第2章(电力拖动控制系统)

1、第第2章章 直流电动机直流电动机V-M不可逆调速系统不可逆调速系统 2.1 直流调速系统概述直流调速系统概述 l 直流调速系统的优缺点：直流调速系统的优缺点：缺点缺点带有机械换向装置，即有换向器和电刷，运行时会产生火化带有机械换向装置，即有换向器和电刷，运行时会产生火化和电磁干扰，电刷易磨损需维护、更换。和电磁干扰，电刷易磨损需维护、更换。 1)直流调速系统仍有应用；直流调速系统仍有应用；2）直流电机各参数、变量之间的关系几乎都是简单明了的线性函）直流电机各参数、变量之间的关系几乎都是简单明了的线性函数关系数关系 ，数学模型较为简单、准确，控制系统在理论上和实践上都，数学模型较为简单、准确，控

2、制系统在理论上和实践上都比较成熟、经典比较成熟、经典 ，是拖动控制的基础。，是拖动控制的基础。 优点优点调速性能好、控制性能好、起制动性能好；调速性能好、控制性能好、起制动性能好；l学习直流调速系统的理由：学习直流调速系统的理由：2.1.1 直流调速系统的类型直流调速系统的类型 1直流调速系统的主导调速方法直流调速系统的主导调速方法 (1) 改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻电枢回路串电阻调速；电枢回路串电阻调速；自控系统不用自控系统不用(2) 调节电抠供电电压调节电抠供电电压变压调速；变压调速； 主导调速方法主导调速方法 (3) 减弱励磁磁通减弱励磁磁通-弱磁调速。弱磁调速。 辅助调速方法辅助

3、调速方法 2直流调速系统主电路直流调速系统主电路可调压的直流电源可调压的直流电源 常用的有：常用的有： (1) G-M系统系统 (发电机发电机-电动机系统电动机系统) (2) V-M系统系统 (可控整流器可控整流器 -电动机系统电动机系统) (3) 直流脉宽调制（直流脉宽调制（PWM）系统）系统 (斩波器斩波器 -电动机系统电动机系统)ejaaK)RR(IUn3直流调速系统的控制方式直流调速系统的控制方式 l 主电路构成不同，控制方法不同主电路构成不同，控制方法不同 ：移相控制、：移相控制、PWM控制等控制等l 闭环闭环控制方式控制方式开环控制开环控制 闭环控制闭环控制单闭环单闭环 速度环速度

4、环双闭环双闭环 速度环和电流环速度环和电流环多环控制多环控制 加位置环等加位置环等 电机调速系统电机调速系统中通常为：中通常为：4工作象限工作象限 0Tn0Tn0 0Tn0Tn)a)b)c)da）单象限运行）单象限运行 b)电压可反向的二象限运行电压可反向的二象限运行 c) 电流可反向的二象限运行电流可反向的二象限运行2.1.2 G-M系统系统 l 系统原理图系统原理图 l 控制原理、控制思路控制原理、控制思路l 制动时的能量传递关系制动时的能量传递关系l 工作原理工作原理l 工作象限工作象限l 优点：特性好，平稳优点：特性好，平稳MG+(-)-(+)生产机械n励磁电源放大装置+fiGEM3+

5、UgnaI12+1n2n4n3n5n6nLTTTL-0正向电动状态正向制动状态反向电动状态反向制动状态Tnn系统原理图系统原理图l 50年代曾广泛地使用，目前仍有应用年代曾广泛地使用，目前仍有应用l 缺点：设备多、体积大、费用高、效率低缺点：设备多、体积大、费用高、效率低l 机械特性机械特性2.1.3 V-M系统系统 l 系统构成系统构成 l 控制思路控制思路l 制动时的能量传递关系制动时的能量传递关系l 控制原理控制原理l 工作象限工作象限l 优点：静止装置、经济、可靠优点：静止装置、经济、可靠0TnMdUV+-LGT+l 触发装置触发装置GT l 缺点：功率因数低、对电网谐波污染缺点：功率

6、因数低、对电网谐波污染 V-M系统系统l 是是7090年代直流调速系统的主要形式年代直流调速系统的主要形式 2.1.4 直流脉宽调制（直流脉宽调制（PWM）系统）系统 驱动dU0iVDVTaE0u0UdU0uonTT0t)b)aa）原理电路图）原理电路图 b）斩波器输出电压波形）斩波器输出电压波形 dtdonUUTTuU00l原理电路图原理电路图 l制动时的能量传递关系制动时的能量传递关系l工作象限工作象限l优缺点优缺点0Tn0Tn0 0Tn0Tn)a)b)c)da)单管电路单管电路 b)双管电路双管电路 c)双管电路双管电路 d)H型桥式电路型桥式电路l 控制思路控制思路l 控制原理控制原理

7、2.2 V-M系统的机械特性系统的机械特性 2.2.1 电流连续时的机械特性电流连续时的机械特性 1可控整流装置的输出电压可控整流装置的输出电压 cosUcosmsinUm)(UdommdomUmUd0m单相桥式 20.9U2三相半波 31.17U2三相桥式 62.34U2l 不计换流时不计换流时l 计及计及LC换流及内阻影响时换流及内阻影响时aedoaacdodI )RR()(UIRIL)msinm()(U)(U002电压平衡方程式电压平衡方程式 dtdiLRiE)(Uadaado1VaI)(udo+ +- -+ +- -dUdLLReRaRaE0R等效电路等效电路 22U22U26 U3V

