第1章_單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

1、Spring 2011華南理工大學華南理工大學第一章第一章 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)Spring 20112華南理工大學內容提要內容提要 本章著重討論基本的單閉環(huán)控制系本章著重討論基本的單閉環(huán)控制系 統(tǒng)及其分析與設計方法。統(tǒng)及其分析與設計方法。1.1 直流調速系統(tǒng)的構成 1.2 單閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析與設計 1.3 單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)分析與設計 1.4 無靜差調速系統(tǒng)1.5 電壓反饋電流補償控制的調速系統(tǒng) Spring 20113華南理工大學1.1 1.1 直直流調速系統(tǒng)的構成流調速系統(tǒng)的構成1.1.1 1.1.1 由旋轉變流機組供電的直流調速系統(tǒng)由旋轉變流機組供電的直流調速系

2、統(tǒng) 在直流調速系統(tǒng)中主要采用變電壓調速,最早的直流調速系統(tǒng)是曾在50年代獲得廣泛使用的由旋轉變流機組供電的直流調速系統(tǒng)，簡稱G-M系統(tǒng)。 圖11 旋轉變流機組供電的直流調速系統(tǒng)（GM系統(tǒng)） Spring 20114華南理工大學 采用變流機組供電時電動機可逆運行的機械特性如下圖： 圖12 GM系統(tǒng)的機械特性正向電動狀態(tài)正向制動狀態(tài)-Tl-Te0反向電動狀態(tài)反向制動狀態(tài)n n1 n2 n3 TlTe -nSpring 20115華南理工大學 由圖1-2可見G-M系統(tǒng)可以在允許的轉矩范圍內四象限運行，無論是正轉減速還是反轉減速時都能實現(xiàn)回饋制動，可滿足調速性能方面的要求。但是，這種系統(tǒng)至少包含兩臺與

3、調速電動機容量相當?shù)男D電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，因而有旋轉部分多，設備占地面積大，安裝必須打地基，運行噪音大、費用昂貴、效率低、維護不方便等缺點。Spring 20116華南理工大學1.1.2 1.1.2 晶閘管電動機直流調晶閘管電動機直流調 速系統(tǒng)速系統(tǒng) 50年代末，晶閘管（大功率半導體器件）變流裝置的相繼出現(xiàn)，使變流技術產(chǎn)生了根本性的變革，開始進入晶閘管時代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動機供電的調速系統(tǒng)，稱為晶閘管電動機調速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已成為直流調速系統(tǒng)的主要形式。 Spring 20117華南理工大學V-M系統(tǒng)的簡單原理圖如下: 圖- 晶閘管電動機直流調速系統(tǒng)（-系

4、統(tǒng)） 圖中V是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓 來移動觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓 ，從而實現(xiàn)平滑調速。由于V-M系統(tǒng)具有調速范圍大、精度高、動態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點，因此已在世界各主要工業(yè)國得到普遍應用。 CUdUSpring 20118華南理工大學1.2 1.2 單閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分單閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分 析與設計析與設計1.2.1 V-M1.2.1 V-M系統(tǒng)的開環(huán)機械特性系統(tǒng)的開環(huán)機械特性對于圖1-3所示的V-M開環(huán)調速系統(tǒng)，當電流連續(xù) 時,其主回路的電壓平衡方程式為: (1-1)式中 電動機反電動勢；

5、 主電路總的等效電阻，包括整流裝置內阻、電動機電樞電阻和平波電抗器電阻； 理想空載整流電壓的平均值，對一般全控式整流電路，當電流波形連續(xù)時， ERdURIEUddSpring 20119華南理工大學式中 從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角； =0時的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內的整流電壓脈波數(shù)。將 和式(1-2)代入式(1-1)經(jīng)整理可得V-M系統(tǒng)的開環(huán)機械特性方程式為cossinmUmUmdmUmnCEe (1-2)Spring 201110華南理工大學 (1-3)式中 理想空載轉速， 為額定磁通下的電動勢與轉速比，改變控制角，可得不 同的 ； 對應負載電流 時的轉速降落。edCUn0n

