运动控制系统第二章新版

1、闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统第 2 章n 2.1 转速单闭环直流调速系统转速单闭环直流调速系统图2-1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctgn 调节原理调节原理 在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 Un ，经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下： 电压比较环节

2、n*nnUUU放大器 npcUKU电力电子变换器 cs0dUKU调速系统开环机械特性 ed0dCRIUn测速反馈环节 nUnn 稳态分析稳态分析n 稳态分析（续）稳态分析（续）以上各关系式中 放大器的电压放大系数； 电力电子变换器的电压放大系数； 转速反馈系数（Vmin/r）； UPE的理想空载输出电压（V） ； 电枢回路总电阻。KpKsRUd0 从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式（2-1） )1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn n静特性方程静特性方程n 静特性方程（续）静特性方程（续

3、） 闭环系统的开环放大系数K为 电动机环节放大系数为 闭环调速系统的静特性方程式 （2-1）espCKKKe1nEC)1 ()1 (ede*nspKCRIKCUKKnKpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKsn 闭环系统的稳态结构框图闭环系统的稳态结构框图图2-2a 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图图2-2b 只考虑给定作用 时的闭环系统图2-2c 只考虑扰动作用-IdR时的闭环系统)1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E*nU*nU1.4.4 开环系统机械特

4、性和闭环系统静特性开环系统机械特性和闭环系统静特性 的关系的关系 闭环时的静特性可写成opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(2-3) 开环机械特性为 clcl0ede*nsp)1 ()1 (nnKCRIKCUKKn(2-2)比较式（2-2）和式（2-3）不难得出以下的论断：（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特 性硬得多。 在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为 和它们的关系是 Knn1opcl(2-4) edopCRIn)1 (edcKCRInln 系统特性比较n 系统特性比较（续）系统特性比较（续）（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则 闭环系统的静差率要小得多。

5、 闭环系统和开环系统的静差率分别为 和 当 n0op =n0cl 时，（2-5）cl0clclnnsop0opopnnsKss1opcl（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以 大大提高调速范围。 如果电动机的最高转速都是nmax，而对最低速静差率的要求相同，那么： 开环时， 闭环时， 再考虑式（2-5），得 opclDKD)1 ( (2-6) )1 (opNopsnsnD)1 (clNclsnsnDn 系统特性比较（续）n 系统特性比较（续）系统特性比较（续）（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须 设置放大器。 要实现上述三项优点，都取决于一点，即 K 要足够大，因此必须设置放大器。结论结论

6、2 闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。须增设电压放大器以及检测与反馈装置。 例题例题 在上一章例题中，龙门刨床要求 D = 20，s 5%， 已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r， Ce = 0.2Vmin/r， 如何采用闭环系统满足此要求？ 解解 在上例中已经求得 nop = 275 r/min但为了满足调速要求，须有 ncl = 2.

7、63 r/min由式（2-5）可得1clopnnK6 .103163. 2275代入已知参数，则得 即只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所需的稳态性能指标。462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK 系统调节过程系统调节过程n0 OIdId1Id3Id2Id4ABCAD闭环静特性开环机械特性图2-4 闭环系统静特性和开环机械特性的关系Ud4Ud3Ud2Ud1系统调节系统调节作用作用闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。闭环系统静特性是由无数条开环机械特性构成的。 3. 反

8、馈控制规律反馈控制规律 1. 被调量偏差控制 2. 抵抗扰动, 服从给定 3.系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 1. 被调量有静差被调量有静差 采用比例放大器的闭环系统的稳态速降为 只有 K = ，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。)(edclKICRIn2. 抵抗扰动抵抗扰动, 服从给定服从给定 反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从。 扰动除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动

9、作用”。 n给定和扰动作用给定和扰动作用图2-5 闭环调速系统的给定作用和扰动作用 励磁变化Id变化电源波动Kp变化电阻变化检测误差KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- R 系统的精度依赖于给定和反馈检测精度系统的精度依赖于给定和反馈检测精度给定精度由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。 检测精度反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。n 结论结论3 反馈控制系统的规律是：反馈控制系统的规律是： 一方面能够有效地抑制一切被包一方面能够有效地抑制一切被包围在围在负反馈环内前向通道负反馈环内前向通道上的扰动作上的扰动作用；另一方面，则

