自動(dòng)控制技術(shù)（第二版）技工全套教學(xué)課件

自動(dòng)控制技術(shù)（第二版）1全套可編輯PPT課件目錄/content第一章｜自動(dòng)控制的基本概念緒論第三章｜直流調(diào)速系統(tǒng)第二章｜自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例第五章｜異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)第四章｜直流可逆調(diào)速系統(tǒng)2全套可編輯PPT課件自動(dòng)控制技術(shù)（第二版）3緒論4全套可編輯PPT課件緒論古代人類在長(zhǎng)期的生產(chǎn)和生活中，為了減輕自己的勞動(dòng)強(qiáng)度，逐漸學(xué)習(xí)利用自然界的動(dòng)力（如風(fēng)力、水力等）代替人力、畜力，以及用自動(dòng)裝置代替人的部分腦力勞動(dòng)和對(duì)自然界動(dòng)力的控制。公元前１４世紀(jì)至公元前１１世紀(jì)，中國(guó)和巴比倫出現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置———刻漏，為人類研制和使用自動(dòng)裝置之始。公元１７８８年英國(guó)機(jī)械師瓦特發(fā)明離心式調(diào)速器，并把它與蒸汽機(jī)的閥門連接起來，構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。這項(xiàng)發(fā)明對(duì)第一次工業(yè)革命和控制理論的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。5全套可編輯PPT課件緒論近些年來，自動(dòng)控制技術(shù)迅猛發(fā)展，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防建設(shè)以及航空、航天事業(yè)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，成為促進(jìn)當(dāng)代生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)進(jìn)步的重要因素。自動(dòng)控制是指在無人直接參與的情況下，利用自動(dòng)控制裝置（簡(jiǎn)稱控制器）使整個(gè)生產(chǎn)或工作機(jī)械（稱為被控對(duì)象）自動(dòng)按預(yù)先設(shè)定的規(guī)律運(yùn)行，或使它的某些物理量（稱為被控量）按預(yù)定的要求變化。6緒論事實(shí)上，任何技術(shù)設(shè)備、工作機(jī)械或生產(chǎn)過程都必須按某種要求運(yùn)行。例如，要想發(fā)電機(jī)正常供電，其輸出的電壓和頻率就必須保持基本恒定，盡量不受用電負(fù)荷變化的影響；要使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，就得根據(jù)電源電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化及時(shí)控制電動(dòng)機(jī)，使其轉(zhuǎn)速盡量不受干擾；要使烘烤爐烤出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，就必須嚴(yán)格控制爐溫，使溫度保持恒定或按某種規(guī)律變化；要使火炮能自動(dòng)跟蹤并命中目標(biāo)，炮身就必須按照指揮儀的命令做相應(yīng)的方位角和俯仰角變動(dòng)；要把數(shù)噸重的人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里外的高空軌道，使其攜帶的各種儀器能長(zhǎng)期、準(zhǔn)確地工作，就必須保持衛(wèi)星的正確姿態(tài)，使它的太陽能電池一直朝向太陽，無線電發(fā)射天線一直指向地球。所有的這一切都是以高水平的自動(dòng)控制技術(shù)為前提的。7緒論近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)和理論除了廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、電子、電力、航海、航空、航天、核反應(yīng)堆等領(lǐng)域外，其在人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其他社會(huì)生活領(lǐng)域也得到了擴(kuò)展，為各專業(yè)之間的相互滲透起了促進(jìn)作用?？梢哉f，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，使生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本、提高了經(jīng)濟(jì)效益、改善了勞動(dòng)條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和創(chuàng)造人類文明等方面都具有十分重要的意義，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化的重要支撐。作為現(xiàn)代工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，必須具備一定的自動(dòng)控制理論知識(shí)。8自動(dòng)控制的基本概念第一章9全套可編輯PPT課件１－１

人工控制與自動(dòng)控制１－２

開環(huán)控制１－３

閉環(huán)控制１－４

自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成１－５

自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第一章10全套可編輯PPT課件１－１

人工控制與自動(dòng)控制第一章11全套可編輯PPT課件學(xué)習(xí)目標(biāo)１.了解人工控制與自動(dòng)控制的基本概念。２.熟悉開環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)。３.熟悉閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)。４.掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成。５.了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類。12１－１

人工控制與自動(dòng)控制在工業(yè)生產(chǎn)過程和設(shè)備運(yùn)行中，為了維持正常的工作條件，往往需要對(duì)某些物理量（如溫度、壓力、流量、液位、電壓、位移、轉(zhuǎn)速等）進(jìn)行控制，使其盡量維持在某個(gè)數(shù)值附近或按一定規(guī)律變化。要滿足這種需要，就得對(duì)生產(chǎn)機(jī)械或設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的操作和控制，以抵消外界的擾動(dòng)和影響。這種操作和控制，既可由人工操作來完成，也可由自動(dòng)裝置的操作來實(shí)現(xiàn)，前者稱為人工控制或手動(dòng)控制，后者稱為自動(dòng)控制。13圖１－１

人工控制的水位恒定供水系統(tǒng)１－１

人工控制與自動(dòng)控制圖１－１所示為人工控制的水位恒定供水系統(tǒng)。其中，水池中的水不斷經(jīng)出水管道流出，以供用戶使用。隨著用水量的增多，水池中的水位下降，這時(shí)若要保持水位高度不變，就得控制進(jìn)水閥門，增加進(jìn)水量以作補(bǔ)充。一、人工控制在本例中，進(jìn)水閥門的開啟程度（簡(jiǎn)稱開度）并非是一成不變的，而是要根據(jù)實(shí)際水位進(jìn)行操控。14一、人工控制上述過程可用人工控制加以實(shí)現(xiàn)，正確的操作步驟如下：（１）記住期望水位要求。（２）目測(cè)或通過測(cè)量工具測(cè)量出水池的實(shí)際水位。（３）將期望水位與實(shí)際水位進(jìn)行比較、計(jì)算，從而得出誤差值。（４）按照誤差的大小和正負(fù)性質(zhì)人工調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門。由于圖１－１中由人直接參與控制，故稱為人工控制。在本例中，水池的水位是被控制的物理量，簡(jiǎn)稱被控量。水池這個(gè)設(shè)備是控制的對(duì)象，簡(jiǎn)稱對(duì)象。人工控制的過程是測(cè)量、求誤差、控制、再測(cè)量、再求誤差、再控制這樣一種不斷循環(huán)的過程。其控制目的是要盡量減小誤差，使被控量盡可能地保持在期望值附近。１－１

人工控制與自動(dòng)控制15１－１

人工控制與自動(dòng)控制圖１－２簡(jiǎn)單的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)利用某些裝置替代人工操作的控制方案就稱為自動(dòng)控制。圖１－２所示為簡(jiǎn)單的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。圖中浮子用來測(cè)量水位高低；杠桿用來計(jì)算誤差和執(zhí)行控制操作。一、人工控制杠桿的一端由浮子通過連桿帶動(dòng)，另一端則連向進(jìn)水閥門。當(dāng)用水量增大時(shí)，水位開始下降，浮子也隨之降低，杠桿的作用使進(jìn)水閥門往上提，開度增大，進(jìn)水量增加，使水位回至期望值附近。反之，若用水量變小，水位及浮子上升，進(jìn)水閥門關(guān)小，減少進(jìn)水量，水位自動(dòng)下降至期望值附近。16１－１

人工控制與自動(dòng)控制上述整個(gè)過程沒有人的直接參與，故為自動(dòng)控制過程。其自動(dòng)控制的工作步驟可歸納如下：（１）利用連桿的長(zhǎng)度標(biāo)定水位的期望值。（２）當(dāng)水位超過或低于期望值時(shí)，水位誤差被浮子檢測(cè)出來，并通過杠桿作用控制進(jìn)水閥門，從而產(chǎn)生自動(dòng)控制作用。（３）按減小誤差的方向控制進(jìn)水閥門的開度。圖１－２所示的水位恒定系統(tǒng)雖然可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)在被控制的水位高度將隨出水量的變化而變化。出水量越多，水位就越低，偏離期望值就越遠(yuǎn)，即誤差越大。也就是說，控制的結(jié)果總存在著一定范圍的誤差。一、人工控制17１－１

人工控制與自動(dòng)控制產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)出水量增加時(shí)，為了使水位基本保持恒定，就得開大進(jìn)水閥門，使水流進(jìn)入水池以作補(bǔ)充。要開大進(jìn)水閥門，唯一的途徑是浮子要下降更多，這就意味著控制的結(jié)果是水位要偏離期望值而降低，于是整個(gè)系統(tǒng)將在較低的水位建立起新的平衡狀態(tài)。一、人工控制為克服上述缺陷，可在原系統(tǒng)中增加一些設(shè)備組成較完善的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖１－３所示。這里浮子仍是測(cè)量元件，連桿起著比較作用，它將期望水位與實(shí)際水位進(jìn)行比較，得出誤差，并以運(yùn)動(dòng)的形式推動(dòng)電位器的滑動(dòng)觸點(diǎn)做上下移動(dòng)。圖１－３較完善的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)18１－１

