大學(xué)出版社2006年第1版運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)清華大學(xué)爾桂花等清華大學(xué)出版社2002年第1版77教學(xué)參考書電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)上海大學(xué)陳伯時(shí)6§1閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

為什么要采用閉環(huán)調(diào)速

制造業(yè)：鋼連軋、電爐；加工機(jī)床、造紙、印刷、紡織、印染、起重、傳送等

高新產(chǎn)業(yè)：機(jī)器人、電動(dòng)汽車、電動(dòng)艦船、高速列車等

生活：冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電梯等

78§1閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為什么要采用閉環(huán)調(diào)速7閉環(huán)控制的必要性舉例連軋機(jī)每一電機(jī)都必須按照它所拖動(dòng)軋輥前后鋼板的厚度和鋼板送入速度來控制自己的轉(zhuǎn)速79閉環(huán)控制的必要性舉例連軋機(jī)8開環(huán)控制與閉環(huán)控制1開環(huán)：系統(tǒng)的輸出量不被引回對系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響例

步進(jìn)數(shù)控

80開環(huán)控制與閉環(huán)控制1開環(huán)：系統(tǒng)的輸出量不被引回對系統(tǒng)的控制部開環(huán)控制與閉環(huán)控制2閉環(huán)按被控量的偏差進(jìn)行控制例

電爐箱恒溫若爐溫偏高，調(diào)節(jié)過程相反閉環(huán)反饋控制可以自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。81開環(huán)控制與閉環(huán)控制2閉環(huán)按被控量的偏差進(jìn)行控制10直流調(diào)速的主要方案

直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行遵循的4個(gè)基本方程1.改變電樞回路總電阻R〖簡便、有級、特性軟、高能耗〗2.改變電機(jī)主磁通〖無級、>ne、響應(yīng)慢〗；3.改變電樞電壓U〖無級、快、<ne。主流〗82直流調(diào)速的主要方案直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行遵循的4個(gè)基本方程111.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組可在轉(zhuǎn)矩允許范圍內(nèi)4象限運(yùn)行831.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組可在轉(zhuǎn)矩2、靜止式可控整流器通過晶閘管(Thyristor)直接對交流電源電壓進(jìn)行可控整流：簡稱V-M系統(tǒng)功率放大倍數(shù)高，控制功率??；快速性較G-M高。單向，可逆運(yùn)行須采用開關(guān)切換或兩組設(shè)備反并聯(lián)；只能滯后觸發(fā)、功率因數(shù)低；需串聯(lián)較大的平波電抗器。842、靜止式可控整流器通過晶閘管(Thyristor)直接對交3、脈沖寬度調(diào)制變換器

[PWM,pulsewidthmodulation]電樞電壓的平均值開關(guān)頻率高，電流易連續(xù)，低速性能好，調(diào)速范圍寬，電機(jī)損耗??；功率元件少，控制方便。853、脈沖寬度調(diào)制變換器

[PWM,pulsewidthm橋式雙極性PWM變換器輸出電壓平均值86橋式雙極性PWM變換器輸出電壓平均值151.2晶閘管整流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性V-M調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性電流連續(xù)時(shí)

871.2晶閘管整流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性V-M調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械電流斷續(xù)時(shí)非線性顯著：電壓波形與反電勢有關(guān)，即與轉(zhuǎn)速有關(guān)。理想空載轉(zhuǎn)速很高：電流為0時(shí)，反電勢等于觸發(fā)瞬間電壓，對三相半波特性很軟：電流為脈沖波，負(fù)載增大時(shí)，為提供足夠平均電流，電流峰值高，即要求輸出電壓與反電勢差要大：速降大。相當(dāng)于整流內(nèi)阻變大。88電流斷續(xù)時(shí)非線性顯著：電壓波形與反電勢有關(guān)，即與轉(zhuǎn)速有關(guān)。1晶閘管觸發(fā)和整流裝置的

放大系數(shù)和傳遞函數(shù)非線性晶閘管整流放大系數(shù)的線性化處理89晶閘管觸發(fā)和整流裝置的

放大系數(shù)和傳遞函數(shù)非線性晶閘管整流放晶閘管整流傳遞函數(shù)的近似處理晶閘管觸發(fā)與整流的失控時(shí)間與純滯后特性90晶閘管整流傳遞函數(shù)的近似處理晶閘管觸發(fā)與整流的失控時(shí)晶閘管觸發(fā)與整流裝置的傳遞函數(shù)考慮到平均失控時(shí)間很小，忽略高階項(xiàng)，晶閘管觸發(fā)與整流裝置的傳遞函數(shù)可近似為一階慣性環(huán)節(jié)。91晶閘管觸發(fā)與整流裝置的傳遞函數(shù)考慮到平均失控時(shí)間很小，忽略高1.3直流PWM(PulseWidthModulation)調(diào)速系統(tǒng)