10、紧紧地跟随着给定用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。命是从的。系统设计举例与参数计算（一）系统设计举例与参数计算（一） 稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定了控制系统的基本构成环节，有了基本环节组成系统之后，再通过动态参数设计，就可使系统臻于完善。 系统稳态参数计算系统稳态参数计算例题例题 用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，主电路是晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知数据如下：电动机：额定数据为10kW，220V，55A，1000r/min，电枢电阻 Ra = 0

11、.5晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压 U2l = 230V，电压放大系数 Ks = 44V-M系统电枢回路总电阻：R = 1.0测速发电机：永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min直流稳压电源：15V 若生产机械要求调速范围D=10，静差率s5%，试计算调速系统的稳态参数（暂不考虑电动机的起动问题）。 解解 1）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为 = 5.26r/minmin/ r)05. 01 (1005. 01000)1 (NclsDsnn2）求闭环系统应有的开环放大系数先计算电动机的电动势系数 V

12、min/r = 0.1925Vmin/r10005 . 055220NaNNenRIUC则开环系统额定速降为 r/min = 285.7r/min闭环系统的开环放大系数应为1925. 00 . 155eNopCRIn3 .5313 .54126. 57 .2851clopnnK3）计算转速反馈环节的反馈系数和参数 转速反馈系数包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器的分压系数 2，即 = 2 Cetg根据测速发电机的额定数据， = 0.0579Vmin/r1900110etgC 先试取 2 =0.2，再检验是否合适。 现假定测速发电机与主电动机直接联接，则在电动机最高转速1000r/m

13、in时，转速反馈电压为 V=11.58V 稳态时Un很小， U*n只要略大于 Un 即可，现有直流稳压电源为15V，完全能够满足给定电压的需要。因此，取=0.2是可以的。 10000579. 02 . 01000etg2nCU 于是，转速反馈系数的计算结果是 Vmin/r = 0.01158Vmin/r 电位器的选择方法如下：为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，则 =1379 0579. 02 . 0etg2C21. 02 . 010000579. 02 . 0NtgNetg2RPInCR 此时所消耗的功率为 为了

14、使电位器温度不致很高，实选瓦数应为所消耗功率的一倍以上，故可为选用10W，1.5k的可调电位器。W43. 221. 02 . 010000579. 02 . 0NtgNetg2RPInCW 4）计算运算放大器的放大系数和参数 根据调速指标要求，前已求出，闭环系统的开环放大系数应为 K 53.3，则运算放大器的放大系数 Kp 应为 实取=21。14.201925. 04401158. 03 .53espCKKK 图2-1中运算放大器的参数计算如下：根据所用运算放大器的型号，取 R0 = 40k，则k84040210p1RKR2.1.2 限流保护限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈 问题的提出起动

15、时的冲击电流直流电动机全电压起动时，会产生很大的冲击电流。堵转电流电动机堵转时，电流将远远超过允许值。 n 电流负反馈电流负反馈 仅采用电流负反馈，不要转速负反馈 这种系统的静特性如图中B 线，特性很陡。显然仅对起动有利，对稳态运行不利。 Idbln0IdOn0A转速负反馈静特性B电流负反馈特性 调速系统静特性解决办法解决办法引入电流截止负反馈1. 电流截止负反馈电流截止负反馈 图2-8 电流截止负反馈环节a）利用独立直流电源作比较电压M+- UdId RsVDUi Ucom接放大器Mb) 利用稳压管产生比较电压 UbrM+- UdId RsVSUi接放大器M2. 系统稳态结构OUiId Rs

16、 - Ucom图2-6电流截止负反馈环节的I/O特性 图2-7 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构框图nKpKs 1/CeU*nUcUiIdEUd0Un+- RRs-UcomId Rs - Ucom-+3. 静特性方程与特性曲线静特性方程与特性曲线 当 Id Idcr 时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式（2-1）相同，现重写于下 当 Id Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成（2-7）)1 ()1 (ede*nspKCRIKCUKKn)1 ()()1 ()(edsspecom*nspKCIRKKRKCUUKKnIdblIdcrn0IdOn0AB图2-9 带电