人工控制與自動(dòng)控制電位器輸出電壓的高低和極性充分反映出誤差的性質(zhì)（大小和方向）。電位器輸出的微弱電壓經(jīng)放大器放大后，用以控制直流伺服電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)軸經(jīng)減速器降速后拖動(dòng)進(jìn)水閥門，作為施加于系統(tǒng)的控制作用。在正常情況下，實(shí)際水位等于期望值，此時(shí)，電位器的滑動(dòng)觸點(diǎn)居中，ｕｅ＝０。當(dāng)出水量增大，浮子下降時(shí)，它帶動(dòng)電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)向上移動(dòng)，輸出電壓ｕｅ（＞０）經(jīng)放大器放大成ｕａ后控制電動(dòng)機(jī)做正向旋轉(zhuǎn)，以增大進(jìn)水閥門的開度，促使水位回升。只有當(dāng)實(shí)際水位恢復(fù)到期望值時(shí)，才能使ｕｅ＝０，控制作用結(jié)束。一、人工控制19１－１

人工控制與自動(dòng)控制本控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是無論出水量多少，自動(dòng)控制的結(jié)果總是使實(shí)際水位的高度接近于期望值，不致出現(xiàn)大誤差，從而大大提高了控制的精度。上述自動(dòng)控制和人工控制極為相似。自動(dòng)控制系統(tǒng)只不過是把某些裝置組合在一起，以代替人的控制。圖１－３中的浮子相當(dāng)于人的眼睛，連桿和電位器相當(dāng)于人的大腦，電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于人的手，等等。由于這些裝置擔(dān)負(fù)著控制的職能，通常稱為控制器。任何一個(gè)控制系統(tǒng)，都是由被控制對(duì)象和控制器兩大部分組成的。一、人工控制20１－2開環(huán)控制第一章21１－2開環(huán)控制圖１－４他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。本書將以直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為例，分別介紹開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及運(yùn)行特點(diǎn)。圖１－４所示的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)就是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。它的任務(wù)是控制電動(dòng)機(jī)使其以恒定的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)負(fù)載工作。22１－2開環(huán)控制該系統(tǒng)的工作原理是：調(diào)節(jié)電位器ＲＰ的滑臂，使其給出某個(gè)給定電壓ｕｇｄ。該電壓經(jīng)電壓放大和功率放大后成為ｕａ，再送往電動(dòng)機(jī)的電樞，用于控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。由于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速ｎ與電樞電壓ｕａ成正比（對(duì)同一負(fù)載而言），因此，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩ｍｆｚ不變時(shí)，只要改變給定電壓ｕｇｄ，便可得到不同的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ｎ。換言之，ｕｇｄ與ｎ具有一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。在本系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)是被控對(duì)象，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速ｎ是被控量。若把全系統(tǒng)作為一個(gè)整體來看，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ｎ是被控對(duì)象中需要嚴(yán)加控制的物理量，稱為系統(tǒng)的輸出量或輸出信號(hào)。ｎ的大小由給定電壓ｕｇｄ所決定，ｕｇｄ是原因，ｎ是結(jié)果，通常把給定電壓ｕｇｄ稱為系統(tǒng)的輸入量或輸入信號(hào)。23１－2開環(huán)控制就圖１－４而言，只有輸入量ｕｇｄ對(duì)輸出量ｎ的單向控制作用，而輸出量ｎ對(duì)輸入量ｕｇｄ沒有任何影響，即系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，故稱這種系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)可用圖１－５所示的框圖來表示。圖中用方框代表系統(tǒng)中具有相應(yīng)職能的元件，用箭頭表示元件之間信號(hào)的傳遞方向。電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩ｍｆｚ的任何變動(dòng)，均會(huì)構(gòu)成對(duì)輸出量ｎ的影響。24１－2開環(huán)控制換言之對(duì)恒速控制系統(tǒng)來說，作用于電動(dòng)機(jī)軸上的阻力距ｍｆｚ將對(duì)系統(tǒng)的輸出起破壞作用，這種作用稱為干擾或擾動(dòng)，在圖１－５中用一個(gè)作用在電動(dòng)機(jī)上的箭頭表示。25圖１－５直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)框圖開環(huán)控制系統(tǒng)的精度，主要取決于ｕｇｄ的標(biāo)定精度以及控制裝置參數(shù)的穩(wěn)定程度，系統(tǒng)沒有抵抗外部干擾的能力，故控制精度較低。但由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，故在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定、沒有干擾作用或所受干擾較小的場(chǎng)合下，仍會(huì)大量使用。１－3閉環(huán)控制第一章26１－3閉環(huán)控制27開環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是精度不高和適應(yīng)性較差，造成這種缺點(diǎn)的主要原因是缺乏從系統(tǒng)輸出端至輸入端的反饋回路。要克服這些缺點(diǎn)，就必須引入反饋環(huán)節(jié)，測(cè)出輸出量，并經(jīng)物理轉(zhuǎn)換后反饋到輸入端，使輸出量對(duì)控制作用有直接影響。引入反饋回路的目的是要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高控制質(zhì)量。在圖１－４所示的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)中，加入一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)，并對(duì)電路稍作改變，便構(gòu)成圖１－６所示的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。１－3閉環(huán)控制28在圖１－６中，測(cè)速發(fā)電機(jī)由電動(dòng)機(jī)同軸帶動(dòng)，用于測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，即電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ｎ，然后轉(zhuǎn)換成電壓ｕｆ，再反送到系統(tǒng)的輸入端，與給定值（系統(tǒng)的輸入量）進(jìn)行比較，從而得出電壓ｕｅ＝ｕｇｄ－ｕｆ。。圖１－６直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)由于該電壓能間接反映誤差性質(zhì)（大小和正負(fù)方向），通常稱之為偏差信號(hào)，簡(jiǎn)稱偏差。偏差ｕｅ經(jīng)放大器放大成ｕａ后，作為電樞電壓控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ｎ。１－3閉環(huán)控制29直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)可用圖１－７所示的框圖來表示。通常將從系統(tǒng)輸入量至輸出量之間的信號(hào)傳輸通道稱為前向通道，從輸出量至反饋信號(hào)之間的信號(hào)傳輸通道稱為反饋通道。框圖中用符號(hào)“”表示比較環(huán)節(jié)，其輸出量等于各個(gè)輸入量的代數(shù)和。因此，各個(gè)輸入量均須用正負(fù)號(hào)表明其極性。圖１－７