8、-M系统电流连续时的机械特性系统电流连续时的机械特性 l 机械特性方程式为：机械特性方程式为：TCCRcosCUTCCRCUCRIUnTeedomTeedoeado 理想空载转速理想空载转速n0，控制角增大时，控制角增大时n0下降下降 控制角变化时控制角变化时斜率不变斜率不变， 为：为： /eTR C C01n02n03n04n0234TaIaeICRn 4320n00nnT是一组平行下移的直线是一组平行下移的直线记作：记作：2.2.2 电流断续时的机械特性电流断续时的机械特性 以三相半波整流电路为例以三相半波整流电路为例 uaiAuBuCuttt22UaE00)a)b1理想空载转速理想空载转

9、速 eCaUancos17. 1)(2060：输出电压的峰值相同，有同一个实际理想空载转速：输出电压的峰值相同，有同一个实际理想空载转速 )cos(CUne32230022/enUC 2电流断续时机械特性曲线的斜率电流断续时机械特性曲线的斜率 3电流断续区域范围电流断续区域范围 4电流断续时的机械特性曲线电流断续时的机械特性曲线 与电抗器电感量的大小有关与电抗器电感量的大小有关 工程上一般取工程上一般取 时，时，随着电流减小，回路的等效电阻增大，斜率增大随着电流减小，回路的等效电阻增大，斜率增大l 电流连续时电流连续时l 电流断续时电流断续时60：输出电压的峰值随：输出电压的峰值随增大增大而下

10、降，空载转速下降而下降，空载转速下降aNminaI ).(I10050/22.3 开环开环V-M调速系统及调速指标调速系统及调速指标 2.3.1 开环开环V-M调速系统调速系统 系统原理图系统原理图 稳态结构图稳态结构图 2.3.2 调速系统的稳态指标调速系统的稳态指标 调速范围调速范围D、静差率、静差率S 理解两个稳态性能指标的含义及其关系理解两个稳态性能指标的含义及其关系要求掌握开环系统的稳态分析方法要求掌握开环系统的稳态分析方法，包括：，包括： 从系统原理图画出系统稳态结构图；从系统原理图画出系统稳态结构图； 稳态结构图的含义、用途（得出系统的静特性）稳态结构图的含义、用途（得出系统的静

11、特性） 能分析自动调速系统的稳态性能能分析自动调速系统的稳态性能 开环开环V-M调速系统的主要问题调速系统的主要问题2.3 开环开环V-M调速系统及调速指标调速系统及调速指标 2.3.1 开环开环V-M调速系统调速系统给定部件 放大变换部件 执行部件 被控对象控制指令生成部件给定量触发装置可控整流主电路滤 波(平波电抗器)负 载(工作机械)直流电动机GTV*nULoad+E1dLdoUaIM- -naEl 系统的最终控制对象是电动机系统的最终控制对象是电动机转轴上的转速转轴上的转速n。该电力拖动系统。该电力拖动系统是一个开环控制的调速系统。是一个开环控制的调速系统。 1系统原理图系统原理图Md

12、UV+-LGT+l “ ”符号的含意符号的含意 l 同步移相触发电路同步移相触发电路 GT*nU 2稳态结构图稳态结构图 稳态结构图稳态结构图表明自动控制系统在稳态运行时，其表明自动控制系统在稳态运行时，其各个环节之间的输入量与输出量之间数学关系的结构框图各个环节之间的输入量与输出量之间数学关系的结构框图 RIa*nUn0dUaEsK1eC*ns*nmdommkdomdomdoUKUUU)UU(UcosUU)UU(cosUcosUUm*ndomdomdo12在在30150的范围内的范围内把把GTGTV V看做一个整体，是一个线性放大环节，放大系数是看做一个整体，是一个线性放大环节，放大系数是

13、sKdomU0-1mnUU /*doUdomU656121011) 求求 与与 的关系的关系*nU0dUl 对同步移相信号为正弦波（正弦波幅值为对同步移相信号为正弦波（正弦波幅值为Um）的触发电路）的触发电路对直流电动机，稳态时有对直流电动机，稳态时有 doaaaeUEI REC n2) 求求 与与 n 的关系的关系0dU稳态结构图稳态结构图 l 对同步移相信号为锯齿波的触发电路对同步移相信号为锯齿波的触发电路 （锯齿波起点幅值（锯齿波起点幅值-Um，终点幅值，终点幅值Um，宽度为，宽度为180）*nSdoUKUMdUV+-LGT+给 定 部 件 放 大 变 换 部 件 执 行 部 件 被 控

14、 对 象控 制指 令生 成部 件给定量触 发装 置可 控 整 流主 电 路滤 波(平 波 电 抗 器 )负 载(工 作 机 械 )直 流电 动 机GTV*nULoad+E1dLdoUaIM- -naE*nSdoUKUdoaaaeUEI REC n在在30150的范围内的范围内TCCRUCKCRIUKCRIUnMeneseanseado*思考：成立的前提是什么？思考：成立的前提是什么？如何调速？性能如何？如何调速？性能如何？2.3.2 调速系统的调速系统的稳态稳态指标指标1对调速系统的要求对调速系统的要求(1)调速调速(2)稳速稳速(3)加、减速加、减速2调速系统的稳态指标调速系统的稳态指标(1

