7第七章直流調(diào)速系統(tǒng)課件

第7章直流調(diào)速系統(tǒng)7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1精選2021版課件7．1．1．直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，電力拖動(dòng)系統(tǒng)是最重要的應(yīng)用系統(tǒng)之一，而電動(dòng)機(jī)又是電力拖動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，它是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種有力工具。根據(jù)電動(dòng)機(jī)供電方式的不同，它可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟、制動(dòng)性能，而且可以在較大范圍內(nèi)平滑的調(diào)速，因此，在軋鋼設(shè)備、礦井升降設(shè)備、挖掘鉆探設(shè)備、金屬切削設(shè)備、造紙?jiān)O(shè)備、電梯等需要高性能可控制電力拖動(dòng)的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。但直流電動(dòng)機(jī)本身有著一些不可避免的缺陷，譬如存在換相問(wèn)題、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修較困難、成本較高等因素，制約了直流拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回2精選2021版課件近來(lái)年，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，也推動(dòng)了交流拖動(dòng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，有代替直流拖動(dòng)系統(tǒng)的趨勢(shì)。然而，直流拖動(dòng)系統(tǒng)在理論和實(shí)踐等方面發(fā)展比較成熟，從控制角度考慮，它又是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，故應(yīng)先很好地學(xué)習(xí)直流拖動(dòng)系統(tǒng)。從生產(chǎn)設(shè)備的控制對(duì)象來(lái)看，電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)基本上都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速(實(shí)質(zhì)上是控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程式為7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)3精選2021版課件式中，n為轉(zhuǎn)速，單位為r/min；U為電樞電壓，單位為V；I為電樞電流，單位為A；R為電樞回路總電阻，單位為Ω；Φ為勵(lì)磁磁通，單位為Wb；Ke為由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的機(jī)電系數(shù)。由上式可知，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有三種：①改變電樞供電電壓U②改變勵(lì)磁磁通Φ③改變電樞回路電阻R7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)4精選2021版課件7．1．2．直流調(diào)速的三種方式1．改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓的調(diào)速方式由式可知，改變直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓U時(shí)，其理想空載轉(zhuǎn)速no也改變，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電樞電流(即負(fù)載電流)I不變時(shí)，轉(zhuǎn)速降△n不變。所以，直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的硬度不變，其機(jī)械特性是一簇以U為參數(shù)的平行線。改變電動(dòng)機(jī)電樞電流，其機(jī)械特性基本上是平行上下移動(dòng)，轉(zhuǎn)速隨之改變，這種調(diào)速方式稱為改變電樞電壓調(diào)速方式。其機(jī)械特性如圖7－1所示?？紤]到電動(dòng)機(jī)的絕緣性能，電樞電壓的變化只能在小于額定電壓的范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)，在這種調(diào)速方式下，轉(zhuǎn)速上限為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)5精選2021版課件轉(zhuǎn)速下限受低速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的限制。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，此調(diào)速方式較好。改變電樞電壓調(diào)速(簡(jiǎn)稱調(diào)壓調(diào)速)是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式。2．改變勵(lì)磁電流調(diào)速方式改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路的勵(lì)磁電壓大小，可改變勵(lì)磁電流大小，從而改變勵(lì)磁磁通大小而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，此種調(diào)速方式稱為改變勵(lì)磁電流調(diào)速方式。其機(jī)械特性如圖7－2所示。這種調(diào)速方案屬于恒功率調(diào)速。調(diào)磁調(diào)速的調(diào)速范圍不大，一般只是配合調(diào)壓調(diào)速方式，在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速之上作小范圍的升速。將調(diào)壓調(diào)速和調(diào)磁調(diào)速?gòu)?fù)合起來(lái)則構(gòu)成調(diào)壓調(diào)磁復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)，7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)6精選2021版課件可得到更大的調(diào)速范圍，額定轉(zhuǎn)速以下采用調(diào)壓調(diào)速，額定轉(zhuǎn)速以上采用調(diào)磁調(diào)速。3．電樞回路串電阻調(diào)速方式在電動(dòng)機(jī)電樞回路串接附加電阻，改變串接電阻的阻值，也可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此種調(diào)速方式稱為電樞回路串電阻調(diào)速方式。這種調(diào)速方式只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，且串接電阻有較大能量損耗，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較軟，轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響大，輕載和重載時(shí)轉(zhuǎn)速不同。另外，該調(diào)速方式中的調(diào)速電阻損耗大，經(jīng)濟(jì)性差，一般只應(yīng)用于少數(shù)性能要求不高的小功率場(chǎng)合。其機(jī)械特性如圖7－3所示。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)7精選2021版課件7．1．3．調(diào)壓調(diào)速的三種主要形式由上面討論可知，調(diào)壓調(diào)速在工程應(yīng)用上是調(diào)速系統(tǒng)的主要方式。該調(diào)速方式需要有專門的、連續(xù)可調(diào)的直流電源供電。根據(jù)系統(tǒng)供電形式的不同，調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)可分為以下三種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組系統(tǒng)、晶閘管可控整流系統(tǒng)、直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。1．旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組系統(tǒng)如圖7－4所示為旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。以旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組作為可控電源的供電的直流調(diào)速系統(tǒng)稱為發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要部件為直流發(fā)電機(jī)G，直流電動(dòng)機(jī)M，故簡(jiǎn)稱G－M系統(tǒng)，7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)8精選2021版課件國(guó)際上通稱為Wand－Leonand系統(tǒng)。直流發(fā)電機(jī)G由原動(dòng)機(jī)M(交流異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī))拖動(dòng)，ФG和ФM分別是發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路的磁通。系統(tǒng)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路的磁通ФG即可改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓UG也就改變了直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的目的。如圖7－5所示為該系統(tǒng)的機(jī)械特性，從圖中可知其機(jī)械特性曲線為一簇相互平行的直線，特性較硬。2．晶閘管脈沖相位控制系統(tǒng)（晶閘管－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)）為了克服旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的缺點(diǎn)，20世紀(jì)50年代開(kāi)始采用汞弧整流器作為變流裝置的主要部件，形成所謂的離子拖動(dòng)系統(tǒng)，7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)9精選2021版課件首次實(shí)現(xiàn)了靜止變流，且縮短了響應(yīng)時(shí)間，但由于汞弧整流器造價(jià)較高，體積仍然很大，維護(hù)困難，特別是如果水銀泄漏，會(huì)造成人身傷害和環(huán)境污染，因此應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)。