1、11本章提要本章提要1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2 晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主要問題1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題1.4 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和 設(shè)計(jì)1.5 1.5 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)1.6 比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng) 22本節(jié)要點(diǎn)：本節(jié)要點(diǎn)：1. 1. 調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)及調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)及其簡(jiǎn)化的工程約束條件；其簡(jiǎn)化的工程約束條件；2. 2. 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立及在系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立及在系統(tǒng)穩(wěn)定性判別中應(yīng)用。穩(wěn)定性判別中應(yīng)用。 重點(diǎn)、難點(diǎn)：重點(diǎn)、難

2、點(diǎn)： 調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)及其調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)及其簡(jiǎn)化的工程約束條件簡(jiǎn)化的工程約束條件 33 為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對(duì)首先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示表示, ,基本步驟如下基本步驟如下：（1 1）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微

3、分方程；節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微分方程；（2 2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3 3）組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。）組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。1.5.1 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型44反饋控制有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖反饋控制有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖-+551. 電力電子器件的傳遞函數(shù)電力電子器件的傳遞函數(shù) 構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動(dòng)機(jī)。不同電力電子變換器器和直流電動(dòng)機(jī)。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，

4、都是都是1)(ssssTKsW(1-45) 只是在不同場(chǎng)合下，參數(shù)只是在不同場(chǎng)合下，參數(shù)K Ks s和和T Ts s的數(shù)值的數(shù)值不同而已。不同而已。 66+ 2. 直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)EtILRIUddddd0(1-46) 假定主電路電假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為電壓方程為 電路方程電路方程77 如果，忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電如果，忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 (1-47) tnGDTTdd3752Le 額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為別為 dmeICT nCEe(1-48

5、) (1-49) 電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N-m電力拖動(dòng)系統(tǒng)折電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的算到電機(jī)軸上的飛輪慣量，飛輪慣量，N-m288 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，s s； 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，s s。RLTlme2m375CCRGDT 定義下列時(shí)間常數(shù)定義下列時(shí)間常數(shù)99 代入式（代入式（1-46）和（）和（1-47）,并考慮式（并考慮式（1-48）和（和（1-49），整理后得），整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdmLdLCTI(1-50) (1-51) 式中式中 為負(fù)載電流。為負(fù)

6、載電流。 n 微分方程微分方程1010 在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) 11)()()(0ddsTRsEsUsIl電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù) sTRsIsIsEmdLd)()()(1-52) (1-53) n 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)1111n 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb. 式（153）的結(jié)構(gòu)圖E(s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)a. 式（152）的結(jié)構(gòu)圖圖1-34 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1212n(s)c. 整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)

7、的結(jié)構(gòu)圖 1/CeUd0IdL (s) EId (s)+- 1/R Tl s+1 R Tms1313 由上圖由上圖c c可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓空載電壓，另一個(gè)是，另一個(gè)是負(fù)載電流負(fù)載電流。 理想理想空載電壓空載電壓-控制輸入量控制輸入量 負(fù)載電流負(fù)載電流-擾動(dòng)輸入量擾動(dòng)輸入量 如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換，得下圖變換，得下圖a a。如果是理想空載，則。如果是理想空載，則 I IdLdL

8、= 0= 0，結(jié)構(gòu)圖即簡(jiǎn)化成下圖，結(jié)構(gòu)圖即簡(jiǎn)化成下圖b b。1414n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化a. IdL 01515n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)n 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化（續(xù)）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化（續(xù)）b. IdL= 01616 直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是大器和測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系瞬時(shí)的，因此它

9、們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即數(shù)，即 放大器pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfnsnsUsW測(cè)速反饋（1-55） （1-54） 3. 3. 控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)17174. 4. 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖圖1-36 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系

10、組合起來，們按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來，就可以畫出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)就可以畫出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作是一個(gè)三階線性系統(tǒng)可以看作是一個(gè)三階線性系統(tǒng)18185. 5. 調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是的開環(huán)傳遞函數(shù)是 ) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl式中 K = Kp Ks / Ce （1-56）

11、19196. 6. 調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 設(shè)設(shè)I Idldl= =0 0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 111)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll（1-57） 20201.5.2 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 由式（由式（1-571-57）可知，

12、反饋控制閉環(huán)直流調(diào)）可知，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為速系統(tǒng)的特征方程為 0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll（1-58） 它的一般表達(dá)式為它的一般表達(dá)式為 0322130asasasa2121 根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯- -古爾維茨判據(jù)，系古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 0000030213210aaaaaaaa， 式（式（1-581-58）的各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，）的各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有因此穩(wěn)定條件就只有 0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTllssms)1 ()(TTKTTT

13、Tll或2222整理后得整理后得 2msss()llT TTTKTT（1-59） 式（式（1-591-59）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)數(shù) K Kcrcr, , 當(dāng)當(dāng) K K K Kcr cr 時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。 對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。 Kcr23231.5.3 動(dòng)態(tài)校正動(dòng)態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1. 概概 述述 在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與