17、流截止负反馈闭环调速系统的静特性 DC 静特性静特性 静特性两个特点静特性两个特点 （1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入 一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大， 特性急剧下垂。（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致， 好象把理想空载转速提高到（2-8） )1 ()(ecom*nsp0KCUUKKn 这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，在式（2-9）中，令 n = 0，得一般 Kp Ks Rs R，因此sspcom*nspdbl)(RKKRUUKKIscom*ndblRUUI4. 电流

18、截止负反馈环节参数设计电流截止负反馈环节参数设计Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl （1.52） IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取 Idcr （1.11.2）IN2.1.3 单闭环直流调速系统动态数模单闭环直流调速系统动态数模 引入转速负反馈，且放大系数足够大时，就可以满足系统的稳态性能要求。然而放大系数太大又可能引起闭环系统不稳定，这时应再增加动态校正措施，才能保证系统的正常工作。 此外，还须满足系统的各项动态指标的要求。 为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续的线性定

19、常系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示。 1. 反馈控制闭环直流调速系统的动态反馈控制闭环直流调速系统的动态 数学模型数学模型建立系统动态数学模型的基本步骤建立系统动态数学模型的基本步骤（1）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程；（2）求出各环节的传递函数；（3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。1. 电力电子器件的传递函数电力电子器件的传递函数 构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是1)(ssssTKsW(2-12) 只是在不同场合下，参数Ks和Ts的数值不同

20、而已。 TL+-MUd0+-E R LneidM图2-10 他励直流电动机等效电路 2. 直流电动机的传递函数直流电动机的传递函数EtILRIUddddd0(2-13) 动态电压方程为 电路方程 如果忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为 (2-14) tnGDTTdd3752Le额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 dmeICT nCEe式中 TL 包括电机空载转矩在内的负载转矩(Nm)； GD2 电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮 惯量(Nm2)； Cm 电机额定励磁下的转矩系数(Nm/A)， 。em30CCTl 电枢回路电磁时间常数(s)， ；Tm电力拖动系统机电时间常数(s)

21、， 。RLTlme2m375CCRGDT 定义下列时间常数整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdmLdLCTI式中 为负载电流。 n 微分方程 在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换， 得电压与电流间的传递函数 11)()()(0ddsTRsEsUsIl电流与电动势间的传递函数 sTRsIsIsEmdLd)()()(2-15) (2-16) n 传递函数n 动态结构框图 Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb)电流电动势间的结构框图 式（131）E(s)Ud0(s)+-1/RTl s+1Id (s)a)电压电流间的结构框图 式（130）+图2-11 额定励

22、磁下直流电动机动态结构框图直流电动机的动态结构框图直流电动机的动态结构框图图2-11c 整个直流电动机的动态结构框图n(s) 1/CeUd0(s)IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tms 直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。 前者是控制输入量，后者是扰动输入量。n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n 动态结构图的变换和简化a. IdL 0n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)n 动态结构图的变换和简化（续）b. IdL= 0 直流闭环调速系统

23、中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即 放大器pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfnsnsUsW测速反馈（2-17） 3. 控制与检测环节的传递函数控制与检测环节的传递函数n(s)图2-13 反馈控制闭环调速系统的动态结构框图U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)Un (s)三阶系统4. 闭环调速系统的动态结构框图闭环调速系统的动态结构框图5. 调速系统的开环传递函数调速系统的开环传递函数

24、由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是 ) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl式中 K = Kp Ks / Ce （2-18） 6. 调速系统的闭环传递函数调速系统的闭环传递函数 设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是 111)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll（2-19） 2. 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件反馈控制闭环直流调速系

25、统的稳定条件反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为 0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll（2-20） 稳定条件 a1a2 a0a3 00111)(smsmsmKTTTKTTKTTTll或ssms)1 ()(TTKTTTTll整理后得 s2ssm)(TTTTTTKll（2-21） 式（1-59）右边称作系统的临界放大系数 Kcr，当 K Kcr 时，系统将不稳定。 对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。 系统稳定性分析系统稳定性分析例题例题 在上例题中，已知 R = 1.0 ， Ks = 44， Ce = 0.1925Vmin/r，系统