不可逆PWM變換器定義，對不可逆PWM變換器，特點(diǎn)：線路簡單。電流不能反向，無制動(dòng)能力，只能單象限運(yùn)行。

921.3直流PWM(PulseWidthModulati有制動(dòng)能力的不可逆PWM變換器

93有制動(dòng)能力的不可逆PWM變換器

22

橋式可逆PWM變換器

特點(diǎn)：電流連續(xù)；可四象限運(yùn)行；低速平穩(wěn)。

94橋式可逆PWM變換器

特點(diǎn)：電流連續(xù)；可四象限運(yùn)行；低速平直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

對雙極橋式變換器：

95直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

對雙極橋式變換器：24直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

直流PWM放大器的失控時(shí)間與滯后特性傳遞函數(shù)與V-M系統(tǒng)具有相同的形式，但滯后時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于V-M系統(tǒng)96直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

直流PWM放大器的失控時(shí)間與滯1.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]

一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1、

調(diào)速：范圍寬、無級2、

穩(wěn)速：精度高、抗擾強(qiáng)、波動(dòng)小。3、

加減速：快、平穩(wěn)調(diào)速指標(biāo)：生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比：971.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]靜差率

靜差率S的實(shí)用算式(最大靜差率)調(diào)速范圍D、靜差率和靜態(tài)速降是相互關(guān)聯(lián)的：

98靜差率

靜差率S的實(shí)用算式(最大靜差率)27穩(wěn)速精度

指在規(guī)定的電網(wǎng)質(zhì)量和負(fù)載擾動(dòng)條件下，在規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間(如1小時(shí)或8小時(shí))內(nèi)，在某一指定的轉(zhuǎn)速下，t時(shí)間(通常取1秒)內(nèi)平均轉(zhuǎn)速最大值和另一t時(shí)間內(nèi)平均轉(zhuǎn)速最小值的相對誤差百分?jǐn)?shù)。

一般閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)速精度比較容易達(dá)到，穩(wěn)速精度指標(biāo)通常被用來確定調(diào)速范圍的速度下限。99穩(wěn)速精度

指在規(guī)定的電網(wǎng)質(zhì)量和負(fù)載擾動(dòng)條件下，在規(guī)定的開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速的問題

從控制理論的立場分析，速度指令可視為階躍型輸入指令DnN實(shí)際是額定狀態(tài)下系統(tǒng)輸出對階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，在開環(huán)狀態(tài)下，當(dāng)靜差率要求較高即S較小時(shí)，系統(tǒng)所能達(dá)到的調(diào)速范圍D是很小的。100開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速的問題

從控制理論的立場分析，29閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性

靜特性：假定：1、忽略非線性2、忽略電源、電位器內(nèi)阻電壓比較放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)特性

測速反饋：

101閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性靜特性：30靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

102靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖31開環(huán)機(jī)械特性與閉環(huán)靜特性的關(guān)系

開環(huán)特性

閉環(huán)靜特性

硬度【在相同負(fù)載下兩者的速降關(guān)系為】靜差率：對相同理想空載轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍：對相同靜差率、相同額定轉(zhuǎn)速結(jié)論：閉環(huán)可獲得比開環(huán)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，在保證一定靜差率要求下提高調(diào)速范圍

103開環(huán)機(jī)械特性與閉環(huán)靜特性的關(guān)系開環(huán)特性32閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)速降低于開環(huán)的原因

從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的立場分析，閉環(huán)系統(tǒng)能大大提高穩(wěn)速性能的原因是系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)可通過閉環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電壓自動(dòng)跟蹤負(fù)載變化，補(bǔ)償電樞電流在回路電阻上的壓降損失，從而維持轉(zhuǎn)速基本不變。穩(wěn)速原理可從圖所示的閉環(huán)與開環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系得到理解。

104閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)速降低于開環(huán)的原因從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的立場分析比例單閉環(huán)反饋控制規(guī)律