6、nRImUmCRIUCndmedde0)cossin(1)(1eC0ndeICRn dII Spring 201111華南理工大學 改變控制角，可得一族平行直線，如圖1-4中實直線所示和G-M系統(tǒng)的特性很相似。上述結論表明，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。當電流斷續(xù)時，機械特性方程要復雜得多，這里不再討論。 圖1-4 V-M系統(tǒng)的開環(huán)機械特性（箭頭表示增大的效果） n分界線Id連續(xù)區(qū)0Spring 201112華南理工大學1.2.1.1 1.2.1.1 調速系統(tǒng)的兩個穩(wěn)態(tài)指標調速系統(tǒng)的兩個穩(wěn)態(tài)指標 調速范圍 生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉速 和最低轉速 之比叫調

7、速范圍，用字母D 表示，即靜差率 當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落 與理想空載轉速 之比，稱為靜差率即maxnminnnnDminmaxNn0nSpring 201113華南理工大學或用百分數(shù)表示, 顯然，靜差率是用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化下轉速的穩(wěn)定度的。它與機械特性的硬度有關,特性越硬，靜差率越小，穩(wěn)速精度越高。然而，靜差率與機械特性的硬度又是有區(qū)別的。同樣硬度的機械特性，理想空載轉速越低，靜差率S越大，轉速的相對穩(wěn)定性越差。0nnsN%1000nnsNSpring 201114華南理工大學1.2.2 1.2.2 轉速負反饋單閉環(huán)調速轉速負反饋單閉環(huán)調速

8、 系統(tǒng)的組成及其靜特性系統(tǒng)的組成及其靜特性1.2.2.1 1.2.2.1 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成 轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)，其原理圖示于圖15。 圖5轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng) AGT UnUnUcMTGUt UfnSpring 201115華南理工大學1.2.2.2 1.2.2.2 系統(tǒng)的工作原理及其靜特性概念系統(tǒng)的工作原理及其靜特性概念 改變轉速給定電壓 的大小，就可改變電動機的轉速，實現(xiàn)平滑調速。如圖16所示，設電動機在 決定的特性上的點1處以轉速 穩(wěn)定運行，這時負載電流 控制電壓 整流平均電壓 ，當電動機軸上的負載轉矩 加大時有如下自動調節(jié)過程：RIIEnTddLdcfinnnfinUUU

9、UUU)(aU1dU1ddII 1ccUU 1ddUULT1nSpring 201116華南理工大學 圖16 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)機械特性的關系Idn12345Ud1Ud2Ud3Ud4B (開環(huán)機械特性）A（閉環(huán)機械特性）Spring 201117華南理工大學 上述自動調節(jié)作用表明，增加或減小負載，就相應地提高或降低整流電壓，因而得到一條新的開環(huán)機械特性。按上述工作原理在每條開環(huán)機械特性上取一個相應的工作點，再將這些點集合起來，就是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，也就是說，閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性實際上是由許多機械特性上的不同運行點集合而成，可視為一條綜合的特性直線，它代表閉環(huán)調節(jié)作用的結果。 閉環(huán)系統(tǒng)能減小穩(wěn)

10、態(tài)速降的實質在于它的自動調節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變整流電壓。Spring 201118華南理工大學1.2.2.3 1.2.2.3 系統(tǒng)的靜特性方程系統(tǒng)的靜特性方程為便于分析,先作如下假定：（1）忽略各種非線性因素，認為各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系是線性的。（2）假定只工作在VM系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段。（3）忽略直流電源和電位器的內阻，且認為電動機的磁場不變。Spring 201119華南理工大學 根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸入、輸出關系，畫出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖，如圖17（a）所示。 圖1-7 （a）閉環(huán)調速系統(tǒng)運用結構圖運算方法將給定作用 和擾動作用 看成兩個獨立的輸入量，先按它們分別作用