1957年大功率半導(dǎo)體可控整流器件晶閘管問(wèn)世，使變流技術(shù)出現(xiàn)了根本性的變革。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)很快成為直流調(diào)速的的主流，特別是在大功率的場(chǎng)合。由晶閘管可控整流電路給直流電動(dòng)機(jī)供電的系統(tǒng)稱為晶閘管－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱V－M系統(tǒng)，又稱靜止的Wand－Leonand系統(tǒng)，其原理框圖如圖7－6所示。這類系統(tǒng)通過(guò)改變給定電壓Ugn來(lái)改變晶閘管整流裝置的觸發(fā)脈沖的相位，7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)10精選2021版課件從而可改變晶閘管整流器的輸出電壓Ud的平均值，進(jìn)而達(dá)到改變直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。其機(jī)械特性如圖7－7所示。在晶閘管一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)主回路串接了電感量足夠大的電抗器，且電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流Id足夠大時(shí)，主回路電流是連續(xù)的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載或輕載時(shí)，即電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流Id較小時(shí)，主回路電流將產(chǎn)生電流斷續(xù)的特殊現(xiàn)象。主回路電流連續(xù)與否對(duì)晶閘管一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性將產(chǎn)生很大的影響。如圖7－7所示，在電流連續(xù)區(qū)，該特性曲線亦是一簇互相平行的直線，與G－M系統(tǒng)的機(jī)械特性相似。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)11精選2021版課件晶閘管－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V－M系統(tǒng)）與上述發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（G－M）相比較，不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也有更大的優(yōu)勢(shì)，功率放大倍數(shù)可達(dá)104～105，控制功率小，有利于將微電子技術(shù)引入強(qiáng)電領(lǐng)域，與旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和汞弧整流器相比，具有控制靈敏、響應(yīng)快、占地面積小、能耗低、效率高、噪聲小、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用。過(guò)去數(shù)十年來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)絕大部分都采用晶閘管一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。但這種傳統(tǒng)的晶閘管－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，限于晶閘管的性能，也有它的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：①晶閘管一般是單向?qū)щ娖骷?，可逆運(yùn)行比較困難，7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)12精選2021版課件實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行需采用開(kāi)關(guān)切換或使用正反兩組整流器供電，后者所用的變流設(shè)備要增加一倍；②晶閘管器件對(duì)于過(guò)電壓、過(guò)電流以及過(guò)高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任一值超過(guò)允許值都可能在瞬間使器件失效，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，這大大增加了設(shè)備的復(fù)雜性和不可靠因素；③晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此晶閘管整流器對(duì)交流電源來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)感性負(fù)載，吸取滯后的無(wú)功電流，因此功率因數(shù)低，特別是深調(diào)速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，功率因數(shù)更低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流導(dǎo)致電網(wǎng)電壓畸變。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)13精選2021版課件④晶閘管的調(diào)相還會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的電磁輻射，這與越來(lái)越高的電磁兼容要求是不相適應(yīng)的。3．直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)直流脈寬式調(diào)速系統(tǒng)，核心是脈沖寬度調(diào)制器（PulseWidthModulation，縮寫(xiě)為PWM），它是通過(guò)改變脈沖寬度的控制方式對(duì)直流電源進(jìn)行調(diào)制，從而改變輸出電壓平均值的方法，是在V－M調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以脈寬調(diào)制式直流可調(diào)電源取代晶閘管相控整流電源后構(gòu)成的直流電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其原理結(jié)構(gòu)如圖7－8所示。它采用了全控型電力電子器件作為功率開(kāi)關(guān)元件，并按脈寬調(diào)制方式對(duì)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)14精選2021版課件性能優(yōu)越，是100KW以下直流電機(jī)調(diào)速的首選方案。該系統(tǒng)的閉環(huán)控制方式、分析綜合方法均與晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相同。7．1．4．直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)衡量一個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，除了定性分析外，還必須有定量的指標(biāo)；此外，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)的要求也必須進(jìn)行量化，以作為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試的依據(jù)。那么，究竟有哪些具體的指標(biāo)來(lái)衡量直流調(diào)速系統(tǒng)呢？在工業(yè)、工程應(yīng)用領(lǐng)域，許多工藝要求都依賴于對(duì)速度的控制。例如，精密機(jī)床要求的加工精度達(dá)百分之幾毫米；重型銑床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)需要在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速，7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)15精選2021版課件其最高進(jìn)給速度可達(dá)600mm/min，而精加工時(shí)最低進(jìn)給速度只有2mm/min；又如，巨型軋鋼設(shè)備，需要軋鋼機(jī)的軋輥在不到一秒的時(shí)間內(nèi)就得完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的全部過(guò)程，而且操作頻繁；軋制板材的軋鋼機(jī)的定位系統(tǒng)，其定位精度要求不大于0·01mm；又如，高速造紙機(jī)，抄紙速度可達(dá)到1000m/min，要求穩(wěn)速誤差小于±0.01%。這些例子不勝枚舉。這些工藝過(guò)程對(duì)速度控制方面的要求歸納起來(lái)有以下三個(gè)方面：①調(diào)速。在一定的范圍之內(nèi)有級(jí)或無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)速系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方向允許正、反向的，稱之為可逆系統(tǒng)，只能單方向運(yùn)行的則稱之為不可逆系統(tǒng)。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)16精選2021版課件②穩(wěn)速。以一定的精度在要求的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)各種可能的干擾，都不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速變化，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。③啟動(dòng)、制動(dòng)性能。頻繁啟、制動(dòng)的設(shè)備為提高效率，需要盡快地加、減速。不適合快速改變轉(zhuǎn)速的設(shè)備，則要求啟、制動(dòng)盡可能地平穩(wěn)。上述三個(gè)方面的要求可具體轉(zhuǎn)化為調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)(靜態(tài))性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。1．穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)也稱靜態(tài)指標(biāo)，是指系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)，7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)17精選2021版課件具體指調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的調(diào)速范圍、靜差率，位置隨動(dòng)系統(tǒng)的定位精度和速度跟蹤精度，張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)張力誤差等等。下面分別予以介紹。1)調(diào)速范圍D電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下，運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速nMAX與最低轉(zhuǎn)速nMIN之比，用D表示，即