26、运动部分的飞轮惯量GD2 = 10Nm2。 根据稳态性能指标 D =10，s 0.5计算，系统的开环放大系数应有K 53.3 ，试判别这个系统的稳定性。 解解 首先应确定主电路的电感值，用以计算电磁时间常数。 对于V-M系统，为了使主电路电流连续，应设置平波电抗器。例题1-4给出的是三相桥式可控整流电路，为了保证最小电流时电流仍能连续，应采用式（1-8）计算电枢回路总电感量，即mind2693. 0IUL 现在 则 取 L= 17mH = 0.017H 。 V 8 .1323230322lUUmH 73.16%10558 .132693. 0L计算系统中各环节的时间常数：电磁时间常数 机电时间

27、常数 s 017. 00 . 1017. 0RLTls 075. 01925. 0301925. 03750 . 110375me2mCCRGDT对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为 Ts = 0.00167 s 为保证系统稳定，开环放大系数应满足式（2-21）的稳定条件 按稳态调速性能指标要求K 53.3 ，因此，闭环系统是不稳定的。4 .4900167. 0017. 000167. 0)00167. 0017. 0(075. 0)(2s2ssmTTTTTTKll2.1.4 动态校正动态校正PI调节器的设计调节器的设计1. 概概 述述 在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与

28、稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定和稳态指标两方面的要求。比例积分控制规律和无静差调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统 采用比例（P）放大器控制的直流调速系统是有静差的调速系统，还存在稳定性与稳态精度的矛盾。 采用积分（I）调节器或比例积分（PI）调节器代替比例放大器，构成无静差调速系统。 问题的提出问题的提出 采用P放大器控制必然要产生静差，因此是有静差系统。Kp 越大，系统精度越高；但 Kp 过大，将降低系统稳定性。 进一步分析静差产生的原因，由于采用比例调节器， 转速调节器的输出为 Uc = Kp Un 只有当Un 0 ，

29、才有 Uc 0，电动机运行； 当Un = 0 ，Uc = 0，电动机停止。 积分调节器和积分控制规律积分调节器和积分控制规律 1. 积分调节器积分调节器 如图，由运算放大器可构成一个积分电路。根据电路分析，其电路方程+CUexRbalUinR0+A积分调节器a) 原理图in0ex1ddUCRtUii方程两边取积分，得 tUtUCRtiCUd1d1d1inin0ex式中 积分时间常数。 当初始值为零时，在阶跃输入作用下，对式进行积分运算，得积分调节器的输出CR0tUUinex2. 积分调节器的传递函数积分调节器的传递函数积分调节器的传递函数为 ssUsUsW1)()()(inexi UexUin

30、UexmtUinUexOb) 阶跃输入时的输出特性()L/dBOL()-20dB1/O-/2c) Bode图积分调节器3. 积分调节器的特性4. 转速的积分控制规律转速的积分控制规律如果采用积分调节器，则控制电压Uc是转速偏差电压Un的积分，应有 如果是Un 阶跃函数，则 Uc 按线性规律增长，每一时刻 Uc 的大小和 Un 与横轴所包围的面积成正比，如下图 a 所示。t0ncd1tUU图2-14 积分调节器的输入和输出动态过程a) 阶跃输入 b)负载变化时n 输入和输出动态过程 图b 绘出的 Un 是负载变化时的偏差电压波形，按照Un与横轴所包围面积的正比关系，可得相应的Uc 曲线，图中Un

31、 的最大值对应于Uc 的拐点。 若初值不是零，还应加上初始电压Uc0 ，则积分式变成 0c0ncd1UtUUt负载变化时积分曲线负载变化时积分曲线分析结果分析结果 只有达到 Un* = Un ， Un = 0时，Uc 才停止积分；当 Un = 0时，Uc并不是零，而是一个终值 Ucf ；如果 Un 不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点。 采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。5. 比例与积分控制的比较比例与积分控制的比较 有静差调速系统 当负载转矩由TL1突增到TL2时，有静差调速系统的转速n、偏差电压 Un 和控制