11、下的系統(tǒng)（圖1-12b和c）求出各自的輸出與輸入關系，再進行線性疊加。靜特性方程如下：nURIdSpring 201120華南理工大學 （1-4）圖1-7(b)只考慮給定作用n時的系統(tǒng)圖1-7(c)只考慮擾動作用dR時的系統(tǒng)bobedenspespednspnnKCRIKCUKKCKKCRIUKKn)1 ()1 ()/1 (KpKs1Ce+-nUnUUfnnKs1Ce+-KpUfnnE-IdRSpring 201121華南理工大學1.2.3 1.2.3 開環(huán)系統(tǒng)機械特性與閉開環(huán)系統(tǒng)機械特性與閉 環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較 比較一下VM閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性與開環(huán)系統(tǒng)的機械特性，就能看出閉環(huán)

12、控制的突出優(yōu)點。若斷開反饋回路，則系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為 (1-5) 式中 和 分別表示開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉速和靜態(tài)速降，比較式（14）和式（15）可得以下結論:oknknSpring 201122華南理工大學 （1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機械 特性硬得多。（2）若理想空載轉速相同，即 ，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率小得多。 (3) 若要求的靜差率一定，則閉環(huán)系 統(tǒng)的調速范圍將大大提高。 (4)要使系統(tǒng)具有上述三項優(yōu)點，閉環(huán)系統(tǒng)必須設置放大器。 okobnn Spring 201123華南理工大學1.2.41.2.4閉環(huán)調速系統(tǒng)的基本性質閉環(huán)調速系統(tǒng)的基本性質 轉速閉環(huán)調速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，

13、具有以下具體特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律。(1)應用比例調節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的 (2)閉環(huán)系統(tǒng)對于給定輸入絕對服從(3)閉環(huán)系統(tǒng)具有較強的抗擾性能Spring 201124華南理工大學 抗擾性能是反饋控制系統(tǒng)最突出的特征。然而，閉環(huán)系統(tǒng)對給定電源和反饋檢測裝置的擾動量無能為力。因此,提高給定電源和反饋檢測裝置的精度對提高閉環(huán)系統(tǒng)的調速精度起著決定性的作用。 圖1-8自動調速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用 KpKs1Ce+-nUnUUc UdUfnnE+-RId勵磁變化電阻變化 交流電源電壓波動Kp變化擾動作用Spring 201125華南理工大學1.2.5 1.2.5 轉速負反饋單閉環(huán)調速轉速

14、負反饋單閉環(huán)調速 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算是自動控制系統(tǒng)設計的第一步，它決定控制系統(tǒng)的基本構成，然后通過動態(tài)參數(shù)設計使系統(tǒng)臻于完善。它包括以下各參數(shù)的計算:(1) 額定負載時調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降 ;(2)根據(jù) 求出系統(tǒng)應具有的開環(huán)放大系數(shù)K;(3)閘管裝置的放大系數(shù) ;(4)計算測速反饋環(huán)節(jié)的放大系數(shù) 和電位器 (5)計算比例調節(jié)器的放大系數(shù)和參數(shù)。bnbnsK2PRSpring 201126華南理工大學1.2.6 1.2.6 閉環(huán)調速系統(tǒng)中的電流閉環(huán)調速系統(tǒng)中的電流截止負反饋環(huán)節(jié)及其特性截止負反饋環(huán)節(jié)及其特性 1.2.6.1 1.2.6.1 調速系統(tǒng)的限流保護問題調速系統(tǒng)

15、的限流保護問題 有兩類生產(chǎn)機械要求限制電動機電流。(1)一類是快速起動和制動的生產(chǎn)機械。 為了實現(xiàn)快速起動,采用轉速負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)的給定信號多半采用突加方式，這時，由于電動機和生產(chǎn)機械的慣性大,轉速不可能立即建立起來,反饋電壓仍為零,差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的(1+K)倍,而放大器和晶閘管整流裝置的慣性都很小，整流電壓一下子就達到它的最高值,對電動機來說相當于全壓起動,其起動電流高達額定電流的幾十倍。Spring 201127華南理工大學(2)另一類是經(jīng)常在堵轉狀態(tài)下工作的生產(chǎn)機械，例如挖土機,軋鋼機的推床、壓下裝置等。 在上述兩種情況下，若不采取限流保護措施，則電動機的起動電流和堵轉電流