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖由于采用了反饋回路，因此信號(hào)的傳送路徑形成閉合環(huán)路，使輸出量反過來直接影響控制作用。這種通過反饋回路使系統(tǒng)形成閉合環(huán)路，并按偏差ｕｅ的性質(zhì)產(chǎn)生控制作用，以減小或消除偏差的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。１－3閉環(huán)控制30閉環(huán)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的糾偏能力，對(duì)干擾作用具有良好的適應(yīng)性。如圖１－６所示，設(shè)系統(tǒng)在給定電壓ｕｇｄ對(duì)應(yīng)的狀態(tài)下運(yùn)行，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為ｎ，一旦受到某些干擾（如負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)就自動(dòng)地產(chǎn)生以下調(diào)整過程：自動(dòng)控制的結(jié)果，就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速得到自動(dòng)補(bǔ)償，被控量ｎ基本保持恒定。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)采用了負(fù)反饋回路，故系統(tǒng)對(duì)來自外部的干擾（如電源電壓波動(dòng)或變化）有自動(dòng)補(bǔ)償作用，而對(duì)來自內(nèi)部的干擾（如元件本身的參數(shù)變動(dòng)）不甚敏感。這樣就可以選用不太精密的元件去構(gòu)成較為精密的控制系統(tǒng)。１－3閉環(huán)控制31但是，閉環(huán)控制系統(tǒng)也有它的缺點(diǎn)，主要是反饋裝置設(shè)備增多，導(dǎo)致線路復(fù)雜。此外，對(duì)于一些慣性較大的系統(tǒng)，若參數(shù)配合不當(dāng)，控制過程可能變得很差，甚至出現(xiàn)發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況。必須指出，對(duì)主反饋而言，只有按負(fù)反饋原理組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的功能。若采用正反饋（ｕｅ＝ｕｇｄ＋ｕｆ），不但無法糾正偏差，反而會(huì)使偏差越來越大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)無法工作。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自動(dòng)糾偏能力，且控制精度較高，因而在工程中獲得廣泛應(yīng)用。通常所說的自動(dòng)調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng)，就是指帶有反饋裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種按偏差控制的閉環(huán)系統(tǒng)種類繁多，盡管它們所要完成的任務(wù)不同（如液位控制、轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、壓力控制等），具體結(jié)構(gòu)千差萬別，但是，從檢測(cè)出偏差到利用偏差進(jìn)行控制，再到減小或消除偏差的控制過程都是相同的。１－3閉環(huán)控制32歸納起來，自動(dòng)控制系統(tǒng)的特征主要有：（１）在結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)必須具有反饋裝置，并按負(fù)反饋的原則組成系統(tǒng)。采用負(fù)反饋，可以不斷檢測(cè)被控量，并將其變換成與輸入量相同的物理量，再反饋到輸入端，以便與輸入量進(jìn)行比較。（２）由偏差產(chǎn)生控制作用。系統(tǒng)必須按照偏差的性質(zhì)（大小、方向）進(jìn)行正確的控制，故系統(tǒng)中必須具有執(zhí)行糾偏任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)正是靠放大了的偏差信號(hào)來推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以便對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。無論什么原因引起被控量偏離期望值而出現(xiàn)誤差，相應(yīng)的偏差信號(hào)都會(huì)隨之出現(xiàn)，系統(tǒng)必然產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，以便糾正偏差。（３）控制的目的是力圖減小或消除偏差，使被控量盡量接近期望值。１－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成第一章33１－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成34圖１－８典型自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能框圖一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成自動(dòng)控制系統(tǒng)按其被控對(duì)象和具體用途的不同，可以有各式各樣的結(jié)構(gòu)形式。但是，從工作原理來看，自動(dòng)控制系統(tǒng)通常都是由一些具有不同職能的基本元件組成的。圖１－８所示為一個(gè)典型自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能框圖。圖中每一個(gè)方框，代表一個(gè)具有特定功能的元件。由圖可見，一個(gè)完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)通常都是由測(cè)量反饋元件、比較元件、放大元件、校正元件、執(zhí)行元件以及控制對(duì)象等基本環(huán)節(jié)組成的。通常把圖中除控制對(duì)象以外的所有元件合并在一起，稱為控制器。１－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成35圖１－８所示框圖中主要元件的功能如下：校正元件———按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào)，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。圖中串聯(lián)校正元件和并聯(lián)校正元件是為了改善系統(tǒng)的控制性能而引入的校正環(huán)節(jié)。執(zhí)行元件———根據(jù)偏差信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，使被控量按期望值變化?？刂茖?duì)象———又稱被控對(duì)象或受控對(duì)象，通常是指生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行控制的工作機(jī)械或生產(chǎn)過程。被控對(duì)象需要控制的物理量稱為被控量。測(cè)量反饋元件———用以測(cè)量被控量，并將其轉(zhuǎn)換成與輸入量同類的物理量，再反饋至輸入端以作比較。比較元件———用來比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)，并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。放大元件———將微弱的偏差信號(hào)放大。１－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成36二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的常用名詞自動(dòng)控制系統(tǒng)：由被控對(duì)象和自動(dòng)控制裝置按一定方式組合，以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的整體。輸入信號(hào)：又稱參考輸入，通常是指給定值，它是控制輸出量變化規(guī)律的指令信號(hào)。輸出信號(hào)：指被控對(duì)象中要求按某種規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號(hào)：取自系統(tǒng)（或元件）輸出端并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號(hào)。反饋有主反饋和局部反饋之分。１－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成37二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的常用名詞偏差信號(hào)：指參考輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差。偏差信號(hào)簡(jiǎn)稱偏差，其實(shí)質(zhì)是從輸入端定義的誤差信號(hào)。誤差信號(hào)：指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差，簡(jiǎn)稱誤差，其實(shí)質(zhì)是從輸出端定義的誤差信號(hào)。顯然，在單位反饋（反饋信號(hào)不經(jīng)放大直接送入比較元件）的情況下，誤差值也就是偏差值，二者是相等的。擾動(dòng)信號(hào)：簡(jiǎn)稱擾動(dòng)或干擾，它與控制作用相反，是一種不希望存在的、能破壞系統(tǒng)輸出規(guī)律的不利因素。擾動(dòng)信號(hào)既可能來自系統(tǒng)內(nèi)部，也可能來自系統(tǒng)外部，前者稱內(nèi)部擾動(dòng)，后者稱外部擾動(dòng)。１－5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第一章38１－5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類39自動(dòng)控制系統(tǒng)的種類繁多，應(yīng)用范圍廣泛，它們的結(jié)構(gòu)、性能乃至控制任務(wù)也各不相同，因而分類方法很多，不同的分類原則會(huì)產(chǎn)生不同的分類結(jié)果。根據(jù)有無反饋裝置系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；根據(jù)組成系統(tǒng)的元件是線性還是非線性，系統(tǒng)可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；根據(jù)系統(tǒng)中傳遞的信號(hào)是時(shí)間連續(xù)信號(hào)還是時(shí)間離散信號(hào)，系統(tǒng)可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散時(shí)間控制系統(tǒng)等。最常見的分類原則是根據(jù)輸入信號(hào)的特征分類。按照輸入信號(hào)變化的規(guī)律，可將控制系統(tǒng)分為三類，即恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)。40一、恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)又稱為自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，其特點(diǎn)是輸入信號(hào)為某個(gè)常數(shù)，故稱為恒值。由于擾動(dòng)的出現(xiàn)，會(huì)使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差，所以恒值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是能夠根據(jù)偏差的性質(zhì)產(chǎn)生控制作用，使被控量以一定的精度恢復(fù)到期望值附近。前面介紹過的水位控制系統(tǒng)及轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)均屬恒值控制系統(tǒng)。此外，生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用的溫度、壓力、流量等參數(shù)控制，大多采用的也都是恒值控制系統(tǒng)。１－5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類41二、程序控制系統(tǒng)此類系統(tǒng)的輸入信號(hào)不是常數(shù)，而是會(huì)按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間函數(shù)進(jìn)行變化。如熱處理爐溫控制系統(tǒng)中的升溫、保溫、降溫等過程，都是按照某種預(yù)先設(shè)定的規(guī)律或程序進(jìn)行控制的。又如機(jī)械加工中的程序控制機(jī)床，如仿形車床、仿形銑床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等，都是按照某種預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行工作的。１－5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類42三、隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)又稱自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的輸入信號(hào)是隨預(yù)先未知的時(shí)間任意變化的函數(shù)。隨動(dòng)控制系統(tǒng)能使被控量以盡可能高的精度跟蹤給定值的變化，也能克服擾動(dòng)的影響，但一般來說，擾動(dòng)的影響是次要的。許多自動(dòng)化武器是由隨動(dòng)控制系統(tǒng)裝備起來的，如炮瞄雷達(dá)的自動(dòng)跟蹤、火炮的自動(dòng)瞄準(zhǔn)、導(dǎo)彈的制導(dǎo)、衛(wèi)星的發(fā)射和回收等。民用工業(yè)中的船舶隨動(dòng)舵、數(shù)控切割機(jī)、軋鋼車間的飛剪機(jī)以及儀表工業(yè)中的多種自動(dòng)記錄儀表等，均屬隨動(dòng)控制系統(tǒng)。１－5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類感謝傾聽43自動(dòng)控制技術(shù)（第二版）44自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例第二章452－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例2－２

隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例2－３

程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例2－４

自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求第二章462－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例第二章47學(xué)習(xí)目標(biāo)１.了解恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。２.了解隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。３.了解程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。４.掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求。48２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例49一、蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)采用瓦特發(fā)明的離心調(diào)速器設(shè)計(jì)的蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖２－１所示。離心調(diào)速器主要由傘形齒輪、套筒、彈簧、飛錘等構(gòu)成。圖２－１蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)工作原理：蒸汽機(jī)在帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過傘形齒輪帶動(dòng)一對(duì)飛錘做水平旋轉(zhuǎn)。飛錘通過鉸鏈可以帶動(dòng)套筒上下滑動(dòng)，套筒內(nèi)裝有平衡彈簧，套筒上下滑動(dòng)時(shí)可撥動(dòng)杠桿，杠桿另一端通過連桿調(diào)節(jié)供氣閥門的開度。50２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例一、蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)蒸汽機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，飛錘旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力與平衡彈簧的反彈力相平衡，套筒保持某個(gè)高度，使閥門處于一個(gè)平衡位置（開度）。如果負(fù)載增大而導(dǎo)致蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速ｎ下降，則飛錘因離心力減小而使套筒向下滑動(dòng)，并通過杠桿增大供氣閥門的開度，使更多蒸汽進(jìn)入蒸汽機(jī)，促使其轉(zhuǎn)速ｎ回升。同理，若蒸汽機(jī)因負(fù)載減小而引起轉(zhuǎn)速ｎ增大，則飛錘因離心力增大而使套筒上滑，并通過杠桿減小供氣閥門的開度，蒸汽流量減少，迫使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)回落。這樣離心調(diào)速器就能自動(dòng)消除負(fù)載變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，使蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速ｎ基本保持在某個(gè)期望值附近。51２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例一、蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)本系統(tǒng)中，蒸汽機(jī)是控制對(duì)象，蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速ｎ是被控量。轉(zhuǎn)速ｎ經(jīng)離心調(diào)速器測(cè)出并轉(zhuǎn)換成套筒的位移量后，經(jīng)杠桿傳送至供氣閥門，以控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。離心調(diào)速器除了應(yīng)用在蒸汽機(jī)上發(fā)揮調(diào)速作用外，也常用于水力發(fā)電站中控制水力透平機(jī)的轉(zhuǎn)速。52２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例圖２－２爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖二、爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)圖２－２所示為爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖。圖中電爐采用電加熱的方式運(yùn)行，加熱器產(chǎn)生的熱量與施加的電壓ｕｃ的平方成正比，ｕｃ增高，爐溫上升。本系統(tǒng)中，ｕｃ的高低由調(diào)壓器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置控制，該觸點(diǎn)由可逆直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。53２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例二、爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)電爐的實(shí)際溫度采用熱電偶測(cè)出，并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，記為ｕｆ。ｕｆ作為系統(tǒng)的反饋電壓送往輸入端與給定電壓ｕｇｄ進(jìn)行比較，得出偏差電壓ｕｅ＝ｕｇｄ－ｕｆ。ｕｅ經(jīng)電壓放大器放大成ｕ１，再經(jīng)功率放大器放大成ｕａ后，作為控制可逆直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓。當(dāng)ｕａ＞０時(shí)，可逆直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)調(diào)壓器滑動(dòng)觸點(diǎn)位置移動(dòng)，ｕｃ增高，爐溫上升；反之，當(dāng)ｕａ＜０時(shí)，可逆直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)調(diào)壓器滑動(dòng)觸點(diǎn)位置移動(dòng)，ｕｃ降低，爐溫下降。54２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例二、爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)正常情況下，爐溫等于某個(gè)期望值ｔ，熱電偶的輸出電壓ｕｆ正好等于給定電壓ｕｇｄ。此時(shí)，ｕｅ＝ｕｇｄ－ｕｆ＝０，故ｕ１＝ｕａ＝０，可逆直流電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)壓器的滑動(dòng)觸點(diǎn)停留在某個(gè)合適的位置上，使ｕｃ保持一定的數(shù)值。這時(shí)電爐散失的熱量正好等于從加熱器吸取的熱量，形成一個(gè)穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。55２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例若爐膛溫度ｔ由于某種原因（干擾）而下降（如電爐門打開造成熱量流失），則系統(tǒng)將出現(xiàn)以下控制過程：控制結(jié)果是爐膛溫度自動(dòng)回升，直至爐膛溫度重新等于期望值為止。顯然，爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)也是一個(gè)帶反饋裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。上述兩個(gè)實(shí)例是典型的恒值控制系統(tǒng)，控制結(jié)果是，當(dāng)實(shí)際值偏離期望值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整使得實(shí)際值盡量等于期望值。2－2隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例第二章5657２－2隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例一、導(dǎo)彈發(fā)射架的方位控制系統(tǒng)圖２－３所示是一個(gè)控制導(dǎo)彈發(fā)射架方位的隨動(dòng)控制系統(tǒng)。圖中電位器ＲＰ１和ＲＰ２并聯(lián)后跨接到同一電源Ｅ０的兩端，其滑臂分別與輸入軸和輸出軸相連接，以組成方位角的給定裝置和反饋裝置。輸入軸由手輪操縱，輸出軸則由直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器減速后帶動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)采用電樞電壓控制的方式工作。圖２－３導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)58２－2隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例當(dāng)搖動(dòng)手輪使電位器ＲＰ１的滑臂轉(zhuǎn)過一個(gè)輸入角θｉ的瞬間，由于輸出軸的轉(zhuǎn)角θｏ≠θｉ，于是出現(xiàn)一個(gè)角差θｅ，即θｅ＝θｉ－θｏ