規(guī)律1、僅比例調(diào)節(jié)，必存在靜差2、對作用于前向通道的擾動(dòng)有較強(qiáng)的抑制作用3、對作用于給定和反饋通道的擾動(dòng)無抑制作用，系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋精度。105比例單閉環(huán)反饋控制規(guī)律

規(guī)律34穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算【例1－4】V-M系統(tǒng)額定數(shù)據(jù)為DCM：10kW,220V,55A,1000r/min,電樞電阻0.5W；晶閘管三相橋式全波可控整流，電壓放大系數(shù)44；電樞回路總電阻1W；永磁直流測速發(fā)電機(jī)110V，1900r/min。要求：D＝10，s<=5%，計(jì)算穩(wěn)態(tài)參數(shù)。解：滿足指標(biāo)要求的額定負(fù)載下穩(wěn)態(tài)速降：

106穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算【例1－4】V-M系統(tǒng)額定數(shù)據(jù)為DCM：10k閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)

注意：電機(jī)電勢常數(shù)計(jì)算與電機(jī)以外電路參數(shù)無關(guān)。開環(huán)速降與電樞回路參數(shù)有關(guān)。107閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)注意：電機(jī)電勢常數(shù)計(jì)算與電機(jī)以外轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

取，1000r/min時(shí)，。運(yùn)算放大器比例放大系數(shù)

設(shè)輸入電阻為10K，則比例電阻為240K。習(xí)題1-4,1-6,1-8,1-10108轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)取，1000r/mi比例單閉環(huán)Matlab仿真無電流限制的比例單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真109比例單閉環(huán)Matlab仿真無電流限制的比例單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真比例單閉環(huán)仿真電流尖峰=210A>>2倍額定電流110A110比例單閉環(huán)仿真電流尖峰=210A>>2倍額定電流110A39限流保護(hù)－電流截止負(fù)反饋

問題的提出：起動(dòng)、嚴(yán)重過載、堵轉(zhuǎn)－過流損壞功率器件111限流保護(hù)－電流截止負(fù)反饋問題的提出：起動(dòng)、嚴(yán)重過載、堵轉(zhuǎn)－

2、對策：電流截止負(fù)反饋

1122、對策：電流截止負(fù)反饋

41電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于主電路中串入大電阻，特性急劇下垂;

比較電壓與轉(zhuǎn)速給定作用一致，理想空載轉(zhuǎn)速大幅提高

堵轉(zhuǎn)電流

截止電流

113電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于主電路中串入大電阻，特性急劇下垂電流截止比例單閉環(huán)Matlab仿真結(jié)構(gòu)圖仿真114電流截止比例單閉環(huán)Matlab仿真結(jié)構(gòu)圖仿真43電流截止比例單閉環(huán)仿真最大電流尖峰=90A系統(tǒng)不穩(wěn)定、存在靜差115電流截止比例單閉環(huán)仿真最大電流尖峰=90A441.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]數(shù)學(xué)模型

UPE：

DCM

電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)，

R、L分別為電樞回路總電阻總電感

1161.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

由轉(zhuǎn)矩平衡方程：系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)

由電勢平衡方程：反電勢與轉(zhuǎn)速之間的傳遞函數(shù)為117數(shù)學(xué)模型

由轉(zhuǎn)矩平衡方程：46直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖[重]

由圖可見，直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)是一個(gè)雙輸入單輸出系統(tǒng)。其中，電樞電壓為參考輸入或指令輸入，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為擾動(dòng)輸入。負(fù)載擾動(dòng)輸入常常被等效為“負(fù)載電流”的形式，以使結(jié)構(gòu)圖更加簡潔，但這種表達(dá)方式容易引起物理概念上的誤解，因?yàn)槭聦?shí)上并不存在負(fù)載電流，它只是負(fù)載轉(zhuǎn)矩的一種數(shù)學(xué)上的等效。

118直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖[重]由圖可見，直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)圖變換119結(jié)構(gòu)圖變換48單轉(zhuǎn)速閉環(huán)比例型直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

120單轉(zhuǎn)速閉環(huán)比例型直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

49系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)

121系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)50對給定的閉環(huán)傳遞函數(shù)

122對給定的閉環(huán)傳遞函數(shù)51穩(wěn)定條件

由Routh判據(jù)，穩(wěn)定條件為：或：K：比例型單轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)例1－5，1－6，1－7【閱讀】習(xí)題1-12,1-15123穩(wěn)定條件

由Routh判據(jù)，穩(wěn)定條件為：52

1.6

動(dòng)態(tài)校正－PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]

問題的提出：穩(wěn)定性與靜差指標(biāo)的矛盾對策：串聯(lián)校正：對調(diào)速系統(tǒng)，一般采用PI結(jié)構(gòu)一、PID調(diào)節(jié)器

實(shí)踐證明，對于特性為和等控制對象，PID控制是一種最優(yōu)的控制算法。124

1.6動(dòng)態(tài)校正－PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)[重點(diǎn)]

問題的提出：穩(wěn)PID控制參數(shù)

比例因子增大，可使響應(yīng)速度加快。但偏大時(shí)會(huì)使振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間變長，太大時(shí)系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。過小又會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但積分控制帶來的相角滯后會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降、幅值衰減會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)減緩.