16、會大大超過電動機的最大允許電流值。這樣大的沖擊電流對電動機的換向十分不利，尤其對于過載能力低的晶閘管來說，更是不能允許的。Spring 201128華南理工大學1.2.6.2 1.2.6.2 電流截止負反饋環(huán)節(jié)電流截止負反饋環(huán)節(jié) 為了解決單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動和堵轉時電流過大的問題，在系統(tǒng)中引入電流截止負反饋，即當電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負反饋。其典型電路如圖1-9所示。 (a)用直流電源作為比較電壓 (b)用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓 圖19電流截止負反饋環(huán)節(jié)MfiU接放大器cRcomUVDdIMfiU接放大器cRbrUdIVSTSpring 201129華南理工大學1.2.6.3 1.2.6.3

17、 帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調速系帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調速系 統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性 電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性如圖1-10所示。 圖10 電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性 comCdURI0fiUSpring 201130華南理工大學將電流截止負反饋環(huán)節(jié)與系統(tǒng)其它部分聯(lián)在一起，即可得帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)結構圖如圖1-11所示。 圖11 帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖KpKs1Ce+-nUnUUcUdUfnnE+-RIdRcfiUcomUSpring 201131華南理工大學由圖1-11可推導出該系統(tǒng)的靜特性方程。當 時，

18、電流負反饋被截止， (1-6) 其相應的靜特性相當于圖1-11中的 -A段，它是單閉環(huán)調速系統(tǒng)本身的靜特性,比較硬。 dcdIIbobdeenSpnnIKCRKCUKKn)1 ()1 (obnSpring 201132華南理工大學當 時，電流負反饋起作用。 (1-7) 其靜特性對應圖1-20中的A-B段。dcdII)1 ()1 ()()1 ()()1 ()1 (bobdecSpecomnSpedcomcdeSpenSpnnIKCRKKRKCUUKKKCRIURIKCKKKCUKKnSpring 201133華南理工大學bn0dIdblIdcI0nobnAB 圖11帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調

19、速系統(tǒng)的靜態(tài)特性 上面只是從靜特性上分析了電流截止負反饋環(huán)節(jié)的起動限流作用，實際起動時電流的變化過程還取決于系統(tǒng)的動態(tài)結構與慣性參數(shù)，以及轉速給定信號的加入情況。進一步的動態(tài)分析和較理想的動態(tài)控制將在以后的章節(jié)中逐步深入討論。Spring 201134華南理工大學1.3 1.3 單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)分單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)分 析與設計析與設計 上一節(jié)討論了單閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。顯然，從穩(wěn)態(tài)精度看，系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K越大越好。然而，由自動控制理論可知，為了保證系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，K值不能隨意增大，即在閉環(huán)系統(tǒng)中穩(wěn)與準是互相矛盾的。為此，必須進一步分析系統(tǒng)的動態(tài)性能。Spring 201135華

20、南理工大學1.3.1 1.3.1 系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型1.3.1.1 1.3.1.1 取數(shù)學模型的步驟取數(shù)學模型的步驟建立線性系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的步驟如下：(1)根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列寫出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程；(2)求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；(3)組成系統(tǒng)的動態(tài)結構圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。Spring 201136華南理工大學1.3.1.2 1.3.1.2 建立系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的微分方程和傳建立系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的微分方程和傳遞函數(shù)遞函數(shù)(1)(1)直流電動機直流電動機電動機的電壓平衡關系電動機的電壓平衡關系 在額定勵磁，電樞電流連續(xù)這兩個條件下，電樞回路的電壓平衡方程式為: （1

21、-8）式中R是電樞回路總電阻;L是電樞回路總電感； 而 電樞回路電磁時間常數(shù)。在零初始條件下，對上式兩端取拉氏變換得電樞電流與電壓之間的傳遞函數(shù)為: （1-9） )()(dtdITIRdtdIRLIRdtdILRIEUdlddddddRLT/11/1)()()(sTRsEsUsIlddSpring 201137華南理工大學 電動機轉矩平衡關系電動機轉矩平衡關系 忽略粘性摩擦，電動機轉矩與轉速之間的力矩平衡方程式為: （1-10）式中 額定勵磁下的電磁轉矩； 包括空載轉矩在內的負載轉矩； 電力拖動系統(tǒng)運動部分折算到電機 軸上的飛輪力矩; 電動機額定勵磁下的轉矩電流 比。dtdnGDTTle375

