第3章 电力拖动自动控制系统 运动控制系统(第5版)

1、第三章转速闭环控制的直流调速系统，第三章目录，第三.1有静差的转速闭环直流调速系统(系统结构和静态特性分析，闭环直流调速系统的反馈控制规则，稳定性分析)第三.2无静差的转速闭环直流调速系统(比例积分控制规则，稳态参数第3.3转速闭环直流调速系统的限流保护第3.4转速闭环直流调速系统的仿真3.1.1比例控制转速闭环直流调速系统的结构和静态特性、转速闭环系统的控制系统存在问题：对负载的干扰没有任何抑制作用， 3.1.1引入了比例控制转速闭环直流调速系统的结构和静态特性、负反馈，由基于负反馈的“检测误差、校正误差”原理构成的系统称为闭环控制系统，因为其输出反馈的传输路径构成闭环在直流调速系统中，被调

2、节量是转速，构成了转速反馈控制的直流调速系统。 图3-1带转速负反馈的闭环直流调速系统的原理框图，电压比较环节比例调整器速度反馈环节电力电子变换器直流电动机，Kp比例调整器的比例系数，转速反馈系数(Vmin/r )，静特性方程，(3-1)， 式中：闭环系统的开环放大系数闭环调速系统的静态特性表示闭环系统电动机转速与负载电流(或转矩)的稳态关系。 图3-2转速负反馈闭环直流调速系统的稳态结构框图，(a )闭环调速系统，图3-2转速负反馈闭环直流调速系统的稳态结构框图，(b )仅考虑规定作用时的闭环系统，图3-2转速负反馈闭环直流调速系统的稳态结构块只考虑干扰作用时的闭环系统，3.1.2比例控制的

3、直流调速系统，1开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系开环机械特性用(3-2)式表示开环系统的理想的无负载转速，表示开环系统的稳定速度降低的比例控制闭转速负反馈闭环直流调速系统的稳态结构框图如下： (1)闭环系统的静特性可以远比开环系统的机械特性硬，在相同的负载干扰下开环系统的转速下降、闭环系统的转速下降的关系是(3-4)、 (2)闭环系统的静差率比开环系统小得多，闭环系统的静差率在开环系统的静差率当时为(3-5)、 (3)如果所要求的静差率一定，则闭环系统能够大幅提高调速范围，如果电动机的最高转速为nN，最低转速为s，得到开环的情况下，能够得到闭环的情况下，(3-6)、 结论：比例控

4、制的直流调速系统能得到比开环系统硬得多的稳态特性，即负载引起的转速下降减少，保证在一定静差率要求下，能得到更宽的调速范围。 问题：电枢电路总电阻不变，但转速下降为什么减少？ 转速负反馈闭环直流调速系统的稳态结构框图，图3-3闭环系统的静态特性与开环系统的机械特性的关系，闭环系统如何减少负载引起的转速下降？ 开环系统Idn :例如，图3-3中工作点从AA闭环系统idnunununununucnud0控制直流调速系统，例如图3-3中工作点从AB比例控制直流调速系统，可以减少稳定速度的下降的本质是根据负载的变化而使电机在例题3-1、例题2-2中，龙门刨床要求D=20、s5%、Ks=30、=0.015

5、Vmin/r、Ce=0.2Vmin/r、比例控制闭环调速系统满足上述要求的情况下，比例放大器的放大系数应该是多少，开路闭环系统的额定速度降必须为2.63r/min，由式(3-4)得到的是放大器的放大系数在46以上。 只有、反馈控制规则、比例放大器的反馈控制系统，其调整量还有静差。 只有K=不能使ncl=0。 如果k的值太大，系统会变得不稳定。反馈控制系统的作用是抵抗干扰，并根据给定量。 另外一方面，能够牢固地遵循给定的作用，给定的信号的变化都是唯一的。 反馈控制规则、图3-4闭环调速系统的规定作用和扰动作用、系统的精度取决于规定和反馈检测的精度。 反馈控制系统不能判别给定信号的正常调节还是外部

6、电压波动。 反馈路径有速度反馈系数，其也有干扰引起的变动，不是被反馈环路包围的前向路径，所以无法抑制。 反馈控制规则，增加问题：比例调整器的比例系数，可以减少转速的下降，扩大调速范围，理论上比例系数无限大时，系统基本上没有转速的下降，调速范围无限大，比例系数能无限大吗？ 注意分析：系统静态特性的前提是系统要稳定，3.1.4比例控制转速闭环系统的稳定性、2转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型、系统动态数学模型的基本步骤如下： 1 求出各环节的传递函数。 构成系统的动态结构框图，求出系统的传递函数。 比例放大器的传递函数功率电子转换器的传递函数速度反馈的传递函数，(2-33 )，(2-42 )，

