運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課件

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第2章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第2章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1圖1－17開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖圖1－17開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖2靜差率與調(diào)速范圍：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程：負(fù)載控制電壓電樞電壓電樞電流靜差率與調(diào)速范圍：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程：負(fù)載控制電壓電樞3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課件4轉(zhuǎn)速單閉環(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)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法內(nèi)容提要轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要5本節(jié)課要解決的問題給出單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖、介紹工作原理；利用穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分析系統(tǒng)的靜特性；對(duì)靜特性改善加以物理過程分析；利用反饋控制規(guī)律對(duì)該調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能、系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要注意的問題加以分析（2.1.1）在原有轉(zhuǎn)速單閉環(huán)基礎(chǔ)上引入電流截止負(fù)反饋，對(duì)其靜特性進(jìn)行分析；給出實(shí)現(xiàn)方式（2.1.2）分析單閉環(huán)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性加以分析（2.1.3）本節(jié)課要解決的問題給出單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖、介紹工作62.1.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)中，使之與給定量進(jìn)行比較，用比較后的差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制直至消除擾動(dòng)造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制的基本思想。2.1.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律將系統(tǒng)的被調(diào)7基于負(fù)反饋（輸入量與輸出量相減）基礎(chǔ)上的“檢測(cè)誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，對(duì)于輸出量反饋的傳遞途徑有一個(gè)閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。基于負(fù)反饋（輸入量與輸出量相減）基礎(chǔ)上的“檢測(cè)誤差，用以糾正8系統(tǒng)工作原理圖2-1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)工作原理圖2-1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)9在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un

，Un與給定電壓U*n

相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓Un

，在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電10Un經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速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)過測(cè)量元件反饋到輸入端參與控制。Un經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc11閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系電壓比較環(huán)節(jié)比例調(diào)節(jié)器測(cè)速反饋環(huán)節(jié)

電力電子變換器

直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系電壓比較環(huán)節(jié)12以上各關(guān)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)；——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V·min/r）——電力電子變換器理想空載輸出電壓（V）（變換器內(nèi)阻已并入電樞回路總電阻R中）。以上各關(guān)系式中新出現(xiàn)的系數(shù)為：13穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖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)框圖穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖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)框14只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)圖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)框圖只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)圖2-2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流15只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)圖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)框圖只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)圖2-2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流16靜特性方程式式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)（2-1）

靜特性方程式式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)（217系統(tǒng)靜特性分析閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程式為它的開環(huán)機(jī)械特性為（2-2）

（2-3）

在開環(huán)與閉環(huán)中的取值不同系統(tǒng)靜特性分析閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程式為（2-2）（2-318式中和分別表示閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；和分別表示閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。分析比較

負(fù)載轉(zhuǎn)速降落、靜差率、調(diào)速范圍式中19穩(wěn)態(tài)速降的比較（1）在相同的負(fù)載擾動(dòng)下，閉環(huán)系統(tǒng)的負(fù)載降落僅為開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落的。它們的關(guān)系是（2-4）

穩(wěn)態(tài)速降的比較（1）在相同的負(fù)載擾動(dòng)下，閉環(huán)系統(tǒng)的負(fù)載降落僅20圖2-3閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性圖2-3閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性21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)速靜差率也僅為開環(huán)系統(tǒng)的。因?yàn)闂l件是，所以（2-5）

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22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)速范圍為開環(huán)系統(tǒng)的（1+K）倍。當(dāng)系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速是電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，所要求的靜差率為s時(shí)，

由式（2-4）得到（2-6）

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23從上述三點(diǎn)可見，閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性要硬得多，在保證一定靜差率的要求下，閉環(huán)系統(tǒng)能夠擴(kuò)大調(diào)速范圍。從上述三點(diǎn)可見，24系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程圖2-4閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程圖2-4閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的25開環(huán)系統(tǒng)Idn例如：在圖2-4中工作點(diǎn)從AA′閉環(huán)系統(tǒng)IdnUnUn

nUd0Uc例如：在圖2-4中工作點(diǎn)從AB開環(huán)系統(tǒng)Idn26最終從A點(diǎn)所在的開環(huán)機(jī)械特性過渡到B點(diǎn)所在的開環(huán)機(jī)械特性，電樞電壓由增加至。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是由多條開環(huán)機(jī)械特性上相應(yīng)的工作點(diǎn)組成的一條特性曲線。

最終從A點(diǎn)所在的開環(huán)機(jī)械特性過渡到B點(diǎn)所在的開環(huán)機(jī)械特性，電27圖1－17開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖圖1－17開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖28系統(tǒng)工作原理圖2-1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)工作原理圖2-1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)29系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程圖2-4閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程圖2-4閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的30穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖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)框圖穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖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)框31反饋控制規(guī)律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。

只有K=，才能使ncl=0，而這是不可能的。過大的K值也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