對(duì)于單純的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nMAX即為其額定轉(zhuǎn)速ned。D值越大，系統(tǒng)的調(diào)速范圍越寬。對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)18精選2021版課件也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速來(lái)定義調(diào)速范圍。調(diào)速范圍又稱做調(diào)速比。根據(jù)這個(gè)指標(biāo)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)可分為：調(diào)速范圍小的系統(tǒng)，一般指D≤3；調(diào)速范圍中等的系統(tǒng)，一般指3≤D≤50；調(diào)速范圍寬的系統(tǒng)，一般指D≥50?，F(xiàn)代電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以做到D≥10000。2)靜差率s當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載所引起的轉(zhuǎn)速降落△ned與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱做靜差率，用s表示，即

7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)19精選2021版課件或用百分?jǐn)?shù)表示為

由上式可知，靜差率是用來(lái)表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化程度的，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的變化程度越小，穩(wěn)定度越高。3)D、s、△ned三者之間的關(guān)系在單純的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，nMAX就是指電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速ned，即nMAX＝ned。而調(diào)速系統(tǒng)的靜差率是指系統(tǒng)最低速時(shí)的靜差率，即

7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)20精選2021版課件又因?yàn)?/p>

代人調(diào)速范圍的表達(dá)式得

上式表示了調(diào)速范圍D、靜差率s以及額定轉(zhuǎn)速降ned之間應(yīng)當(dāng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，ned可由電動(dòng)機(jī)的出廠數(shù)據(jù)給出，D和s由生產(chǎn)機(jī)械的要求確定，當(dāng)系統(tǒng)的特性硬度或△ned值一定時(shí)，如果對(duì)靜差率s的要求越小，則系統(tǒng)能夠達(dá)到的調(diào)速范圍D越小。當(dāng)對(duì)D、s都提出一定的要求時(shí)，為了滿足要求就必須使△ned小于某一值。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)21精選2021版課件2．動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的性能指標(biāo)稱做動(dòng)態(tài)指標(biāo)。由于實(shí)際系統(tǒng)存在電磁和機(jī)械慣性，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)總有一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，同時(shí)，系統(tǒng)總會(huì)受到一些不期望的擾動(dòng)。衡量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)分為跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類。1)跟隨性能指標(biāo)在給定信號(hào)(或稱參考輸入信號(hào))R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來(lái)描述。通常以輸出量的初始值為零時(shí)的階躍響應(yīng)過(guò)程作為典型的跟隨過(guò)程。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量C(t)與其穩(wěn)態(tài)值C∞的偏差越小越好，7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)22精選2021版課件達(dá)到穩(wěn)態(tài)值C∞的時(shí)間越快越好。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，跟隨性能指標(biāo)主要有以下各項(xiàng)：①上升時(shí)間tr。輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值C∞所經(jīng)過(guò)的時(shí)間稱為上升時(shí)間。它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。②超調(diào)量σ。輸出量超過(guò)其穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示稱為超調(diào)量，即超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。在調(diào)速系統(tǒng)中，超調(diào)量越小，意味著速度穩(wěn)定性越好。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)23精選2021版課件③調(diào)節(jié)時(shí)間ts。輸出量達(dá)到并不再超出穩(wěn)態(tài)值的某個(gè)區(qū)域(通常取±2%~±5%始)所需的最短時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間，也稱過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。它衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程的快慢。2)抗擾性能指標(biāo)一般以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中突然加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)N以后的過(guò)渡過(guò)程作為典型的跟隨過(guò)程?？箶_性能指標(biāo)主要有下述兩項(xiàng)：①動(dòng)態(tài)降落ΔCmax%。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突然加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)擾動(dòng)量，在過(guò)渡過(guò)程中所引起的輸出量最大降落值ΔCmax，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值C∞1、的百分?jǐn)?shù)表示，稱為動(dòng)態(tài)降落，即

7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述下一頁(yè)返回上一頁(yè)24精選2021版課件輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值C∞2，差值C∞1－C∞2是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落。②恢復(fù)時(shí)間tv。從階躍擾動(dòng)作用開(kāi)始到輸出量恢復(fù)到不再超過(guò)新穩(wěn)態(tài)值的某個(gè)區(qū)域(通常取±2%—±5%)所需的最短時(shí)間。在調(diào)速系統(tǒng)中，tv越小，意味著失穩(wěn)時(shí)間越短。動(dòng)態(tài)降落ΔCmax%越小，恢復(fù)時(shí)間tv越短，系統(tǒng)的抗干擾性能越好。實(shí)際控制系統(tǒng)對(duì)于各種動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求各異。有的對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗擾性能要求都較高；而有的則要求有一定的抗擾性能，跟隨性能好壞問(wèn)題不大。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述返回上一頁(yè)25精選2021版課件7．2．1．閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器帶強(qiáng)負(fù)反饋的集成電路運(yùn)算放大器具有高穩(wěn)定度的電壓放大能力，它可以很方便地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的疊加(綜合)、微分、積分等運(yùn)算，它有著很高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，容易實(shí)現(xiàn)線路的匹配。在模擬控制的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)申，多采用線性集成運(yùn)算放大器作為系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。1.調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)運(yùn)算放大器作調(diào)節(jié)器使用時(shí)，多數(shù)接成反相放大器，如圖7－9所示。其中Z0為輸入阻抗；Z1為反饋?zhàn)杩?；Zba1為同相輸入端的平衡阻抗，用以降低放大器失調(diào)電流的影響。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回26精選2021版課件由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很大，不論輸人和反饋?zhàn)杩篂楹涡问?，放大器的反相輸入?圖7－9中A點(diǎn))的電位近似于零，稱A點(diǎn)為虛地點(diǎn)。于是有又由于放大器的輸人電阻很大，經(jīng)過(guò)A點(diǎn)輸入放大器的電流也接近于零，因此所以調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)W(s)可寫(xiě)成

應(yīng)該注意的是，運(yùn)算放大器使用反相輸人時(shí)，輸入電壓Uin和輸出電壓Uex的極性是相反的，在實(shí)際線路的設(shè)計(jì)中應(yīng)予考慮。當(dāng)運(yùn)算放大器的反相輸入端有兩個(gè)輸入信號(hào)時(shí)，7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)27精選2021版課件如圖7－10(a)所示，由于A點(diǎn)的∑I＝0，可得此時(shí)，輸出量為當(dāng)Z01=Z02時(shí)

用結(jié)構(gòu)圖可以表示為圖7－10(b)和(c)。可見(jiàn)，運(yùn)算放大器具有信號(hào)綜合的作用。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)28精選2021版課件2.常用的典型調(diào)節(jié)器典型調(diào)節(jié)器就是前面章節(jié)中討論過(guò)的典型環(huán)節(jié)，這里不再詳細(xì)論述，只給出結(jié)論和應(yīng)用注意事項(xiàng)。①比例(P)調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器如圖7－12(a)所示。傳遞函數(shù)WP(s)為

這是一個(gè)純比例調(diào)節(jié)器，輸出信號(hào)以一定比例復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)Uin為階躍函數(shù)時(shí)，輸出信號(hào)Uex也是階躍函數(shù)，其幅值是Uin的KP倍。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)29精選2021版課件②積分(I)調(diào)節(jié)器圖7－12(a)所示為積分調(diào)節(jié)器原理圖，傳遞函數(shù)WI(s)為

其中τ1＝C1R0為積分時(shí)間常數(shù)。積分調(diào)節(jié)器的輸出為，其階躍響應(yīng)為Uex=（t/τ1）·Uin，是一條隨時(shí)間線性增長(zhǎng)的直線，但積分調(diào)節(jié)器的輸出量不可能無(wú)限制地增長(zhǎng)，它要受到電源電壓或輸出限幅電路的限制，輸出響應(yīng)如圖7－12(b)所示。積分調(diào)節(jié)器的輸出特性有以下特點(diǎn)：7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)30精選2021版課件a)在線性區(qū)，只要Uin≠0，Uin總要逐漸增長(zhǎng)；b)只有Uin=0時(shí)，Uin才不增長(zhǎng)，并保持為某一固定值；c)當(dāng)Uin變極性后，Uex才能減小。輸出達(dá)到飽和值時(shí)，必須等輸入信號(hào)Uin變極性后，輸出Uex才能減小，調(diào)節(jié)器才能退飽和，即積分調(diào)節(jié)器有積累和記憶作用。只要輸入端有信號(hào)，積分就會(huì)進(jìn)行，直至輸出達(dá)到飽和值。在積分過(guò)程中，如果突然使輸入信號(hào)為零，其輸出將保持在輸入信號(hào)為零瞬間前的輸出值。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)31精選2021版課件③比例積分(PI)調(diào)節(jié)器比例積分調(diào)節(jié)器如圖7－13(a)所示。傳遞函數(shù)WPI（s）為