微分控制可以改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)，如減小超調(diào)、縮短調(diào)節(jié)時(shí)間等。但微分控制作用過強(qiáng)也會(huì)使系統(tǒng)對不希望高頻噪聲的抑制能力顯著降低，穩(wěn)態(tài)性能下降。對電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于反饋檢測信號(hào)中常富含高頻噪聲,一般不采用。

125PID控制參數(shù)比例因子增大，可使響應(yīng)速度加快。但偏大時(shí)會(huì)使二、模擬PI調(diào)節(jié)器的組成與響應(yīng)特性

按控制理論對傳遞函數(shù)的符號(hào)約定，其輸出對輸入絕對值間的傳遞函數(shù)為126二、模擬PI調(diào)節(jié)器的組成與響應(yīng)特性

按控制理論對傳遞函數(shù)的PI調(diào)節(jié)器的飽和限幅特性在調(diào)速系統(tǒng)中使用的模擬PI調(diào)節(jié)器，通常都采用運(yùn)算放大器構(gòu)成，受其工作電壓限制，運(yùn)算放大器都有自然飽和限幅特性，其輸出達(dá)到一定數(shù)值后將不可能繼續(xù)增大。為了保證放大器正負(fù)輸出特性對稱，使用中常不直接用其自然限幅而另設(shè)限幅電路。PI調(diào)節(jié)器工作時(shí)是否進(jìn)入飽和限幅狀態(tài)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)影響很大，正確理解限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)，對分析與設(shè)計(jì)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和采用此類調(diào)節(jié)器的自動(dòng)控制系統(tǒng)是十分重要的。

127PI調(diào)節(jié)器的飽和限幅特性在調(diào)速系統(tǒng)中使用的模擬PI調(diào)節(jié)器，通限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器當(dāng)PI調(diào)節(jié)器的輸入即誤差信號(hào)E大小和變化規(guī)律不同時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的輸出變化情況會(huì)有很大差異

輸入誤差信號(hào)為階躍形式:當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行中負(fù)載過重電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)，比例部分在0時(shí)刻突跳，積分部分按時(shí)間常數(shù)線性增長，經(jīng)過一個(gè)很短的時(shí)間，調(diào)節(jié)器輸出即達(dá)到飽和限幅值。

128限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器當(dāng)PI調(diào)節(jié)器的輸入即誤差信號(hào)E大小和變化誤差衰減比較慢時(shí)系統(tǒng)無過載、反饋無斷路、主電路工作正常，一般誤差僅會(huì)在一開始輸出還來不及變化時(shí)躍變，隨著調(diào)節(jié)器輸出的控制作用，系統(tǒng)輸出增長，誤差便逐漸減小，調(diào)節(jié)器輸出的比例部分相應(yīng)減小積分部分繼續(xù)增大但增大速率減緩。當(dāng)被控對象的等效慣性時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)時(shí)，輸出增長比較慢即誤差衰減比較慢，調(diào)節(jié)器輸出的積分部分增長速度快于比例部分下降的速度，在誤差尚未衰減到零時(shí)調(diào)節(jié)器輸出仍會(huì)達(dá)到飽和限幅值。

129誤差衰減比較慢時(shí)系統(tǒng)無過載、反饋無斷路、主電路工作正常，一般誤差衰減較快時(shí)如果被控對象的等效慣性時(shí)間常數(shù)較小，誤差衰減較快，會(huì)使調(diào)節(jié)器輸出的比例部分下降速率快于積分增長，在經(jīng)歷一個(gè)初始的最大值后逐漸下降，到t1時(shí)刻誤差等于零時(shí)，比例部分輸出也為零而積分部分保持t1時(shí)刻的值不變，調(diào)節(jié)器的輸出完全由積分部分確定，調(diào)節(jié)器完全工作在線性區(qū)

13