反饋控制規(guī)律只有比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍是有靜32反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng)，服從給定。一方面能夠有效地抑制一切被包含在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面則能緊緊跟隨著給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從。反饋控制規(guī)律反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng)，服從給定。反饋控制規(guī)律33圖2-5閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用圖2-5閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用34系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)的精度。反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是給定信號(hào)的正常調(diào)節(jié)還是外界的電壓波動(dòng)。反饋通道上有一個(gè)測(cè)速反饋系數(shù)，它同樣存在著因擾動(dòng)而發(fā)生的波動(dòng)，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。反饋控制規(guī)律系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)的精度。反饋控制規(guī)律352.1.2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

限流保護(hù)限流問題的提出：起動(dòng)的沖擊電流——直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流。堵轉(zhuǎn)電流——電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。2.1.2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

36電流截止負(fù)反饋的應(yīng)用在原先的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)電流負(fù)反饋，令電流負(fù)反饋在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，維持電流基本不變；當(dāng)電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，取消此電流負(fù)反饋，不影響系統(tǒng)的調(diào)速性能。此類只在電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋被稱為電流截止負(fù)反饋。電流截止負(fù)反饋的應(yīng)用在原先的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再37電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)——在主電路中的采樣電阻——比較電壓時(shí)，輸出和輸入相等；時(shí)，輸出為零。圖2-6電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)——在主電路中的采樣電阻圖2-638穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-7帶電流截止負(fù)反饋環(huán)的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-7帶電流截止負(fù)反饋環(huán)的閉環(huán)直流調(diào)速系39電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的形式 圖2-8用模擬控制器件實(shí)現(xiàn)的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)（a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓（b）利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的形式 圖2-8用模擬控制器件實(shí)現(xiàn)的40在微機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)：在軟件中用條件語句實(shí)現(xiàn)在微機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)：在軟件中用條件語句實(shí)41靜特性方程式當(dāng)時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，系統(tǒng)就是單純的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)，電流負(fù)反饋與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)存在，（2-1）

（2-7）

靜特性方程式當(dāng)時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，42圖2-9 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖2-9 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性43電流負(fù)反饋段的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，被稱為系統(tǒng)靜特性的下垂段。比較電壓和給定電壓同時(shí)起作用，使得理想空載轉(zhuǎn)速達(dá)到。（2-8）

電流負(fù)反饋段的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻，因而穩(wěn)態(tài)速44下垂段靜特性令n=0，得到堵轉(zhuǎn)電流Idbl，它限制了電動(dòng)機(jī)電流，起到了保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用?？紤]到KpKsRs>>R，因此（2-9）

（2-10）

下垂段靜特性令n=0，得到堵轉(zhuǎn)電流Idbl，它限制了電動(dòng)機(jī)45參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，一般可取，截止電流可略大于電動(dòng)機(jī)的額定電流，

參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，一般可取462.1.3轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型任何一個(gè)帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的物理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程都應(yīng)該用微分方程來描述，系統(tǒng)的響應(yīng)（即微分方程的解）包括兩部分：動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中，輸出響應(yīng)不能立即達(dá)到給定的輸入值，這就是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；只有當(dāng)系統(tǒng)達(dá)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。2.1.3轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

動(dòng)47系統(tǒng)工作原理圖2-1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)工作原理圖2-1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)48單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第一個(gè)環(huán)節(jié)是比例放大器，其響應(yīng)可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，所以它的傳遞函數(shù)就是它的放大系數(shù)，即（2-11）

單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第一個(gè)環(huán)節(jié)是比例放大器，其響應(yīng)可49電力電子變換器第二個(gè)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PWM控制與變換裝置的近似傳遞函數(shù)表達(dá)式是相同的，都是（2-12）

電力電子變換器第二個(gè)環(huán)節(jié)是電力電子變換器，晶閘管觸發(fā)與整流裝50直流電動(dòng)機(jī)圖2-10他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路直流電動(dòng)機(jī)圖2-10他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路51直流電動(dòng)機(jī)第三個(gè)環(huán)節(jié)是直流電動(dòng)機(jī)，假定主電路電流連續(xù)，則主電路電壓的微分方程為

（2-13）式中R——主電路的總電阻（Ω）

L——主電路的總電感（mH）直流電動(dòng)機(jī)第三個(gè)環(huán)節(jié)是直流電動(dòng)機(jī)，假定主電路電流連續(xù)，則主電52直流電動(dòng)機(jī)忽略摩擦力及彈性變形，電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程為 （2-14）式中 ——電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）; ——包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）； ——電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量（N·m2）；直流電動(dòng)機(jī)忽略摩擦力及彈性變形，電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程為53直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下， 式中 ——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（N·m/A）——電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)系（V/r/min）再定義——電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)(s)，——電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)（s）,直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下， 54直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)R、Te、Tl和Tm的的定義對(duì)式（2-13）和（2-14）作整理后得

式中 ——負(fù)載電流（A）。直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)R、Te、Tl和Tm的的定義對(duì)式55直流電動(dòng)機(jī)電流與電壓間的傳遞函數(shù)為

