第二章 单闭环直流调速系统PPT幻灯片课件

2单闭环直流调速系统,学习目标：1.理解开环调速的缺点及其改进方法。2.掌握转速负反馈调速系统的组成，能画出其原理图。3.掌握转速负反馈调速系统的工作原理，会分析其抗干扰特性。4.通过与开环调速相比较，掌握闭环调速系统的优点。5.理解单闭环系统的开环放大倍数对系统的稳态、动态性能的影响。6.能在实验室熟练完成单闭环调速系统的接线与调试，会测试单闭环调速系统的静特性。,1,2单闭环直流调速系统,课题引入-开环调速系统的局限性分析及改进办法,开环调速系统优点：结构简单。,开环调速系统的局限性：,抗干扰能力差，当电机的负载或电网电压发生波动时，电机的转速就会随之改变，即转速不够稳定，因此开环调速只能应用于负载相对稳定、对调速系统性能要求不高的场合。,改进办法：,采用闭环控制。根据自动控制理论，要想使被控量保持稳定，可将被控量反馈到系统的输入端，构成负反馈闭环控制系统。将直流电动机的转速检测出来，反馈到系统的输入端，可构成转速负反馈直流调速系统。,2,2.1单闭环调速系统的构成及工作原理,一、单闭环调速系统的构成,1给定电路,2转速调节器,3触发及功放电路,4整流桥与电机主回路,5转速检测与反馈电路,(五部分),给定电压的极性：运算放大器具有反相作用，其输出与给定电压极性相反，所以给定采用负给定，以保证触发电压为正；,反馈电压的极性：为实现负反馈，反馈电压的极性为正。,3,二、单闭环调速系统的工作原理,同开环调速系统一样，转速闭环调速系统中电机的转速大小受转速给定电压Un*控制，给定电压为零时，电机停止；给定电压增大时，电机转速升高；给定电压减小时，电机转速下降。,以升速控制为例，系统的调节原理分析如下：,当然，转速上升，转速反馈电压会升高，但其升值小于给定电压增值，电压差总体上是增大的，转速是上升的。,4,1、为什么开环调速采用正给定电压，而单闭环要采用负给定电压？,2、要实现转速负反馈控制，转速反馈电压的极性必需为正，若接线时误将其极性接反了，会出现什么现象？,解：以电机从静止起动为例分析，给定电压增大时系统的调节过程如下：,由于反馈电压与给定电压同为负，成为正反馈，只要给定电压稍大于零，经反馈电压叠加后，偏差电压会越来越大，电机转速急速升高，造成飞车事故。,在转速单闭调速实验中表现为：给定从零增加一点，电机转速急速升高，再减小给定，电机转速不减小，失控。,思考题：,5,2.2单闭环调速系统的性能分析,一、单闭环调速系统的稳态结构图,稳态结构图是反映系统稳定工作时，各构成单元的输入-输出关系的结构图。,稳态结构图是分析系统性能、进行稳态计算的基础。,比较环节：,运算放大器输出：,为运算放大器放大系数。,整流装置输出：,电机转速：,转速反馈电压：,为转速反馈系数,6,二、单闭环调速系统的抗干扰性分析,引入转速负反馈的目的在于提高调速系统的抗干扰性，保持转速的相对稳定，那么，单闭环调速系统是怎样实现抗干扰作用的呢？以负载电流增大为例分析如下：,通过这一调节可抑制转速的下降，虽然不能做到完全阻止转速下降，但同开环相比，转速的下降程度会大大降低，从而保持了转速的相对稳定。,同相可分析电网电压下降时，系统的抗干扰性。电网电压下降时，整流装置输出电压Ud减小，电机转速下降，系统调节过程如下：,7,三、单闭环调速系统的静特性,闭环调速稳定工作时，电机转速与负载电流之间的关系称为闭环调速系统的静特性。,由稳态结构图可知,由上述四式不难得出,称为系统的开环放大系数。,该式称为系统的静特性方程。,8,静特性与机械特性的比较-1,1、机械特性调速系统对开环而言；静特性是对闭环系统而言的。两者都表示电机转速与负载电流之间的关系，即n=f(Id)。,2、一条机械特性曲线对应于一个不变的电枢电压；而一条静特性曲线对应于一个不变的给定电压。,3、如右图所示，设电机开始工作于A点，当负载电流增大时，开环和闭环系统工作的原理是不同的：,(1)开环系统，给定不变，电枢电压就不变，电流增加，工作点将沿最下面那条机械特性向下移动,(2)而对于闭环调速系统，给定不变，电流增加时，系统有维持转速不下降的趋势，通过调节，电枢电压升高，工作点将移至B、C或D。ABCD所在直线就是闭环系统的在该给定电压下的一条静特性曲线。,9,静特性与机械特性的比较-2,4、静特性的硬度要比机械特性硬得多。,这一点从特性方程也可看出：,开环机械特性：,斜率：,闭环静特性：,斜率：,可见闭环静特性斜率比开环机械特性小得多。,思考题：,2开环机械特性与闭环系统的静特性有何相同之处和不同之处？,1怎样通过实验测试闭环系统的静特性曲线？,10,四、闭环调速与开环调速的比较,静特性方程：,闭环转速降,机械特性方程：,开环转速降,闭环静特性比开环机械特性硬得多。负载电流相等时,闭环系统的静差率要比开环小得多。理想空载转速相等时，,闭环系统可比开环有更大的调速范围。静差率相等时，,闭环系统比开环系统的抗干扰性能好。,可见，增大开环放大倍数K对改善调速系统的稳态性能有利，即静差率减小、硬度提高、调速范围增大；但是，开环放大系数K过大系统会变得不稳定，即动态性能变差了。