（２－１）該角差通過電位器ＲＰ１和ＲＰ２轉(zhuǎn)換成電壓，并以偏差電壓ｕｅ的形式體現(xiàn)出來，即ｕｅ＝ｕｉ－ｕｏ

（２－２）顯然，若θｉ＞θｏ，則ｕｉ＞ｕｏ，ｕｅ＝ｕｉ－ｕｏ＞０。該偏差電壓經(jīng)放大器放大后驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)做正向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)導(dǎo)彈發(fā)射架轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過輸出軸帶動(dòng)電位器ＲＰ２的滑臂轉(zhuǎn)過一定的角度，直至θｏ＝θｉ，θｅ＝０，偏差電壓ｕｅ＝０，ｕａ＝０，直流電動(dòng)機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)，導(dǎo)彈發(fā)射架就停留在相應(yīng)的方位角上。也就是說，隨動(dòng)控制系統(tǒng)輸出軸的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)完全復(fù)現(xiàn)（重演）了輸入軸的運(yùn)動(dòng)?？梢?，隨動(dòng)控制系統(tǒng)是角度的控制系統(tǒng)，其中的輸出角總是跟隨輸入角的變化而變化。59２－2隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例該系統(tǒng)的框圖如圖２－４所示。其中，作為系統(tǒng)輸出量的方位角θｏ是全部（不是一部分）直接反饋到輸入端與輸入量θｉ進(jìn)行比較的，故稱為全反饋系統(tǒng)或單位反饋系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，只要θｏ≠θｉ，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)偏差，從而產(chǎn)生控制作用，控制的結(jié)果是消除偏差角θｅ，使輸出量θｏ嚴(yán)格地跟隨輸入量θｉ變化而變化，因而隨動(dòng)控制系統(tǒng)又稱同步跟蹤系統(tǒng)。此外，由于轉(zhuǎn)動(dòng)手輪所需能量甚小，而導(dǎo)彈連同發(fā)射架的質(zhì)量卻很大，因此轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量很大，這就意味著隨動(dòng)控制系統(tǒng)也是一個(gè)功率放大裝置，故也稱為伺服系統(tǒng)。圖２－４導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)框圖60２－2隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例二、船舶隨動(dòng)舵的控制系統(tǒng)船舶的航行方向是操舵控制的。對(duì)于大型船舶，由于舵葉較大，操舵的阻力很大。為了減輕操舵人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，常采用自動(dòng)化程度較高的隨動(dòng)舵對(duì)舵葉進(jìn)行操縱。隨動(dòng)舵的操縱特點(diǎn)是：操舵人員只要通過駕駛盤（又稱舵輪）給定一個(gè)舵角信號(hào)，舵機(jī)就能把笨重的舵葉轉(zhuǎn)到給定的舵角位置，隨即自動(dòng)停下來。可見，隨動(dòng)舵本質(zhì)上屬于角度跟蹤隨動(dòng)控制系統(tǒng)，亦具有功率放大功能。61２－2隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例圖２－５所示為船舶隨動(dòng)舵控制系統(tǒng)原理圖。其中，駕駛盤與電位器ＲＰ１做機(jī)械連接，作為系統(tǒng)的給定（輸入）裝置。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸經(jīng)減速器減速后帶動(dòng)舵葉旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，通過機(jī)械連接帶動(dòng)電位器ＲＰ２的滑臂做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖２－５船舶隨動(dòng)舵控制系統(tǒng)原理圖ＲＰ２產(chǎn)生的電壓ｕｏ反饋到輸入端，與ＲＰ１的電壓ｕｉ進(jìn)行比較后得出偏差信號(hào)ｕｅ（ｕｅ＝ｕｉ－ｕｏ）。62２－2隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例系統(tǒng)按照ｕｅ的性質(zhì)（大小和正負(fù)極性）進(jìn)行控制，其控制結(jié)果是舵葉的偏轉(zhuǎn)角θｏ嚴(yán)格等于駕駛盤所轉(zhuǎn)過的角度θｉ。圖２－５中的放大器包含電壓放大和功率放大兩部分。比較環(huán)節(jié)的作用是將ｕｉ和ｕｏ兩個(gè)微弱信號(hào)做相減運(yùn)算，可用差動(dòng)放大器或運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理與圖２－４所示的原理相同。63２－2隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例三、火炮、雷達(dá)天線的方位控制系統(tǒng)圖２－３和圖２－５所示的隨動(dòng)控制系統(tǒng)雖然能做角度跟蹤，但由于它們采用了電位器作為輸入裝置和反饋裝置，因而θｉ和θｏ的變化范圍一般被限制在３６０°以內(nèi)。若ＲＰ１和ＲＰ２電位器選用多圈式電位器，θｉ和θｏ也只能在３６０°的范圍內(nèi)變化。這對(duì)于要求在超過３６０°做大范圍跟蹤的火炮、雷達(dá)天線等系統(tǒng)而言，顯然不能滿足要求。為克服上述缺點(diǎn)，通常采用一對(duì)自整角機(jī)作為角度檢測(cè)裝置，以取代圖２－３和圖２－５中的電位器，從而組成自整角機(jī)式的隨動(dòng)控制系統(tǒng)。圖２－６火炮方位角隨動(dòng)控制系統(tǒng)64２－2隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例圖２－６所示是采用自整角機(jī)作為角度檢測(cè)的火炮方位角隨動(dòng)控制系統(tǒng)。圖中的自整角機(jī)運(yùn)行于變壓器狀態(tài)，自整角發(fā)送機(jī)ＢＤ的轉(zhuǎn)子與輸入軸連接，轉(zhuǎn)子繞組通入單相交流電；自整角接收機(jī)ＢＳ的轉(zhuǎn)子則與輸出軸（炮架的方位角軸）相連接。當(dāng)搖動(dòng)手輪輸入一個(gè)角度θｉ的瞬間，由于θｏ≠θｉ，于是出現(xiàn)角差θｅ（θｅ＝θｉ－θｏ）。65２－2隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例這時(shí)，自整角接收機(jī)ＢＳ的轉(zhuǎn)子輸出一個(gè)相應(yīng)的交流調(diào)制信號(hào)電壓ｕｅ，其幅值與角差θｅ的大小成正比，相位則取決于角差θｅ的極性。即角差θｅ＞０，則交流調(diào)制信號(hào)呈正相位；角差θｅ＜０，則交流調(diào)制信號(hào)呈反相位。該調(diào)制信號(hào)經(jīng)相敏整流器解調(diào)后，變成一個(gè)與角差θｅ的大小和極性有關(guān)的直流電壓，并送往校正和功率放大裝置，處理成為控制直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓ｕａ，該電壓使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以帶動(dòng)炮架回轉(zhuǎn)，并同時(shí)帶動(dòng)自整角接收機(jī)的轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)，將輸出信號(hào)反饋到輸入端。66２－2隨動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例顯然，電動(dòng)機(jī)必須朝著減小或消除角差θｅ的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到θｏ＝θｉ為止。此時(shí)，ｕｅ＝０，ｕａ＝０，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，作為控制對(duì)象的炮身指向并停留在相應(yīng)的方位角上，或者說炮身重演了手輪的運(yùn)動(dòng)。自整角變壓器可用圖２－７所示的框圖來表示。圖２－６中的校正裝置是為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的跟蹤性能而設(shè)置的。圖２－７自整角變壓器框圖2－3程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例第二章6768２－3程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的給定信號(hào)是已知的時(shí)間函數(shù)時(shí)，這類系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)（ｐｒｏ-ｇｒａｍｍｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ）。圖２－８所示為仿形銑床的原理示意圖。該系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，其工作原理是：刀架電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)刀架前行的同時(shí)帶動(dòng)靠模觸指運(yùn)動(dòng)，觸指的上下運(yùn)動(dòng)使電位器滑臂移動(dòng)，得到不同的電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差，再經(jīng)過電壓和功率放大，驅(qū)動(dòng)刀架電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刀架做上下運(yùn)動(dòng)，最終使得加工工件與模型一樣。圖２－８仿形銑床的原理示意圖69２－3程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例但是，制作精確的立體木模是一個(gè)精細(xì)、費(fèi)時(shí)的工作，所以后來又將木模以紙帶（或磁帶）上的脈沖系列來代替，這時(shí)的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖２－９所示。加工時(shí)由光電閱讀機(jī)把記錄在穿孔紙帶（或磁帶）上的程序指令，變成電脈沖（指令脈沖），送入運(yùn)算控制器。圖２－９程序控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)運(yùn)算控制器完成對(duì)指令脈沖的寄存、交換和計(jì)算，并輸出控制脈沖給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)運(yùn)算控制器送來的控制脈沖信號(hào)，控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，完成切削成形的要求。70２－3程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例程序控制系統(tǒng)的功能，就是按照預(yù)定的程序來控制被控制量，即控制系統(tǒng)控制器給出的控制指令為一個(gè)預(yù)定的程序。原則上程序控制可以是開環(huán)的，但也可以用反饋來消除系統(tǒng)誤差，提高精度。圖２－８和圖２－９都是閉環(huán)的程序控制系統(tǒng)。2－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求第二章7172２－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求前面講述的三種典型控制系統(tǒng)，即恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)，是工程中常用的控制系統(tǒng)。工程上對(duì)任何一套自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能都有一定的要求。但由于控制對(duì)象不同，工作方式不同，系統(tǒng)要完成的任務(wù)也不同，因此對(duì)各個(gè)具體系統(tǒng)的要求自然也有較大的差異。不過，就其共性而言，所有的自動(dòng)控制系統(tǒng)都希望：ｃ（ｔ）＝ｋｒ（ｔ）