（2-15）轉(zhuǎn)速與電流之間的傳遞函數(shù)為

（2-16）直流電動(dòng)機(jī)電流與電壓間的傳遞函數(shù)為56圖2-11額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-11額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖57直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是控制輸入量Ud0，另一個(gè)是擾動(dòng)輸入量Idl。電勢(shì)E是根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)電壓平衡方程式而形成的內(nèi)部反饋量。直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是控制輸入量Ud0，58進(jìn)行等效變換，得到圖2-12的形式。額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)二階線性環(huán)節(jié)，Tm和Tl兩個(gè)時(shí)間常數(shù)分別表示機(jī)電慣性和電磁慣性。圖2-12 直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行等效變換，得到圖2-12的形式。圖2-12 直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)59測(cè)速反饋第四個(gè)環(huán)節(jié)是測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，認(rèn)為它的響應(yīng)時(shí)間是瞬時(shí)的，傳遞函數(shù)就是它的放大系數(shù)。（2-17）

測(cè)速反饋第四個(gè)環(huán)節(jié)是測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，認(rèn)為它的響應(yīng)時(shí)間是瞬時(shí)的60動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-13反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-13反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)61開環(huán)傳遞函數(shù)式中系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)（2-18）

開環(huán)傳遞函數(shù)式中系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)（2-18）62閉環(huán)傳遞函數(shù)（2-19）

閉環(huán)傳遞函數(shù)（2-19）63單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析三階系統(tǒng)的的特征方程為（2-20）穩(wěn)定的充分必要條件

即 （2-21）單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析三階系統(tǒng)的的特征方程為64式（2-21）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)KcrK≥Kcr時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，以致無法工作。由于Tl、Ts和Tm都是系統(tǒng)的固有參數(shù)，而閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K中的Ks、Ce和α也是系統(tǒng)的既有參數(shù)，唯有Kp是可以調(diào)節(jié)的指標(biāo)。要使得K<Kcr，只有減少Kp以降低K值。式（2-21）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)Kcr65靜態(tài)性能指標(biāo)與穩(wěn)定性之間的矛盾根據(jù)系統(tǒng)的靜特性分析可知，閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K越大，靜差率越小，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是

這就是采用放大器的轉(zhuǎn)速反饋調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)性能指標(biāo)與穩(wěn)定性之間的主要矛盾。靜態(tài)性能指標(biāo)與穩(wěn)定性之間的矛盾根據(jù)系統(tǒng)的靜特性分析可知，閉66問題的提出圖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)框圖問題的提出圖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)框圖672.1.4PI控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)典型開環(huán)傳遞函數(shù)為：

（2-22）分母中的項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有r重極點(diǎn)，稱作r型系統(tǒng)。2.1.4PI控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)典型開環(huán)傳遞函數(shù)為：68采用放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：采用放大器的69為什么引入積分控制？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)有3個(gè)開環(huán)極點(diǎn)，但沒有在原點(diǎn)處的極點(diǎn)。因此它是歸屬于0型系統(tǒng)。在階躍輸入時(shí)，該0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是。把該系統(tǒng)的類型改進(jìn)為I型系統(tǒng)，就能把原先的0型有靜差系統(tǒng)改進(jìn)為I型無差系統(tǒng)。為什么引入積分控制？采用放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函70積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律-積分調(diào)節(jié)器把比例調(diào)節(jié)器 (2-23)換成積分調(diào)節(jié)器 （2-24）其傳遞函數(shù)是 （2-25）積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律-積分調(diào)節(jié)器把比例調(diào)節(jié)器71積分調(diào)節(jié)器采用積分調(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

式中 （2-26）采用積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)成了I型系統(tǒng)，它被稱為無靜差調(diào)速系統(tǒng)。積分調(diào)節(jié)器采用積分調(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72采用積分調(diào)節(jié)器后可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，但是動(dòng)態(tài)性能如何？采用積分調(diào)節(jié)器后可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，但是動(dòng)態(tài)性能如何？73積分控制規(guī)律輸入ΔUN是階躍信號(hào)，則輸出Uc按線性規(guī)律增長(zhǎng)。當(dāng)輸出值達(dá)到積分調(diào)節(jié)器輸出的飽和值Ucom時(shí)，便維持在Ucom不變。圖2-14積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程積分控制規(guī)律輸入ΔUN是階躍信號(hào)，則輸出Uc按線性規(guī)74積分控制規(guī)律只要ΔUn>0，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長(zhǎng)；只有達(dá)到ΔUn=0時(shí)，Uc才停止上升；只有到ΔUn變負(fù)，Uc才會(huì)下降。當(dāng)ΔUn=0時(shí)，Uc并不是零，而是某一個(gè)固定值Ucf圖2-14積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程積分控制規(guī)律只要ΔUn>0，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長(zhǎng)；75無靜差調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載

突增時(shí)的動(dòng)態(tài)過程Idl=>n下降=>ΔUn變正=>Uc上升=>電樞電壓Ud上升=>克服Idl增加的壓降=>最終進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。無靜差調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載