22、2dmeICT LT2GD/30emCC Spring 201138華南理工大學考慮到 為負載電流，則上式可化簡為： (1-11) 在零初始條件下，對上式取拉氏變換得反電勢與電流之間的傳遞函數(shù)為： (1-12)轉速與電流之間的傳遞函數(shù)為： (1-13)式中 電機的積分時間常數(shù)。dtdERTdtdERCCRGDdtdnCGDIImemmLd137537522LmLICTsTRsIsIsEmLd)()()(sTsIsIsniLd1)()()(iTSpring 201139華南理工大學聯(lián)合式（1-9）和式（1-12）并考慮到 ，可得直流電動機在電流連續(xù)時的動態(tài)結構圖，如圖1-13 圖113 額定勵磁

23、下，直流電動機的動態(tài)結構圖nCEeRTms1Cen(s)(sUd)(sId)(sILE(s)sTRl1/ 1Spring 201140華南理工大學(2)(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置晶閘管觸發(fā)和整流裝置 可將晶閘管變流裝置當作一階慣性環(huán)節(jié)來處理，其傳遞函數(shù)為: (1-14)(3)(3)比例放大器比例放大器 (1-15)(4)(4)轉速檢測及反饋環(huán)節(jié)轉速檢測及反饋環(huán)節(jié) (1-16)sTKsUsUsscd1)()()()(sUsUKncp)()(snsUfnSpring 201141華南理工大學1.3.1.3 1.3.1.3 單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖和單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖和 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)

24、根據(jù)前面得出的各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)以及它們在系統(tǒng)中的相互關系，可畫出單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如圖1-14所示。 圖114 單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖n(s)E(s)(sIL)(sId1sTKss1/1sTRlpKsTRmeC1)(sUd)(sUn)(sUfn)(sUc)(sUcSpring 201142華南理工大學 由圖可見，將晶閘管變流裝置按一階慣性環(huán)節(jié)近似處理后，對比調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以看成是一個三階系統(tǒng)，可推得其開環(huán)傳遞函數(shù)為: (1-17) 式中 。 當 =0時，可推得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (1-18) 1)(1()(2sTsTTsTKsWmlmSespCKKK/111)(11/

25、)()()(23sKTTsKTTTsKTTTKCsUsnsWsmslmslmesnLISpring 201143華南理工大學1.3.2 1.3.2 單閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)定單閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)定 條件條件由式（1-18）可知，系統(tǒng)的特征方程為 (1-19) 它的一般表達式為 根據(jù)勞斯古爾維茨穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 0， 0， 0， 0及 - 00111)(123sKTTsKTTTsKTTTSmSlmSlm0322130asasasa0a1a3a2a1a2a3a0aSpring 201144華南理工大學式（1-19）的各項系數(shù)顯然都大于零，因此穩(wěn)定條件就只有即, (1-20) 式(1-20

26、)表明，當系統(tǒng)參數(shù) , , 已定的情況下,為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，其開環(huán)放大系數(shù)K不能太大,必須滿足式(1-20)的穩(wěn)定條件。因此，由滿足穩(wěn)態(tài)性能要求所計算的值還必須按系統(tǒng)穩(wěn)定性條件進行校核。0111)(KTTTKTTKTTTSlmSmSlmSlSSlmTTTTTTK2)(mT1TsTSpring 201145華南理工大學1.3.3 1.3.3 動態(tài)校正動態(tài)校正PIPI調節(jié)器設計調節(jié)器設計 設計一個閉環(huán)控制系統(tǒng)時,一般分以下三步進行:(1) 進行總體設計，基本部件選擇和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算，以形成一個基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或者原始系統(tǒng)；(2) 建立原始系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型；(3) 檢查原始系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其它動態(tài)性

