1、第1篇,直流調(diào)速系統(tǒng),電力拖動自動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng),內(nèi)容提要,直流調(diào)速方法直流調(diào)速電源直流調(diào)速控制,引言,直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。,直流電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速,式中n轉(zhuǎn)速（r/min）；U電樞電壓（V）；I電樞電流（A）；R電樞回路總電阻(）；勵磁磁通（Wb）；Ke由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的方法（1）調(diào)節(jié)電樞供電電

2、壓；（2）減弱勵磁磁通；（3）改變電樞回路電阻。,（1）調(diào)壓調(diào)速,調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。,（2）調(diào)阻調(diào)速,調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。,（3）調(diào)磁調(diào)速,調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。,調(diào)磁調(diào)速特性曲線,三種調(diào)速方法的性能與比較,對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。,1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的

3、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1.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計1.6比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng),第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng),常用的可控直流電源有以下三種:旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。,1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源,1.2晶閘管整流器-電動機(jī)系統(tǒng),圖13晶閘管整流器-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

4、原理圖,在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關(guān)系：式中，Ud平均整流電壓，Uc控制電壓，Ks晶閘管整流器放大系數(shù)。1觸發(fā)脈沖相位控制調(diào)節(jié)控制電壓Uc，移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，改變可控整流器VT輸出瞬時電壓ud的波形，以及輸出平均電壓Ud的數(shù)值。,式中E電動機(jī)反電動勢(V)；id整流電流瞬時值(A)；L主電路總電感(H)；R主電路總電阻()；,圖1-7V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖,瞬時電壓平衡方程式,對于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時，可用下式表示式中，從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；Um=0時的整流電壓波形峰值；m交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。,表1-1不同整流電路的整流電壓波

5、峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓,2電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù),在整流變壓器二次側(cè)額定相電壓u2的瞬時值大于反電動勢E時，晶閘管才可能被觸發(fā)導(dǎo)通。導(dǎo)通后如果u2降低到E以下，靠電感作用可以維持電流id繼續(xù)流通。由于電壓波形的脈動，造成了電流波形的脈動。,帶負(fù)載單相全控橋式整流電路的輸出電壓和電流波形,當(dāng)負(fù)載電流較小時，電感中的儲能較少，等到Id下降到零時，造成電流波形斷續(xù)。3.抑制電流脈動的措施（1）增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術(shù)；（2）設(shè)置電感量足夠大的平波電抗器。,V-M系統(tǒng)的電流波形(a)電流連續(xù)（b）電流斷續(xù),4晶閘管整流器-電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性,5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞

6、函數(shù),晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特性是非線性的。在設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)時，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似地看成線性環(huán)節(jié)，得到了它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)后，用線性控制理論分析整個調(diào)速系統(tǒng)。放大系數(shù)的計算由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定。,圖1-13晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性和Ks的測定,如果沒有得到實測特性，也可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。失控時間和純滯后環(huán)節(jié)滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時間引起的。失控時間是個隨機(jī)值。最大失控時間是兩個相鄰自然換相點之間的時間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器的類型有關(guān)。,圖114晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間,最大失控時間式中，f交流電源頻率(Hz)，m一周內(nèi)整流電壓的脈波數(shù)。

7、平均失控時間,表1-2晶閘管整流器的失控時間（f=50Hz）,晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù),滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號1(t)，輸出要隔一定時間后才出現(xiàn)響應(yīng)1(t-Ts)。輸入輸出關(guān)系為：傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)的近似處理按泰勒級數(shù)展開，可得依據(jù)工程近似處理的原則，可忽略高次項，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié),圖115晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,準(zhǔn)確的,近似的,6.晶閘管整流器運(yùn)行中存在的問題（1）晶閘管是單向?qū)щ姷?。（可逆運(yùn)行時需要兩組）（2）晶閘管對過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt都十分敏感。（3）低速運(yùn)行時，晶閘管的導(dǎo)通角變小會使得系統(tǒng)的功率因數(shù)也隨之減少，稱之為“電力公害