7、(2-43 )， 图3-5的其他励磁直流电动机在额定励磁下的等效电路，假设主电路电流连续，动态电压方程式(3-9)忽略粘性摩擦和弹性扭矩，电动机轴上的动力学方程式(3-10 )，电枢电压，电枢电流电磁扭矩，机械运动，直流电动机的运转原理，电压方程式，运动方程式，反电动势， 额定励磁下的感应电动势和电磁扭矩分别是(3-11)(3-12 )包含电动机的无负载扭矩的负载扭矩，(Nm )电力拖动装置换算成电动机轴的飞轮惯性，(Nm2 )电动机的额定励磁下的扭矩系数(Nm/A )电枢电路电磁时间常数(s )电力拖动系统的机械时在、零初始条件下，电压与电流间的传递函数(3-15 )电流与电动势间的传递函数

8、(3-16 )、图2-21额定励磁下的直流电动机的动态结构框图(a )电压、电流间的结构框图(b )电流、电动势间的结构框图(c )直流电动机的动态结构框图，直流电动机中有两个干扰输入量。 如果不需要在结构图中提供电流，则可以在移动扰动量的总分之前执行等效变换以获得图2-22。 额定励磁下的直流电动机是二次线性链路，时间常数Tm表示机电惯性时间常数Tl表示电磁惯性。 图3-7直流电动机的动态结构框图的变换，图3-8的转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图，转速反馈控制的直流调速系统的开环传递函数，(3-19 )，式中，转速反馈控制直流调速系统的闭合(3-20 )，比例控制闭环直流调速系统的动态

9、稳定性比例控制闭环系统的特征方程式根据(3-21 )三次系统的劳斯格尔维茨标准，系统稳定的必要条件是(3-22 )、 在例题3-2中，在例题3-1中，系统采用三相桥控制整流电路，知道电枢电路的总电阻、电感量3mH、系统运动部分的飞轮惯性，试着判别系统的稳定性。解：电磁时间常数机电时间常数晶闸管装置的延迟时间常数确保系统的稳定，因此应满足的稳定条件：闭环系统的动态稳定性与例题3-1中的稳态性能要求矛盾。 在、例题3-3、问题的闭环直流调速系统中，如果采用全控制型设备的PWM调速系统，电机不变，电枢电路参数为：PWM开关频率为8。同样的稳态性能指标，这个系统稳定吗？ 如果对静差率的要求不变的话，在

10、保证稳定的时候，系统能达到的最大调速范围是多少，稳定性能指标，要求PWM调速系统通过满足稳定性能指标，就能稳定运行。 在没有、337.5，3.2静差的转速闭环直流调速系统中，系统的转速还在下降。 如果减小稳态误差，系统可能变得不稳定。 通过改良调节器，能实现没有转速静差的控制吗？ 将比例调整器交换为PID调整器来解决该问题。 图3-9有静差调速系统突然加载时的动态过程，3.2.1积分调整器和积分控制规则，在输入转速误差信号Un的作用下，积分调整器的输入输出关系为(3-23 )，其传递函数为(3-24 )中的积分时间常数。图3-10积分调节器的输入和输出动态过程，输入UN是阶跃信号，输出Uc以线

11、性规则增加。 输出值达到积分稳压器输出的饱和值Ucm时，保持Ucm不变。 图3-10积分调节器的输入和输出的动态过程，只要有Un0，积分调节器的输出Uc就一直增加，在达到Un=0之前Uc不停止上升，在Un变为负之前Uc不会下降。 在Un=0的情况下，Uc不是零，而是某个固定值Ucf，负载急剧增加时，由于Idl的增加，转速n下降，Un成为正，在积分调整器的作用下，Uc上升，克服了电枢电压Ud上升，最终进入了Idl增加的电压降，新的稳定状态。、图3-11积分控制无静差调速系统突然加载时的动态过程，积分控制规则和比例控制规则的根本差异：比例调整器的输出只依赖于输入偏差量的现状，积分调整器的输出包含了