14、穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況（如例題的情況（如例題1-51-5、例題、例題1-71-7中要求更中要求更高調(diào)速范圍時(shí)），這時(shí)，高調(diào)速范圍時(shí)），這時(shí)，必須設(shè)計(jì)合適必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置的動(dòng)態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它，用來改造系統(tǒng)，使它同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)兩同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)兩方面的要求。方面的要求。24242. 動(dòng)態(tài)校正的方法動(dòng)態(tài)校正的方法l串聯(lián)校正串聯(lián)校正l并聯(lián)校正并聯(lián)校正l反饋校正反饋校正 而且對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來說，能夠符合要而且對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。求的校正方案也不是唯一的。 在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中

15、，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正串聯(lián)校正比比較簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)。較簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)。2525l串聯(lián)校正方法：串聯(lián)校正方法：l無源網(wǎng)絡(luò)校正無源網(wǎng)絡(luò)校正RCRC網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)；l有源網(wǎng)絡(luò)校正有源網(wǎng)絡(luò)校正PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器。 對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用采用PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成的串聯(lián)校正方案就能完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。2626l PID調(diào)節(jié)器的類型：調(diào)節(jié)器的類型：l比例微分（比例微分（PDPD）l比例積分（比例積分

16、（PIPI）l比例積分微分（比例積分微分（PIDPID）2727 PID調(diào)節(jié)器的功能調(diào)節(jié)器的功能l由由PDPD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；l由由PIPI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對(duì)快速性的限制來換取系態(tài)精度，卻是以對(duì)快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；統(tǒng)穩(wěn)定的；l用用PIDPID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后超前校正則兼超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控

17、制性能，但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。性能，但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。一般的調(diào)速系統(tǒng)要一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)快態(tài)精度為主，對(duì)快速性的要求可以差速性的要求可以差一些，所以主要采一些，所以主要采用用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器在隨動(dòng)系統(tǒng)中，快速性在隨動(dòng)系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用是主要要求，須用 PD 或或PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器2828 3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具 在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是伯德圖（是伯德圖（Bode DiagramBode Diagram），即開環(huán)對(duì)），即開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡(jiǎn)數(shù)頻率特性的漸

18、近線。它的繪制方法簡(jiǎn)便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。 伯德圖是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普伯德圖是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方法。遍使用的方法。2929l典型伯德圖典型伯德圖 從圖中三個(gè)頻段的特征可以判斷系統(tǒng)從圖中三個(gè)頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個(gè)方面：的性能，這些特征包括以下四個(gè)方面：圖1-37 典型的控制系統(tǒng)伯德圖 在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時(shí)，通常在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時(shí)，通常將伯德圖分成低、中、高三個(gè)頻段，將伯德圖分成低、中、

19、高三個(gè)頻段，頻段的分割界限是大致的頻段的分割界限是大致的中頻段以中頻段以-20dB/dec的斜率穿越的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好截止頻率（或稱剪切截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好的快速性越好低頻段的斜率陡、增低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高態(tài)精度高高頻段衰減越快，即高高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)擾的能力越強(qiáng)3030 以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。對(duì)穩(wěn)以上四個(gè)方面常

20、常是互相矛盾的。對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，常需要放大系數(shù)大，卻態(tài)精度要求很高時(shí)，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。如此等等。 設(shè)計(jì)時(shí)往往須在設(shè)計(jì)時(shí)往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這這四個(gè)矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比四個(gè)矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結(jié)果。較滿意的結(jié)果。31314. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 在實(shí)際系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不僅必須在實(shí)際

21、系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還要有一定的裕度，以防參保證，而且還要有一定的裕度，以防參數(shù)變化和一些未計(jì)入因素的影響。數(shù)變化和一些未計(jì)入因素的影響。 在伯德圖上，用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)在伯德圖上，用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：相角裕度定裕度的指標(biāo)是：相角裕度 和以分貝表和以分貝表示的增益裕度示的增益裕度 GMGM。一般要求：。一般要求：l = 30= 30 60 60lGMGM 6dB 6dB 保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度，是保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實(shí)際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參考慮到實(shí)際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)不致使系統(tǒng)數(shù)發(fā)生變化時(shí)不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定失去穩(wěn)定穩(wěn)定裕度也能間接反映系穩(wěn)定裕度也能間接反

22、映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動(dòng)態(tài)過定裕度大，意味著動(dòng)態(tài)過程振蕩弱、超調(diào)小程振蕩弱、超調(diào)小3232 5. 設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟系統(tǒng)建模系統(tǒng)建模首先應(yīng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，選擇首先應(yīng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，選擇基本部件，按穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算參數(shù)，形基本部件，按穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算參數(shù)，形成基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱成基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱原始系統(tǒng)原始系統(tǒng)。系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析建立原始系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模建立原始系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，畫出其伯德圖，檢查它的穩(wěn)定性和其型，畫出其伯德圖，檢查它的穩(wěn)定性和其他動(dòng)態(tài)性能。他動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，或動(dòng)如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，或動(dòng)態(tài)性能不好，就