32、电压 Uc 的变化过程示于下图。 当负载转矩由 TL1 突增到 TL2 时，有静差调速系统的转速 n 、偏差电压 Un 和控制电压 Uc 的变化过程示于右图。 有静差调速系统突加负载过程有有静差调速系统突加负载静差调速系统突加负载时的动态过程时的动态过程图2-15 积分控制无静差调速系统突加负载时的动态过程 虽然现在Un = 0，只要历史上有过 Un ，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压 Uc。积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。 无静差调速系统突加负载无静差调速系统突加负载时的动态过程时的动态过程 将以上的分析归纳起来，可得下述论断： 比例调节器的输出只取决于输入

33、偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。 2. 比例积分控制规律比例积分控制规律 上一小节从无静差的角度突出地表明了积分控制优于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。 如图所示，在同样的阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变。 两种调节器特性比较两种调节器特性比较 UexUinUexmtUinUexOb) I调节器a) P调节器UexUintUinUexO两种调节器I/O特性曲线1. PI调节器调节器 在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现PI调节器，其线路如图所示。Uex+C1RbalUi

34、nR0+AR1比例积分（PI）调节器 i0i101piRRK式中 PI调节器比例部分的放大系数； PI调节器的积分时间常数。 由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。2. PI输入输出关系输入输出关系 按照运算放大器的输入输出关系，可得tUUKtUCRURRUd1d1ininpiin10in01ex(2-27)10CR令 ，则传递函数也可以写成如下形式(2-29)3. PI调节器的传递函数调节器的传递函数 当初始条件为零时，取式（1-60）两侧的拉氏变换，移项后，得PI调节器的传递函数。 (2-28)ssKsKsUsUsW11)()()(pipiinexpissKsssW11

35、pi1pi11)(11pi1CRKn 分析结果分析结果 由此可见，比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。 无静差直流调速系统及其稳态参数计算无静差直流调速系统及其稳态参数计算 系统组成工作原理稳态结构与静特性参数计算1. 系统组成系统组成+-+-M TG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVBT VSUiTAIdR1C1UnUd无静差直流调速系统示例 -+MTG+-UPE2. 工作原理工作原理 图所示是一个无静差直流调速系统的实例，采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负

36、反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。当电流超过截止电流时，高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管VBT导通，则PI调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的。3. 稳态结构与静特性稳态结构与静特性 当电动机电流低于其截止值时，上述系统的稳态结构图示于下图，其中代表PI调节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用。 无静差直流调速系统稳态结构框图（Id Idcr ） Ks 1/CeU*nUcUnIdREnUd0Un+-稳态结构与静特性（续）稳态结构与静特性（续） 无静差系统的

37、理想静特性如右图所示。当 Id Idcr 时，系统无静差，静特性是不同转速时的一族水平线。当 Id 6dB 5. 设计步骤设计步骤 系统建模首先应进行总体设计，选择基本部件，按稳态性能指标计算参数，形成基本的闭环控制系统，或称原始系统。 系统分析建立原始系统的动态数学模型，画出其伯德图，检查它的稳定性和其他动态性能。 系统设计如果原始系统不稳定，或动态性能不好，就必须配置合适的动态校正装置，使校正后的系统全面满足性能要求。系统调节器设计系统调节器设计例题例题2-1 在上例题中，已经判明，按照稳态调速指标设计的闭环系统是不稳定的。试利用伯德图设计PI调节器，使系统能在保证稳态性能要求下稳定运行。

38、 解解 （1）被控对象的开环频率特性分析式（2-18）已给出原始系统的开环传递函数如下) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl 已知 Ts = 0.00167s， Tl = 0.017s ， Tm = 0.075s ，在这里， Tm 4Tl ，因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积，即 ) 1026. 0)(1049. 0(1075. 0001275. 012m2msssssTsTTl 根据上例题的稳态参数计算结果，闭环系统的开环放大系数已取为 于是，原始闭环系统的开环传递函数是 58.551925. 001158. 04421/espCKKK) 10167. 0)(1026. 0