式中，τ1——PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)，τ1＝ρR0C1τ——PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)，τ＝R1C1Kp一一PI調(diào)節(jié)器比例部分放大系數(shù)，Kp=R1/ρR0比例積分器的輸出為7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)32精選2021版課件階躍響應(yīng)為Uex＝（KP＋t/τ1）·Uin，如圖7－13(b)所示。輸出由比例和積分兩部分組成，當(dāng)輸入信號(hào)加人時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出先跳變到KpUin，再按積分作用，隨時(shí)間線性增長(zhǎng)。同樣，當(dāng)調(diào)節(jié)器深飽和后，必須等輸入信號(hào)變號(hào)，才能使調(diào)節(jié)器退飽和。3．調(diào)節(jié)器輔助電路①輸出限幅電路調(diào)節(jié)器在實(shí)際應(yīng)用中往往帶有輸出限幅電路，以滿足電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的某些要求，比如，可逆系統(tǒng)中最小觸發(fā)角αmin和最小逆變角隔βmin的限制等，這些將在本章以后各節(jié)中詳細(xì)分析。輸出限幅電路有外限幅和內(nèi)限幅兩類。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)33精選2021版課件圖7－14是利用二極管鉗位的外限幅電路，或稱輸出限幅電路，其中二極管VD1和電位器RP1提供正限幅，VD2和RP2提供負(fù)限幅，電阻Rlim是限幅時(shí)的限流電阻。正限幅電壓U＋exm＝UM+△UD，負(fù)限幅電壓│U－exm＝│UN│＋△UD，其中UM和UN分別表示電位器滑動(dòng)到M點(diǎn)和N點(diǎn)的電位，△UD是二極管的正向壓降。調(diào)節(jié)電位器RP1和RP2，可以任意改變正、負(fù)限幅值。外限幅電路只保證對(duì)外輸出限幅，對(duì)集成電路本身的輸出電路(C點(diǎn)電壓)并沒(méi)有限制住，只是把多余的電壓降在電阻Rlim上而已。這樣，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出達(dá)到限幅時(shí)，PI調(diào)節(jié)器電容C1上的電壓繼續(xù)上升，直到集成電路內(nèi)的輸出級(jí)晶體管飽和為止。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)34精選2021版課件一旦控制系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)器的輸出電壓從限幅值降低下來(lái)，電容上的多余電壓還需要一段放電時(shí)間，這將影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。這是外限幅電路的缺點(diǎn)。要避免上述缺點(diǎn)可采用內(nèi)限幅電路，或稱反饋限幅電路。最簡(jiǎn)單的內(nèi)限幅電路是利用兩個(gè)對(duì)接穩(wěn)壓管的電路，如圖7－15(a)所示。正限幅電壓U＋exm等于穩(wěn)壓管VS1的穩(wěn)壓值，負(fù)限幅電壓U－exm等于VS2的穩(wěn)壓值。當(dāng)輸出電壓Uex要超過(guò)限幅值時(shí)，馬上擊穿該方向的穩(wěn)壓管，對(duì)運(yùn)算放大器產(chǎn)生強(qiáng)烈的反饋?zhàn)饔?，使Uex回到限幅值。穩(wěn)壓管限幅電路雖然簡(jiǎn)單，但要調(diào)整限幅值時(shí)必須更換穩(wěn)壓管，是其不足之處。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)35精選2021版課件為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可以采用如圖7－15(b)所示的二極管鉗位的內(nèi)限幅電路。當(dāng)輸出電壓達(dá)到限幅時(shí)，電位器M點(diǎn)或N點(diǎn)基本上等于虛地電位，因此正電源和VD1、RP1提供負(fù)限幅，而用負(fù)電源和VD2、RP2提供正限幅。用電位器可以方便地調(diào)節(jié)輸出限幅值。用二極管鉗位時(shí)，流經(jīng)二極管的限幅電流要流過(guò)電位器，為了使它不太影響限幅值，電位器的電阻需選得小些，當(dāng)然，電位器的損耗也就大了。用晶體管來(lái)代替二極管可以克服這個(gè)缺點(diǎn)。②封鎖電路帶有積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器在實(shí)際應(yīng)用中，在零輸入條件下往往出現(xiàn)漂移，引起傳動(dòng)系統(tǒng)“爬行”。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)36精選2021版課件為了防止漂移輸出引起傳動(dòng)系統(tǒng)的誤動(dòng)作，常在積分反饋支路上并聯(lián)一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管VT。在停車狀態(tài)下，柵極G加正信號(hào)，使源極S和漏極D導(dǎo)通，將調(diào)節(jié)器封鎖，使其輸出為零。在工作狀態(tài)下，柵極G加負(fù)信號(hào)，場(chǎng)效應(yīng)管VT被夾斷，使調(diào)節(jié)器投人正常工作。③輸入濾波電路含輸入濾波電路的PI調(diào)節(jié)器如圖7－16(a)所示?，F(xiàn)在推導(dǎo)一下這類調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。圖中A點(diǎn)是虛地，可以認(rèn)為它和電容C0的接地端是連在一起的。用拉氏變換式表示流入A點(diǎn)的電流iA為7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)37精選2021版課件式中定義了濾波時(shí)間常數(shù)

于是，圖7－16（a）中虛地點(diǎn)A的電流平衡方程為

或其中，KP=R1/R0；τ＝R1/C1傳遞函數(shù)為

結(jié)構(gòu)圖如圖7－16（b）所示。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)38精選2021版課件7．2．2．單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一定范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，而且開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但在實(shí)際中許多要求無(wú)級(jí)調(diào)速的工作機(jī)械常要求較高的調(diào)速性能指標(biāo)。開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足高性能工作機(jī)械對(duì)性能指標(biāo)的要求。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不能滿足靜態(tài)指標(biāo)的原因是靜態(tài)速降太大，即負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化太大。根據(jù)反饋控制原理，要穩(wěn)定哪個(gè)參數(shù)，就引入哪個(gè)參數(shù)的負(fù)反饋，與恒值給定相比較，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，因此必須引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)39精選2021版課件1．單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)組成及靜特性要引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，必須要有轉(zhuǎn)速測(cè)定裝置，因此首先在電機(jī)軸上安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un，與轉(zhuǎn)速給定電壓U*n相比較后，得到偏差電壓△Un，經(jīng)過(guò)放大器產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uct，用以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。這就組成了反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)，其原理圖如圖7－17所示。由于被調(diào)量、反饋量都是轉(zhuǎn)速，所以稱這種系統(tǒng)為閉環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。為了突出主要矛盾，在分析系統(tǒng)靜特性時(shí)，先作如下假定：①忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的；②假定系統(tǒng)只工作在V－M系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段；7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)40精選2021版課件③忽略直流電源及電位器內(nèi)阻。這樣圖7－17所示系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)放大器晶閘管觸發(fā)整流裝置V-M系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性 測(cè)速發(fā)電機(jī) 以上各關(guān)系式中Kp——比例調(diào)節(jié)器放大系數(shù)；Ks——晶閘管觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)；7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)41精選2021版課件an——測(cè)速反饋系數(shù)，單位為V/(r·min－1)。由上述關(guān)系式，可得閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖7－18所示。由靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可求得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式