（２－３）式中ｃ（ｔ）———系統(tǒng)的輸出量；ｒ（ｔ）———系統(tǒng)的輸入量；ｋ———比例系數(shù)。如圖２－３所示的導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)，在理想情況下，總希望系統(tǒng)的輸出量（被控量）θｏ與輸入量（給定值）θｉ在任何時(shí)刻都保持一個(gè)固定的比例關(guān)系，完全沒有偏差，而且不受任何干擾影響。73２－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求這樣系統(tǒng)在階躍函數(shù)輸入作用下，其被控量的變化應(yīng)如圖２－１０所示。圖２－１０控制系統(tǒng)的理想階躍響應(yīng)ａ）階躍輸入ｂ）系統(tǒng)輸出然而，在實(shí)際自動(dòng)控制系統(tǒng)中，由于機(jī)械部分存在質(zhì)量和慣性，電路中存在電感和電容，加之電源功率的限制，因此系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件的加速度不會(huì)很大，運(yùn)動(dòng)速度和位移不可能瞬間發(fā)生變化，需要經(jīng)歷一段時(shí)間，或者說需要一段過程。74２－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求通常把系統(tǒng)受到擾動(dòng)或給定值變化作用后，被控量由原來的平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）過渡到新的平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）的過程稱為過渡過程或動(dòng)態(tài)過程。圖２－１１

系統(tǒng)的階躍響應(yīng)對(duì)于給定值做階躍變化的線性系統(tǒng)，在這段動(dòng)態(tài)過程中，被控量的變化可能存在如圖２－１１所示的幾種情況。75其中，圖２－１１ａ和圖２－１１ｂ表明，系統(tǒng)經(jīng)歷一段過渡過程后，被控量都能達(dá)到新的平衡狀態(tài)，這是實(shí)際工程中最常見的情況。而在圖２－１１ｃ和圖２－１１ｄ中，被控量圍繞期望值做等幅振蕩或增幅振蕩，即被控量的變化不收斂，這種系統(tǒng)根本無法工作，這是工程實(shí)際中不允許出現(xiàn)的情況。另外，自動(dòng)控制系統(tǒng)在外加信號(hào)作用下，經(jīng)歷過渡過程達(dá)到新的平衡狀態(tài)之后，被控量與期望值之間的誤差也是衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要尺度。一個(gè)高質(zhì)量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，被控量與期望值之間的誤差應(yīng)該越小越好。綜上所述，自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)性能的優(yōu)劣，可以從動(dòng)態(tài)過程及靜態(tài)精度去衡量。工程上常把對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求歸納為穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個(gè)方面，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)。２－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求76２－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求１.穩(wěn)定性（穩(wěn)）穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)能否正常工作的首要指標(biāo)，它是評(píng)價(jià)系統(tǒng)在過渡過程中的振蕩傾向和重新建立平衡狀態(tài)的能力。當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)受到外加信號(hào)作用時(shí)，如果系統(tǒng)被控量的過渡過程隨時(shí)間推移而衰減，直到最后與期望值一致（通常允許有一定的誤差），從而建立一個(gè)新的平衡狀態(tài)，如圖２－１１ａ和圖２－１１ｂ所示，這樣的系統(tǒng)稱為穩(wěn)定系統(tǒng)。反之，當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)受到外加信號(hào)作用時(shí)，如果被控量不能達(dá)到所期望的新的平衡狀態(tài)，而是圍繞期望值做等幅振蕩（圖２－１１ｃ）或增幅振蕩（圖２－１１ｄ），使被控量越來越遠(yuǎn)離期望值，這樣的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。不穩(wěn)定的系統(tǒng)無法完成正常的控制功能，甚至?xí)p壞設(shè)備，造成事故。77２－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求２.快速性（快）自動(dòng)控制系統(tǒng)不但要求穩(wěn)定，而且要求被控量能迅速地按照輸入信號(hào)所規(guī)定的規(guī)律變化，即要求系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)速度。如前所述，控制系統(tǒng)總包含一些慣性元件，所以在輸入信號(hào)作用下，其響應(yīng)總要經(jīng)歷一個(gè)過渡過程才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。過渡過程時(shí)間長(zhǎng)，說明系統(tǒng)的控制動(dòng)作反應(yīng)遲鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的指令信號(hào)。因此，對(duì)實(shí)用系統(tǒng)來說，總是希望過渡過程時(shí)間越短越好。78２－4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求３.準(zhǔn)確性（準(zhǔn)）準(zhǔn)確性是指自動(dòng)控制系統(tǒng)建立平衡狀態(tài)后，被控量偏離期望值的誤差大小。準(zhǔn)確性描述了自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。一般來說，人們總是希望誤差越小越好。如果最終的誤差為零，則這種系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)；反之，稱為有差系統(tǒng)。必須指出：上述三方面的性能要求，對(duì)同一系統(tǒng)來說常常是相互制約的。提高了快速性，可能增大振蕩幅值，加劇系統(tǒng)的振蕩。改善了穩(wěn)定性，則可能使過渡過程變得緩慢，延長(zhǎng)過渡時(shí)間，甚至導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差增大，降低系統(tǒng)精度。對(duì)某個(gè)具體系統(tǒng)而言，三方面的要求也不一樣，一般應(yīng)根據(jù)工作任務(wù)的要求，按照具體情況綜合考慮系統(tǒng)指標(biāo)。感謝傾聽79自動(dòng)控制技術(shù)（第二版）80直流調(diào)速系統(tǒng)第三章8182第三章3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理3－２