39、)(1049. 0(58.55)(ssssW 系统开环对数幅频及相频特性系统开环对数幅频及相频特性图2-19 原始闭环直流调速系统的伯德图其中三个转折频率（或称交接频率）分别为 111s4 .20049. 011T122s5 .38026. 011T133s60000167. 011T而 由图2-19可见，相角裕度 和增益裕度GM都是负值，所以原始闭环系统不稳定。 这和例题1-5中用代数判据得到的结论是一致的。 dB 9 .3458.55lg20lg20K（2） PI调节器设计调节器设计 为了使系统稳定，设置PI调节器，设计时须绘出其对数频率特性。 考虑到原始系统中已包含了放大系数为Kp的比例

40、调节器，现在换成PI调节器，它在原始系统的基础上新添加部分的传递函数应为 sKsKsWKppipip1)(1 PI调节器对数频率特性调节器对数频率特性相应的对数频率特性绘于下图中。 0PI调节器在原始系统基础上添加部分的对数频率特性 实际设计时，一般先根据系统要求的动态性能或稳定裕度，确定校正后的预期对数频率特性，与原始系统特性相减，即得校正环节特性。具体的设计方法是很灵活的，有时须反复试凑，才能得到满意的结果。 对于本例题的闭环调速系统，可以采用比较简便方法，由于原始系统不稳定，表现为放大系数K 过大，截止频率过高，应该设法把它们压下来。为了方便起见，可令，Kpi = T1 使校正装置的比例

41、微分项Kpi s + 1与原始 111sT系统中时间常数最大的惯性环节 对消。其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以20dB/dec 的斜率穿越 0dB 线，必须把图1-42中的原始系统特性压低，使校正后特性的截止频率c2 1/ T2。这样，在c2 处，应有 dB0 321LLL或 系统校正的对数频率特性系统校正的对数频率特性0校正后的系统特性校正前的系统特性图1-42 闭环直流调速系统的PI调节器校正 从图上可以看出，校正后系统的稳定性指标 和GM都已变成较大的正值，有足够的稳定裕度，而截止频率从 c1 = 208.9 s1降到 c2 = 30 s1 ，快速性被压低

42、了许多，显然这是一个偏于稳定的方案。 由图1-40的原始系统对数幅频和相频特性可知 2121c221c1221c12lg20)(lg20lg40lg20lg20K211cK-11cs 9 .2085 .384 .2058.55因此代入已知数据，得 取Kpi = T1 = 0.049s，为了使c2 2. 2. 主要原因主要原因 单闭环系统不能控制电流和转矩的动态过程。 电流截止负反馈环节只是用来限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。3. 3. 解决思路解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。 按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈

43、就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 解决思路解决思路 现在的问题是，我们希望能实现控制： 起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。 稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？-转速电流双闭环系统+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG图2-22 转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器内环外 环ni2.2.1 2.2.1 转速、电流双闭环直流调速系统

44、的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 系统电路结构系统电路结构双闭环直流调速系统电路原理图 +-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-限幅的作用限幅的作用 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值； 电流调节

45、器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。限幅电路（外限幅，输出限幅）限幅电路（外限幅，输出限幅）二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD2限幅电路（内限幅，输出和积分限幅）限幅电路（内限幅，输出和积分限幅）RlimVST1VST2R1C1R0UinUex+-00000+ 稳压管钳位的内限幅电路R1C1VS1VS2R0Rlim图2-23 双闭环直流调速系统的稳态结构框图(ASR未饱和)转速反馈系数 电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE2.2.2 2.2.2 稳态结构图和静特性稳态结构图

46、和静特性1. 稳态结构图：稳态结构图：ASR饱和，相当于电流闭环系统 Ks 1/CeUcIdEnUd0+U*i-IdR R ACR-UiUPEASRASR饱和，相当于电流闭环系统饱和，相当于电流闭环系统 2. 2. 系统静特性系统静特性 设计时，ACR不会达到饱和状态。 CA段ASR未饱和，AB段ASR饱和。 图2-24 双闭环直流调速系统静特性 n0IdIdmIdNOnABC（1 1）转速调节器不饱和）转速调节器不饱和di*i0n*nIUUnnUU即 0*nnUn由于转速调节器不饱和U*i U*im， Id Idm。（2 2） 转速调节器饱和转速调节器饱和U*i = U*im，稳态时 dm*