式中，K=，為閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，是系統(tǒng)各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)的乘積。下面比較一下開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。如果斷開(kāi)圖7－20所示系統(tǒng)的反饋回路，則相應(yīng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性為

7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)42精選2021版課件而閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性可寫(xiě)成式中n0op、n0CL——開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；ΔnOP、ΔnCL——開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降。比較上面兩式可以得到如下結(jié)論：閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性的硬度大大提高；對(duì)于相同理想空載轉(zhuǎn)速的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種特性，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多；由于閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的靜差率小，所以當(dāng)要求的靜差率指標(biāo)一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。但是要取得上述優(yōu)點(diǎn)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)43精選2021版課件2．單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性根據(jù)系統(tǒng)原理圖7－17和靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖7－18，可得出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7－21所示。它是一個(gè)三階系統(tǒng)，由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可求得閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為

7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)44精選2021版課件根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯—古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是

整理后得綜上所述，單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)，靜特性變硬，在一定靜差率要求下調(diào)速范圍變寬，而且系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。但該系統(tǒng)存在兩個(gè)問(wèn)題，一是系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的矛盾，二是啟動(dòng)時(shí)沖擊電流太大，如何解決這兩個(gè)問(wèn)題，將在以下的章節(jié)中進(jìn)一步討論。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)45精選2021版課件3．其他單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)引入被調(diào)量的負(fù)反饋是閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本形式，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，意味著引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。但是要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋必須有轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置，在模擬控制中就是用測(cè)速發(fā)電機(jī)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的安裝、維護(hù)都比較麻煩，不僅增加了成本，還有可靠性和壽命的問(wèn)題。那么，可否省去測(cè)速發(fā)電機(jī)呢？我們知道，如果忽略電樞壓降，則直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速近似與電樞電壓成正比，所以，對(duì)調(diào)速要求不高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以采用電壓負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖和靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7－22(a)、(b)所示。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)46精選2021版課件電壓負(fù)反饋取自電樞端電壓U'd，為了在結(jié)構(gòu)圖上把U顯示出來(lái)，須把電阻R分成晶閘管整流裝置內(nèi)阻(含平波電抗器電阻)Rrec和電機(jī)電樞電阻Ra兩部分，圖中γu為電壓反饋系數(shù)，它等于電壓反饋電壓和電樞電壓的比，即u=Uu/U'd，由靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，擾動(dòng)量IdRa不在反饋環(huán)包圍之內(nèi)，所以，電壓反饋對(duì)由它引起的速降是無(wú)能為力的。因此，電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)速降比同等放大系數(shù)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)要大一些，靜態(tài)性能要差一些。為了彌補(bǔ)電壓負(fù)反饋靜態(tài)速降相對(duì)較差的不足，在采用電壓負(fù)反饋的基礎(chǔ)上，再增加電流正反饋，其原理圖和靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7－23(a)、(b)所示。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)47精選2021版課件在主回路中串入取樣電阻Ra，由IdRa取電流正反饋信號(hào)，圖中βi為電流反饋系數(shù)。由靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，當(dāng)負(fù)載增大使靜態(tài)速降增加時(shí)，電流反饋信號(hào)也增大，通過(guò)正反饋?zhàn)饔檬拐麟妷篣d增加，從而補(bǔ)償了轉(zhuǎn)速的降落。如果參數(shù)選擇得合適，可以使靜差非常之小，甚至無(wú)差。這種控制稱為“補(bǔ)償控制”，由于電流的大小反映了負(fù)載擾動(dòng)，又叫做負(fù)載擾動(dòng)量的補(bǔ)償控制。它只能補(bǔ)償負(fù)載擾動(dòng)，對(duì)于其他擾動(dòng)，它所起的作用可能是壞的。而負(fù)反饋控制對(duì)一切包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)都起抑制作用。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)48精選2021版課件另外，補(bǔ)償控制完全依賴于參數(shù)的配合，當(dāng)參數(shù)受溫度等因素的影響而發(fā)生變化時(shí)，補(bǔ)償作用就會(huì)受影響。因此全面地看，補(bǔ)償控制不如反饋控制好。7．2．3．無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)概述及積分控制規(guī)律前面常用調(diào)節(jié)器中曾分析了積分調(diào)節(jié)器，積分調(diào)節(jié)器的輸出等于輸入量的累積，當(dāng)輸入量等于零時(shí)，輸出量維持為某一值，也就是說(shuō)積分調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)輸出不靠輸入量來(lái)維持。如果將圖7－12中的比例調(diào)節(jié)器改用積分調(diào)節(jié)器，其輸入量為給定值與反饋值的偏差ΔUn，輸出為控制電壓Uct，則構(gòu)成積分控制系統(tǒng)。由于積分控制不僅靠偏差本身，還能靠偏差的累積，7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)49精選2021版課件其積分為Uct=只要?dú)v史上有過(guò)ΔUn，即使現(xiàn)在ΔUn=0了，其積分卻仍然存在，仍能產(chǎn)生控制電壓，保證系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行。即穩(wěn)態(tài)時(shí)控制電壓可以不靠偏差來(lái)維持，因而積分控制的系統(tǒng)是無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。但是積分控制的系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)時(shí)是有誤差的。事物總是有其兩面性，積分調(diào)節(jié)器固然能使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)靜差，但它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)卻太慢了。如圖7－12(b)所示，積分調(diào)節(jié)器在階躍信號(hào)的作用下，其輸出只能逐漸增長(zhǎng)，控制作用只能逐漸表現(xiàn)出來(lái)。與此相反，采用比例調(diào)節(jié)器雖然有靜差，7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)50精選2021版課件動(dòng)態(tài)反應(yīng)卻較快。如果既要靜態(tài)準(zhǔn)，又要響應(yīng)快，可以將兩者結(jié)合起來(lái)，采用比例—積分調(diào)節(jié)器。比例—積分調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成，由圖7－13可見(jiàn)，突加輸入信號(hào)時(shí)，由于電容C1兩端電壓不能突變，相當(dāng)于電容兩端瞬時(shí)短路，調(diào)節(jié)器變成放大系數(shù)為Kp的比例調(diào)節(jié)器，在輸出端立即呈現(xiàn)電壓KpUin，實(shí)現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長(zhǎng)處，而Kp的取值是保證系統(tǒng)穩(wěn)定的。此后，隨著電容C1被充電，輸出電壓Uex開(kāi)始積分，其數(shù)值不斷增長(zhǎng)，直到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，C1兩端電壓等于Uex，R1已不起作用，又和積分調(diào)節(jié)器一樣了，這時(shí)又能發(fā)揮積分控制的長(zhǎng)處，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)無(wú)差。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)51精選2021版課件在由動(dòng)態(tài)到靜態(tài)的過(guò)程中，比例－積分調(diào)節(jié)器相當(dāng)于自動(dòng)改變放大倍數(shù)的放大器，動(dòng)態(tài)時(shí)小，靜態(tài)時(shí)大，從而解決了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、快速性和靜態(tài)精度之間的矛盾。采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)如圖7－24所示。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)返回上一頁(yè)52精選2021版課件7．3．1．電流截止負(fù)反饋的引入前面已經(jīng)討論過(guò)，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的另一個(gè)問(wèn)題是啟動(dòng)電流過(guò)大，為了解決這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)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(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引人哪個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引人電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值，但是從應(yīng)用看，這種作用只應(yīng)該在電流比較大時(shí)存在，在正常運(yùn)行時(shí)又得取消，讓電流隨著負(fù)載增減。這樣的當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋稱為電流截止負(fù)反饋。7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回53精選2021版課件帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖7－26所示。為了引入電流反饋，在主電路交流側(cè)用電流互感器TA測(cè)得與Id成比例的信號(hào)，再將其整流成與電流Id成正比例的電流反饋電壓Ui，兩者關(guān)系為Ui/Id=βi，βi為電流反饋系數(shù)。電流反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)經(jīng)穩(wěn)壓管VS后送入調(diào)節(jié)器的輸入端，這樣當(dāng)電流反饋電壓Ui小于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值Uvs時(shí)，電流負(fù)反饋不起作用；而當(dāng)Ui>Uvs時(shí)，穩(wěn)壓管VS擊穿，電流負(fù)反饋起作用。臨界截止電流Idc=Uvs/i。7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)54精選2021版課件7．3．2．帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性如圖7－27所示。當(dāng)輸入信號(hào)Ui－Uvs為正時(shí)，輸人和輸出相等；當(dāng)Ui－Uvs為負(fù)值時(shí)，輸出Ui為零。這是一個(gè)由兩段線性環(huán)節(jié)組成的非線性環(huán)節(jié)，將其畫(huà)在方框中，再和系統(tǒng)其他部分連接起來(lái)，即可得到帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖7－28所示。由靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以推導(dǎo)出該系統(tǒng)的靜態(tài)特性方程式。當(dāng)Id≤Idcr時(shí)，電流負(fù)反饋截止，此時(shí)有7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)55精選2021版課件當(dāng)Id>Idcr時(shí)，電流負(fù)反饋起作用將上面兩式畫(huà)成靜態(tài)特性曲線，如圖7－29所示。電流負(fù)反饋被截止時(shí)相當(dāng)于圖中n0A段，它就是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)本身的靜態(tài)特性，顯然是比較硬的。電流負(fù)反饋起作用時(shí)相當(dāng)于圖中的AB段，此時(shí)由于電流負(fù)反饋的作用，相當(dāng)于在電樞回路中串入一個(gè)大電阻KpKsβi，7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)56精選2021版課件因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂，而電流變化卻較小。這兩段靜態(tài)特性常被稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過(guò)載時(shí)，電機(jī)停下來(lái)，這時(shí)的電流稱為堵轉(zhuǎn)電流Idbl，令n＝0，得