15、)(1)调速范围调速范围DminNminmaxnnnnD(2)(2)静差率静差率S S 0nnSN额定转矩下提供的最高、最低转速额定转矩下提供的最高、最低转速 当系统在某一给定转速下当系统在某一给定转速下运行时，负载由空载增加运行时，负载由空载增加到额定负载时所对应的转到额定负载时所对应的转速降落速降落 与该给定转速与该给定转速下理想空载转速下理想空载转速n0之比，之比，称作静差率称作静差率S min0nTNnNTminnmaxn0Nnmaxnn0Nn机械特性曲线平行时，机械特性曲线平行时，如果低速时的静差率能满足要求，如果低速时的静差率能满足要求，则高速时的静差率自然就满足要求了则高速时的静

16、差率自然就满足要求了。故静差率可表示成：。故静差率可表示成： NminNminNnnnnnS0 静差率是用来衡量调速系统在负载变静差率是用来衡量调速系统在负载变化时的转速稳定度的。化时的转速稳定度的。机械特性越硬则静差率越小，转速稳定度就越高。机械特性越硬则静差率越小，转速稳定度就越高。 RIa*nUn0dUaEsK1eC3调速范围与静差率的关系调速范围与静差率的关系(1)NNS nDSn调速范围调速范围D、静差率、静差率S 和转速降和转速降 ，三者之间的关系式为：，三者之间的关系式为： 显然，当系统的机械特性硬度一定，即显然，当系统的机械特性硬度一定，即 一定时，若对静差率要求一定时，若对静

17、差率要求越高（越高（S值越小），则允许的调速范围就越小。值越小），则允许的调速范围就越小。 l 例如，某一开环例如，某一开环V-MV-M调速系统，额定调速系统，额定转速转速n nN N =1000=1000r r/ /min min ，额定负载下的稳态速，额定负载下的稳态速降降 n nN N 5050r r/ /minmin，当要求静差率，当要求静差率S=0.33 S=0.33 时，允许的调速范围为：时，允许的调速范围为：0.33 100010(1)(1 0.33) 50NNSnDSn如果要求如果要求S=0.1，则调速范围只有：，则调速范围只有：0.1 10002.22(1)(1 0.1) 5

18、0NNSnDSnNnNn4开环开环V-M调速系统的主要问题调速系统的主要问题l 无法克服的缺点无法克服的缺点转速波动大、调速范围小。转速波动大、调速范围小。远远不能满足生产实际的要求远远不能满足生产实际的要求 。l 原因：当原因：当S与与D都一定时，要满足要求的唯一途径是降低都一定时，要满足要求的唯一途径是降低nN ，但对已制成的，但对已制成的 系统是无法减小的，对新设计的系统也很难达到能大幅度降低的要求。系统是无法减小的，对新设计的系统也很难达到能大幅度降低的要求。l 解决办法：闭环控制调速系统。解决办法：闭环控制调速系统。 2.4 单闭环单闭环V-M调速系统及静特性调速系统及静特性2.4.

19、1 有静差转速单闭环有静差转速单闭环V-M调速系统调速系统1系统原理图系统原理图如何构成速度闭环如何构成速度闭环控制环节呢？控制环节呢？l 测速装置：直流测速发电机测速装置：直流测速发电机 TG，输出电压与转速，输出电压与转速n成正比，转速反馈值成正比，转速反馈值Unl 速度比较速度比较: （ Un* 的定标将取决于的定标将取决于 Un的定标）的定标） l 速度调节器速度调节器ASR。 调节器调节器对误差信号进行运算、调节（如比例对误差信号进行运算、调节（如比例P、积分、积分I、微分、微分D等）的单元等）的单元 2稳态结构图稳态结构图RIa*nUnnUctUdoU+ +- -+ +- -aEs

20、K1eCPK 速度比较环节：速度比较环节： 速度调节器速度调节器( (放大环节放大环节) )： 直流电动机转速：直流电动机转速： 晶闸管触发装置及可控整流桥：晶闸管触发装置及可控整流桥： 测速发电机：测速发电机： n*nnUUUnPctUKUctSdoUKUeadoeaCRIUCEnnUn各环节的稳态关系如下：各环节的稳态关系如下： 稳态结构图稳态结构图 系统原理图系统原理图2.4.2 闭环闭环V-M系统的静特性系统的静特性)K(CRI)K(CUKKneae*nSP11静特性方程：静特性方程： eSPC/KKKRIa*nUnnUctUdoU+ +- -+ +- -aEsK1eCPK电动机的转速

21、与电动机的电流（或转矩）之间的关系电动机的转速与电动机的电流（或转矩）之间的关系 。1静特性静特性 （可理解为闭环系统的机械特性）（可理解为闭环系统的机械特性） 式中，式中， 2与开环系统的比较与开环系统的比较 开环系统（开环系统（OPOP）：）： 闭环系统（闭环系统（CLCL）：）： ;ICRn,nnnaeOPOPOP0aeCLCLCLIC)K(Rn,nnn10 空载转速空载转速n0 n0 、负载、负载Ia Ia 相同的情况下，有相同的情况下，有 u 闭环系统加载后的转速降只是开环系统的闭环系统加载后的转速降只是开环系统的1/(1+K)1/(1+K)u 只要把只要把KP取得足够大，使取得足够

22、大，使K很大，就可以使很大，就可以使n nCLCL 非常小非常小, ,静差率静差率S S大大减小大大减小 u 同一静差要求下大大提高了系统的调速范围同一静差要求下大大提高了系统的调速范围D D KnnCLOP1稳态结构图稳态结构图 RIa*nUn0dUaEsK1eC开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较CLnOPn闭环静特性开环机械特性0aNIaI0nn闭环系统静特性和开环机械特性的关系闭环系统静特性和开环机械特性的关系闭环静特性开环机械特性0n04dU03dU02dU01dUABCD1aI2aI3aI4aIaI 只有放大环节的转速闭环系统的只有放大环节的