47、imdIUI此时 n n*。ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t = t3时）。第第 阶段阶段 转速调节阶段（续）转速调节阶段（续） 此后，电动机在负载的阻力下减速，在一小段时间内（ t3 t4 ） Id IdL ，直到稳定运行 Id = IdL ， n =n* 。 如果调节器参数整定得不够好，会有振荡过程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt2. 分析结果分析结果 综上所述，双

48、闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点： （1）饱和非线性控制饱和非线性控制 （2）转速超调转速超调 （3）准时间最优控制准时间最优控制(有限制条件的有限制条件的 最短时间控制最短时间控制) 3. 动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 调速系统的动态抗扰性能，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1. 抗负载扰动抗负载扰动IdL直流调速系统的抗负载扰作用抗负载扰动（续）抗负载扰动（续） 由动态结构框图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。

49、在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。2. 抗电网电压扰动抗电网电压扰动-IdLUd图2-27 直流调速系统的动态抗扰作用 Ud电网电压波动在整流电压上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E抗电网电压扰动抗电网电压扰动 双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。4. 转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用 综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下： 1. 转速调节器的作用转速

50、调节器的作用 （1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的 调节过程中，它的作用是使电流紧 紧跟随其给定电压（即外环调节器 的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作 用。（3）在转速动态过程中,保证获得电机允 许的最大电流,从而加快动态过程。电流调节器的作用电流调节器的作用 （4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

51、一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2.3 直流调速系统的数字实现直流调速系统的数字实现优点:物理概念清晰; 控制信号流向直观。缺点:控制规律体现在硬件电路上，线 路复杂、通用性差; 控制效果受到器件的性能、温度 等因素的影响。 2.3.1 微机数字控制的主要特点微机数字控制的主要特点q硬件电路标准化程度高，不受器件温度漂移的影响；q进行逻辑判断和复杂运算，实现不同于一般线性调节的控制规律，q控制软件更改灵活方便。q具有信息存储、数据通信和故障诊断等功能。 微机数字控制系统的主要特点微机数字控制系统的主要特点是是离散化离散化和和数字化数字化。离散化和数

52、字化离散化和数字化离散化离散化 对模拟的连续信号采样形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。Otf(t)原信号Onf(nT)1 2 3 4采样数字化数字化 离散信号经保持器保持后，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散的模拟信号。 保持OnN(nT)Na(nT)（电压）Nd(nT)（数码） 离散化和数字化的负面效应离散化和数字化的负面效应q 离散化:时间上的不连续性；q 数字化:量值上的不连续性。 负面效应：q产生量化误差，影响控制精度和平滑性。q滞后效应，提高控制系统传递函数分母的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。数字量化数字量化 量化的原则是

53、：在保证不溢出的前提下，精度越高越好。 存储系数显示量化的精度存储系数显示量化的精度，其定义为 微机数字控制系统中的存储系数相当于模拟控制系统中的反馈系数。物理量的实际值计算机内部存储值K采样频率的选择采样频率的选择Shannon 采样定理: 采样频率 fsam 应不小于信号最高频率 fmax 的2倍，即 fsam 2 fmax 。 经采样及保持后，原信号的频谱不发生明显的畸变，系统保持原有的性能。采样频率采样频率 实际系统中信号的最高频率很难确定，尤其对非周期性信号（系统的过渡过程），其频谱为 0 至的连续函数，最高频率理论上为无穷大。 因此，难以直接用采样定理来确定系统的采样频率。 系统采

54、样频率的确定系统采样频率的确定 在一般情况下，可以令采样周期Tmin 为控制对象的最小时间常数。或用采样角频率 sam min1041TTsamc 为控制系统的截止频率。csam)104(微机数字控制系统的输入与输出变量微机数字控制系统的输入与输出变量 可以是模拟量，也可以是数字量。 模拟输入量必须经过A/D转换为数字量，而模拟输出量必须经过D/A转换才能得到。 数字量是量化了的模拟量，可以直接参加运算。系统给定系统给定a) 模拟给定 b) 数字给定 模拟给定和数字给定 状态检测状态检测 状态量检测的作用 ：构成反馈控制，保护和故障诊断信息的来源。 1 1）转速检测：）转速检测：模拟和数字检测