突增時(shí)的動(dòng)態(tài)過程Idl=>n下76積分與比例控制區(qū)別比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，積分調(diào)節(jié)器的輸出包含了輸入偏差量的全部歷史。雖然當(dāng)前的ΔUn=0，只要?dú)v史上有過ΔUn，其積分輸出就有一定數(shù)值，就能輸出穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓Uc。積分與比例控制區(qū)別77對(duì)于I型系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)作用無靜差的關(guān)鍵是：必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)前含有積分環(huán)節(jié)，當(dāng)然此擾動(dòng)是指階躍擾動(dòng)。原則：穩(wěn)態(tài)時(shí)積分器輸入為0對(duì)于I型系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)作用無靜差的關(guān)鍵是：78為什么要引入比例積分控制？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(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出只能逐漸地變化，如圖2-14所示。調(diào)速系統(tǒng)一般應(yīng)具有快與準(zhǔn)的性能，即系統(tǒng)既是靜態(tài)無差又具有快速響應(yīng)的性能。實(shí)現(xiàn)的方法是把比例和積分兩種控制結(jié)合起來，組成比例積分調(diào)節(jié)器（PI）。為什么要引入比例積分控制？在階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸79兩種調(diào)節(jié)器性能比較a)P調(diào)節(jié)器UexUintUinUexOτ

UexUinUexmtUinUexOb)I調(diào)節(jié)器兩種調(diào)節(jié)器I/O特性曲線兩種調(diào)節(jié)器性能比較a)P調(diào)節(jié)器UexUintUinUex80比例積分控制規(guī)律-PI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的表達(dá)式， （2-27）

式中Uex——PI調(diào)節(jié)器的輸出；

Uin——PI調(diào)節(jié)器的輸入。其傳遞函數(shù)為 （2-28）

式中Kp——PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)；

τ——PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。比例積分控制規(guī)律-PI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的表達(dá)式，81傳遞函數(shù)令τ1=Kpτ，則傳遞函數(shù)也可寫成如下形式 （2-29）

τ1是微分項(xiàng)中的超前時(shí)間常數(shù)。傳遞函數(shù)令τ1=Kpτ，則傳遞函數(shù)也可寫成如下形式82PI控制特點(diǎn)綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)。即：比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。PI控制特點(diǎn)綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了83輸出特性分析在t=0時(shí)就有Uex(t)=KpUin，實(shí)現(xiàn)了快速控制；隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長(zhǎng)

在t=t1時(shí)，Uin=0

圖2-16PI調(diào)節(jié)器的輸出特性輸出特性分析在t=0時(shí)就有Uex(t)=KpUin，實(shí)現(xiàn)了84閉環(huán)系統(tǒng)中輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)節(jié)器輸出部分Uc由兩部分組成，比例部分①和ΔUn成正比，積分部分②表示了從t=0到此時(shí)刻對(duì)ΔUn(t)的積分值，Uc是這兩部分之和。圖2-17閉環(huán)系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程閉環(huán)系統(tǒng)中輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)節(jié)85問題PI調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)精度高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的控制目標(biāo)但如何選擇和？問題PI調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)精度高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的控制目標(biāo)86PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備：閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)最小相位系統(tǒng)，用對(duì)數(shù)幅頻特性可表述系統(tǒng)的特征。PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備：閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)最小相位系統(tǒng)，用87PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)手段：在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，對(duì)數(shù)頻率特性圖（伯德圖）是較常用的方法。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：在伯德圖中，用來衡量系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：相角裕度γ和以分貝表示的增益裕度GM。一般要求γ=30°~60°，GM>6dB。在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動(dòng)態(tài)過程震蕩弱、超調(diào)小。PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)手段：在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，對(duì)數(shù)頻率特性88伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系1）中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB線，而且這一斜率能覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。2）截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好。3）低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。4）高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系1）中頻段以-20dB/dec的斜率穿89圖2-18自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型伯德圖圖2-18自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型伯德圖90例題2-1直流電動(dòng)機(jī)：額定電壓，額定電流，額定轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)電勢(shì)系數(shù)，晶閘管裝置放大數(shù)，，電樞回路總電阻時(shí)間常數(shù)，，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)例題2-1直流電動(dòng)機(jī)：額定電壓91（1）在采用比例調(diào)節(jié)器時(shí)，為了達(dá)到，的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，試計(jì)算比例調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)。（2）用伯德圖判別系統(tǒng)是否穩(wěn)定。（3）利用伯德圖設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器。能在保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。例題2-1（1）在采用比例調(diào)節(jié)器時(shí)，為了達(dá)到，92解:（1）額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為

