2.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-1

帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～第一頁，共347頁。

調(diào)節(jié)原理

在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺測速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un

，與給定電壓U*n

相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓Un

，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc

，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n。第二頁，共347頁。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：

電壓比較環(huán)節(jié)

放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性測速反饋環(huán)節(jié)

穩(wěn)態(tài)分析第三頁，共347頁。

穩(wěn)態(tài)分析（續(xù)）以上各關(guān)系式中

—放大器的電壓放大系數(shù)；

—電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；

—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V·min/r）；

—UPE的理想空載輸出電壓（V）；

—電樞回路總電阻。KpKsRUd0第四頁，共347頁。

從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式（2-1）

靜特性方程第五頁，共347頁。

靜特性方程（續(xù)）

閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式

（2-1）第六頁，共347頁。KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++-IdR-UnKs

閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-2a轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖第七頁，共347頁。圖2-2b只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)圖2-2c只考慮擾動(dòng)作用-IdR時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-E第八頁，共347頁。1.4.4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性

的關(guān)系

閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成(2-3)

開環(huán)機(jī)械特性為(2-2)第九頁，共347頁。比較式（2-2）和式（2-3）不難得出以下的論斷：（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為和它們的關(guān)系是

(2-4)

系統(tǒng)特性比較第十頁，共347頁。

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為

和當(dāng)n0op=n0cl

時(shí)，（2-5）第十一頁，共347頁。（3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax，而對最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， 再考慮式（2-5），得

(2-6)

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）第十二頁，共347頁。

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。

要實(shí)現(xiàn)上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，都取決于一點(diǎn)，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。第十三頁，共347頁。結(jié)論2

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。

第十四頁，共347頁。例題

在上一章例題中，龍門刨床要求

D=20，s≤5%，已知Ks=30，=0.015V·min/r，

Ce=0.2V·min/r，如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？

第十五頁，共347頁。解在上例中已經(jīng)求得

Δnop=275r/min但為了滿足調(diào)速要求，須有

Δncl=2.63r/min由式（2-5）可得≥第十六頁，共347頁。代入已知參數(shù)，則得即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。≥第十七頁，共347頁。

系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程n0OIdId1Id3Id2Id4ABCA′D閉環(huán)靜特性開環(huán)機(jī)械特性圖2-4閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系Ud4Ud3Ud2Ud1第十八頁，共347頁。系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降的變化。閉環(huán)系統(tǒng)靜特性是由無數(shù)條開環(huán)機(jī)械特性構(gòu)成的。

第十九頁，共347頁。3.反饋控制規(guī)律1.被調(diào)量偏差控制

2.抵抗擾動(dòng),服從給定

3.系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度

第二十頁，共347頁。1.被調(diào)量有靜差

采用比例放大器的閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為

只有K=，才能使ncl=0，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的。第二十一頁，共347頁。2.抵抗擾動(dòng),服從給定

反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用，但對給定作用的變化則唯命是從。擾動(dòng)—除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會(huì)引起輸出量變化的因素都叫做“擾動(dòng)作用”。

第二十二頁，共347頁。給定和擾動(dòng)作用圖2-5閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用

勵(lì)磁變化Id變化電源波動(dòng)Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

第二十三頁，共347頁。系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。檢測精度——反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測精度決定了系統(tǒng)輸出精度。第二十四頁，共347頁。

結(jié)論3

反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包圍在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。第二十五頁，共347頁。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，再通過動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)，就可使系統(tǒng)臻于完善。第二十六頁，共347頁。

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算例題用線性集成電路運(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=0.5Ω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第二十七頁，共347頁。V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R=1.0Ω測速發(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s≤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）。

第二十八頁，共347頁。解1）為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為

=5.26r/min≤第二十九頁，共347頁。2）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)勢系數(shù)

V·min/r=0.1925V·min/r第三十頁，共347頁。則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為

r/min=285.7r/min閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為≥第三十一頁，共347頁。3）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)包含測速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢系數(shù)Cetg和其輸出電位器的分壓系數(shù)

2，即

=2Cetg根據(jù)測速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)，

=0.0579V·min/r第三十二頁，共347頁。

先試取

2=0.2，再檢驗(yàn)是否合適。現(xiàn)假定測速發(fā)電機(jī)與主電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接，則在電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋電壓為