27、能，若它不穩(wěn)定或動態(tài)性能不好，就為它設計配置合適的校正裝置，使校正的系統(tǒng)能夠全面滿足要求。Spring 201146華南理工大學1.3.3.1 1.3.3.1 控制系統(tǒng)對開環(huán)對數(shù)頻率特性的要求控制系統(tǒng)對開環(huán)對數(shù)頻率特性的要求 在設計調速系統(tǒng)的校正裝置時,所采用的主要研究工具是伯德圖,利用它不僅可獲知穩(wěn)定性和穩(wěn)定精度的信息,而且還能大致地衡量閉環(huán)系統(tǒng)的各種穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。在定性地分析控制系統(tǒng)的性能時,通常將伯德圖分成低、中、高三個頻段,如圖1-15: 圖115典型的控制系統(tǒng)伯德圖-20dB/decc0dBL )(低中高頻段Spring 201147華南理工大學1.3.3.2 1.3.3.2 調節(jié)

28、器串聯(lián)校正設計調節(jié)器串聯(lián)校正設計(1)PI(1)PI調節(jié)器調節(jié)器 采用運算放大器的PI調節(jié)器線路如圖1-16所示 圖1-16 PI調節(jié)器電路由圖可知,1i0iRinU0UdtUUKdtUCRURRUiipiii1110010Spring 201148華南理工大學 由此可見，PI調節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分組成。在零初始條件下,對上式兩邊取拉氏變換并整理得PI調節(jié)器的傳遞函數(shù), (1-21) 在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調節(jié)的輸出特性如圖1-17所示。 圖1-17 比例積分（PI）調節(jié)器輸出特性 ssKssKsKsUsUsWpipipiipi110111)()()(0iU0UmU0iUi

29、piUKSpring 201149華南理工大學(2) PI(2) PI調節(jié)器的設計調節(jié)器的設計 根據(jù)原始的帶比例放大器閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖和期望的經(jīng)過校正的系統(tǒng)伯德圖可設計出PI調節(jié)器。其具體設計步驟如下：(1)判斷原始系統(tǒng)是否穩(wěn)定；(2)根據(jù)工藝要求的動態(tài)性能或系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度確定校正后系統(tǒng)預期的開環(huán)對數(shù)頻率特性；(3)確定原始系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性；(4)確定校正環(huán)節(jié)添加部分的對數(shù)頻率特性;(5)計算PI調節(jié)器的參數(shù)。Spring 201150華南理工大學1.4 1.4 無靜差調速系統(tǒng)無靜差調速系統(tǒng)1.4.1 1.4.1 系統(tǒng)無靜差的實現(xiàn)系統(tǒng)無靜差的實現(xiàn) 前面討論的帶比例調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)本

30、質上是一個有靜差系統(tǒng)。也就是說，當系統(tǒng)達穩(wěn)態(tài)時，轉速只能接近給定值，而不可能完全等于給定值。為了完全消除靜差，實現(xiàn)轉速無靜差調節(jié)，根據(jù)自動控制理論，可以在系統(tǒng)中引入積分控制規(guī)律，即采用比例積分控制規(guī)律，也就是用比例積分調節(jié)器代替比例調節(jié)器。Spring 201151華南理工大學1.4.2 1.4.2 采用積分（采用積分（I I）調節(jié)器）調節(jié)器 采用運算放大器構成的積分調節(jié)器的原理圖及輸出特性，如圖1-18所示 （a）原理圖（b）階躍輸入時的輸出特性 圖118積分調節(jié)器C0RRiU0UmU0iUiU0USpring 201152華南理工大學由圖可得,進一步可得積分調節(jié)器的傳遞函數(shù)為,積分調節(jié)器有

31、 : （1）延緩作用 （2）積累作用 （3）記憶作用 dtUdtUcRUiioo11ssUsUsWioi1)()()(Spring 201153華南理工大學 在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中若用I調節(jié)器代替P調節(jié)器，則控制電壓為: 只要出現(xiàn)過 ,其積分就有一定數(shù)值。但是，由于積分過程需要一定時間，控制電壓的值只能逐漸化增長，使系統(tǒng)動態(tài)響應變慢，尤其當 較大時，控制電壓增長更慢，會使系統(tǒng)動態(tài)響應變得很慢。所以積分控制不宜單獨在快速調節(jié)系統(tǒng)中應用。dtUUnc1nUSpring 201154華南理工大學1.4.3 1.4.3 采用比例積分（采用比例積分（PIPI）調）調節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng)節(jié)器的單閉環(huán)無靜