一般i>>R，因此堵轉(zhuǎn)電流Idbl的取值應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流(l.5~2)Inom。另一方面，臨界電流Idcr應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，以保證電機(jī)在額定負(fù)載下能正常運(yùn)行。7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)57精選2021版課件7．3．3．帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程由于系統(tǒng)中有電流限制環(huán)節(jié)，所以可以突加給定電壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)過(guò)程如圖7－30(a)所示。啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速、電流逐漸增加，當(dāng)電流超過(guò)臨界電流Idcr值以后，電流負(fù)反饋起作用，限制電流的沖擊。最后，電流為負(fù)載電流IdL，轉(zhuǎn)速為給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。為了縮短啟動(dòng)過(guò)程，在電機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力。最好是在動(dòng)態(tài)過(guò)程中始終保證電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值，使傳動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)；到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來(lái)，7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)58精選2021版課件使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這就是理想的啟動(dòng)過(guò)程，波形如圖7－30(b)所示。比較一下圖7－30(a)和(b)可以看出，帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程并不理想，它沒(méi)有充分利用電機(jī)的過(guò)載能力來(lái)完成動(dòng)態(tài)過(guò)程。綜上所述，帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，具有一定的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)精度，同時(shí)又能限制啟動(dòng)電流和堵轉(zhuǎn)工作，線路簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，很有實(shí)用價(jià)值，但是系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程不理想。7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)返回上一頁(yè)59精選2021版課件

設(shè)計(jì)一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，首先應(yīng)該進(jìn)行總體設(shè)計(jì)、基本部件選擇和靜態(tài)參數(shù)計(jì)算，從而形成基本的控制系統(tǒng)。然后，建立基本系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，分析基本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。如果基本系統(tǒng)不滿足性能指標(biāo)的要求，則應(yīng)加入適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)校正裝置，使校正后的系統(tǒng)全面地滿足要求。動(dòng)態(tài)校正方法有許多種，而且對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)能符合要求的校正方案也不是唯一的。在調(diào)速系統(tǒng)中常用串聯(lián)校正和反饋校正，它們可以很容易地利用由運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源校正調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常采用經(jīng)典控制理論中的頻率特性法來(lái)設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)，基本思路是：根據(jù)工作機(jī)械和工藝要求確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能指標(biāo)；7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回60精選2021版課件然后，根據(jù)性能指標(biāo)求得相應(yīng)的預(yù)期開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性；最后，比較預(yù)期開(kāi)環(huán)頻率特性和基本系統(tǒng)的頻率特性，從而確定校正環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。這里將通過(guò)一個(gè)例子介紹調(diào)速系統(tǒng)的常用設(shè)計(jì)方法。以龍門刨床為例，其工作臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)采用V－M直流調(diào)速系統(tǒng)。其中，直流電機(jī)的額定參數(shù)為60kW、220V、305A、I000r/min，電樞電阻Ra=0.066Ω，電機(jī)過(guò)載系數(shù)為λ=1.5。晶閘管變流裝置采用三相橋式電路，其放大系數(shù)為ks=Ud/Uct=30，V－M系統(tǒng)主回路總電阻為R＝0.18Ω，總電感為2.16mH。測(cè)速發(fā)電機(jī)為永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，額定參數(shù)為23.1W、110V、0.21A、1900r/min。7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)61精選2021版課件旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)總飛輪矩GD2=78N·m2，控制電路采用±15V電源。試設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)達(dá)到靜態(tài)指標(biāo)D=20，s≤5%，動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)γ=60o，并使系統(tǒng)可以在階躍給定信號(hào)下直接啟動(dòng)。第一步，靜態(tài)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)所要求的靜態(tài)性能指標(biāo)為有差，系統(tǒng)在階躍給定信號(hào)下可直接啟動(dòng)，故先考慮采用比例調(diào)節(jié)器的帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電流負(fù)反饋不作用，因此設(shè)計(jì)時(shí)先不考慮電流截止環(huán)節(jié)，求滿足靜態(tài)性能指標(biāo)要求的調(diào)節(jié)器參數(shù)，再設(shè)計(jì)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)62精選2021版課件(1)根據(jù)性能指標(biāo)要求，求系統(tǒng)允許的速降。系統(tǒng)允許的速降為(2)根據(jù)△nCL求開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)K。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)降△nop和閉環(huán)系統(tǒng)速降△ncl的關(guān)系為