開環(huán)系統(tǒng)額定速降為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為例題2-1解:（1）額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為例題2-193例題2-1（2）閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是例題2-194其中三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為例題2-1其中三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為例題2-195圖2-19采用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)的伯德圖相角裕度γ和增益裕度GM都是負(fù)值，閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖2-19采用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)的伯德圖相角裕度γ和增96（3）采用PI調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為按頻段特征的要求（1）和（3），希望-20dB/dec的頻帶寬度要寬，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用τ1=T1的方法，把-20dB/dec的頻帶往低頻段延伸，同時(shí)改善了低頻段的斜率。例題2-1（3）采用PI調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為例題2-197例題2-1

按頻段特性的要求（1）和（3）：選擇Kp,使得ωc處的頻率斜率是-20dB/dec，同時(shí)使該斜率的寬度足夠?qū)挘?/p>

在本題中，要使?，F(xiàn)取，使得。開環(huán)傳遞函數(shù)成為例題2-1按頻段特性的要求（1）和（3）：98圖2-20閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器校正相角裕度γ和增益裕度GM都已變成較大的正值，有足夠的穩(wěn)定裕度圖2-20閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器校正相角裕度γ和增99例題2-1

PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

這個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果不是唯一的，截止頻率已降到，相角裕度γ和增益裕度GM都已變成較大的正值，有足夠的穩(wěn)定裕度，但快速性被壓低了許多。在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)來選擇合適的PI參數(shù)。在本章的2.4節(jié)，將作深入的討論。

由于例題2-1由于100問題的提出問題的提出101如何控制動(dòng)態(tài)性能？電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程：結(jié)論：要得到好的動(dòng)態(tài)性能，必須控制好轉(zhuǎn)矩，即控制好電流。如何控制動(dòng)態(tài)性能？電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程：102單閉環(huán)系統(tǒng)的問題轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）的動(dòng)態(tài)過程。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只是用來限制電流的沖擊，并不能很好地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。單閉環(huán)系統(tǒng)的問題轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）的動(dòng)態(tài)過103a)理想的快速起動(dòng)過程IdLntIdOIdmb)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖2-21直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形n理想的起動(dòng)過程IdLntIdOIdmIdcrna)理想的快速起動(dòng)過程IdLntIdOIdmb)帶電流截104解決思路

為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。 按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。

解決思路為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)105運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第2章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第2章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)106圖1－17開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖圖1－17開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖107靜差率與調(diào)速范圍：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程：負(fù)載控制電壓電樞電壓電樞電流靜差率與調(diào)速范圍：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程：負(fù)載控制電壓電樞108運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課件109轉(zhuǎn)速單閉環(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)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法內(nèi)容提要轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要110本節(jié)課要解決的問題給出單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖、介紹工作原理；利用穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分析系統(tǒng)的靜特性；對(duì)靜特性改善加以物理過程分析；利用反饋控制規(guī)律對(duì)該調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能、系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要注意的問題加以分析（2.1.1）在原有轉(zhuǎn)速單閉環(huán)基礎(chǔ)上引入電流截止負(fù)反饋，對(duì)其靜特性進(jìn)行分析；給出實(shí)現(xiàn)方式（2.1.2）分析單閉環(huán)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性加以分析（2.1.3）本節(jié)課要解決的問題給出單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖、介紹工作1112.1.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)中，使之與給定量進(jìn)行比較，用比較后的差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制直至消除擾動(dòng)造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制的基本思想。2.1.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律將系統(tǒng)的被調(diào)112基于負(fù)反饋（輸入量與輸出量相減）基礎(chǔ)上的“檢測(cè)誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，對(duì)于輸出量反饋的傳遞途徑有一個(gè)閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)?；谪?fù)反饋（輸入量與輸出量相減）基礎(chǔ)上的“檢測(cè)誤差，用以糾正113系統(tǒng)工作原理圖2-1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)工作原理圖2-1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)114在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un

，Un與給定電壓U*n

相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓Un

，在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電115Un經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速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)過測(cè)量元件反饋到輸入端參與控制。Un經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc116閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系電壓比較環(huán)節(jié)比例調(diào)節(jié)器測(cè)速反饋環(huán)節(jié)

電力電子變換器

直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系電壓比較環(huán)節(jié)117以上各關(guān)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)；——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V·min/r）——電力電子變換器理想空載輸出電壓（V）（變換器內(nèi)阻已并入電樞回路總電阻R中）。以上各關(guān)系式中新出現(xiàn)的系數(shù)為：118穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖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)框圖穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖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)框119只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)圖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)框圖只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)圖2-2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流120只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)圖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)框圖只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)圖2-2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流121靜特性方程式式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)（2-1）

靜特性方程式式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)（2122系統(tǒng)靜特性分析閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程式為它的開環(huán)機(jī)械特性為（2-2）

（2-3）

在開環(huán)與閉環(huán)中的取值不同系統(tǒng)靜特性分析閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程式為（2-2）（2-3123式中和分別表示閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；和分別表示閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。分析比較

負(fù)載轉(zhuǎn)速降落、靜差率、調(diào)速范圍式中124穩(wěn)態(tài)速降的比較（1）在相同的負(fù)載擾動(dòng)下，閉環(huán)系統(tǒng)的負(fù)載降落僅為開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落的。它們的關(guān)系是（2-4）