这就是控制系统的稳态和动态性能之间的相互制约性。,11,12,思考题：,2从调速系统的稳态性能方面考虑，系统的开环放大系数K是大点好，还是小点好？从动态性能方面考虑呢？,1同开环调速相比，转速负反馈调速系统有什么优点？,13,五、闭环调速系统的基本特征,转速调节器为比例调节器时，闭环调速系统是有静差的。,闭环调速系统有三个基本特征:,被控量总是跟随给定量变化。即转速跟随给定电压变化。,闭环系统对作用于闭环内前向通道上的干扰有调节作用。而作用于闭环外或非前向通道上的干扰没有调节作用。,14,15,2闭环调速系统对什么样的干扰有调节作用？试举例说明。,1什么是有静差调速系统？,思考题：,16,2.3无静差调速系统,一、调节器及其特性,无静差调速系统：调速系统达到稳定工作状态时，转速反馈与转速给定的值相等，调节器的输入偏差电压等于零，这种调速系统称为无静差调速系统。,有静差调速与无静差调速的区别在于调节器的选择不同，从而引起系统的特性不同。,调节器是由运算放大器构成的电路单元。,下面以比例调节器、积分调节器、比例-积分调节器三种调节器为例介绍其电路构成及其特性。,17,1、比例调节器(简称P调节器),(1)电路图,(2)输入-输出特性,为比例调节器的放大倍数,(3)调节器的特点,输出随时跟随输入，控制调节速度快；,调节器的输入偏差一般不为零，只能实现有静差控制。,18,2、积分调节器(简称I调节器),(1)电路图,(2)输入-输出特性,为积分时间常数,(3)调节器的特点,输入偏差大于零，输出增大；偏差等于零，输出保持；偏差小于零，输出减小。,稳定状态下(输入、输出均不变)，输入偏差为零，可实现无静差控制。,由输入-输出响应曲线知：当输入偏差为定值时，输出呈直线增长；当输入偏差为零时，输出保持。,输出不能马上跟随输入变化，控制响应较慢。,19,3、比例-积分调节器(简称PI调节器),(1)电路图,(2)输入-输出特性,(3)调节器的特点,同时具有P调节器和I调节器的优点，即既能实现无静差控制，控制响应速度也较快。,采用PI调节器的控制系统具有较好的动态和稳态性能，因此PI调节器应用广泛。,PI调节器的输入-输出特性是P调节器和I调节器的特性叠加：积分作用之前先经比例放大，输出比I调节器响应快；输出稳定时，调节器的输入端偏差为零，可实现无静差控制。,20,要说明的是，纯积分调节器只是一种理论的模型，实际实现较难，一般不单独应用。,转速负反馈调速系统，转速调节器为比例调节器时可实现有静差调速；若要实现无静差调速，转速调节器应采用PI调节器。,除了前面介绍的三种调节器之外，还要两种调节器-比例-微分(PD)调节器和比例-积分-微分(PID)调节器，本书直流调速系统部分没用到它们，暂不介绍。,21,二、无静差调速系统,1、实现无静差调速的条件(必需同时满足以下二个条件)：,(2)转速调节器采用PI调节器。,(1)采用转速负反馈；,2、单闭环无静差调速系统原理图,(观察对比，指出与有静差调速系统的异同),22,3、单闭环无静差调速系统稳态结构图,无静差调速系达到稳定工作状态时，系统的一个显著特点就是调节器的输入偏差为零，即,或,这就是无静差调速系统的静特性方程。,思考题：,如上图示，给定为10V时，电机的稳定转速为1000r/min，则转速反馈系数等于。,23,24,1实现无静调速的条件是什么？,思考题：,2无静差调速系统稳定工作时，若负载加重了（即负载电流增大），系统再次达到稳定工作状态，（1）电动机的转速如何变化？（2）整流装置输出电压如何变化？（3）调节器的输出如何变化？,25,一、要知道实验做什么？,1.调速系统线路连接,实验前指导：,2.测试开环机械特性和单闭环静特性,二、要知道怎么做？,做好实验前的预习和准备是关键。,预习什么？预习到什么程度呢？,1、能熟练画出单闭环调速系统原理图。2、自学附录，知道用哪些挂件？用哪些电路模块？功能是什么？怎么接线？3、纸上谈兵：能把系统原理图转化为实验接线图，并能画出来。4、预习2.4章节，能有条理地说出实验内容和对应实验操作步骤。,三、要知道实验应该得到怎样的结果？,四、怎样写实验报告？写什么？,2.4单闭环有静差直流调速系统实验,3.测试系统参数、和,26,特别说明,直流调速系统实验是阶梯式的实验，由简单到复杂，层层递进。熟练掌握前一实验相关知识和技能是开展下一实验的基础和前提。,单闭环调速系统实验同开环调速实验相比，两者主电路相同，只是控制电路增加一个转速反馈环节。,没有理论指导的实验是盲目的实验，所以，每一次实验之前都要对用到的相关知识进行学习和系统，知道要做什么、怎样做。,认识误区：“书上有实验内容及操作步骤，到时候按书上一步一步做就行，不需要在预习上花太多精力。”这样做的实验效果是：(1)如同囫囵吞枣，吃了却不知味。(2)一旦出现线接错了，难以查出。(3)线接对了，电机却不转，不知从何入手查找问题。(4)对实验现象和结果是否正确，心中没数。,27,1、开环调速系统采用正给定电压，为什么单闭环调速系统要采用负给定电压？改变给定电压时调