8、”。,1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題,自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。（1）PWM變換器的工作狀態(tài)和波形；（2）直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性；（3）PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型；（4）電能回饋與泵升電壓的限制。,PWM系統(tǒng)的優(yōu)越性,主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高；直流電源

9、采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。,在中小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了V-M系統(tǒng)。,1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形,脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形式，總體上可分為不可逆與可逆兩大類。1.不可逆PWM變換器（1）簡單的不可逆PWM變換器,圖1-16簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng),電路原理圖,電壓和電流波形,工作狀態(tài)與波形在一個開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時，Ug為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓Us通過VT加到直流電動

10、機(jī)電樞兩端。當(dāng)時，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞電路中的電流通過續(xù)流二極管VD續(xù)流，直流電動機(jī)電樞電壓近似等于零。直流電動機(jī)電樞兩端的平均電壓為改變占空比，即可實現(xiàn)直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。令為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中,工作狀態(tài)與波形在一個開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時，Ug為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓Us通過VT加到直流電動機(jī)電樞兩端。當(dāng)時，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞電路中的電流通過續(xù)流二極管VD續(xù)流，直流電動機(jī)電樞電壓近似等于零。直流電動機(jī)電樞兩端的平均電壓為改變占空比，即可實現(xiàn)直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。令為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中,圖1-17有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電

11、動機(jī)系統(tǒng),電路原理圖,不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)不允許電流反向，續(xù)流二極管VD的作用只是為id提供一個續(xù)流的通道。如果要實現(xiàn)電動機(jī)的制動，必須為其提供反向電流通道。,一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形,在一般電動狀態(tài)中，id始終為正值（其正方向示于圖2-11(a)中）。在0tton期間，VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷。電流id沿圖中的回路1流通。在tontT期間，VT1關(guān)斷，id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流。VT1和VD2交替導(dǎo)通，VT2和VD1始終關(guān)斷。,的正脈沖比負(fù)脈沖窄，,始終為負(fù)。,制動狀態(tài)的電壓、電流波形,在tontT期間，Vg2為正，VT2導(dǎo)通，在感應(yīng)電動勢E的作用下，反向電流沿回路3能耗

12、制動。在TtT+ton（即下一周期的0tton）期間，Vg2為負(fù)，VT2關(guān)斷，-id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋能量。VT2和VD1交替導(dǎo)通，VT1和VD2始終關(guān)斷。,(d)輕載電動狀態(tài)的電流波形,VT1、VD2、VT2和VD1四個管子輪流導(dǎo)通。,在VT1關(guān)斷后，id經(jīng)VD2續(xù)流。還沒有到達(dá)周期T，電流已經(jīng)衰減到零，在t=t2時刻，VT2導(dǎo)通，使電流反向，產(chǎn)生局部時間的制動作用。輕載時，電流可在正負(fù)方向之間脈動，平均電流等于負(fù)載電流，一個周期分成四個階段。,輕載電動狀態(tài)，一個周期分成四個階段：第1階段，VD1續(xù)流，電流id沿回路4流通；第2階段，VT1導(dǎo)通，電流id沿回路1流通；第3階段，

13、VD2續(xù)流，電流id沿回路2流通；第4階段，VT2導(dǎo)通，電流id沿回路3流通。在1、4階段，電動機(jī)流過負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制動狀態(tài)；在2、3階段，電動機(jī)流過正方向電流，電機(jī)工作在電動狀態(tài)。因此，在輕載時，電流可在正負(fù)方向之間脈動，平均電流等于負(fù)載電流,有制動電流通路的可逆PWM-直流電動機(jī)系統(tǒng),圖1-17(a)所示電路之所以為不可逆是因為平均電壓Ud始終大于零，電流雖然能夠反向，而電壓和轉(zhuǎn)速仍不能反向。如果要求轉(zhuǎn)速反向，需要再增加VT和VD，構(gòu)成可逆的PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)。,小結(jié),表1-3二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài),2.橋式可逆PWM變換器,可逆PWM變換器主電路有多種形