55、方法。 2 2）电流和电压检测）电流和电压检测：一般用A/D转换。极性转换极性转换 多数状态量为双极性（大小和方向），A/D转换电路一般是单极性的，必须进行极性转换。 经A/D转换后得到以偏移码表示的数字量，再用软件将偏移码变换为原码或补码。电平转换A/DCPU电压隔离双极性单极性摸拟量数字量(偏移码)输出变量输出变量 一、用开关量直接控制功率器件的通断。 二、也可以用数字量经D/A转换得到的模拟量去控制功率变换器。 微机数字控制双闭环直流调速系统微机数字控制双闭环直流调速系统 的硬件和软件的硬件和软件 下标“dig”表示数字量 UPEACRFBSMASRKK-*digndignddigI*d

56、digI微机-+微机数字控制的双闭环直流调速系统微机数字控制双闭环直流调速系统的微机数字控制双闭环直流调速系统的 硬件结构硬件结构 微机数字控制双闭环直流调速系统硬件系统组成：主电路检测电路控制电路给定与显示电路微机数字控制双闭环直流微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图调速系统硬件结构图主回路主回路 微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE有两种方式：l直流PWM功率变换器l晶闸管可控整流器检测回路检测回路 检测回路包括电压、电流、温度和转速检测（数字测速）。故障综合故障综合 对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即通知微机，以便及时处理，避免故障进一步扩大。 数字

57、控制器数字控制器专为电机控制设计的微处理器： 除了带有A/D转换器、通用I/O和通信接口， 还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能，如：Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列等。微机数字控制双闭环直流调速系统的微机数字控制双闭环直流调速系统的 控制控制软件软件 微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有： 主程序 初始化子程序 中断服务子程序等主程序主程序 完成实时性要求不高的功能，系统初始化后，键盘处理、刷新显示、数据通信等功能。开始系统初始化键处理刷新显示数据通信有键按下吗？YN主程序初始化子程序初始化子程序 硬件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化

58、等。系统初始化设定定时器、PWM、数字测速工作方式参数及变量初始化设定I/O、通信接口及显示、键盘工作方式返回初始化子程序中断服务子程序中断服务子程序 实时性强，由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。 q转速调节中断子程序（中断级别最低）q电流调节中断子程序（中断级别居中）q故障保护中断子程序 （优先级别最高）转速调节中断转速调节中断子程序子程序保护现场读入转速给定计算转速转速调节允许测速恢复现场中断返回转速反馈转速调节启动测速转速调节中断子程序电流调节中断子程序电流调节中断子程序电流反馈电流调节PWM生成保护现场读入电流反馈电流调节PWM生成启动A/D转换中断返回恢复现场电流调节中断子程序

59、故障保护中断故障保护中断子程序子程序封锁PWM输出分析故障原因显示故障并报警封锁PWM输出分析、判断故障原因显示故障原因故障报警等待系统复位故障保护中断子程序2.3.2 转速检测的数字化转速检测的数字化 检测光电式旋转编码器与转速成正比的脉冲，然后计算转速。 数字测速方法： （1）M法脉冲直接计数法 （2）T 法脉冲时间计数法 （3）M/T法脉冲时间混合计数法1. 1. 旋转编码器旋转编码器 光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件。 码盘轴发光装置接收装置CCV图2-29 增量式旋转编码器示意图 转向鉴别：一般的光电式旋转编码器提供A、B两相脉冲序列，相位相差90。见图2-29脉冲序列的倍频：

60、常用二倍频或四倍频。 2. 数字测速精度指标数字测速精度指标（1）分辩率 改变一个最小计数位所对应的 转速变化量来表示分辨率Q。Q = n2 - n1 Q 越小，测速装置的分辩能力越强。（2）测速精度）测速精度 用转速实际值n与测量值的相对误差来表示，%100nn 的大小与测速方法有关。3. M法测速法测速PLG倍频电路BusZ 记录Tc时间内旋转编码器PLG发出的脉冲数M1，则c160ZTMn Z=倍频系数PLG光栅数。 图2-31 测速原理与波形图CountercT1MM法法测速测速的分辨率和的分辨率和误差率误差率M法测速适用于高速。%1001%10060 )1(60 601c1c1c1m