先求△nop，根據(jù)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性

而其中

7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)63精選2021版課件于是有

所以

因?yàn)?，為了求調(diào)節(jié)器放大系數(shù)Kp，須先求轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。(3)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)參數(shù)計(jì)算。由圖7－26可知，轉(zhuǎn)速反饋電壓Un是經(jīng)過(guò)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG和電位器PR2得到的，于是測(cè)速反饋系數(shù)為

7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)64精選2021版課件式中——測(cè)速反饋系數(shù)；——電位器電阻比值；——測(cè)速發(fā)電機(jī)傳遞系數(shù)，它是測(cè)速發(fā)電機(jī)額定電壓和額定轉(zhuǎn)速的比值，即KTG＝110/1900＝0.0579V·min/r。若取=0.2，則電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速反饋電壓Un為7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)65精選2021版課件對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速給定電壓應(yīng)稍大于轉(zhuǎn)速反饋電壓Un。由于給定的控制電源為15V，若取，計(jì)算額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速反饋電壓為11.58V。因此，這樣的選擇系統(tǒng)可在額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，并可在額定轉(zhuǎn)速以下實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。此時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為an＝0.2×0.0579＝0.0116V·min/r所以取KP=60。7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)66精選2021版課件(4)電流截止環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。根據(jù)前面對(duì)電流截止負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的分析，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UVS決定了臨界截止電流對(duì)應(yīng)的電流反饋電壓Udcr，而Udcr＝βiIdcr。取臨界截止電流Idcr＝1.2Inom。電流反饋系數(shù)βi=Ui/Id，調(diào)節(jié)電位器PR3，可以調(diào)節(jié)βi。由于控制電源電壓為±15V，電樞電流為最大值(即堵轉(zhuǎn)電流)時(shí)，電流反饋電壓Ui應(yīng)該小于電源電壓。假設(shè)調(diào)節(jié)電位器PR3，使Id=Idb1時(shí)，Ui＝10V，則電流反饋系數(shù)為βi=Ui/Idb1＝Ui/λInom＝10/1.5×305＝0.022V/A。于是穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為UVS＝Idcr·βi＝1.2×305×0.022＝8V7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)67精選2021版課件第二步，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。(1)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。考慮負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖7－21所示，根據(jù)勞斯判據(jù)，可得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的條件，即

而所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm、電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)T1、晶閘管變流裝置平均滯后時(shí)間TS分別為

7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)68精選2021版課件于是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件為

根據(jù)第一步靜態(tài)設(shè)計(jì)中的分析，要滿足D＝20，s<5%的靜態(tài)性能指標(biāo)，K必須大于103.6。顯然靜態(tài)設(shè)計(jì)中根據(jù)K>103.6設(shè)計(jì)比例調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，必須作動(dòng)態(tài)校正。(2)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正。這里將采用開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性設(shè)計(jì)串聯(lián)校正調(diào)節(jié)器。由圖7－21可知，經(jīng)過(guò)靜態(tài)設(shè)計(jì)后滿足靜態(tài)性能指標(biāo)的負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)69精選2021版課件而于是閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

相應(yīng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性如圖7－31中曲線①所示。其中三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)70精選2021版課件而20lgK=20lg103.6＝40.3dB，由圖7－31可以求出截止頻率，相角裕量為由此也可得出系統(tǒng)不穩(wěn)定的結(jié)論。①被校正系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)福頻特性②校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性③校正環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)福頻特性在負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)串聯(lián)校正常用PI(或滯后)、PD(或超前)、PID(或滯后－超前)之類調(diào)節(jié)器。由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但以犧牲快速性換取系統(tǒng)的穩(wěn)定性；用PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成超前校正可以提高穩(wěn)定裕量，并獲得足夠的快速性，7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)71精選2021版課件但會(huì)影響穩(wěn)態(tài)精度；用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)滯后－超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)性能，但調(diào)節(jié)器線路相對(duì)復(fù)雜，調(diào)試比較麻煩。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性為主，對(duì)快速性要求不高，經(jīng)常采用PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成串聯(lián)滯后校正，其傳遞函數(shù)為。

調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法靈活多樣，有時(shí)需要反復(fù)試湊才能得到滿意的結(jié)果。針對(duì)本例靜態(tài)設(shè)計(jì)所得的閉環(huán)系統(tǒng)，由于系統(tǒng)不穩(wěn)定，要設(shè)法將截止頻率減下來(lái)，以使系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕量。因此，將校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)置在遠(yuǎn)小于被校正系統(tǒng)截止頻率ωc1處。為了方便起見(jiàn)，通常令τ=T1，7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)72精選2021版課件被校正系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)大的慣性環(huán)節(jié)為即在傳遞函數(shù)上使校正裝置的比例微分項(xiàng)(τs+1)與該慣性環(huán)節(jié)相對(duì)消，以此來(lái)確定校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率。校正環(huán)節(jié)的比例系數(shù)Kp1，可以根據(jù)所要求的系統(tǒng)穩(wěn)定裕量來(lái)求得。為了使校正后系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕量，校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)幅頻特性應(yīng)以一20dB/dec的斜率穿越零分貝線，必須將圖7－31中被校正系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線①壓下來(lái)，使校正后系統(tǒng)的截止頻率ωc2<1/T2。校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)73精選2021版課件校正后系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量為

式中：ωC2為校正后系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的截止頻率。若要求=600。，可以求出ωc2=35.7s-1，可以取ωc2=35s-1。校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性繪于圖7－31中曲線②。比較圖7－31中曲線①和曲線②，在ωc2處，被校正系統(tǒng)的L1＝30.9dB，7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)74精選2021版課件校正后系統(tǒng)的L2＝0dB。因此，校正環(huán)節(jié)的L3應(yīng)與L1正負(fù)相抵，即L3＝－L1＝－30.9dB。這樣確定的校正環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻特性如圖7－31中曲線③所示，由該曲線可以看出

所以

求得KPI=0.0285于是，串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例下一頁(yè)返回上一頁(yè)75精選2021版課件該調(diào)節(jié)器與被校正系統(tǒng)中的比例系數(shù)為Kp＝60的比例調(diào)節(jié)器串聯(lián)。將比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)綜合考慮到比例積分調(diào)節(jié)器，則調(diào)速系統(tǒng)中所串聯(lián)比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