14、式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖1-20所示。這時，電動機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,3,2,A,B,4,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,圖1-18橋式可逆PWM變換器,H形主電路結(jié)構(gòu),圖1-19雙極式控制可逆PWM變換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形,雙極式控制方式,（1）正向運(yùn)行：在0tton期間，Ug1、Ug4為正，

15、VT1、VT4導(dǎo)通，Ug2、Ug3為負(fù)，VT2、VT3截止，電流id沿回路1流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB=+Us；在tontT期間，Ug1、Ug4為負(fù)，VT1、VT4截止，VD2、VD3續(xù)流，并鉗位使VT2、VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB=Us；,雙極式控制方式（續(xù)）,（2）反向運(yùn)行：在0tton期間，Ug2、Ug3為負(fù)，VT2、VT3截止，VD1、VD4續(xù)流，并鉗位使VT1、VT4截止，電流id沿回路4流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB=+Us；在tontT期間，Ug2、Ug3為正，VT2、VT3導(dǎo)通，Ug1、Ug4為負(fù)，使VT1、VT4保持截止，電流id沿回路3流通

16、，電動機(jī)M兩端電壓UAB=Us；,輸出波形,輸出平均電壓,雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（1-19）如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中=21（1-20）注意：這里的計算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。,調(diào)速范圍,調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01，10.5時，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)0.5時，為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)=0.5時，=0，電機(jī)停止。,注意：,當(dāng)電機(jī)停止時電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電機(jī)停止時仍有高頻微振

17、電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。,性能評價,雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；（5）低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。,性能評價（續(xù)）,雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。,2.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性,對于帶制動電流

18、通路的不可逆電路，其電壓平衡方程式分兩個階段：式中R、L分別為電樞電路的電阻和電感。電壓平均值方程平均電壓平均電流電樞電感壓降的均值轉(zhuǎn)速,機(jī)械特性,機(jī)械特性方程式為或用轉(zhuǎn)矩表示，電動機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。,圖1-20直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機(jī)械特性,說明,圖中所示的機(jī)械曲線是電流連續(xù)時脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。圖中僅繪出了第一、二象限的機(jī)械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機(jī)械特性與此相仿，只是更擴(kuò)展到第三、四象限了。對于電機(jī)在同一方向旋轉(zhuǎn)時電流不能反向的電路，輕載時會出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時，Id=0，理

19、想空載轉(zhuǎn)速會翹到n0sUs/Ce。目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于IGBT已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，其開關(guān)頻率一般在10kHz左右，這時，最大電流脈動量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬分之一，可以忽略不計。,3PWM控制器與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型,圖1-21PWM控制器與變換器框圖,傳遞函數(shù)為式中：KsPWM裝置的放大系數(shù)TsPWM裝置的延遲時間，近似的傳遞函數(shù),1.3.4電能回饋與泵升電壓的限制,PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓。,圖1-22橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖,整流器,H型橋式PW

20、M變換器,放電電阻,濾波大電容,泵升電壓產(chǎn)生的原因,對于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動時吸收運(yùn)行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。在突加交流電源時，大電容量濾波電容C相當(dāng)于短路，會產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電阻。合上電源后，經(jīng)過延時或當(dāng)直流電壓達(dá)到一定值時，閉合接觸器觸點K把電阻短路，以免在運(yùn)行中造成附加損耗。,電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)

21、到數(shù)千微法。在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，這時，可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻Rb來消耗掉部分動能。分流電路靠開關(guān)器件VTb在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時接通。,泵升電壓限制,泵升電壓限制電路,對于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋電網(wǎng)。當(dāng)然，這樣一來，系統(tǒng)就更復(fù)雜了。,1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo),任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求:（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過

22、大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。,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,1.調(diào)速指標(biāo),調(diào)速范圍：生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即,其中nmin和nmax一般都指電機(jī)額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實際負(fù)載時的轉(zhuǎn)速。,靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s，即,或用百分?jǐn)?shù)表示,式中nN=n0-nN,靜差率是用來衡量調(diào)速系

