第二章 自动控制系统

第二章直流调速系统2.1直流开环调速系统

一旋转变流机组供电的直流调速系统

二晶闸管脉冲相位控制直流调速系统

三脉冲宽度调制直流调速系统

四直流开环调速系统的传递函数2.2单闭环直流调速系统

一闭环调速系统常用调节器

二单闭环直流调速系统

三带电流截止负反馈的闭环调速系统

四闭环调速系统的设计下一页第二章直流调速系统2.3多环直流调速系统

一转速、电流双闭环调速系统及其静特性

二转速、电流双闭环调速系统的动态性能

三三环控制的直流调速系统

四双域控制的直流调速系统2.4晶闸管-电机闭环可逆调速系统

一有环流可逆调速系统

二可控环流的可逆调速系统

三逻辑无环流可逆调速系统上一页下一页第二章直流调速系统2.5闭环调速系统调节器的工程设计方法

一典型系统及性能分析

二调节器的工程设计方法

三转速、电流双闭环系统的设计返回一

旋转变流机组供电的直流调速系统以旋转变流机组作为可控电源供电的直流调速系统叫发电机-电机系统，简称G-M系统，国际上通称为Ward-Leonand系统，其原理图如图2.1所示图2.2返回图2.1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）

返回图2.2G-M系统的机械特性曲线

返回二

晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(一)晶闸管脉冲相位控制直流调速系统介绍

图2.3(二)V-M系统的机械特性1.有源逆变的工作原理图2.4，图2.5，图2.6，图2.72.相位控制系统的机械特性图2.8，图2.9，图2.10，图2.11(三)晶闸管脉冲相位控制可逆传动系统

图2.13

1

两组晶闸管可逆线路中的环流问题图2.12，图2.142

相位控制有环流可逆系统机械特性及动态工作情况

图2.15，图2.163

相位控制无环流可逆系统返回图2.3晶闸管-电机调速系统原理框图（V-M系统）返回图2.4G-M系统功率传送

(a)G→M；

(b)G←M

返回图2.5晶闸管电路的整流与逆变

（a）整流状态；（b）逆变状态

返回图2.6

变流器平均输出电压特性

返回图2.7有源逆变换流失败波形

返回图2.8V-M系统工作情况

（a）线路；（b）电流断续时工作波形；（c）电流断续状况得到改善的工作波形；（d）电流连续时工作波形

返回图2.9V-M系统主电路等效电路

返回图2.10V-M系统机械特性

返回图2.11三相零式电路输出电压和电流波形图

返回图2.12两组晶闸管反并联可逆线路

Id—负载电流；Ic—环流；Rrec—整流装置内阻

返回图2.13

三相桥式可逆线路

（a）反并联线路；（b）交叉连接线路

返回图2.14三相零式反并联可逆电路环流分析

(a)主电路；(b)正阻输出电压波形；(c)反阻输出电压波形；(d)正、反阻电压差和环流波形

返回图2.15

合成机械特性

返回图2.16α=β配合控制时可逆系统的减速制动过程

返回三脉冲宽度调制直流调速系统脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）简称PWM。由脉冲宽度调制变换器向电机供电的系统称脉宽调制传动系统，简称PWM传动系统(一)脉宽调制不可逆直流调速系统图2.18,图2.19(二)脉宽调制可逆直流调速系统图2.20（1）双极式工作制（2）单极式工作制(三)脉宽调制直流调速系统的机械特性