V=11.58V

穩(wěn)態(tài)時(shí)ΔUn很小，U*n只要略大于Un

即可，現(xiàn)有直流穩(wěn)壓電源為±15V，完全能夠滿足給定電壓的需要。因此，取=0.2是可以的。

第三十三頁，共347頁。

于是，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的計(jì)算結(jié)果是

V·min/r=0.01158V·min/r

電位器的選擇方法如下：為了使測速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對轉(zhuǎn)速檢測信號的線性度沒有顯著影響，取測速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的20%，則

=1379

第三十四頁，共347頁。

此時(shí)所消耗的功率為為了使電位器溫度不致很高，實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上，故可為選用10W，1.5kΩ的可調(diào)電位器。第三十五頁，共347頁。4）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)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為K

≥53.3，則運(yùn)算放大器的放大系數(shù)Kp

應(yīng)為實(shí)取=21。第三十六頁，共347頁。

圖2-1中運(yùn)算放大器的參數(shù)計(jì)算如下：根據(jù)所用運(yùn)算放大器的型號，取R0=40kΩ，則第三十七頁，共347頁。2.1.2限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋問題的提出起動(dòng)時(shí)的沖擊電流——直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流。堵轉(zhuǎn)電流——電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。

第三十八頁，共347頁。

電流負(fù)反饋僅采用電流負(fù)反饋，不要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋這種系統(tǒng)的靜特性如圖中B

線，特性很陡。顯然僅對起動(dòng)有利，對穩(wěn)態(tài)運(yùn)行不利。Idbln0IdOn'0A—轉(zhuǎn)速負(fù)反饋靜特性B—電流負(fù)反饋特性

調(diào)速系統(tǒng)靜特性第三十九頁，共347頁。解決辦法引入電流截止負(fù)反饋第四十頁，共347頁。1.電流截止負(fù)反饋

圖2-8電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓M++--UdId

RsVDUi

Ucom接放大器Mb)利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓

UbrM+-UdId

RsVSUi接放大器M第四十一頁，共347頁。2.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)OUiId

Rs

-

Ucom圖2-6電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的I/O特性

圖2-7帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖nKpKs

1/CeU*nUcUiIdEUd0Un++--RRs-UcomId

Rs

-

Ucom-++第四十二頁，共347頁。3.靜特性方程與特性曲線

當(dāng)Id

≤

Idcr

時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式（2-1）相同，現(xiàn)重寫于下

當(dāng)Id

Idcr時(shí)，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成

（2-7）第四十三頁，共347頁。IdblIdcrn0IdOn'0AB圖2-9帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

DC

靜特性第四十四頁，共347頁。

靜特性兩個(gè)特點(diǎn)

（1）電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻KpKsRs

，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。（2）比較電壓Ucom與給定電壓Un*的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到（2-8）

第四十五頁，共347頁。

這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過載時(shí)，電動(dòng)機(jī)停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流，在式（2-9）中，令n=0，得

一般KpKsRs>>R，因此第四十六頁，共347頁。4.電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)Idbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取

Idbl

≤（1.5~2）IN從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取

Idcr

≥（1.1~1.2）IN第四十七頁，共347頁。2.1.3單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)模

引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，且放大系數(shù)足夠大時(shí)，就可以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能要求。然而放大系數(shù)太大又可能引起閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，這時(shí)應(yīng)再增加動(dòng)態(tài)校正措施，才能保證系統(tǒng)的正常工作。此外，還須滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求。

第四十八頁，共347頁。

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)圖表示。

1.反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)

數(shù)學(xué)模型第四十九頁，共347頁。建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟（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)節(jié)動(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。第五十頁，共347頁。1.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，都是(2-12)

只是在不同場合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。

第五十一頁，共347頁。TL+-MUd0+-ERLneidM圖2-10他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路

2.直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)(2-13)

動(dòng)態(tài)電壓方程為

電路方程第五十二頁，共347頁。

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

(2-14)額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為

第五十三頁，共347頁。式中TL—包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)；

GD2—電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量(N·m2)；

Cm—電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(N·m/A)，

第五十四頁，共347頁。Tl—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)(s)，；Tm—電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)(s)，。定義下列時(shí)間常數(shù)第五十五頁，共347頁。整理后得式中為負(fù)載電流。

微分方程第五十六頁，共347頁。

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)

電流與電動(dòng)勢間的傳遞函數(shù)

(2-15)

(2-16)

傳遞函數(shù)第五十七頁，共347頁。

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsb)電流電動(dòng)勢間的結(jié)構(gòu)框圖式（1－31）E(s)Ud0(s)+-1/RTls+1Id

(s)a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖式（1－30）+圖2-11額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖第五十八頁，共347頁。直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-11c整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n(s)1/CeUd0(s)IdL

(s)