23、統(tǒng)在負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。他和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。,圖1-23不同轉(zhuǎn)速下的靜差率,2.靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別,一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。,例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機(jī)已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指

24、標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。,3.調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系,設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即,于是，最低轉(zhuǎn)速為,而調(diào)速范圍為,上式表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，nN值一定，可見，如果對靜差率要求越嚴(yán)，即要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。結(jié)論1：一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。,將上面的式代入nmin，得,例題1-1某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1430r/min，額定速降nN=115r/min，

25、當(dāng)要求靜差率30%時，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？,解要求30%時，調(diào)速范圍為若要求20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是,1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題,若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對運(yùn)行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以找到一些用途。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率有一定的要求。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。,例題1-2某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機(jī)，其額定數(shù)

26、據(jù)如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18歐，電動機(jī)電動勢系數(shù)Ce=0.2V.min/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？,解當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。,如果要求D=20，s5%，則由式（1-33）可知由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉

27、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。,1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性,根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。,系統(tǒng)組成,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，用以控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速n。,UPE的組成,圖中，UPE是由電力電子器件組成的變換器

28、，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc。,目前，組成UPE的電力電子器件有如下幾種選擇方案：對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等；對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。,穩(wěn)態(tài)分析條件,下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。,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：

29、,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)關(guān)系,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)，（Vmin/r）；UPE的理想空載輸出電壓；電樞回路總電阻。,從上述五個關(guān)系式中消去中間變量，整理后，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,靜特性方程,式中閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為它相當(dāng)于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。電動機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為注意：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開

30、環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。,閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,圖1-25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)圖,圖中各方塊內(nèi)的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。,b）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng),c）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng),運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算法同樣可以推出靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動量看成兩個獨立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)求出各自的輸出與輸入關(guān)系式，,由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式,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,比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開

31、反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為,(1-35),而閉環(huán)時的靜特性可寫成,(1-36),比較式（1-35）和式（1-36）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)載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為和它們的關(guān)系是,(1-37),系統(tǒng)特性比較,系統(tǒng)特性比較（續(xù)）,（2）如果比較同一個開環(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，（1-38）,（3）當(dāng)要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動機(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，閉環(huán)時，再考慮式（1-37），得

32、,(1-39),系統(tǒng)特性比較（續(xù)）,（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。把以上四點概括起來，可得下述結(jié)論：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是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。,例題1-3在例題1-2中，龍門刨床要求D=20，s5%，已知Ks=30，=0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？,解在上例中已經(jīng)求得nop=275r/min，但為了滿足調(diào)速要求，須有ncl=2.63r/

33、min，由式（1-38）可得,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)。,系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程,開環(huán)系統(tǒng)Idn例如：在圖1-26中工作點從AA閉環(huán)系統(tǒng)IdnUnUnnUd0Uc例如：在圖1-26中工作點從AB,Id,閉環(huán)靜特性,開環(huán)機(jī)械特性,圖1-26閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系,閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自動調(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。,1.4.5反饋控制規(guī)律,轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反

34、饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。,1.被調(diào)量有靜差,從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。然而，Kp=常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。因為閉環(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)。實際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的。,2.抵抗擾動，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作用，但對給定作用的變化則唯命是從。擾動除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。,調(diào)速系統(tǒng)的

35、擾動源,負(fù)載變化的擾動（使Id變化）；交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；電動機(jī)勵磁的變化的擾動（造成Ce變化）；放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）；溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；檢測誤差的擾動（使變化）。在圖1-27中，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。,擾動作用與影響,圖1-27閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用,抗擾能力,反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。例如：UsUd0nUnUnnUd0Uc,抗擾能力（續(xù)）,但是，如果在反饋通道上的測速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會

36、增大被調(diào)量的誤差。例如：UnUnUcUd0n因此，反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。,給定作用與眾不同的是在反饋環(huán)外的給定作用，如圖1-27中的轉(zhuǎn)速給定信號，它的些微變化都會使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋作用的抑制。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在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；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。,3.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。如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動。因