穩(wěn)態(tài)速降的比較（1）在相同的負(fù)載擾動(dòng)下，閉環(huán)系統(tǒng)的負(fù)載降落僅125圖2-3閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性圖2-3閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性126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)速靜差率也僅為開環(huán)系統(tǒng)的。因?yàn)闂l件是，所以（2-5）

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127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)速范圍為開環(huán)系統(tǒng)的（1+K）倍。當(dāng)系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速是電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，所要求的靜差率為s時(shí)，

由式（2-4）得到（2-6）

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128從上述三點(diǎn)可見，閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性要硬得多，在保證一定靜差率的要求下，閉環(huán)系統(tǒng)能夠擴(kuò)大調(diào)速范圍。從上述三點(diǎn)可見，129系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程圖2-4閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程圖2-4閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的130開環(huán)系統(tǒng)Idn例如：在圖2-4中工作點(diǎn)從AA′閉環(huán)系統(tǒng)IdnUnUn

nUd0Uc例如：在圖2-4中工作點(diǎn)從AB開環(huán)系統(tǒng)Idn131最終從A點(diǎn)所在的開環(huán)機(jī)械特性過渡到B點(diǎn)所在的開環(huán)機(jī)械特性，電樞電壓由增加至。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是由多條開環(huán)機(jī)械特性上相應(yīng)的工作點(diǎn)組成的一條特性曲線。

最終從A點(diǎn)所在的開環(huán)機(jī)械特性過渡到B點(diǎn)所在的開環(huán)機(jī)械特性，電132圖1－17開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖圖1－17開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖133系統(tǒng)工作原理圖2-1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)工作原理圖2-1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)134系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程圖2-4閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程圖2-4閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的135穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖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)框圖穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖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)框136反饋控制規(guī)律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。

只有K=，才能使ncl=0，而這是不可能的。過大的K值也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

反饋控制規(guī)律只有比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍是有靜137反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng)，服從給定。一方面能夠有效地抑制一切被包含在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面則能緊緊跟隨著給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從。反饋控制規(guī)律反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng)，服從給定。反饋控制規(guī)律138圖2-5閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用圖2-5閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用139系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)的精度。反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是給定信號(hào)的正常調(diào)節(jié)還是外界的電壓波動(dòng)。反饋通道上有一個(gè)測(cè)速反饋系數(shù)，它同樣存在著因擾動(dòng)而發(fā)生的波動(dòng)，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。反饋控制規(guī)律系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)的精度。反饋控制規(guī)律1402.1.2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

限流保護(hù)限流問題的提出：起動(dòng)的沖擊電流——直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流。堵轉(zhuǎn)電流——電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。2.1.2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

141電流截止負(fù)反饋的應(yīng)用在原先的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)電流負(fù)反饋，令電流負(fù)反饋在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，維持電流基本不變；當(dāng)電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，取消此電流負(fù)反饋，不影響系統(tǒng)的調(diào)速性能。此類只在電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋被稱為電流截止負(fù)反饋。電流截止負(fù)反饋的應(yīng)用在原先的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再142電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)——在主電路中的采樣電阻——比較電壓時(shí)，輸出和輸入相等；時(shí)，輸出為零。圖2-6電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)——在主電路中的采樣電阻圖2-6143穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-7帶電流截止負(fù)反饋環(huán)的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-7帶電流截止負(fù)反饋環(huán)的閉環(huán)直流調(diào)速系144電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的形式 圖2-8用模擬控制器件實(shí)現(xiàn)的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)（a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓（b）利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的形式 圖2-8用模擬控制器件實(shí)現(xiàn)的145在微機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)：在軟件中用條件語句實(shí)現(xiàn)在微機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)：在軟件中用條件語句實(shí)146靜特性方程式當(dāng)時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，系統(tǒng)就是單純的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)，電流負(fù)反饋與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)存在，（2-1）

（2-7）

靜特性方程式當(dāng)時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，147圖2-9 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖2-9 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性148電流負(fù)反饋段的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，被稱為系統(tǒng)靜特性的下垂段。比較電壓和給定電壓同時(shí)起作用，使得理想空載轉(zhuǎn)速達(dá)到。（2-8）

電流負(fù)反饋段的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻，因而穩(wěn)態(tài)速149下垂段靜特性令n=0，得到堵轉(zhuǎn)電流Idbl，它限制了電動(dòng)機(jī)電流，起到了保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用?？紤]到KpKsRs>>R，因此（2-9）

（2-10）

下垂段靜特性令n=0，得到堵轉(zhuǎn)電流Idbl，它限制了電動(dòng)機(jī)150參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，一般可取，截止電流可略大于電動(dòng)機(jī)的額定電流，

參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，一般可取1512.1.3轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型任何一個(gè)帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的物理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程都應(yīng)該用微分方程來描述，系統(tǒng)的響應(yīng)（即微分方程的解）包括兩部分：動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中，輸出響應(yīng)不能立即達(dá)到給定的輸入值，這就是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；只有當(dāng)系統(tǒng)達(dá)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。2.1.3轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