23、转速闭环系统的稳态转速降稳态转速降 只能减小而不能只能减小而不能消除消除. .为为 “有静差有静差”调速系统调速系统。 CLn2开环系统与闭环系统的比较开环系统与闭环系统的比较(续）续） l 闭环系统能减少稳态速降决不是闭环系统能减少稳态速降决不是闭环后电枢回路电阻能自动减小，闭环后电枢回路电阻能自动减小，而是在于它的自动调节作用。而是在于它的自动调节作用。 ？RIa*nUnnUctUdoU+ +- -+ +- -aEsK1eCPK稳态结构图稳态结构图 闭环调速系统的静特性闭环调速系统的静特性：闭环系统电动机转速与：闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系。负载电流（或转矩）的稳态关系

24、。它它实际上是实际上是由由许多机械特性上的不同运行点集合而成的许多机械特性上的不同运行点集合而成的，可视，可视为一条综合的特性直线，它代表闭环调节作用的为一条综合的特性直线，它代表闭环调节作用的结果。结果。3扰动对系统的影响扰动对系统的影响 引起电机转速变化的因素：引起电机转速变化的因素： 1 1）负载变化）负载变化 2 2）交流电源电压波动）交流电源电压波动 5 5）温升引起系统参数的变化）温升引起系统参数的变化3 3）电动机励磁的变化）电动机励磁的变化 4 4）放大器放大系统的漂移）放大器放大系统的漂移 u 在转速闭环系统中，负载扰动及前向通道的扰动最终都要影响转速变在转速闭环系统中，负载

25、扰动及前向通道的扰动最终都要影响转速变化而被测速装置检测出来，再通过反馈控制来减小它们对转速的影响。化而被测速装置检测出来，再通过反馈控制来减小它们对转速的影响。都都能被有效地加以抑制。能被有效地加以抑制。u 但是对于转速给定环节及转速检测环节本身的误差所引起的转速偏差，但是对于转速给定环节及转速检测环节本身的误差所引起的转速偏差，反馈调节则无能为力。反馈调节则无能为力。 自动调速系统的给定作用与扰动作用自动调速系统的给定作用与扰动作用 aI*nUaEnUctUdoU+ +- -nU变化电源波动R励磁变化被测量给定nsK1eCPKPKu 从稳态精度来看，从稳态精度来看，K K值越大越好，然而，

26、从后面对动态稳定性分析中值越大越好，然而，从后面对动态稳定性分析中可知，可知，K K值不能随意增大。值不能随意增大。 问题：问题：当轴上的负载转矩当轴上的负载转矩TL加大加大时，系统如何进行自动调节？时，系统如何进行自动调节？UUUUUUIITdctnnnnddLnREn)(名名 称称比例（比例（P P）积分（积分（I I）比例积分（比例积分（PIPI）积分比例（积分比例（IPIP）2.5 单闭环单闭环V-M调速系统的动态分析调速系统的动态分析l 调速系统进行动态分析方法及步骤：调速系统进行动态分析方法及步骤： 1 1）推导出调速系统各环节的微分方程和传递函数）推导出调速系统各环节的微分方程和

27、传递函数2）建立系统的动态数学模型，得到系统的动态结构图）建立系统的动态数学模型，得到系统的动态结构图3）进行稳定性分析）进行稳定性分析4）动态性能的分析）动态性能的分析 2.5.1 闭环闭环V-M调速系统各环节的动态数学模型调速系统各环节的动态数学模型1几个常用环节的传递函数几个常用环节的传递函数-+R2R1Vout-+CRVin电路图电路图VinVoutttVinVoutttVinVoutttacbVinVouttt阶跃响阶跃响应应12RRKK)s(WPPRCTsT)s(Wii1sTK)s(WiP1sTK)s(WiP1传递传递函数函数Vout-+VinR1R2CVin-+VoutCR1R2

28、比例积分（比例积分（PI）211,PiRKTR CR电路图电路图 2221111( )1/1( )( )ZsRCsRW sZ sRRRC s阶跃响应阶跃响应 传递函数传递函数 1( )PiW sKT sl 垂直线段垂直线段a 比例比例l 斜线段斜线段b积分积分 l水平直线段水平直线段c 饱和饱和l输出值在受放大器的电输出值在受放大器的电源限制，不是无穷大。源限制，不是无穷大。式中，式中，极性？去掉了负号极性？去掉了负号2晶闸管触发和整流装置的传递函数晶闸管触发和整流装置的传递函数 l 触发电路触发电路GT和可控整流桥和可控整流桥V环节：环节： 输入量输入量Uct 输出量输出量Udo l 是一个

29、放大系数为是一个放大系数为Ks的的纯滞后的放大环节纯滞后的放大环节l滞后是由装置的失控时间引起的。滞后是由装置的失控时间引起的。 l 触发装置两个触发脉冲的间隔时间是触发装置两个触发脉冲的间隔时间是1/(mf)秒，秒，m脉波脉波 数，数，f电源频率。电源频率。l 设滞后的时间是设滞后的时间是Ts 秒，则秒，则Ts是一个从是一个从0至至1/(mf)之间的一个随机值。之间的一个随机值。 原因是原因是， 取其统计平均值，取其统计平均值，有：有：1( )2sTsmf电电 路路 形形 式式单相半波单相半波单相桥式单相桥式三相半波三相半波三相桥式三相桥式一周内脉波数一周内脉波数m1236延时时间延时时间T