直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源3－３

晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征3－４

反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析3－5電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理第三章83學(xué)習(xí)目標(biāo)１.了解直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理。２.熟悉直流調(diào)速系統(tǒng)三種可控直流電源的原理和特點(diǎn)。３.掌握晶閘管—直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征。４.掌握反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析。５.熟悉電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析。843－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理85直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟、制動(dòng)性能，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用。由直流電動(dòng)機(jī)的速度公式ｎ＝（Ｕ－ＩａＲａ）／（ＫｅΦ）可以看出，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有以下三種：改變電源電壓Ｕ調(diào)速（簡(jiǎn)稱調(diào)壓調(diào)速）；改變電樞回路電阻Ｒａ調(diào)速（簡(jiǎn)稱串電阻調(diào)速）；改變勵(lì)磁電流以改變主磁通Φ調(diào)速（簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速）。下面分別予以介紹。3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理86直流電動(dòng)機(jī)改變電源電壓調(diào)速的機(jī)械特性，如圖３－１所示。這種調(diào)速方法的主要特點(diǎn)是：一、改變電源電壓調(diào)速（１）調(diào)速范圍廣，可以從低速一直調(diào)到額定轉(zhuǎn)速，速度變化平滑，通常稱為無級(jí)調(diào)速。（２）調(diào)速過程中沒有附加能量損耗。電壓降低后，機(jī)械特性硬度不變，故穩(wěn)定性好。（３）因端電壓不能超過額定電壓，故轉(zhuǎn)速只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)。（４）所需設(shè)備較復(fù)雜，耗電大，聲音及干擾也較大，成本較高。圖３－１直流電動(dòng)機(jī)改變電源電壓調(diào)速的機(jī)械特性3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理87一、改變電源電壓調(diào)速在晶閘管變流技術(shù)被廣泛應(yīng)用之前，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速一般采用直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)－直流電動(dòng)機(jī)組來實(shí)現(xiàn)。目前，在許多大型的龍門刨床、重型機(jī)床、軋鋼機(jī)中，該系統(tǒng)仍有采用。他勵(lì)發(fā)電機(jī)－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理如圖３－２所示，三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生直流電壓供給直流電動(dòng)機(jī)，改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ｅ隨之改變，即達(dá)到了調(diào)壓調(diào)速的目的。圖３－２他勵(lì)發(fā)電機(jī)－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作原理圖３－３并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路圖圖３－４串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路圖3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理88二、改變電樞回路電阻調(diào)速該方法通過在電樞回路中串入調(diào)速電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的，其接線如圖３－３和圖３－４所示。3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理89圖３－５并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線圖３－６串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線二、改變電樞回路電阻調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性如圖３－５和圖３－６所示，該調(diào)速方法的特點(diǎn)是：3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理90二、改變電樞回路電阻調(diào)速（１）所需設(shè)備較簡(jiǎn)單、成本低，因此在小功率直流電動(dòng)機(jī)中用得較多。在２０世紀(jì)７０年代以前，由于晶閘管調(diào)壓技術(shù)尚未大量采用，因而在某些功率稍大的直流電動(dòng)機(jī)中也采用電樞回路串電阻調(diào)速，如城市電車、礦用電力機(jī)車、蓄電池運(yùn)輸車等。（２）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，而且為有級(jí)調(diào)速。特性曲線較軟，即負(fù)載變動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大。（３）在調(diào)速電阻上有較大的能量損耗，經(jīng)濟(jì)性能較差。3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理91三、改變主磁通調(diào)速當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)的電源電壓及負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，如使主磁通減小，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就相應(yīng)增高，故這種調(diào)速方法也稱為弱磁調(diào)速。對(duì)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)而言，可在勵(lì)磁回路中串聯(lián)附加電阻ＲＰ１，如圖３－７ａ所示。對(duì)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)而言，則可在勵(lì)磁回路中并聯(lián)磁場(chǎng)分路電阻ＲＰ１，如圖３－７ｂ所示。圖３－７直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速電路ａ）并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中串電阻ｂ）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中并電阻3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理92三、改變主磁通調(diào)速這種調(diào)速方法的特點(diǎn)是：（１）由于調(diào)速是在勵(lì)磁回路中進(jìn)行，功率較小，故能量損耗小、控制方便。（２）可以得到平滑的無級(jí)調(diào)速，但轉(zhuǎn)速只能從額定轉(zhuǎn)速往上調(diào)，不能在額定轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行調(diào)速，故往往只作為輔助調(diào)速，與前面兩種調(diào)速方法組合使用。（３）一般來講，弱磁調(diào)速的調(diào)速范圍較窄，而且當(dāng)磁通減小太多時(shí)，由于電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響加大而使電動(dòng)機(jī)換向困難，容易產(chǎn)生較大火花，從而造成危害。另外，還必須考慮到電樞機(jī)械強(qiáng)度的影響。因此，對(duì)一般的直流電動(dòng)機(jī)而言，最高轉(zhuǎn)速通常控制在兩倍額定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源第三章93圖３－８旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（Ｇ－Ｍ系統(tǒng)）原理圖3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源94調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)中使用的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源包括旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止可控整流器、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。下面分別介紹各種可控直流電源以及由其供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。一、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組是用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。圖３－８所示為旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源95一、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組交流電動(dòng)機(jī)Ｍ１（異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)Ｇ，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)Ｍ２供電，調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流ｉｆ即可改變其輸出電壓Ｕｄ，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速ｎ。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱Ｇ－Ｍ系統(tǒng)。為了供電給直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組，通常專門設(shè)置一臺(tái)直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)ＧＥ，可裝在變流機(jī)組同軸上，也可另外單用一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)速性能要求不高時(shí)，ｉｆ可由勵(lì)磁電源供電，要求較高的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一般都應(yīng)通過放大裝置進(jìn)行控制。Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的放大裝置多采用電機(jī)型放大器（如交磁放大機(jī)）和磁放大器。需要進(jìn)一步提高放大系數(shù)時(shí)還可增設(shè)電子放大器作為前級(jí)放大。如果改變ｉｆ的方向，則Ｕ的極性和ｎ的轉(zhuǎn)向都跟著改變，所以Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的可逆運(yùn)動(dòng)是很容易實(shí)現(xiàn)的。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源96一、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖３－９所示為采用旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電時(shí)電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行的機(jī)械特性。由圖可見，無論正轉(zhuǎn)減速還是反轉(zhuǎn)減速時(shí)，系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)回饋制動(dòng)，因此Ｇ－Ｍ系統(tǒng)是可以在允許轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)四象限運(yùn)行的系統(tǒng)。圖３－９Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的機(jī)械特性旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在２０世紀(jì)５０年代曾被廣泛使用。由于該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低，且安裝時(shí)需打地基，運(yùn)行有噪聲，維護(hù)不方便，到了２０世紀(jì)６０年代逐漸被更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管整流器所代替。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源97二、靜止可控整流器靜止可控整流器是用靜止的可控整流器，例如晶閘管可控整流器，來獲得可調(diào)的直流電壓。在靜止可控整流方面，離子拖動(dòng)系統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。它雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且還縮短了響應(yīng)時(shí)間，但汞弧整流器造價(jià)較高，維護(hù)麻煩，特別是水銀如果泄漏，會(huì)污染環(huán)境，危害人體健康。１９５７年晶閘管的問世，２０世紀(jì)６０年代成套晶閘管整流裝置的出現(xiàn)，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性變革，自此變流技術(shù)進(jìn)入晶閘管時(shí)代。目前，晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱Ｖ－Ｍ系統(tǒng)）已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源98二、靜止可控整流器圖３－１０所示為Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖，圖中Ｖ代表晶閘管可控整流器，它可以是單相、三相，也可以是半波、全波、半控、全控等類型。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ｕｄ，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。圖３－１０晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（Ｖ－Ｍ系統(tǒng)）簡(jiǎn)單原理圖3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源99二、靜止可控整流器與旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。由圖３－１１可見，晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在１×１０４以上，其門極電流可以直接用晶體三極管來控制，不再像直流電動(dòng)機(jī)那樣需要較大功率放大裝置。在控制作用的快速性方面，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。圖３－１１各種變流裝置技術(shù)性能的比較3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源100二、靜止可控整流器晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)。首先，由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向流通，所以造成系統(tǒng)可逆運(yùn)行困難。由半控整流電路構(gòu)成的Ｖ－Ｍ系統(tǒng)只允許單象限運(yùn)行（圖３－１２ａ）；全控整流電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變，允許電動(dòng)機(jī)工作在反轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)，因而能夠獲得二象限運(yùn)行（圖３－１２ｂ）；需要實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行時(shí)（圖３－１２ｃ），只能用正、反兩組全控整流電路，所用變流設(shè)備將增加一倍。圖３－１１各種變流裝置技術(shù)性能的比較3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源101二、靜止可控整流器其次，晶閘管的過電壓、過電流能力很小，任何一項(xiàng)指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)留有足夠的余量。只有元件質(zhì)量過關(guān)，裝置設(shè)計(jì)合理，保護(hù)設(shè)施齊備，晶閘管裝置的運(yùn)行才能十分可靠。最后，當(dāng)系統(tǒng)處在深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，會(huì)引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管調(diào)速的設(shè)備在電網(wǎng)中容量占比較大，就會(huì)造成上述“電力公害”現(xiàn)象。在這種情況下，必須增設(shè)無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源102三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器是用恒定直流電源或可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。在干線鐵道、電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市電車和地鐵電力機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電源供電。直流斬波器是將電壓值固定的直流電，轉(zhuǎn)換為電壓值可變的直流電的裝置。過去多用切換電阻來控制電車的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，電能在電阻中損耗很大?，F(xiàn)在多采用晶閘管來控制直流電壓，大大降低了電能損耗。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源103三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器采用晶閘管的直流斬波器其基本原理如圖３－１３ａ所示。在這里，晶閘管ＶＴ不受相位控制，工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)ＶＴ被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓Ｕｓ加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)ＶＴ關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管ＶＤ續(xù)流，如此反復(fù)。圖３－１３采用晶閘管的直流斬波器原理圖和電樞端電壓波形ａ）原理圖ｂ）電壓波形3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源104三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器電樞端電壓波形ｕ＝ｆ（ｔ）如圖３－１３ｂ所示，如同是電源電壓Ｕｓ在一段時(shí)間（Ｔ－ｔｏｎ）內(nèi)被斬?cái)嗪笮纬傻?。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為Ｕｄ０＝ｔｏｎＵｓ／Ｔ＝ρＵｓ