32、差調速系統(tǒng)1.4.3.1 1.4.3.1 系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)的工作原理 PI調節(jié)器輸出是由比例和積分兩部分相加而成。采用PI調節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng)如圖1-19所示。 圖-19采用PI調節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng) UcMTG+-UdR0R0RUnRp1Ufn1R1CdI+Spring 201155華南理工大學 其輸入輸出動態(tài)特性如圖1-20所示: 圖1-20PI調節(jié)器的輸入輸出特性 由圖可見,在系統(tǒng)起動過程中，PI調節(jié)器輸出的比例控制作用由強變弱,對系統(tǒng)起動過程有強烈作用,促使系統(tǒng)響應加速,其積分控制作用則由弱到強,最終消除靜差,而 是 與 之和,它既具有快速性能,又足以消除調速系統(tǒng)的靜差

33、。 nUtt0cUcUcpU2cUcUcPUciUcPUcUSpring 201156華南理工大學1.4.3.2 1.4.3.2 系統(tǒng)的抗擾調節(jié)過程系統(tǒng)的抗擾調節(jié)過程 無靜差調速系統(tǒng)只是在靜態(tài)時轉速無靜差,動態(tài)時轉速還是有靜差的?，F(xiàn)以階躍負載擾動為例,說明PI的調節(jié)器在抗擾調節(jié)過程中的作用。設系統(tǒng)原來在負載 下以轉速 穩(wěn)定運行，這時PI調節(jié)器的輸入電壓 =0，觸發(fā)電路控制電壓 = ，整流電壓 = 。在t1時刻負載由 突增至 ，這時轉速 和整流電壓 的變化過程示于下圖1-21中。1LT1n1fnnnUUUcU1cUdU1dU1LT2LTndUSpring 201157華南理工大學由于 正比于 ，

34、因此 的波形與 相似，當 最大時， 作用最強，最后當 =0時， =0， 比 例控制作用結束，也 就是說 與 共存 亡。圖1-21 系統(tǒng)的抗擾調節(jié)過程 n1n0cU)(dUlT00cU)(dU01cU1LT2LT3122ccpcUUU2cUtttt(a)(b)(c)(d)cPUnUcPUnUnUcPUnUcPUcPUnUSpring 201158華南理工大學1.4.3.3 1.4.3.3 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖、靜特性及其系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖、靜特性及其 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算采用 PI調節(jié)器可實現(xiàn)系統(tǒng)轉速調節(jié)無靜差。為了限制動態(tài)過程中的沖擊電流還須加入電流截止負反饋環(huán)節(jié)。圖1-22所示為帶電流截止負反

35、饋環(huán)節(jié)的單閉無靜差調速系統(tǒng)。 1C1R0R0RdUcUVTTAVST圖22帶電流截止負反饋的單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng)Spring 201159華南理工大學 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖1-23(a)所示，其中PI調節(jié)器方框中無法用放大系數(shù)表示,一般用它的輸出特性表示。系統(tǒng)的理想靜特性如圖1-23(b)所示。 Ks1Ce+-nUnUUcUdUfnnE+-RIdfiUcomUdIndcI3n2n1nmaxn（a）穩(wěn)態(tài)結構圖（b）靜特性 圖23 無靜差調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖及靜特性Spring 201160華南理工大學1.4.4 1.4.4 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析1.4.4.1 1.4.4.1 比例控制時

36、的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差比例控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差采用比例調節(jié)器的單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖如圖1-24所示。 (a)一般情況 (b) =0時 圖1-24采用比例調節(jié)器的單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖1/ 12 sTsTTCmlme1sTKssKp) 1(sTRl)(sIdL)(snnUSpring 201161華南理工大學 當 =0時，只有擾動輸入 ，這時輸出量為負載擾動引起的轉速偏差，即動態(tài)速降 ，利用反饋連接等效轉變換法則，可求得 (s)為: (1-22) 利用拉氏變換后整理可求出負載擾動引起的穩(wěn)定誤差為: (1-23)KsTsTTsTSTsTCRsIsnmlmslsel) 1)(1() 1)(