30、S/ms1053.331.67( )( )( )sT sdosctUsW sK eUs( )( )( )1dosctsUsKW sUsT sl 整流装置的传递函数为整流装置的传递函数为 b）近似的）近似的sTsseK)(sUct)(sUdo1ssKT sa)b)(sUct)(sUdoa）准确的准确的? 3直流电动机的传递函数直流电动机的传递函数 假定：假定：1 1） 励磁为额定，且保持不变。励磁为额定，且保持不变。 Ea Ea = = C Ce en n，T T = = C CT TI Ia a； 2 2） 电动机本身的运动阻力，都归并到电动机本身的运动阻力，都归并到T TL L中去中去。 T

31、 TL L = =C CT TI IaLaL； 3 3） 主电路电流连续主电路电流连续。 在此假定条件下，直流电动机的电势微分方程和运动微分方程为：在此假定条件下，直流电动机的电势微分方程和运动微分方程为：2375adoadaLdIURILEdtGDdnTTdt整理得：整理得：RLTdeTemCCRGDT3752机电时间常数机电时间常数电磁时间常数电磁时间常数上式两侧进行拉氏变换得：上式两侧进行拉氏变换得：整理成输出比输入的传递函数的形式：整理成输出比输入的传递函数的形式：( )( )( ) (1)( )( )( )doaaemaaLaUsE sIs RT sTIsIsE s sR()adoa

32、aemaaaLdIUER ITdtTdEIIRdt( )1/( )( )1( )( )( )adoaeaaaLmIsRUsE sT sE sRIsIsT s)s(EaaIaI)s(Ia1/1sTRe)s(IaLsTRmeC1)s( n+ +- -)s(Udo- -+ +对两个等式分别画出它们的动态结构图，对两个等式分别画出它们的动态结构图，并考虑到并考虑到n n = = E Ea a / C/ Ce e，即可得到额定励磁下直流电动机的动态结构图：即可得到额定励磁下直流电动机的动态结构图： 输入量：输入量： 理想空载电压理想空载电压U Udo do （控制输入量）（控制输入量） ，负载电流，负载

33、电流I IaLaL（扰动输入量）。（扰动输入量）。 输出量：输出量： 转速转速n n 利用右图动态结构图的等效利用右图动态结构图的等效变换方法，消去变换方法，消去E Ea a(s)(s)、I Ia a(s) (s) 变变量，可得到直流电动机动态结构量，可得到直流电动机动态结构图。（见下页）图。（见下页）WRaIQWRaIQ1/ WCa)+ + - -RaIRCb)W1W2C2111WWW+ +- -C+ +- -a)综合节点前移综合节点前移 b)反馈连接的合并反馈连接的合并( )1/( )( )1( )( )( )adoaeaaaLmIsRUsE sT sE sRIsIsT saI)s(IaL

34、)(sn+ +- -a)(sUdo1/12sTsTTCmeme)sT(Re11/12sTsTTCmeme)(sUdob)(sna) a) 变换后的形式变换后的形式b) b) I IaL aL = 0 = 0 时简化形式时简化形式直流电动机的动态结构图直流电动机的动态结构图)s(EaaIaI)s(Ia1/1sTRe)s(IaLsTRmeC1)s( n+ +- -)s(Udo- -+ +等效等效变换变换后得后得 此图由于没有内部反馈环节，在分此图由于没有内部反馈环节，在分析单闭环系统时将带来许多方便。析单闭环系统时将带来许多方便。 此图把电枢电流此图把电枢电流Ia显露出来了，显露出来了，在电流闭环

35、的系统中得到应用。在电流闭环的系统中得到应用。 2.5.2 单闭环单闭环V-M调速系统的动态结构图调速系统的动态结构图 aI)s(IaL)(sn+ +- -)(sUdo1/12sTsTTCmeme)1(sTRe1sTKes)(sUct)(sUnaI+ +- -)(*sUn)(sUnPK 带比例放大器的速度单闭环带比例放大器的速度单闭环V-MV-M调速系统是一个调速系统是一个三阶线性系统三阶线性系统。 系统的开环传递函数为：系统的开环传递函数为： 设设I IaLaL = 0 = 0，从给定输入作用上看，该系统的闭环传递函数为：从给定输入作用上看，该系统的闭环传递函数为：eSPC/KKK11111

36、23sKTTsK)TT(TsKTTTKC/KK)s(WSmSemSemeSP把各单元组合起来，得到单闭环把各单元组合起来，得到单闭环V-M调速系统的动态结构图：调速系统的动态结构图： ( ),(1)(1)SmemKW sT sT T sT s2.5.3 稳定条件稳定条件l 大于零的条件显然满足！大于零的条件显然满足！ l令等于零可得单闭环调速系统的令等于零可得单闭环调速系统的特征方程：特征方程：l 三阶系统用劳斯三阶系统用劳斯- -古尔维茨判据判断古尔维茨判据判断系统稳定性（系统稳定性（充分必要条件）最方便！充分必要条件）最方便！0000030213210aaaaa,a,a,a及KTTTKTT