若取調(diào)節(jié)器輸入電阻R0＝20KΩ，則調(diào)節(jié)器反饋網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)為R1＝1.17×R0＝34.2KΩC1＝τ/R1＝0.084/34.2×103＝2.45μF調(diào)節(jié)器的電路圖如圖7－32所示。7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例返回上一頁(yè)76精選2021版課件所謂多環(huán)控制系統(tǒng)，是按一環(huán)套一環(huán)的嵌套結(jié)構(gòu)組成的具有兩個(gè)或兩個(gè)以上閉環(huán)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。本節(jié)以轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為重點(diǎn)，分析多環(huán)控制的特點(diǎn)、控制規(guī)律等。7．5．1．轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性帶電流截止負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)若采用PI調(diào)節(jié)器，可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)差，但是系統(tǒng)的啟動(dòng)特性不理想。對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高的系統(tǒng)，它就不能滿足要求了。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持力最大值Idm的恒流過(guò)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，7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回77精選2021版課件那么采用電流反饋就應(yīng)該得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，保持電流不變，恒流啟動(dòng)；到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔?，又使它們只能分別在不同的階段起主要作用呢?雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)正是用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的。1．轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖7－33所示。7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)78精選2021版課件把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)，這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅的，轉(zhuǎn)速凋節(jié)器ASR的輸出限幅(飽和)電壓是，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值;電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uctm，它決定了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)79精選2021版課件2．靜特性分析為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性，先根據(jù)圖7－33的原理圖給出靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖7－34所示。這里要注意，采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器是帶限幅輸出的。分析靜態(tài)特性的關(guān)鍵是要掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特性。一般存在兩種情況：飽和——輸出達(dá)到限幅值；不飽和——輸出末達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。換句話說(shuō)，飽和調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔離了輸人和輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)80精選2021版課件當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，由于電流調(diào)節(jié)器也不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零。所以

和式中——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；——電流反饋系數(shù)?？傻脧亩玫綀D7－35所示靜態(tài)特性的n0A段。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，<Uim，可知Id<Idm，7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)81精選2021版課件這就是說(shuō)n0A段靜特性從Id＝0一直延續(xù)到Id＝Idm，而Idm一般都是大于額定電流Idnom的，這就是靜態(tài)特性的運(yùn)行段。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，其輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)式中，最大電流Idm的取值決定于電機(jī)的容許過(guò)載能力和傳動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。上式所描述的靜態(tài)特性是圖7－35中的AB段，當(dāng)n≥no時(shí)，Un≥，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器將退出飽和狀態(tài)，所以，這樣的下垂特性只適合于n<no的情況。7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)82精選2021版課件下面分析一下系統(tǒng)中各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。由圖7－34可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系

上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓決定的；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出量是由負(fù)載電流IdL決定的；而控制電壓Uct的大小則取決于和IdL。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)83精選2021版課件比例調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而比例積分調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。3．轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(如圖7－21所示)的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，如圖7－33所示，即可給出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖7－36所示。圖中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖申必須把電樞電流Id顯露出來(lái)。7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)84精選2021版課件1)啟動(dòng)過(guò)程分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在階躍給定電壓作用下，由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速、電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖7－37所示。在啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，于是將整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程分成三個(gè)階段，在圖中分別標(biāo)以I、Ⅱ和Ⅲ。第I階段——電流上升階段。突加給定電壓后，通過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，使Uct、Ud、Id都上升，當(dāng)Id≥IdL后，電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電機(jī)慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓△Un=一Un數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。當(dāng)電流Id=Idm時(shí)，7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)85精選2021版課件Ui≈，電流調(diào)節(jié)器的作用使Id不再迅猛增長(zhǎng)。在這一階段中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由不飽和很快達(dá)到飽和，而電流調(diào)節(jié)器不飽和。第Ⅱ階段——恒流升速階段。在這個(gè)階段中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而傳動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長(zhǎng)。對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，如圖7－36所示，為了克服這個(gè)擾動(dòng)，Ud和Uct也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持Id恒定。由于電流調(diào)節(jié)器是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓△Ui=－Ui必須維持一定的恒值。7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)86精選2021版課件也就是說(shuō)，Id應(yīng)略低于Idm。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在啟動(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的。同時(shí)整流裝置的最大電壓Udm也必須留有余量，即晶閘管裝置也不應(yīng)該飽和，這些都是設(shè)計(jì)中必須注意的。第Ⅲ階段——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這個(gè)階段開(kāi)始時(shí)，轉(zhuǎn)速己經(jīng)達(dá)到給定值。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差電壓為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值。所以電機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，Un>，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。其輸出電壓即電流調(diào)節(jié)器的給定電壓；7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)87精選2021版課件立即從限幅值降下來(lái)。主電流Id也因此下降，但是，在Id仍大于負(fù)載電流IdL的時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到Id＝IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te＝TL，則dn/dt＝0，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值。此后，電機(jī)才開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速。與此相對(duì)應(yīng)，電流Id也出現(xiàn)一段小于IdL的過(guò)程，直到穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)階段中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于主導(dǎo)地位，而電流調(diào)節(jié)器的作用則是力圖使Id盡快地跟隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出量，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。由上述啟動(dòng)過(guò)程可以看出，第Ⅱ階段即恒流升速階段是啟動(dòng)過(guò)程中的主要階段。7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)88精選2021版課件如果Idm根據(jù)電機(jī)允許的最大過(guò)載能力的傳動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度來(lái)選取，則就可以充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，在系統(tǒng)允許的條件下，最快地完成啟動(dòng)過(guò)程，得到比較理想的啟動(dòng)過(guò)程。而啟動(dòng)過(guò)程中之所以存在第Ⅱ階段的恒流升速過(guò)程，是因?yàn)樵谶@一階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束時(shí)，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓△Un為負(fù)值，才能使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和。所以，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。在一般情況下，轉(zhuǎn)速略有超調(diào)對(duì)實(shí)際運(yùn)行影響不大。如果工藝上不允許超調(diào)，可以采用轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋來(lái)抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)。7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)89精選2021版課件2)動(dòng)態(tài)抗擾動(dòng)性能由圖7－36所示動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來(lái)產(chǎn)生抗擾動(dòng)作用，因此，突加(減)負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降(升)。為了減少動(dòng)態(tài)速降(升)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾動(dòng)性能指標(biāo)。電網(wǎng)電壓有擾動(dòng)時(shí)，由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，可以通過(guò)電流反饋得到及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必像單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)那樣，等到影響到轉(zhuǎn)速后才在系統(tǒng)中有所反應(yīng)。因此，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多，對(duì)內(nèi)環(huán)擾動(dòng)調(diào)節(jié)起來(lái)更及時(shí)些。7.5多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)下一頁(yè)返回上一頁(yè)90精選2021版課件采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于采用飽和非線性控制，使兩個(gè)調(diào)節(jié)器充分