37、1()()(2)1 () 1)(1() 1)(1(lim)(lim200KCRIKsTsTTsTTsTCRIsnsnelmlmslseLssnULInnSpring 201162華南理工大學1.4.4.2 1.4.4.2 積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差將比例調節(jié)器換成積分調節(jié)器，則圖1-24(a)動態(tài)結構圖變成圖1-25所示。同樣利用反饋連接等效變換法則可求得 , 圖1-25 采用積分調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖（ =時）1/12sTsTTCmlme1sTKss)1(sTRl)(sIdL)(sns1nUnSpring 201163華南理工大學 (1-24)突加負載擾動引起

38、的穩(wěn)態(tài)誤差為: (1-25)可見，積分控制的調速系統(tǒng)是無靜差的。 esmlmslseLCKsTsTTsTssTsTRCTsn)1)(1()1)(1()(20) 1)(1() 1)(1(lim)(lim200esmlmslseLssCKsTsTTsTssTsTsRCIsnsnSpring 201164華南理工大學1.4.4.3 1.4.4.3 比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差采用比例積分調節(jié)器控制的單閉環(huán)調速系統(tǒng)Un=0時的動態(tài)結構圖如圖1-26所示。依照前面的推導方法，可得突加負載擾動引起的轉速偏差,相應的穩(wěn)態(tài)速差為,) 1() 1)(1() 1)(1()(2sKCKs

39、TsTTsTssTsTCRIsnpiesmlmslseL0) 1() 1)(1() 1)(1(lim)(lim200sKCKsTsTTsTssTsTsCRIsnsnpiesmlmslseLssSpring 201165華南理工大學1.5 1.5 電壓反饋電流補償控制的電壓反饋電流補償控制的 調速系統(tǒng)調速系統(tǒng) 現(xiàn)實生活中,若生產(chǎn)機械對調速精度要求不是太高，則可以用電動機端電壓負反饋取代轉速反饋，構成電壓負反饋調速系統(tǒng)。按反饋控制原理該系統(tǒng)只能維持電動機端電壓恒定，不能對電動機電樞電阻壓降引起的穩(wěn)態(tài)速降加以限制，因而系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能較差。為彌補這一不足，在系統(tǒng)中引入電流正反饋，用以補償電樞壓降引起的轉

40、速降，構成電壓負反饋電流補償控制的單閉環(huán)調速系統(tǒng)。Spring 201166華南理工大學1.5.1 1.5.1 電壓負反饋單閉環(huán)有靜電壓負反饋單閉環(huán)有靜 差調速系統(tǒng)差調速系統(tǒng) 若忽略電樞壓降，則電動機的轉速近似地與電樞端電壓成正比，因此電壓負反饋基本上能取代轉速負反饋的作用。圖1-26所示，為電壓負反饋單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)原理圖。 圖-26電壓負反饋單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng) UcMUaR1R0R0RnUafuUUSpring 201167華南理工大學圖1-27所示為電壓負反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖。 圖27電壓負反饋調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖 利用結構圖運算規(guī)則，可得電壓負反饋調速系統(tǒng)的靜特性方程式為, (1-26)KpKs1Ce+-nUnUUcUdn+-IdsRaREbobdeadesenspnnICRIKCRKCUKKn)1 ()1 (Spring 201168華南理工大學電壓負反饋調速系統(tǒng)有如下特征: (1) 電壓負反饋把反饋環(huán)包圍的整流裝置的內阻等引起的穩(wěn)態(tài)速降減小到1/（1+K）,而由電樞電阻壓降引起的速降 仍和開環(huán)時一樣。 (2)電壓負反饋信號不僅應取自平波電抗器后面盡量靠近電樞兩端，而且還必須經(jīng)過濾波后才能引入放大器輸入端。 (3)為安全起見,對電壓較高，電機容量較大的系統(tǒng)，通常在反饋回路中加入電壓隔離器，以