37、K)TT(TSemSmSem111l 整理得系统稳定的充要条件：整理得系统稳定的充要条件： 2()messesTTTTKT T0322130asasasa3021aaaa3210aaaa、超出此值，系统将不稳定超出此值，系统将不稳定 静特性分析中，为了减小静差、扩大调速范围，希望静特性分析中，为了减小静差、扩大调速范围，希望K值越大越好。值越大越好。从动态的稳定性来看，把从动态的稳定性来看，把K值取得过大会造成系统的不稳定。值取得过大会造成系统的不稳定。 两者自矛盾的两者自矛盾的 ！l 解决办法：增加校正环节，一般把解决办法：增加校正环节，一般把P调节器改为调节器改为PI调节器或调节器或 PI

38、D调节器。调节器。eSPC/KKK1111123sKTTsK)TT(TsKTTTKC/KK)s(WSmSemSemeSP2.6 无静差单闭环无静差单闭环V-M调速系统调速系统2.6.1 无静差单闭环无静差单闭环V-M调速系统调速系统1系统原理图系统原理图 在有静差系统的前向通道中串入积分环节在有静差系统的前向通道中串入积分环节 比例放大环节与积分环节可合，使用同一个运放比例放大环节与积分环节可合，使用同一个运放 仅增加了一个电容仅增加了一个电容C C1 1 ASR ASR由由P P调节器变成了调节器变成了PIPI调节器调节器 2稳态结构图稳态结构图 对阶跃输入的响应是对阶跃输入的响应是“先比例

39、，后积分，再饱和先比例，后积分，再饱和”的动态过的动态过程程 只要只要Un 不等于零不等于零，则稳态时则稳态时，ASRASR输出的输出的U Uctct必定是运放正必定是运放正( (或负或负) )饱和限幅值饱和限幅值 在在ASRASR积分过程中的某一时刻积分过程中的某一时刻 =0 =0 而而进入稳态、进入稳态、运放停止积分运放停止积分 ASRASR的稳态输入与输出信号之间是无法用确切数学关系描述，的稳态输入与输出信号之间是无法用确切数学关系描述，也无法用很好的也无法用很好的图示法描述：一般用其阶跃响应曲线来表示。图示法描述：一般用其阶跃响应曲线来表示。比例积分环节的输入与输出之间的比例积分环节的

40、输入与输出之间的关系是一个动态调节的过程关系是一个动态调节的过程 nURIa*nUnnUctUdoU+ +- -+ +- -aEsK1eCPK有静差系统有静差系统无静差系统无静差系统3动态结构图动态结构图aI)(sn+ +- -)(sUdo1/12sTsTTCmeme1sTKss)(sUct)(sUnaI+ +- -)(*sUn)(sUn)s(IaL)1(sTResTKiP1各个环节的传递函数按前面推导得到各个环节的传递函数按前面推导得到aI)s(IaL)(sn+ +- -)(sUdo1/12sTsTTCmeme) 1(sTRe1sTKes)(sUct)(sUnaI+ +- -)(*sUn)(

41、sUnPK有静差系统有静差系统无静差系统无静差系统问题：问题：ASR饱和现象没有反映出来饱和现象没有反映出来1数学分析数学分析2.6.2 稳态抗扰分析稳态抗扰分析)(sn1/12sTsTTCmeme1sTKssaI+ +- -sTKiP1)s(IaL) 1(sTRe 根据系统动态结构图，当根据系统动态结构图，当 =0=0时，时，系统的输入就系统的输入就 只有扰动量只有扰动量I IaLaL，这时的输，这时的输 出量即为负载扰动引起的出量即为负载扰动引起的 转速偏差转速偏差，可将动态结构，可将动态结构 图改画成右图图改画成右图C C*nU 根据结构图等效变换原理，得根据结构图等效变换原理，得sT)

42、sT)(sTsTT(C/)sTK(KsTsTTC/)sT(R)s(I)s( nismemeiPSmemeeaL111111122整理得整理得)sTK(K)sTsTT)(sT( sTC)sT)(sT(RTI)s(niPSmemsieesiaL111112 稳态转速偏差为稳态转速偏差为 结论：结论：1 1）比例积分控制的系统是无静差调速系统比例积分控制的系统是无静差调速系统 2）静特性是一组平行的水平直线静特性是一组平行的水平直线 0lim( )0sns n s 静特性是一组平行的水平直线，静特性是一组平行的水平直线，why?这是速度调节的上边界对应的电压值也就是大输出电压，边界之一是整流器的最的

43、：速度调节是有工作边界可以唯一对应于一个,n*,*0minnnUnaUnUn说明：说明：闭环系统对给定输入绝对服从（改变给定量闭环系统对给定输入绝对服从（改变给定量就是在调节转速），但有界；就是在调节转速），但有界；凡是包围在负反馈环内前向通道上的一切扰凡是包围在负反馈环内前向通道上的一切扰动作用都能得到有效抑制。设计系统时可以动作用都能得到有效抑制。设计系统时可以只考虑一种扰动，调速系统只要考虑克服负只考虑一种扰动，调速系统只要考虑克服负载扰动，就可使系统有效地抑制其它扰动。载扰动，就可使系统有效地抑制其它扰动。2调节过程调节过程l t1前前(稳态稳态); t1时时突加负载突加负载:TL1