EId(s)Un++--1/RTls+1RTms第五十九頁，共347頁。

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空載電壓，另一個(gè)是負(fù)載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。第六十頁，共347頁。n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化a.IdL≠0第六十一頁，共347頁。n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0

(s)

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化（續(xù)）b.IdL=0第六十二頁，共347頁。

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)就是它們的放大系數(shù)，即

放大器測速反饋（2-17）

3.控制與檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)第六十三頁，共347頁。n(s)圖2-13反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖U*n(s)IdL

(s)

Uct

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)△Un(s)三階系統(tǒng)4.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖第六十四頁，共347頁。5.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)的開環(huán)傳遞函數(shù)是

式中K=KpKs/Ce

（2-18）

第六十五頁，共347頁。6.調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

設(shè)Idl=0，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

（2-19）

第六十六頁，共347頁。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)的特征方程為

（2-20）

穩(wěn)定條件a1a2–a0a3>0或第六十七頁，共347頁。整理后得

（2-21）

式（1-59）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)Kcr，當(dāng)K

≥

Kcr時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。對于一個(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。

第六十八頁，共347頁。系統(tǒng)穩(wěn)定性分析例題在上例題中，已知R=1.0

，Ks=44，Ce=0.1925V·min/r，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量GD2=10N·m2。根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)D=10，s≤0.5計(jì)算，系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)有K

≥53.3，試判別這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

第六十九頁，共347頁。解首先應(yīng)確定主電路的電感值，用以計(jì)算電磁時(shí)間常數(shù)。對于V-M系統(tǒng)，為了使主電路電流連續(xù)，應(yīng)設(shè)置平波電抗器。例題1-4給出的是三相橋式可控整流電路，為了保證最小電流時(shí)電流仍能連續(xù)，應(yīng)采用式（1-8）計(jì)算電樞回路總電感量，即第七十頁，共347頁?，F(xiàn)在

則 取L=17mH=0.017H。

第七十一頁，共347頁。計(jì)算系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)

機(jī)電時(shí)間常數(shù)

第七十二頁，共347頁。對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為

Ts=0.00167s

第七十三頁，共347頁。

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足式（2-21）的穩(wěn)定條件按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求K

≥53.3，因此，閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。第七十四頁，共347頁。2.1.4動(dòng)態(tài)校正——PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.概述在設(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)生矛盾的情況，這時(shí)，必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求。第七十五頁，共347頁。比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)

采用比例（P）放大器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，還存在穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。采用積分（I）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器代替比例放大器，構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。

第七十六頁，共347頁。問題的提出

采用P放大器控制必然要產(chǎn)生靜差，因此是有靜差系統(tǒng)。Kp

越大，系統(tǒng)精度越高；但Kp

過大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。進(jìn)一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為

Uc=KpUn只有當(dāng)Un

0

，才有Uc0，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；當(dāng)Un

=0

，Uc

=0，電動(dòng)機(jī)停止。

第七十七頁，共347頁。積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律

1.積分調(diào)節(jié)器如圖，由運(yùn)算放大器可構(gòu)成一個(gè)積分電路。根據(jù)電路分析，其電路方程++CUexRbalUinR0+A積分調(diào)節(jié)器a)原理圖ii第七十八頁，共347頁。方程兩邊取積分，得

式中—積分時(shí)間常數(shù)。當(dāng)初始值為零時(shí)，在階躍輸入作用下，對式進(jìn)行積分運(yùn)算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出第七十九頁，共347頁。2.積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為第八十頁，共347頁。

UexUinUexmtUinUexOb)階躍輸入時(shí)的輸出特性Φ(ω)ωL/dBOL(ω)-20dB1/ωΦO-π/2c)Bode圖積分調(diào)節(jié)器3.積分調(diào)節(jié)器的特性第八十一頁，共347頁。4.轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差電壓Un的積分，應(yīng)有如果是Un

階躍函數(shù)，則Uc按線性規(guī)律增長，每一時(shí)刻Uc

的大小和Un

與橫軸所包圍的面積成正比，如下圖a所示。第八十二頁，共347頁。圖2-14積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程a)階躍輸入b)負(fù)載變化時(shí)

輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程第八十三頁，共347頁。

圖b繪出的Un

是負(fù)載變化時(shí)的偏差電壓波形，按照Un與橫軸所包圍面積的正比關(guān)系，可得相應(yīng)的Uc

曲線，圖中Un的最大值對應(yīng)于Uc

的拐點(diǎn)。若初值不是零，還應(yīng)加上初始電壓Uc0

，則積分式變成

負(fù)載變化時(shí)積分曲線第八十四頁，共347頁。分析結(jié)果

只有達(dá)到Un*=Un

，Un

=0時(shí)，Uc

才停止積分；當(dāng)Un

=0時(shí)，Uc并不是零，而是一個(gè)終值Ucf

；如果Un

不再變化，此終值便保持恒定不變，這是積分控制的特點(diǎn)。采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。第八十五頁，共347頁。5.比例與積分控制的比較

有靜差調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時(shí)，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓Un

和控制電壓Uc

的變化過程示于下圖。

第八十六頁，共347頁。

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時(shí)，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓Un

和控制電壓Uc

的變化過程示于右圖。

有靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載過程有靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程第八十七頁，共347頁。圖2-15積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程

雖然現(xiàn)在Un=0，只要?dú)v史上有過Un

，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓Uc。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此。

無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程第八十八頁，共347頁。

將以上的分析歸納起來，可得下述論斷：

比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。

第八十九頁，共347頁。2.比例積分控制規(guī)律

上一小節(jié)從無靜差的角度突出地表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。如圖所示，在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。第九十頁，共347頁。

兩種調(diào)節(jié)器特性比較τ

UexUinUexmtUinUexOb)I調(diào)節(jié)器a)P調(diào)節(jié)器UexUintUinUexO兩種調(diào)節(jié)器I/O特性曲線第九十一頁，共347頁。1.PI調(diào)節(jié)器

在模擬電子控制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路如圖所示。Uex++C1RbalUinR0+AR1比例積分（PI）調(diào)節(jié)器

i0i1第九十二頁，共347頁。式中

—PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；

—PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。

由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成。2.PI輸入輸出關(guān)系

按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得(2-27)第九十三頁，共347頁。令，則傳遞函數(shù)也可以寫成如下形式

(2-29)3.PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

當(dāng)初始條件為零時(shí)，取式（1-60）兩側(cè)的拉氏變換，移項(xiàng)后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

(2-28)第九十四頁，共347頁。

分析結(jié)果

由此可見，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長避短，互相補(bǔ)充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。

第九十五頁，共347頁。無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)組成工作原理穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性參數(shù)計(jì)算第九十六頁，共347頁。1.系統(tǒng)組成++-+-MTG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVBTVSUiTAIdR1C1UnUd無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)示例

-+MTG+++-UPE～·第九十七頁，共347頁。2.工作原理

圖所示是一個(gè)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)例，采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無靜差，采用電流截止負(fù)反饋來限制動(dòng)態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號。當(dāng)電流超過截止電流時(shí)，高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電子變換器UPE的輸出電壓急劇下降，達(dá)到限制電流的目的。第九十八頁，共347頁。3.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性

當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流低于其截止值時(shí)，上述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于下圖，其中代表PI調(diào)節(jié)器的方框中無法用放大系數(shù)表示，一般畫出它的輸出特性，以表明是比例積分作用。

無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（Id

<

Idcr

）

Ks

1/CeU*nUc?UnIdREnUd0Un++--第九十九頁，共347頁。穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性（續(xù)）

無靜差系統(tǒng)的理想靜特性如右圖所示。當(dāng)Id

<

Idcr

時(shí)，系統(tǒng)無靜差，靜特性是不同轉(zhuǎn)速時(shí)的一族水平線。當(dāng)Id

<

Idcr

時(shí)，電流截止負(fù)反饋起作用，靜特性急劇下垂，基本上是一條垂直線。整個(gè)靜特性近似呈矩形。

OIdIdcrn1n2nmaxn帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

第一百頁，共347頁。4.穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)時(shí)Un=0，因而Un=Un*

，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

—電動(dòng)機(jī)調(diào)壓時(shí)的最高轉(zhuǎn)速(r/min)；

—相應(yīng)的最高給定電壓(V)。

nmaxU*nmax電流截止環(huán)節(jié)的參數(shù)很容易根據(jù)其電路和截止電流值Idcr計(jì)算出。第一百零一頁，共347頁。2.動(dòng)態(tài)校正的方法串聯(lián)校正并聯(lián)校正反饋校正在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正。第一百零二頁，共347頁。3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具典型伯德圖：提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。

OL/dBc/s-1-20dB/dec低頻段中頻段高頻段自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型伯德圖

第一百零三頁，共347頁。

伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系

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：中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，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。截止頻率（或稱剪切頻率）c

越高，則系統(tǒng)的快速性越好。低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。c第一百零四頁，共347頁。4.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。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：相角裕度和增益裕度GM。一般要求：