12、输入偏差量的所有历史。 积分稳压器变为稳定状态时，Un=0，只要过去有Un，该积分就有一定的数值，足以生成稳定运转所需的控制电压。 3.2.2比例积分控制规则、比例积分调节器(PI调节器)的输入输出关系为(3-25 )式，UinPI调节器的输入、UexPI调节器的输出。 其传递函数为(3-26 )式，如果设Kp、PI调节器的比例放大系数、积分系数为1=Kp，则PI调节器的传递函数也可以用积分和比例微分两个链接来表示，在式中，成为1微分项中的超前时间常数。 由、运算放大器实现PI调节器的输入极性和输出极性是反相的(3-28 )式中的Rbal是运算放大器的同相输入端的平衡电阻。 图3-12比例积分

13、(PI )调节器的电路图，PI控制综合了比例控制和积分控制两个规律的优点，克服了各自的缺点。 比例部分迅速响应控制作用，积分部分最终消除稳态偏差。 在t=0时有Uex(t)=KpUin，在实现了高速控制之后，Uex(t )按照积分规则成长。 在t=t1的情况下，Uin=0。 另外，图3-13PI调节器的输入输出特性是：在闭环调速系统中，采用PI调节器的输出部分Uc由两个部分组成，比例部分与Un成比例，积分部分示出了相对于从t=0到当前位置的Un(t )的积分值，而Uc是这两个部分的和。 图3-14闭环系统中PI调节器的输入和输出动态过程、没有静差的转速单闭环直流调速系统的稳态参数设计，是为了使

14、(3-29 )、(3-30 )输出的稳态值与输入无关，其后续部分保持输入零而决定的。3.3转速反馈控制直流调速系统的限流保护、3.3.1转速反馈控制直流调速系统的过电流问题在转速反馈控制直流调速系统上突然施加规定电压时，电枢电压马上达到其最高值，对电动机来说相当于全电压启动直流电机一锁定，电流就远远超过允许值。 只用过电流继电器或保险丝保护的话，过载时会跳闸。 系统中必须有自动限制电枢电流的环节。 通过引入电流的负反馈，可以不超过允许值。但是，这种作用只存在于启动和锁定时，在以正常稳定的速度运行时必须取消。 电流在某种程度上变大时出现的电流的负反馈被称为电流切断负反馈。 3.3.2带电流切断负

15、反馈环的直流调速系统，图3-16电流切断负反馈环(a )以独立直流电源作为比较电压(b )，利用稳定电压管产生比较电压，1电流切断负反馈环、电流反馈信号取自串联连接在电机电枢电路上的小电阻值电阻Rs 在图3-16(a )中，作为比较电压Ucom，使用独立的直流电源，能够以音量调整大小，在IdRc和Ucom之间串联连接二极管VD，在IdRcUcom时二极管导通，在能够对放大器施加电流负反馈信号Ui的情况下在图3-16(b )中，利用稳定电压VST的破坏电压Ubr作为比较电压Ucom。 截止电流Idcr=Ucom/Rs，输入信号idcr-ucom0时，输出Ui=IdRc-Ucom，IdRc-Uco

16、m0时，输出Ui=0。图3-17电流切断负反馈环的输入输出特性、图3-18的带电流切断负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构框图、2电流切断负反馈比例控制闭环直流调速系统的稳态结构框图和静态特性、IdIdcr的情况下，电流负反馈被切断， 静特性与只有转速负反馈调速系统的静特性相同，导入了(3-32)ididcr的后电流负反馈，静特性成为(3-33 )，图3-19的电流切断负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性，CA段3360的电流负反馈成为AB段比较电压和规定电压的作用一致，理想的无负荷转速为， n=0，好像得到了锁定电流Iabl，(3-35 )由于是一般的KpKsRsR，(3-36)Iabl必须

17、比电动机允许的最大电流小，一般Iabl=(1.52)IN切断电流必须比电动机的额定电流大3带电流切断的无静差直流调速系统，图3-20无静差直流调速系统，TA是检测电流的交流变流器，进行整流得到电流反馈信号Ui。 在电流达到截止电流Idcr时，Ui比稳定电压管VS的破坏电压高，若使晶体管VBT导通，忽略晶体管VBT的导通电压降，则PI调节器的输出电压Uc为零，电力电子转换器UPE的输出电压Ud=0，达到限制电流的目的建立了3.4转速反馈控制直流调速系统仿真平台，在MATLAB/SIMULINK仿真平台上建立了转速闭环控制调速系统仿真平台，简要介绍了仿真分析系统的工作过程、3.4.1转速闭环直流调速系统的模拟平台，直流电动机：型号Z4-132-1、额定电压400V、额定电流52.2A、额定转速2610r/min、反电动势系数=0.1459Vmin/r、允许过载倍数=1.5； PWM变换器的开关频率：8KHz，放大系数：=10