（３－１）Ｔ———晶閘管的開關(guān)周期；ｔｏｎ———晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間；ρ———占空比。式中晶閘管一旦導(dǎo)通，就不能再用門極觸發(fā)信號(hào)來使它關(guān)斷。若要關(guān)斷，必須在陽、陰極間施加反向電壓，這就需要一種附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源105三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器受晶閘管關(guān)斷時(shí)間的限制，由普通晶閘管構(gòu)成的斬波器的開關(guān)頻率只能是１００～２００Ｈｚ。為了縮小裝置的體積，可用逆導(dǎo)晶閘管代替普通晶閘管，開關(guān)頻率也可適當(dāng)提高，達(dá)到３００Ｈｚ。直流斬波器的平均輸出電壓Ｕｄ０可以通過改變主晶閘管的導(dǎo)通和（或）關(guān)斷時(shí)間來調(diào)節(jié)。圖３－１４所示為幾種常用控制方式的電壓、電流波形。圖３－１４直流斬波器的控制方式ａ）脈沖寬度調(diào)制ｂ）脈沖頻率調(diào)制ｃ）兩點(diǎn)式控制3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源106三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器脈沖寬度調(diào)制（ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，簡(jiǎn)稱ＰＷＭ）的脈沖周期Ｔ不變，只改變主晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間ｔｏｎ，即可改變脈沖的寬度，如圖３－１４ａ所示。脈沖頻率調(diào)制（ｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，簡(jiǎn)稱ＰＦＭ）的導(dǎo)通時(shí)間不變，只改變開關(guān)頻率ｆ或開關(guān)周期Ｔ，也就是只改變晶閘管關(guān)斷的時(shí)間，如圖３－１４ｂ所示。兩點(diǎn)式控制是當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時(shí)，使ＶＴ觸發(fā)導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓達(dá)到某一最大值時(shí)，使ＶＴ關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間都是不確定的，如圖３－１４ｃ所示。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源107三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器由普通晶閘管或逆導(dǎo)晶閘管構(gòu)成的斬波開關(guān)頻率不高，因而輸出電流脈動(dòng)較大，調(diào)速范圍有限。此外，附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路也增加了裝置的體積和復(fù)雜性。為了適應(yīng)大功率開關(guān)電路的要求，２０世紀(jì)７０年代以來，研究者們研制出了多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的“全控式”電力電子器件，如門極可關(guān)斷晶閘管（ＧＴＯ）、電力晶體管（ＧＴＲ）、電力場(chǎng)效應(yīng)管（Ｐ—ＭＯＳＦＥＴ）等。全控式器件的關(guān)斷時(shí)間短，因而由它們構(gòu)成的斬波器的工作頻率可以提高到１～４ｋＨｚ，甚至達(dá)到２０ｋＨｚ。用全控式器件實(shí)行開關(guān)控制時(shí)，多用脈沖寬度調(diào)制的控制方式，形成近年來應(yīng)用日益廣泛的直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)，即ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源108三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器與Ｖ－Ｍ系統(tǒng)相比，ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：（１）ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就足以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容量連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)１∶１００００左右。電流波形比Ｖ－Ｍ系統(tǒng)好，在相同的平均電流即相同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。（２）開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，快速響應(yīng)性能好。動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。（３）電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。因受到器件容量的限制，故直流ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)目前只用于中、小功率的系統(tǒng)。3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征第三章1093－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征110一、觸發(fā)脈沖相位控制如圖３－１０所示在Ｖ－Ｍ系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)給定電壓，即移動(dòng)觸發(fā)裝置ＧＴ輸出脈沖的相位，能夠很方便地改變整流器的輸出電壓Ｕｄ，如果把整流裝置內(nèi)部的電阻壓降、器件正向壓降和變壓器漏抗引起的換相壓降都移到整流裝置外面，當(dāng)作負(fù)載電路壓降的一部分，那么整流電壓便可用其理想空載瞬時(shí)值ｕｄ０或平均值Ｕｄ０來代替，相當(dāng)于用圖３－１５所示的等效電路代替圖３－１０所示的實(shí)際主電路。圖３－１５Ｖ－Ｍ系統(tǒng)主電路的等效電路3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征111一、觸發(fā)脈沖相位控制此時(shí)瞬時(shí)電壓平衡方程式可寫作Ｌ———主電路總電感；Ｒ———主電路總的等效電阻，包括整流裝置內(nèi)阻、電動(dòng)機(jī)電樞電阻和平波電抗器電阻；Ｅ———電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；ｉｄ———整流電流瞬時(shí)值。式中ｕｄ０進(jìn)行積分即得理想空載整流電壓的平均值Ｕｄ０。用觸發(fā)脈沖的相位控制整流電壓平均值是晶閘管整流器的主要特點(diǎn)。Ｕｄ０與觸發(fā)脈沖相位α的關(guān)系因整流電路的形式而異。3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征112對(duì)于一般全控式整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，α———從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；Ｕｍ———α＝０時(shí)的整流電壓波形的峰值；ｍ———交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。式中對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值見表３－１。3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征113在１０００ｋＷ以上的大功率調(diào)速系統(tǒng)中，常采用雙三相橋構(gòu)成十二相整流電路，兩組橋交流電源分別由整流變壓器的兩套二次繞組提供，一套接成△形，另一套接成Ｙ形，使輸出相電壓相位錯(cuò)開３０°，共同構(gòu)成ｍ＝１２的整流電路，如圖３－１６所示，以進(jìn)一步減小輸出電流的脈動(dòng)分量。圖３－１６雙三相橋組成的十二相整流電路ａ）雙橋并聯(lián)帶平衡電抗器Ｌｄｂ）雙橋串聯(lián)由于這種十二相整流電壓結(jié)構(gòu)的特殊性，式（３－３）不再適用。對(duì)于圖３－１６ａ所示的雙橋并聯(lián)帶平衡電抗器電路，對(duì)于圖３－１６ｂ所示的雙橋串聯(lián)電路，3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征114二、電流脈動(dòng)的影響及其抑制措施整流電路的脈波數(shù)ｍ＝２，３，６，１２，…，其數(shù)目總是有限的，比直流電動(dòng)機(jī)每對(duì)極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此，除非主電路電感Ｌ＝∞，否則Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總比Ｇ－Ｍ系統(tǒng)嚴(yán)重。這樣一來，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方面的問題：一是脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利；二是脈動(dòng)電流造成較大的諧波分量，流入電源后對(duì)電網(wǎng)不利，同時(shí)也增加電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量。3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征115二、電流脈動(dòng)的影響及其抑制措施因此，在應(yīng)用Ｖ－Ｍ系統(tǒng)時(shí)，首先要考慮抑制電流脈動(dòng)的問題，其主要措施有兩個(gè)：一是增加整流電壓的相數(shù)；二是設(shè)置平波電抗器。平波電抗器的電感量一般按低速輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件來選擇，通常給定最小電流Ｉｄｍｉｎ（以Ａ為單位），再利用它計(jì)算所需的總電感量（以ｍＨ為單位）。對(duì)于單相橋式全控整流電路有對(duì)于三相半波整流電路有對(duì)于三相橋式整流電路有式中，Ｉｄｍｉｎ一般可取電動(dòng)機(jī)額定電流的５％～１０％。3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征116二、電流脈動(dòng)的影響及其抑制措施由于電流波形的脈動(dòng)，可能存在電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這也是Ｖ－Ｍ系統(tǒng)不同于Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)Ｖ－Ｍ系統(tǒng)主電路串接的電抗器有足夠大的電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流也足夠大時(shí)，整流電流的波形便可能是連續(xù)的，如圖３－１７ａ所示。當(dāng)電感較小而且負(fù)載較輕時(shí)，一相導(dǎo)通電流上升時(shí)電感中的儲(chǔ)能較少，在電流下降而下一相尚未被觸發(fā)之前，電流已衰減到零，便產(chǎn)生波形斷續(xù)的現(xiàn)象，如圖３－１７ｂ所示。電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)方程帶來一種非線性的因素，造成機(jī)械特性的非線性，一般應(yīng)盡量避免。圖３－１７Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的電流波形ａ）電流連續(xù)ｂ）電流斷續(xù)3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征117三、Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機(jī)械特性當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為式中Ｃｅ———電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比，Ｃｅ＝ＫｅΦ。式（３－９）中，改變控制角α可得一簇平行直線，如圖３－１８所示。機(jī)械特性上平均電流較小時(shí)電流波形可能斷續(xù)，式（３－９）不再適用。上述結(jié)論表明，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成線性可控電壓源。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。圖３－１８Ｖ－Ｍ系統(tǒng)電流連續(xù)時(shí)的機(jī)械特性3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征118三、Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機(jī)械特性圖３－１９所示為Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的完整機(jī)械特性，其中包含了整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)、連續(xù)區(qū)和斷續(xù)區(qū)。由圖可見，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機(jī)械特性比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈非線性，理想空載轉(zhuǎn)速較高。一般分析調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只要主電路電感足夠大，就可以近似地只考慮連續(xù)段，即用連續(xù)段特性及其延伸的虛線作為系統(tǒng)的特性。圖３－１９Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的完整機(jī)械特性3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征119三、Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機(jī)械特性對(duì)于斷續(xù)特性比較顯著的情況，這樣近似偏離實(shí)際較遠(yuǎn)，可以改為另一段較陡的直線來逼近斷續(xù)段特性，如圖３－２０所示，這相當(dāng)于把總電阻Ｒ換成一個(gè)更大的等效電阻Ｒ′，其數(shù)值可以從實(shí)測(cè)的斷續(xù)段特性上計(jì)算出來。嚴(yán)重時(shí)Ｒ′可達(dá)實(shí)際電阻Ｒ的幾十倍。圖３－２０斷續(xù)段特性的近似計(jì)算3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析第三章1203－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析121一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)任何一臺(tái)需要轉(zhuǎn)速控制的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)控制性能都有一定的要求。例如，精密機(jī)床要求加工精度達(dá)到百分之幾毫米甚至幾微米；重型銑床的進(jìn)給部分需要在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速，快速移動(dòng)時(shí)最高速達(dá)到６００ｍｍ／ｍｉｎ，而精加工時(shí)最低速只有２ｍｍ／ｍｉｎ，最高速和最低速相差３００倍；點(diǎn)位式數(shù)控機(jī)床要求定位精度達(dá)到幾微米，速度跟蹤誤差約低于定位精度的１／２。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析122一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)又如，在軋鋼工業(yè)中，年產(chǎn)數(shù)百萬噸鋼錠的大型現(xiàn)代化初軋機(jī)，其軋輥電動(dòng)機(jī)容量達(dá)到幾千千瓦，在不到１ｓ的時(shí)間內(nèi)需要完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的全部過程；軋制薄鋼帶的高速冷軋機(jī)最高軋速達(dá)到３７ｍ／ｓ以上，而成品厚度誤差不大于１％；在造紙工業(yè)中，日產(chǎn)新聞紙４００ｔ以上的高速造紙機(jī)，卷紙速度達(dá)到１０００ｍ／ｍｉｎ，要求穩(wěn)速誤差小于±００１％；等等。所有這些要求，都是生產(chǎn)設(shè)備量化的技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)過一定折算，可以轉(zhuǎn)化成電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的依據(jù)。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析123對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求，歸納起來，有以下三個(gè)方面：調(diào)速———在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋（有級(jí)）或平滑地（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。穩(wěn)速———以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種可能的干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。加、減速———頻繁啟、制動(dòng)的設(shè)備要求盡量快地加、減速以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求啟、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。以上三個(gè)方面有時(shí)都需要具備，有時(shí)只要求具備其中一項(xiàng)或兩項(xiàng)。特別是調(diào)速和穩(wěn)速兩項(xiàng)，常常在各種場(chǎng)合下都會(huì)遇到。為了進(jìn)行定量分析，針對(duì)這兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，即調(diào)速范圍和靜差率。這兩項(xiàng)指標(biāo)合在一起稱為調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析124生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速ｎｍａｘ和最低轉(zhuǎn)速ｎｍｉｎ之比稱為調(diào)速范圍，用字母Ｄ表示，即：１.調(diào)速范圍其中，ｎｍａｘ和ｎｍｉｎ一般是指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速要求，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如，精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。２.靜差率當(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值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Δｎｎｏｍ，與理想空載轉(zhuǎn)速ｎ０之比，稱為靜差率Ｓ，即：或用百分?jǐn)?shù)表示為：3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析125顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)。特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的，如圖３－２１中的特性ａ和ｂ，兩者的硬度相同，額定速降相等；但它們的靜差率卻不同，因?yàn)槔硐肟蛰d轉(zhuǎn)速不一樣。圖３－２１不同轉(zhuǎn)速下的靜差率3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析126根據(jù)公式（３－１１），由于ｎ０ａ＞ｎ０ｂ，所以Ｓａ＜Ｓｂ。這就是說，對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。若理想空載轉(zhuǎn)速ｎ０為１０００ｒ／ｍｉｎ時(shí)降落１０ｒ／ｍｉｎ，只占１％；在ｎ０為１００ｒ／ｍｉｎ時(shí)降落１０ｒ／ｍｉｎ，卻占１０％；如果ｎ０只有１０ｒ／ｍｉｎ，降落１０ｒ／ｍｉｎ時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)考慮才有意義。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析127３.調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，常以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速ｎｎｏｍ為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為Δｎｎｏｍ，則按照以上的分析結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即：Ｓ＝Δｎｎｏｍ／ｎｎｏｍｉｎ由于ｎｍｉｎ＝ｎｎｏｍｉｎ－Δｎｎｏｍ＝Δｎｎｏｍ／Ｓ－Δｎｎｏｍ＝（１－Ｓ）Δｎｎｏｍ／Ｓ，而調(diào)速范圍為：Ｄ＝ｎｍａｘ／ｎｍｉｎ＝ｎｎｏｍ／ｎｍｉｎ將上面的ｎｍｉｎ計(jì)算式代入，得：Ｄ＝Ｓｎｎｏｍ／［Δｎｎｏｍ（１－Ｓ）］