=30°～60°GM>6dB第一百零五頁，共347頁。5.設(shè)計(jì)步驟系統(tǒng)建模——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)，形成基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱原始系統(tǒng)。系統(tǒng)分析——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)定性和其他動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)——如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，或動(dòng)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。第一百零六頁，共347頁。系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)例題2-1

在上例題中，已經(jīng)判明，按照穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)設(shè)計(jì)的閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。試?yán)貌聢D設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)能在保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。

第一百零七頁，共347頁。解

（1）被控對象的開環(huán)頻率特性分析式（2-18）已給出原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下第一百零八頁，共347頁。

已知Ts=0.00167s，Tl=0.017s，Tm

=0.075s，在這里，Tm

≥4Tl

，因此分母中的二次項(xiàng)可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即

第一百零九頁，共347頁。

根據(jù)上例題的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)已取為于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是

第一百一十頁，共347頁。

系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻及相頻特性圖2-19原始閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的伯德圖第一百一十一頁，共347頁。其中三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率（或稱交接頻率）分別為第一百一十二頁，共347頁。而

由圖2-19可見，相角裕度和增益裕度GM都是負(fù)值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。這和例題1-5中用代數(shù)判據(jù)得到的結(jié)論是一致的。

第一百一十三頁，共347頁。（2）PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)置PI調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)時(shí)須繪出其對數(shù)頻率特性?？紤]到原始系統(tǒng)中已包含了放大系數(shù)為Kp的比例調(diào)節(jié)器，現(xiàn)在換成PI調(diào)節(jié)器，它在原始系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新添加部分的傳遞函數(shù)應(yīng)為

第一百一十四頁，共347頁。PI調(diào)節(jié)器對數(shù)頻率特性相應(yīng)的對數(shù)頻率特性繪于下圖中。

0PI調(diào)節(jié)器在原始系統(tǒng)基礎(chǔ)上添加部分的對數(shù)頻率特性第一百一十五頁，共347頁。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)系統(tǒng)要求的動(dòng)態(tài)性能或穩(wěn)定裕度，確定校正后的預(yù)期對數(shù)頻率特性，與原始系統(tǒng)特性相減，即得校正環(huán)節(jié)特性。具體的設(shè)計(jì)方法是很靈活的，有時(shí)須反復(fù)試湊，才能得到滿意的結(jié)果。對于本例題的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以采用比較簡便方法，由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為放大系數(shù)K過大，截止頻率過高，應(yīng)該設(shè)法把它們壓下來。第一百一十六頁，共347頁。為了方便起見，可令，Kpi

=T1

使校正裝置的比例微分項(xiàng)Kpis+1與原始

系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)最大的慣性環(huán)節(jié)對消。第一百一十七頁，共347頁。其次，為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度，它的對數(shù)幅頻特性應(yīng)以–20dB/dec的斜率穿越0dB線，必須把圖1-42中的原始系統(tǒng)特性①壓低，使校正后特性③的截止頻率ωc2<1/T2。這樣，在ωc2處，應(yīng)有

第一百一十八頁，共347頁。

系統(tǒng)校正的對數(shù)頻率特性0校正后的系統(tǒng)特性校正前的系統(tǒng)特性圖1-42閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器校正第一百一十九頁，共347頁。

從圖上可以看出，校正后系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)和GM都已變成較大的正值，有足夠的穩(wěn)定裕度，而截止頻率從c1

=208.9s–1降到c2

=30s–1

，快速性被壓低了許多，顯然這是一個(gè)偏于穩(wěn)定的方案。第一百二十頁，共347頁。由圖1-40的原始系統(tǒng)對數(shù)幅頻和相頻特性可知

因此代入已知數(shù)據(jù)，得

第一百二十一頁，共347頁。取Kpi

=T1=0.049s，為了使c2<1/T2

=38s–1

，取c2

=30s–1

，在特性①上查得相應(yīng)的L1=31.5dB，因而L2=–31.5dB。第一百二十二頁，共347頁。（3）調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算從上圖中可以看出

所以第一百二十三頁，共347頁。已知Kp=21

因此

而且于是，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為第一百二十四頁，共347頁。最后，選擇PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。已知R0=40k，則取R1=22k

第一百二十五頁，共347頁。

2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)特性太軟轉(zhuǎn)速閉環(huán)(P)加電流截止負(fù)反饋堵轉(zhuǎn)電流過大系統(tǒng)有靜差轉(zhuǎn)速無靜差系統(tǒng)（PI）起動(dòng)波形不夠理想？問題的提出：第一百二十六頁，共347頁。