PWM传动系统开环机械特性

图2.21返回图2.18简单的不可逆直流PWM调速系统

（a）原理图；（b）电压和电流波形

返回图2.19有制动能力的直流PWM传动系统

（a）原理图；（b）电流大于零时的电压和电流波形；（c）电流小于零时的电压和电流波形；(d)电流较小时的电压和电流波形

返回图2.20H型可逆PWM传动系统

（a）原理图；（b）电压和电流波形

返回图2.21电流连续时PWM传动系统的开环机械特性

返回图2.21

简单不可逆PWM传动系统轻载时的电压、电流波形

返回图2.22简单不可逆PWM传动系统的开环机械特性

返回四直流开环调速系统的传递函数(一)晶闸管变流装置的传递函数

图2.22

(二)电机的传递函数（1）电流连续时直流电机的传递函数

图2.23，2.24（2）电流断续时直流电机的传递函数

图2.25\26，2.27(三)脉冲宽度调制变换器的传递函数返回图2.22晶闸管触发变流装置的失控时间

返回图2.23直流电机等效电路

返回图2.24电流连续时电机动态结构图

(a)结构图；(b)简化后的结构图

返回图2.25,26电流连续和断续时的电流响应

（a）电流连续时的电流响应；（b）电流断续时的电流响应

返回图2.27电流断续时电机动态结构图

(a)结构图；

(b)简化后的结构图

返回一

闭环调速系统常用调节器(一)调节器的传递函数图2.28,2.29(二)常用调节器1.比例（P）调节器

图2.30

2.积分（I）调节器

图2.31

3.比例积分（PI）调节器

图2.32(三)调节器辅助电路1.输出限幅电路

图2.33,图2.342.封锁电路3.输入滤波电路

图2.35返回图2.28运算放大器构成的调节器

返回图2.29综合多个信号的调节器

（a）原理图；（b）结构图Z01≠Z02；（c）结构图Z01=Z02

返回图2.30比例调节器

（

a）原理图；（b）阶跃响应

返回图2.31积分调节器

（a）原理图；（b）阶跃响应

返回图2.32

比例积分调节器

（a）原理图；（b）阶跃响应

返回图2.33二极管钳位的外限幅电路和封锁电路

返回图2.34内限幅电路

（a）稳压管钳位的内限幅电路；（b）二极管钳位的内限幅电路返回图2.35含滤波输入的PI调节器

（a）原理图；（b）结构图

返回二

单闭环直流调速系统(一)单闭环有静差调速系统组成及静特性

图2.36,

图2.37,图2.38,图2.39(二)单闭环有静差调速系统的动态特性图2.40

(三)其他单闭环有静差调速系统图2.41,图2.42

(四)无静差调速系统及积分控制规律

图2.43,图2.44返回图2.36单闭环有静差调速系统原理图

返回图2.37单闭环有静差调速系统静态结构图

返回图2.38闭环系统静特性和开环机械特性的关系

返回图2.39闭环调速控制系统的给定和扰动作用

返回图2.40单闭环有静差调速系统的动态结构图

返回图2.41电压负反馈调速系统

（a）原理图；（b）静态结构图

返回图2.42

带电流正反馈的电压负反馈调速系统

（a）原理图；（b）静态结构图

返回图2.43

无静差调速系统原理图

返回图2.44无静差系统的抗扰动过程

返回三带电流截止负反馈的闭环调速系统(一)电流截止负反馈的引入

图2.45

(二)带电流截止负反馈的闭环调速系统静特性

图2.46，图2.47，图2.48(三)带电流截止负反馈的闭环调速系统启动过程图2.49返回图2.45带电流截止负反馈的闭环调速系统

返回图2.46

电流截止负反馈环节的输入输出特性

返回图2.47

带电流截止负反馈的闭环调速系统静态结构图

返回图2.48带电流截止负反馈的闭环调速系统静态特性

返回图2.49调速系统启动过程的电流和转速波形

（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动过程；（b）理想快速启动过程

返回四闭环调速系统的设计(一)系统的动态性能指标

1.跟随性能指标图2.50，图2.51

2.抗扰性能指标

图2.52(二)调速系统设计举例

第一步，静态设计（1）根据性能指标要求，求系统允许的速降。（2）根据Δncl求闭环系统的开环放大倍数K

（3）测速反馈环节参数计算（4）电流截止环节设计第二步，动态设计（1）系统的稳定性分析（2）系统的动态校正图2.53返回图2.50典型的阶跃响应曲线和跟随性能指标

返回图2.51幅频特性

（a）开环对数幅频特性；（b）闭环幅频特性返回图2.52突加扰动的动态过程和抗扰性能指标

返回图2.53闭环系统的串联校正

①被校正系统的开环对数幅频特性；②校正后系统的开环对数幅频特性；③校正环节的对数幅频特性返回一

转速、电流双闭环调速系统及其静特性(一)转速、电流双闭环调速系统的组成图2.54(二)静特性分析图2.55,图2.56返回图2.54转速、电流双闭环调速系统原理图ASR—转速调节器；