動(dòng)152系統(tǒng)工作原理圖2-1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)工作原理圖2-1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)153單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第一個(gè)環(huán)節(jié)是比例放大器，其響應(yīng)可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，所以它的傳遞函數(shù)就是它的放大系數(shù)，即（2-11）

單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第一個(gè)環(huán)節(jié)是比例放大器，其響應(yīng)可154電力電子變換器第二個(gè)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PWM控制與變換裝置的近似傳遞函數(shù)表達(dá)式是相同的，都是（2-12）

電力電子變換器第二個(gè)環(huán)節(jié)是電力電子變換器，晶閘管觸發(fā)與整流裝155直流電動(dòng)機(jī)圖2-10他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路直流電動(dòng)機(jī)圖2-10他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路156直流電動(dòng)機(jī)第三個(gè)環(huán)節(jié)是直流電動(dòng)機(jī)，假定主電路電流連續(xù)，則主電路電壓的微分方程為

（2-13）式中R——主電路的總電阻（Ω）

L——主電路的總電感（mH）直流電動(dòng)機(jī)第三個(gè)環(huán)節(jié)是直流電動(dòng)機(jī)，假定主電路電流連續(xù)，則主電157直流電動(dòng)機(jī)忽略摩擦力及彈性變形，電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程為 （2-14）式中 ——電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）; ——包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）； ——電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量（N·m2）；直流電動(dòng)機(jī)忽略摩擦力及彈性變形，電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程為158直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下， 式中 ——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（N·m/A）——電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)系（V/r/min）再定義——電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)(s)，——電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)（s）,直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下， 159直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)R、Te、Tl和Tm的的定義對(duì)式（2-13）和（2-14）作整理后得

式中 ——負(fù)載電流（A）。直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)R、Te、Tl和Tm的的定義對(duì)式160直流電動(dòng)機(jī)電流與電壓間的傳遞函數(shù)為

（2-15）轉(zhuǎn)速與電流之間的傳遞函數(shù)為

（2-16）直流電動(dòng)機(jī)電流與電壓間的傳遞函數(shù)為161圖2-11額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-11額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖162直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是控制輸入量Ud0，另一個(gè)是擾動(dòng)輸入量Idl。電勢(shì)E是根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)電壓平衡方程式而形成的內(nèi)部反饋量。直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是控制輸入量Ud0，163進(jìn)行等效變換，得到圖2-12的形式。額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)二階線性環(huán)節(jié)，Tm和Tl兩個(gè)時(shí)間常數(shù)分別表示機(jī)電慣性和電磁慣性。圖2-12 直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行等效變換，得到圖2-12的形式。圖2-12 直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)164測(cè)速反饋第四個(gè)環(huán)節(jié)是測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，認(rèn)為它的響應(yīng)時(shí)間是瞬時(shí)的，傳遞函數(shù)就是它的放大系數(shù)。（2-17）

測(cè)速反饋第四個(gè)環(huán)節(jié)是測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，認(rèn)為它的響應(yīng)時(shí)間是瞬時(shí)的165動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-13反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-13反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)166開環(huán)傳遞函數(shù)式中系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)（2-18）

開環(huán)傳遞函數(shù)式中系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)（2-18）167閉環(huán)傳遞函數(shù)（2-19）

閉環(huán)傳遞函數(shù)（2-19）168單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析三階系統(tǒng)的的特征方程為（2-20）穩(wěn)定的充分必要條件

即 （2-21）單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析三階系統(tǒng)的的特征方程為169式（2-21）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)KcrK≥Kcr時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，以致無法工作。由于Tl、Ts和Tm都是系統(tǒng)的固有參數(shù)，而閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K中的Ks、Ce和α也是系統(tǒng)的既有參數(shù)，唯有Kp是可以調(diào)節(jié)的指標(biāo)。要使得K<Kcr，只有減少Kp以降低K值。式（2-21）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)Kcr170靜態(tài)性能指標(biāo)與穩(wěn)定性之間的矛盾根據(jù)系統(tǒng)的靜特性分析可知，閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K越大，靜差率越小，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是

這就是采用放大器的轉(zhuǎn)速反饋調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)性能指標(biāo)與穩(wěn)定性之間的主要矛盾。靜態(tài)性能指標(biāo)與穩(wěn)定性之間的矛盾根據(jù)系統(tǒng)的靜特性分析可知，閉171問題的提出圖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)框圖問題的提出圖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)框圖1722.1.4PI控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)典型開環(huán)傳遞函數(shù)為：