（３－１３）3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析128３.調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系公式（３－１３）表示調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或Δｎｎｏｍ值是一定的。因此，由式（３－１３）可見，如果對(duì)靜差率的要求越嚴(yán)，也就是說，要求Ｓ越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。例如，某調(diào)速系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速ｎｎｏｍ＝１４３０ｒ／ｍｉｎ，額定速降Δｎｎｏｍ＝１１５ｒ／ｍｉｎ，當(dāng)要求靜差率Ｓ≤３０％時(shí)，允許的調(diào)速范圍是：Ｄ≤１４３０×０.３／［１１５×（１－０.３）］≈５.３如果要求Ｓ≤２０％，則調(diào)速范圍只有：Ｄ≤１４３０×０.２／［１１５×（１－０.２）］≈３.１3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析129二、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題在如圖３－１０所示的Ｖ－Ｍ系統(tǒng)中，僅用觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，是開環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，如果對(duì)靜差率要求不高的話，它也能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速。但是，許多無級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率提出一定的要求。例如，龍門刨床，由于毛坯表面不平，加工時(shí)負(fù)載常有波動(dòng)，但為了保證加工精度，速度卻不容許有較大的變化，一般要求調(diào)速范圍Ｄ為２０～４０，靜差率Ｓ＜５％。又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架軋輥分別由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，鋼材在幾個(gè)機(jī)架內(nèi)同時(shí)軋制，要求各機(jī)架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，以保證被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷。根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速范圍Ｄ＝１０，保證靜差率Ｓ＜０.５％。130例如，某龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用Ｚ２—９３型直流電動(dòng)機(jī)（額定功率６０ｋＷ、額定電壓２２０Ｖ、額定電流３０５Ａ、額定轉(zhuǎn)速１０００ｒ／ｍｉｎ），要求Ｄ＝２０，Ｓ≤５％。如果使用Ｖ－Ｍ系統(tǒng)，已知主回路總電阻Ｒ＝０.１８Ω，電動(dòng)機(jī)Ｃｅ＝０.２Ｖ·ｍｉｎ／ｒ，則當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，其在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為：開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為：這已大大超過了５％的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速時(shí)的情況了。如果要滿足Ｄ＝２０，Ｓ≤５％的要求，由公式（３－１３）可知：將額定速降從２７５ｒ／ｍｉｎ降低到２.６３ｒ／ｍｉｎ以下，開環(huán)系統(tǒng)本身是無能為力的，但可通過采用閉環(huán)反饋控制來實(shí)現(xiàn)。131三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)ＴＧ，從而引出被調(diào)量（與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Ｕｎ）與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的給定電壓Ｕ*ｎ相比較后，得到偏差電壓ΔＵｎ，經(jīng)過放大器Ｋｐ，產(chǎn)生觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓Ｕｃｔ，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這就組成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理框圖如圖３－２２所示。根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。圖３－２２采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析132三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性下面分析該閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。為了突出主要矛盾，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）假定只工作在Ｖ－Ｍ系統(tǒng)機(jī)械特性的連續(xù)段。（３）忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻。這樣，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下。電壓比較環(huán)節(jié)：ΔＵｎ＝Ｕ*ｎ－Ｕｎ放大器：Ｕｃｔ＝ＫｐΔＵｎ晶閘管整流器與觸發(fā)裝置：Ｕｄ０＝ＫｓＵｃｔＶ－Ｍ系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性：ｎ＝（Ｕｄ０－ＩｄＲ）／Ｃｅ測(cè)速發(fā)電機(jī)：Ｕｎ＝αｎ3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析133三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量。整理后，即得轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：式中，Ｋ＝ＫｐＫｓα／Ｃｅ為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，它相當(dāng)于在測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各個(gè)環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。須注意，這里是以１／Ｃｅ＝ｎ／Ｕｄ０作為電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同。故定名為“靜特性”。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析134四、開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和