ACR—电流调节器；TG—测速发电机；TA—电流互感器；GT—触发装置；Un*、Un—转速给定电压和转速反馈电压；Ui*、Ui—电流给定电压和电流反馈电压

返回图2.55双闭环调速系统的静态结构图

αn—转速反馈系数；βi—电流反馈系数

返回图2.56双闭环调速系统的静态特性

返回二

转速、电流双闭环调速系统的动态性能图2.57转速、电流双闭环系统的动态结构图(一)启动过程分析

图2.58第Ⅰ阶段——电流上升阶段第Ⅱ阶段——恒流升速阶段第Ⅲ阶段——转速调节阶段(二)动态抗扰动性能返回图2.57转速、电流双闭环系统的动态结构图返回图2.58双闭环调速系统启动过程返回三三环控制的直流调速系统(一)带电流变化率的三环调速系统

图2.59

带电流变化率环的三环调速系统(二)带电压内环的三环调速系统在实际系统中，特别是在大容量的对动态性能要求较高的调速系统中，出现了转速、电流、电压三环控制的结构形式

图2.60

带电压内环的调速系统返回图2.59

带电流变化率环的三环调速系统

ADR—电流变化率调节器

返回

图2.60带电压内环的调速系统

AVR—电压调节器；TVD—直流电压隔离变换器

返回四双域控制的直流调速系统在调压调速系统中，再单独设置一个调磁电位器，通过励磁电流调节来控制电机磁通，即可实现弱磁调速，这种系统称为独立控制励磁的双域控制直流调速系统图2.61

双域控制的直流调速系统返回图2.61

双域控制的直流调速系统

RP1—调速电位器；RP2—基速电动势给定电位器；AE—电动势运算器；AER—电动势调节器；AFR——励磁电流调节器；UFC—励磁电流可控整流装置

返回一

有环流可逆调速系统(一)α=β配合控制的触发控制特性

图2.62

触发装置的移相控制特性(二)有环流可逆调速系统原理框图图2.63

有环流可逆调速系统原理框图(三)动态过程分析图2.64

有环流系统速度反向过程（1）本桥逆变阶段（2）它桥制动阶段（3）反向启动阶段

返回图2.62

触发装置的移相控制特性返回图2.63

有环流可逆调速系统原理框图返回图2.64

有环流系统速度反向过程返回二

可控环流的可逆调速系统图2.65

可控环流可逆调速系统原理图根据实际情况来控制环流的大小和有无，扬环流之长而避其短，这样的系统称为可控环流的可逆调速系统

返回图2.65

可控环流可逆调速系统原理图返回三逻辑无环流可逆调速系统(一)逻辑切换的条件

逻辑切换的条件是：①电流极性鉴别信号Ui*变号；②出现零电流信号图2.66

逻辑无环流可逆调速系统(二)无环流逻辑控制器

无环流逻辑控制器可由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护四个基本环节组成图2.67

无环流逻辑控制器DLC原理图返回图2.66逻辑无环流可逆调速系统

DLC—无环流逻辑控制器返回图2.67无环流逻辑控制器DLC原理图返回一

典型系统及性能分析(一)典型系统描述1.典型Ⅰ型系统

图2.682.典型Ⅱ型系统图2.69(二)典型Ⅰ型系统参数和性能指标的关系

1.典型Ⅰ型系统跟随性能指标与参数的关系2.典型Ⅰ型系统抗扰动性能指标与参数的关系

图2.70,图2.71(三)典型Ⅱ型系统参数和性能指标的关系

图2.72

1.典型Ⅱ型系统跟随性能指标与参数的关系

图2.732.典型Ⅱ型系统抗扰动性能指标与参数的关系返回图2.68

典型Ⅰ型系统

（a）闭环系统结构图；（b）开环对数频率特性

返回图2.69

典型Ⅱ型系统（a）闭环系统结构图；（b）开环对数频率特性返回图2.70扰动作用下的典型Ⅰ型系统及其等效结构图

（a）典型Ⅰ型系统；（b）图（a）所示系统的等效结构图返回图2.7