（2-22）分母中的項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有r重極點(diǎn)，稱作r型系統(tǒng)。2.1.4PI控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)典型開環(huán)傳遞函數(shù)為：173采用放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：采用放大器的174為什么引入積分控制？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)有3個(gè)開環(huán)極點(diǎn)，但沒有在原點(diǎn)處的極點(diǎn)。因此它是歸屬于0型系統(tǒng)。在階躍輸入時(shí)，該0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是。把該系統(tǒng)的類型改進(jìn)為I型系統(tǒng)，就能把原先的0型有靜差系統(tǒng)改進(jìn)為I型無差系統(tǒng)。為什么引入積分控制？采用放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函175積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律-積分調(diào)節(jié)器把比例調(diào)節(jié)器 (2-23)換成積分調(diào)節(jié)器 （2-24）其傳遞函數(shù)是 （2-25）積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律-積分調(diào)節(jié)器把比例調(diào)節(jié)器176積分調(diào)節(jié)器采用積分調(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

式中 （2-26）采用積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)成了I型系統(tǒng)，它被稱為無靜差調(diào)速系統(tǒng)。積分調(diào)節(jié)器采用積分調(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177采用積分調(diào)節(jié)器后可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，但是動(dòng)態(tài)性能如何？采用積分調(diào)節(jié)器后可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，但是動(dòng)態(tài)性能如何？178積分控制規(guī)律輸入ΔUN是階躍信號(hào)，則輸出Uc按線性規(guī)律增長(zhǎng)。當(dāng)輸出值達(dá)到積分調(diào)節(jié)器輸出的飽和值Ucom時(shí)，便維持在Ucom不變。圖2-14積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程積分控制規(guī)律輸入ΔUN是階躍信號(hào)，則輸出Uc按線性規(guī)179積分控制規(guī)律只要ΔUn>0，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長(zhǎng)；只有達(dá)到ΔUn=0時(shí)，Uc才停止上升；只有到ΔUn變負(fù)，Uc才會(huì)下降。當(dāng)ΔUn=0時(shí)，Uc并不是零，而是某一個(gè)固定值Ucf圖2-14積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程積分控制規(guī)律只要ΔUn>0，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長(zhǎng)；180無靜差調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載

突增時(shí)的動(dòng)態(tài)過程Idl=>n下降=>ΔUn變正=>Uc上升=>電樞電壓Ud上升=>克服Idl增加的壓降=>最終進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。無靜差調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載

突增時(shí)的動(dòng)態(tài)過程Idl=>n下181積分與比例控制區(qū)別比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，積分調(diào)節(jié)器的輸出包含了輸入偏差量的全部歷史。雖然當(dāng)前的ΔUn=0，只要?dú)v史上有過ΔUn，其積分輸出就有一定數(shù)值，就能輸出穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓Uc。積分與比例控制區(qū)別182對(duì)于I型系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)作用無靜差的關(guān)鍵是：必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)前含有積分環(huán)節(jié)，當(dāng)然此擾動(dòng)是指階躍擾動(dòng)。原則：穩(wěn)態(tài)時(shí)積分器輸入為0對(duì)于I型系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)作用無靜差的關(guān)鍵是：183為什么要引入比例積分控制？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(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出只能逐漸地變化，如圖2-14所示。調(diào)速系統(tǒng)一般應(yīng)具有快與準(zhǔn)的性能，即系統(tǒng)既是靜態(tài)無差又具有快速響應(yīng)的性能。實(shí)現(xiàn)的方法是把比例和積分兩種控制結(jié)合起來，組成比例積分調(diào)節(jié)器（PI）。為什么要引入比例積分控制？在階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸184兩種調(diào)節(jié)器性能比較a)P調(diào)節(jié)器UexUintUinUexOτ

UexUinUexmtUinUexOb)I調(diào)節(jié)器兩種調(diào)節(jié)器I/O特性曲線兩種調(diào)節(jié)器性能比較a)P調(diào)節(jié)器UexUintUinUex185比例積分控制規(guī)律-PI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的表達(dá)式， （2-27）

式中Uex——PI調(diào)節(jié)器的輸出；

Uin——PI調(diào)節(jié)器的輸入。其傳遞函數(shù)為 （2-28）

式中Kp——PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)；

τ——PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。比例積分控制規(guī)律-PI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的表達(dá)式，186傳遞函數(shù)令τ1=Kpτ，則傳遞函數(shù)也可寫成如下形式 （2-29）

τ1是微分項(xiàng)中的超前時(shí)間常數(shù)。傳遞函數(shù)令τ1=Kpτ，則傳遞函數(shù)也可寫成如下形式187PI控制特點(diǎn)綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)。即：比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。PI控制特點(diǎn)綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了188輸出特性分析在t=0時(shí)就有Uex(t)=KpUin，實(shí)現(xiàn)了快速控制；隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長(zhǎng)

在t=t1時(shí)，Uin=0

圖2-16PI調(diào)節(jié)器的輸出特性輸出特性分析在t=0時(shí)就有Uex(t)=KpUin，實(shí)現(xiàn)了189閉環(huán)系統(tǒng)中輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)節(jié)器輸出部分Uc由兩部分組成，比例部分①和ΔUn成正比，積分部分②表示了從t=0到此時(shí)刻對(duì)ΔUn(t