44、TL2 t1t3（调节过程）调节过程）?lt1后：负加速度后：负加速度 n下降 n增加增加 ASR的输出的输出增加（增加（曲线曲线3 3） Ud0增加Ia增大、增大、T T增大。增大。 ASR ASR的输出：曲线的输出：曲线1 1（P P）曲线）曲线2 2（I I）l t2时：时：T TL2，加速度为零，加速度为零， n最大最大l t3时，时，T TL2， n0，到达新稳态。，到达新稳态。l t2后（后（n0期间）：期间）：ASR的输出的输出Uct继续增继续增加，加， Ud0 Ia继续增加继续增加 T TL2，转速回升，转速回升 。 稳态时稳态时，反馈电容相当于断路，记忆并保持着调节过程结束时

45、的数值。，反馈电容相当于断路，记忆并保持着调节过程结束时的数值。 这时这时ASRASR的输入为零，输出不为零，放大系数视为无穷大，的输入为零，输出不为零，放大系数视为无穷大，系统的稳态误差为零就容易理解。系统的稳态误差为零就容易理解。 动态时动态时，反馈电容则相当于短路，其放大系数不大（，反馈电容则相当于短路，其放大系数不大（KPR1/R0 ），保证了系统的稳定性。），保证了系统的稳定性。后期：积分部分起主导作用，并依靠它最终消除稳态误差。后期：积分部分起主导作用，并依靠它最终消除稳态误差。u PI调节器的作用调节器的作用:初中期：比例起主导作用，保证了快速响应。初中期：比例起主导作用，保证了

46、快速响应。2.6.3 2.6.3 限流截止负反馈限流截止负反馈电机会产生过流现象电机会产生过流现象 2电流截止负反馈电流截止负反馈 *nU+aInUVdoUctU-+TGnUTVC11RaaovII1nn2nNn0zViUTAa)b)GT3n当电流大到一定程度时才起作用的电流负反馈叫电流截止负反馈。当电流大到一定程度时才起作用的电流负反馈叫电流截止负反馈。 带有电流截止负反馈的无静差带有电流截止负反馈的无静差V-M调速系统调速系统 a)系统原理图系统原理图 b)静特静特性性以以起动过程起动过程为例说明原因为例说明原因,大幅度加减给定大幅度加减给定也可能出现也可能出现1速度单闭环系统存在的问题速

47、度单闭环系统存在的问题最大值？2.6.4 2.6.4 电流检测电路（电流检测电路（电流量电流量 电压量） 1用采样用采样电阻直接在电阻直接在直流侧采样直流侧采样 2用电流互感器在交流侧采样用电流互感器在交流侧采样 dIM- -LEMbiaiciAiBiCi2aI1R1aIVDiUiU1E1E1TAa)b)c)3R2R2TAiU3用零磁通电流传感器用零磁通电流传感器在直流侧采样在直流侧采样 对对比比采样位置采样位置大小大小方向方向电隔离电隔离电源电源价格价格1直流侧直流侧有有有有无无无无低低2交流侧交流侧有有无无有有无无中中3直流侧直流侧有有有有有有有有高高3用零磁通电流传感器在直流侧采样用零磁

48、通电流传感器在直流侧采样 2211NINIaa0当时，有23iaUI R2112NNIIaaLEM的输出端将得到的输出端将得到与与 波形完全一致的波形完全一致的幅值变比恒定的电幅值变比恒定的电流流 ， 经采样电经采样电阻阻R3就得到所需的就得到所需的 1aI2aI2aIiU132312iaaN RUI RIN只要只要 ，2、4端就会有端就会有一个信号输出一个信号输出 ，闭环调节，闭环调节Ia2，使磁通为零，即永远有：使磁通为零，即永远有：0优点：优点：隔离性能好，检测精度高，隔离性能好，检测精度高，动态响应快，能检测动态响应快，能检测 的大小的大小及方向及方向 1aI缺点：缺点：器件价格稍贵，

49、且需要器件价格稍贵，且需要正负电源正负电源 零磁通电流传感器原理图零磁通电流传感器原理图 132312iaaN RUI RIN2.7 双闭环直流电动机双闭环直流电动机V-M调速系统调速系统2.7.1 转速电流双闭环转速电流双闭环V-M系统的构成及原理系统的构成及原理1系统构成系统构成 *nU+VdoU-+TGnUTAa)-+-naIVdoUTGnUTAb)n*nUASRaInUACRaI*iU+ +iUiUctUaIASRACRGTGT系统原理图系统原理图 a)用硬件电路表示用硬件电路表示 b)用框图表用框图表示示max*aimIUmax0minmaxmax0maxminU)(;U)(dctm

50、dctmUU速度给定的速度给定的正负正负？ 调节器饱和值的意义调节器饱和值的意义? 内外环的关系？内外环的关系？他励时转矩他励时转矩Ia。控制控制Ia就是控制就是控制转矩转矩T。把。把ASR输出作为电流指输出作为电流指令，由电流内环令，由电流内环完成升降速任务，完成升降速任务，实现转速的控制。实现转速的控制。2.7.2 2.7.2 稳态结构图及静特性稳态结构图及静特性电流反馈系数电流反馈系数稳态中若稳态中若ACRACR稳定在饱和态稳定在饱和态，则，则控制角必已经移到尽头，控制角必已经移到尽头，U Udodo已到已到达最大值而无法再调，整个系统达最大值而无法再调，整个系统处于处于不可调节不可调节