23、必須配置合適的動(dòng)態(tài)校正態(tài)性能不好，就必須配置合適的動(dòng)態(tài)校正裝置，使校正后的系統(tǒng)全面滿足性能要求。裝置，使校正后的系統(tǒng)全面滿足性能要求。3333 6. 設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法l湊試法設(shè)計(jì)時(shí)往往須用多種手段，反復(fù)試湊。l工程設(shè)計(jì)法詳見第2章。34341.5.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算（一） 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，它決定了控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成環(huán)第一步，它決定了控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成環(huán)節(jié)，有了基本環(huán)節(jié)組成系統(tǒng)之后，再通過節(jié)，有了基本環(huán)節(jié)組成系統(tǒng)之后，再通過動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)，就可使系統(tǒng)臻于完善。動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)，就可使系統(tǒng)臻于完善。 近代自動(dòng)控制

24、系統(tǒng)的控制器主要是近代自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器主要是模擬模擬電子控制電子控制和和數(shù)字電子控制數(shù)字電子控制，由于數(shù)字控制，由于數(shù)字控制的明顯優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字控制系統(tǒng)的明顯優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字控制系統(tǒng)已占主要地位，但從物理概念和設(shè)計(jì)方法已占主要地位，但從物理概念和設(shè)計(jì)方法上看，模擬控制仍是基礎(chǔ)。上看，模擬控制仍是基礎(chǔ)。3535 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算例題例題1-4 用線性集成電路運(yùn)算放大器作為電壓放大器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1-28所示，主電路是晶閘管可控整流器供電的V-M系統(tǒng)。已知數(shù)據(jù)如下：電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù)為10kW，220V，55A，1000r/min，電樞電阻 Ra

25、= 0.5；晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié)，二次線電壓 U2l = 230V，電壓放大系數(shù) Ks = 44； 3636V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R = 1.0；測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min；直流穩(wěn)壓電源：15V。 若生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率5%，試計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)（暫不考慮電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問題）。3737圖圖1-28, P26KPKs-+3838min/)05. 01 (1005. 01000)1 (NcrsDsnnl解解 （1 1）為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，）為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，

26、額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為 = 5.26r/min= 5.26r/min393910005 . 055220NaNNenRIUC（2 2）求閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)）求閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)： = 0.1925V= 0.1925Vmin/rmin/r40401925. 00 . 155eNopCRIn3 .5313 .54126. 57 .2851coplnnK則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為 = 285.7r/min= 285.7r/min閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為41411900

27、110etgC（3 3）計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù)）計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 包含測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)包含測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)C Cetgetg和其輸出電位器的分壓系數(shù)和其輸出電位器的分壓系數(shù) 2 2，即，即 = = 2 2 C Cetgetg根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)， = = 0.0579Vmin/r424210000579. 02 . 01000etg2nCU先試取先試取 2 2 =0.2 =0.2，再檢驗(yàn)是否合適。，再檢驗(yàn)是否合適。 現(xiàn)假定測(cè)速發(fā)電機(jī)與主電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接，則在現(xiàn)假定測(cè)速發(fā)電機(jī)與主電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接，則在電動(dòng)機(jī)

28、最高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速1000r/min1000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋電壓為時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋電壓為 =11.58V=11.58V 穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí)U Un n很小，很小， U U* *n n只要略大于只要略大于 U Un n 即可，現(xiàn)即可，現(xiàn)有直流穩(wěn)壓電源為有直流穩(wěn)壓電源為15V15V，完全能夠滿足給定電，完全能夠滿足給定電壓的需要。因此，取壓的需要。因此，取 2 2 =0.2 =0.2是正確的是正確的。 4343 于是，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的計(jì)算結(jié)果是于是，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的計(jì)算結(jié)果是 V Vmin/r = min/r = 0.01158V0.01158Vmin/rmin/r 電位器的選擇方法如下：為了使測(cè)速發(fā)

29、電電位器的選擇方法如下：為了使測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的線性度沒有機(jī)的電樞壓降對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的線性度沒有顯著影響，取測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，顯著影響，取測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的其電流約為額定值的20%20%，則，則 =1379=1379 0579. 02 . 0etg2C21. 02 . 010000579. 02 . 0NtgNetg2RPInCR4444WInCW43. 221. 02 . 010000579. 02 . 0NtgNetg2RP此時(shí)所消耗的功率為此時(shí)所消耗的功率為 為了使電位器溫度不致很高，為了使電位器溫度不致很高，實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的兩倍以上為所消耗功率的兩倍以上，故可為選用，故可為選用10W10W，1.5k1.5k的可調(diào)電位器。的可調(diào)電位器。454514.201925. 04401158. 03 .53espCKKK（4 4）計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)）計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和參數(shù) 根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求，前已求出，閉環(huán)系統(tǒng)根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求，前已求出，閉環(huán)系統(tǒng)