采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。

如果對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要第一百二十七頁，共347頁。a)理想的快速起動(dòng)過程IdLntIdOIdmb)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖2-21直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形n1.理想的起動(dòng)過程IdLntIdOIdmIdcrn第一百二十八頁，共347頁。如何控制動(dòng)態(tài)性能？電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程：結(jié)論：要控制好電流才能控制好轉(zhuǎn)速=>第一百二十九頁，共347頁。2.主要原因

單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只是用來限制電流的沖擊，并不能很好地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。第一百三十頁，共347頁。3.解決思路

為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。

按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。

第一百三十一頁，共347頁。解決思路

現(xiàn)在的問題是，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：起動(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。

怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？------轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)第一百三十二頁，共347頁。+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG圖2-22轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR—電流調(diào)節(jié)器TG—測速發(fā)電機(jī)TA—電流互感器UPE—電力電子變換器內(nèi)環(huán)外環(huán)ni2.2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成第一百三十三頁，共347頁。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。

從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。第一百三十四頁，共347頁。

系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖

++--TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi++-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-第一百三十五頁，共347頁。限幅的作用

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。第一百三十六頁，共347頁。限幅電路（外限幅，輸出限幅）二極管鉗位的外限幅電路C1R1R0RlimVD1VD2第一百三十七頁，共347頁。限幅電路（內(nèi)限幅，輸出和積分限幅）

穩(wěn)壓管鉗位的內(nèi)限幅電路R1C1VS1VS2R0Rlim第一百三十八頁，共347頁。圖2-23雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(ASR未飽和)—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

—電流反饋系數(shù)Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRR

ACR-UiUPE2.2.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性

1.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：第一百三十九頁，共347頁。ASR飽和，相當(dāng)于電流閉環(huán)系統(tǒng)Ks1/CeUcIdEnUd0++U*i-IdRR

ACR-UiUPEASR飽和，相當(dāng)于電流閉環(huán)系統(tǒng)第一百四十頁，共347頁。2.系統(tǒng)靜特性

設(shè)計(jì)時(shí)，ACR不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)。

CA段ASR未飽和，AB段ASR飽和。

圖2-24雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜特性

n0IdIdmIdNOnABC第一百四十一頁，共347頁。（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和即

由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和U*i<U*im，Id<Idm。第一百四十二頁，共347頁。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和U*i=U*im，穩(wěn)態(tài)時(shí)

此時(shí)n<n0

。最大電流Idm

取決于容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。(2-30)

第一百四十三頁，共347頁。3.兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm

后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。第一百四十四頁，共347頁。各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系

(2-33)(2-32)

(2-31)

第一百四十五頁，共347頁。PI調(diào)節(jié)器特點(diǎn)

比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量。

PI調(diào)節(jié)器未飽和時(shí)，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入量無關(guān)，而是由其后面環(huán)節(jié)的需要決定的。第一百四十六頁，共347頁。

反饋系數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

電流反饋系數(shù)

(2-34)(2-35)

第一百四十七頁，共347頁。2.2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析

從動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型出發(fā)，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程、動(dòng)態(tài)抗擾性能、轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用。第一百四十八頁，共347頁。1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，則傳遞函數(shù)為第一百四十九頁，共347頁。圖2-25雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)第一百五十頁，共347頁。2.起動(dòng)過程分析

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程。圖2-26雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形

n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

第一百五十一頁，共347頁。1.起動(dòng)過程

在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和（I）、飽和（II）、退飽和（III）三個(gè)階段。

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形

n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

第一百五十二頁，共347頁。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt第I階段電流上升階段（0~t1）第一百五十三頁，共347頁。第I階段電流上升的階段（續(xù)）突加給定電壓U*n后，Id上升，當(dāng)Id

小于負(fù)載電流IdL時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)Id≥

IdL

后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長，ASR輸入偏差電壓仍較大，ASR很快進(jìn)入飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。直到Id=Idm

，Ui

=U*im

。第一百五十四頁，共347頁。n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第II階段恒流升速階段（t1~t2）

第一百五十五頁，共347頁。第II階段恒流升速階段（續(xù)）ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)為在恒值電壓U*im給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id

恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長，直到n

=n*。第一百五十六頁，共347頁。第II階段恒流升速階段（續(xù)）電機(jī)的反電動(dòng)勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，Ud0和Uc

也必須基本上按線性增長，才能保持Id

恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，

Id

應(yīng)略低于Idm。第一百五十七頁，共347頁。第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2以后）

ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)作用，ACR力圖使Id盡快地跟隨Ui*，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4t3

t2

t1

tt第一百五十八頁，共347頁。第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（續(xù)）當(dāng)n

=n*之前，ASR輸入偏差為正，其輸出由于積分作用還維持在限幅值U*im

，所以電機(jī)仍在加速，使n>n*。ASR輸入偏差電壓變負(fù)，開始退出飽和，U*i

和Id

很快下降。但是，只要Id

仍大于負(fù)載電流IdL，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到Id

=IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te=TL

，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t=t3時(shí)）。第一百五十九頁，共347頁。第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（續(xù)）此后，電動(dòng)機(jī)在負(fù)載的阻力下減速，在一小段時(shí)間內(nèi)（t3~t4

）Id<

IdL

，直到穩(wěn)定運(yùn)行Id=

IdL

，n

=n*。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，會(huì)有振蕩過程。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1

tt第一百六十頁，共347頁。2.分析結(jié)果

綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：

（1）飽和非線性控制（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制(有限制條件的 最短時(shí)間控制)

第一百六十一頁，共347頁。3.動(dòng)態(tài)抗擾性能分析

調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能，主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。第一百六十二頁，共347頁。

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId1.抗負(fù)載擾動(dòng)±?IdL直流調(diào)速系統(tǒng)的抗負(fù)載擾作用第一百六十三頁，共347頁?？关?fù)載擾動(dòng)（續(xù)）

由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。第一百六十四頁，共347頁。2.抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)-IdL±?Ud圖2-27直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用±△Ud—電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E第一百六十五頁，共347頁?？闺娋W(wǎng)電壓擾動(dòng)

雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。第一百六十六頁，共347頁。4.轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用

綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下：

第一百六十七頁，共347頁。1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用

（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。（2）對負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。第一百六十八頁，共347頁。2.電流調(diào)節(jié)器的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的 調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊 緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器 的輸出量）變化。（2）對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作 用。（3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中,保證獲得電機(jī)允 許的最大電流,從而加快動(dòng)態(tài)過程。第一百六十九頁，共347頁。電流調(diào)節(jié)器的作用

（4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。第一百七十頁，共347頁。2.3

直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)優(yōu)點(diǎn):物理概念清晰;

控制信號流向直觀。缺點(diǎn):控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路上，線路復(fù)雜、通用性差;

控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。第一百七十一頁，共347頁。

2.3.1微機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn)硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，不受器件溫度漂移的影響；進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的控制規(guī)律，控制軟件更改靈活方便。具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能。第一百七十二頁，共347頁。

微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是離散化和數(shù)字化。離散化和數(shù)字化第一百七十三頁，共347頁。離散化

對模擬的連續(xù)信號采樣形成一連串的脈沖信號，即離散的模擬信號，這就是離散化。Otf(t)原信號Onf(nT)1234…采樣第一百七十四頁，共347頁。數(shù)字化

離散信號經(jīng)保持器保持后，還須經(jīng)過數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近離散的模擬信號。保持OnN(nT)Na(nT)（電壓）Nd(nT)（數(shù)碼）第一百七十五頁，共347頁。

離散化和數(shù)字化的負(fù)面效應(yīng)

離散化:時(shí)間上的不連續(xù)性；數(shù)字化:量值上的不連續(xù)性。負(fù)面效應(yīng)：產(chǎn)生量化誤差，影響控制精度和平滑性。滯后效應(yīng)，提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小，甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。第一百七十六頁，共347頁。數(shù)字量化

量化的原則是：在保證不溢出的前提下，精度越高越好。

存儲系數(shù)顯示量化的精度，其定義為

微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中的存儲系數(shù)相當(dāng)于模擬控制系統(tǒng)中的反饋系數(shù)。第一百七十七頁，共347頁。采樣頻率的選擇Shannon采樣定理:

采樣頻率fsam應(yīng)不小于信號最高頻率fmax的2倍，即

fsam

≥

2fmax。經(jīng)采樣及保持后，原信號的頻譜不發(fā)生明顯的畸變，系統(tǒng)保持原有的性能。第一百七十八頁，共347頁。采樣頻率

實(shí)際系統(tǒng)中信號的最高頻率很難確定，尤其對非周期性信號（系統(tǒng)的過渡過程），其頻譜為0至∞的連續(xù)函數(shù)，最高頻率理論上為無窮大。因此，難以直接用采樣定理來確定系統(tǒng)的采樣頻率。第一百七十九頁，共347頁。