51、“失控态失控态” 。2 2静特性静特性 两个调节器都不饱和两个调节器都不饱和 ASRASR饱和饱和。ASRASR的输出是限的输出是限幅值，系统后面部分是一个定幅值，系统后面部分是一个定电流控制系统。电流控制系统。 n0A A斜线斜线 n0A A线段、线段、ABAB线线围成系统的可调节工作围成系统的可调节工作区域。区域。该区域内系统的该区域内系统的静特性是一组水平直线静特性是一组水平直线。 工作区的右界线工作区的右界线:A:AB B垂直线垂直线ACR饱和饱和ACR不饱和不饱和ASR饱和饱和ASR不饱和不饱和1稳态结构图稳态结构图 负载电流（转矩）负载电流（转矩）IaLIam时系统无法满足稳速要时

52、系统无法满足稳速要求：只能降速寻求另一稳定点，如：求：只能降速寻求另一稳定点，如：AC 2.7.3 2.7.3 动态结构图及动态性能动态结构图及动态性能aI+ +- -)(sUdo1sTKss)(sUctaI+ +- -)(*sUn)(sUn) s (WASRaI- -)(*sUi)(sWACR+ +1/ 1sTReaI- -) s (Ia+ +sTRmeC1)(sn)(sUi) s (IaL)(sE WASR(s)、WACR(s)分别表示分别表示ASR、ACR的传递函数的传递函数 两个调节器都采用常用的两个调节器都采用常用的PIPI调节器时，有调节器时，有 为了引出电流反馈，电动机的动态结构

53、图中必须把电枢电流为了引出电流反馈，电动机的动态结构图中必须把电枢电流I Ia a看得见看得见STKSWVPVASR1)(STKSWiPiACR1)(1动态结构图动态结构图 双闭环系统起动时转速和电流波形双闭环系统起动时转速和电流波形 第一阶段：电流上升阶段第一阶段：电流上升阶段 第二阶段：恒电流升速阶段第二阶段：恒电流升速阶段 第三阶段：转速调节阶段第三阶段：转速调节阶段n*ntaLI1t2t3t4tt0amIaIamI0ASR：由不饱和很快达到由不饱和很快达到饱和饱和ACRACR：一般一般应该不饱和应该不饱和 ASRASR饱和饱和, ,输出输出 U Uimim* *, ,速度开环态速度开环

54、态ACR ACR 不饱和不饱和, , IaIaIamIam( (ACR有差调节，有差调节，Ia略低于略低于Iam ) 转速呈线性增长转速呈线性增长 电流电流IaIa迅速上升迅速上升 转速必然超调转速必然超调, ,负偏差使负偏差使ASR退出饱和退出饱和, Ia下降，正下降，正加速度使加速度使n继续增加，继续增加，t = t3时时n达到峰值；此后达到峰值；此后M减减速，出现一段速，出现一段IaIaL，直到稳定。，直到稳定。 ASR与与ACR都都不饱和，同时调节；不饱和，同时调节；ASR为主为主2起动过程分析起动过程分析 ACR不饱和不饱和ASR饱和饱和 ASR退饱退饱 dtdnIIaLa3调速系统

55、的动态性能调速系统的动态性能 动态性能：动态性能：指的是在电动机运行条件突变时，从一种运行状态到另一种运行状指的是在电动机运行条件突变时，从一种运行状态到另一种运行状态的过渡过程进行的情况。态的过渡过程进行的情况。 动态性能动态性能通常以其在单位阶跃输入或扰动信号作用下的动态响应曲线通常以其在单位阶跃输入或扰动信号作用下的动态响应曲线表征之，可分为表征之，可分为跟随性能跟随性能及及抗扰动性能抗扰动性能两种。一般来说，调速系统的要求以两种。一般来说，调速系统的要求以抗扰性能为主，随动系统的要求以跟随性能为主。抗扰性能为主，随动系统的要求以跟随性能为主。 （1 1）给定阶跃输入时的）给定阶跃输入时

56、的跟随性能指标跟随性能指标 上升时间上升时间t tr r 输出量从零输出量从零起到第一次达到稳态值所需的起到第一次达到稳态值所需的时间时间 超调量超调量(%)(%)输出量超出输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示之比，用百分数表示 调节时间调节时间t tS S 响应曲线到响应曲线到达并不再超出允许误差带所需达并不再超出允许误差带所需的最短时间，允许误差带的最短时间，允许误差带= =（1 15%5%或或2%2%）稳态值。稳态值。( )C tmaxCrtstt5%2%C或C0maxCC（2 2）负载扰动时的）负载扰动时的抗扰性能指标抗扰性能指标 动态降落动

57、态降落CCmaxmax% % 最最大动态降落大动态降落CCmaxmax与原稳态与原稳态值值C C11之比，用百分数表示之比，用百分数表示恢复时间恢复时间从阶跃扰动从阶跃扰动开始，到响应曲线到达并开始，到响应曲线到达并不再超出允许误差带所需不再超出允许误差带所需的最短时间的最短时间CmtvttmaxC25%2%C或2C1C0典型响应曲线，输出量典型响应曲线，输出量C C在调速系统中为在调速系统中为n, n, （C C11CC22）是静差。）是静差。 第第2章作业题章作业题Page 61 2-8 2-9 2-11 2-17 2-15 2-18( 除（除（1）外）外) 课堂课堂17 课外内容（附后面），课外内容（附后面），仅供感兴趣的同学设计参考用仅供感兴趣的同学设计参考用及仿真使用及仿真使用，详细参看陈伯时的教材。，详细参看陈伯时的教材。二二.转速负反馈单闭环调速系统转速负反馈单闭环调速系统稳态参数的计算稳态参数的计算 稳态参数计稳态参数计算是设计自算是设计自动控制系统动控制系统的第一步。的第一步。 以右图示系以右