系統(tǒng)采樣頻率的確定

在一般情況下，可以令采樣周期Tmin為控制對象的最小時(shí)間常數(shù)?；蛴貌蓸咏穷l率samc為控制系統(tǒng)的截止頻率。第一百八十頁，共347頁。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的輸入與輸出變量

可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。模擬輸入量必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而模擬輸出量必須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換才能得到。數(shù)字量是量化了的模擬量，可以直接參加運(yùn)算。第一百八十一頁，共347頁。系統(tǒng)給定a)模擬給定

b)數(shù)字給定

模擬給定和數(shù)字給定第一百八十二頁，共347頁。狀態(tài)檢測

狀態(tài)量檢測的作用：構(gòu)成反饋控制，保護(hù)和故障診斷信息的來源。

1）轉(zhuǎn)速檢測：模擬和數(shù)字檢測方法。

2）電流和電壓檢測：一般用A/D轉(zhuǎn)換。第一百八十三頁，共347頁。極性轉(zhuǎn)換

多數(shù)狀態(tài)量為雙極性（大小和方向），A/D轉(zhuǎn)換電路一般是單極性的，必須進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到以偏移碼表示的數(shù)字量，再用軟件將偏移碼變換為原碼或補(bǔ)碼。第一百八十四頁，共347頁。輸出變量

一、用開關(guān)量直接控制功率器件的通斷。二、也可以用數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到的模擬量去控制功率變換器。第一百八十五頁，共347頁。微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

的硬件和軟件

下標(biāo)“dig”表示數(shù)字量

微機(jī)數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第一百八十六頁，共347頁。微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

硬件結(jié)構(gòu)

微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成：主電路檢測電路控制電路給定與顯示電路第一百八十七頁，共347頁。微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖第一百八十八頁，共347頁。主回路

微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路中的UPE有兩種方式：直流PWM功率變換器晶閘管可控整流器第一百八十九頁，共347頁。檢測回路

檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測（數(shù)字測速）。第一百九十頁，共347頁。故障綜合

對電壓、電流、溫度等信號進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即通知微機(jī)，以便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

第一百九十一頁，共347頁。數(shù)字控制器專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的微處理器：除了帶有A/D轉(zhuǎn)換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機(jī)并不具備的故障保護(hù)、數(shù)字測速和PWM生成功能，如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等。第一百九十二頁，共347頁。微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

控制軟件

微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件有：主程序初始化子程序中斷服務(wù)子程序等第一百九十三頁，共347頁。主程序

完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能，系統(tǒng)初始化后，鍵盤處理、刷新顯示、數(shù)據(jù)通信等功能。主程序第一百九十四頁，共347頁。初始化子程序

硬件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等。初始化子程序第一百九十五頁，共347頁。中斷服務(wù)子程序

實(shí)時(shí)性強(qiáng)，由相應(yīng)的中斷源提出申請，CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序（中斷級別最低）電流調(diào)節(jié)中斷子程序（中斷級別居中）故障保護(hù)中斷子程序（優(yōu)先級別最高）第一百九十六頁，共347頁。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序轉(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)啟動(dòng)測速轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序第一百九十七頁，共347頁。電流調(diào)節(jié)中斷子程序電流反饋電流調(diào)節(jié)PWM生成電流調(diào)節(jié)中斷子程序第一百九十八頁，共347頁。故障保護(hù)中斷子程序封鎖PWM輸出分析故障原因顯示故障并報(bào)警故障保護(hù)中斷子程序第一百九十九頁，共347頁。2.3.2轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化

檢測光電式旋轉(zhuǎn)編碼器與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，然后計(jì)算轉(zhuǎn)速。數(shù)字測速方法：（1）M法—脈沖直接計(jì)數(shù)法（2）T法—脈沖時(shí)間計(jì)數(shù)法（3）M/T法—脈沖時(shí)間混合計(jì)數(shù)法第二百頁，共347頁。1.旋轉(zhuǎn)編碼器

光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件。

圖2-29增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖

第二百零一頁，共347頁。轉(zhuǎn)向鑒別： 一般的光電式旋轉(zhuǎn)編碼器提供A、B兩相脈沖序列，相位相差90°。見圖2-29脈沖序列的倍頻： 常用二倍頻或四倍頻。第二百零二頁，共347頁。2.數(shù)字測速精度指標(biāo)（1）分辯率改變一個(gè)最小計(jì)數(shù)位所對應(yīng)的 轉(zhuǎn)速變化量來表示分辨率Q。

Q=n2-n1

Q越小，測速裝置的分辯能力越強(qiáng)。第二百零三頁，共347頁。（2）測速精度