37、此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。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。,1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算,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：電動機(jī)：額定數(shù)據(jù)為10kW，220V，55A，1000r/min，電樞電阻Ra=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；,V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R=1.0；測速發(fā)電機(jī)：永磁式，額定數(shù)

38、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%，試計算調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)（暫不考慮電動機(jī)的起動問題）。,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)載時的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為=5.26r/min,（2）求閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)先計算電動機(jī)的電動勢系數(shù)：Vmin/r=0.1925Vmin/r,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,（3）計算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù)（4）計算運(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K53.3，則運(yùn)算放大器的放

39、大系數(shù)Kp應(yīng)為實取=21。,圖1-28中運(yùn)算放大器的參數(shù)計算如下：根據(jù)所用運(yùn)算放大器的型號，取R0=40k，則,1.4.7限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋（略）,1.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計,反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件動態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計,為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動態(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)和動態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（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)動態(tài)過程的微分方程；（2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

40、；（3）組成系統(tǒng)的動態(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)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型,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,只是在不同場合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。,TL,+,-,M,Ud0,+,-,E,R,L,ne,id,圖1-33他勵直流電動機(jī)等效電路,2.直流電動機(jī)的傳遞函數(shù),如果，忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動力學(xué)方程為,額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為,電樞回路電磁時間常數(shù)，s；電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)，s。,定義下列時間常數(shù),整理后得,微分方程,在零初

41、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),電流與電動勢間的傳遞函數(shù),傳遞函數(shù),動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,+,圖1-34額定勵磁下直流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,n(s),c.整個直流電動機(jī)的動態(tài)的結(jié)構(gòu)圖,由上圖c可以看出，直流電動機(jī)有兩個輸入量，一個是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個是負(fù)載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進(jìn)行等效變換，得下圖a。如果是理想空載，則IdL=0，結(jié)構(gòu)圖即簡化成下圖b。,動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化,a.IdL0,b.IdL=0,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

42、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,3.控制與檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),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)系組合起來，就可以畫出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。由圖可見，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)可以看作是一個三階線性系統(tǒng)。,4.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,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,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,1.5.2反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件,由上式可

43、知，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為,它的一般表達(dá)式為,根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-赫爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是,式（1-57）的各項系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有,或,整理后得,式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)Kcr，當(dāng)KKcr時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。對于一個自動控制系統(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。,1.5.3動態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計,1.概述在設(shè)計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況（如例題1-5，或例題1-7中要求更高調(diào)速范圍時），這時，必須設(shè)計合適的動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時滿足動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求。,2.

44、動態(tài)校正的方法,串聯(lián)校正；并聯(lián)校正；反饋校正。而且對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡單，也容易實現(xiàn)。,串聯(lián)校正方法：無源網(wǎng)絡(luò)校正RC網(wǎng)絡(luò)；有源網(wǎng)絡(luò)校正PID調(diào)節(jié)器。對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，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務(wù)。PID調(diào)節(jié)器的類型：比例微分（PD）比例積分（PI）比例積分微分（PID）,PID調(diào)節(jié)器的功能,由PD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，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以

45、保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器；在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用PD或PID調(diào)節(jié)器。,1.6比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng),前節(jié)主要討論，采用比例（P）放大器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有一定的穩(wěn)定裕度，同時還能滿足一定的穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)。但是，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng)。本節(jié)將討論，采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器代替比例放大器，構(gòu)成無靜差調(diào)速系

46、統(tǒng)。積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算,問題的提出,采用P放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(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，使系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定。采用比例調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為Uc=KpUnUc0，電動機(jī)運(yùn)行，即Un0；Uc=0，電動機(jī)停止。因此，在采用比例調(diào)節(jié)器控制的自動系統(tǒng)中，輸入偏差是維系系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，必然要產(chǎn)生靜差，因此是有靜差系統(tǒng)。如果要消除系統(tǒng)誤差，必須尋找其他控制方法。,1.6.1積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律,1.積分調(diào)節(jié)器根據(jù)電路分析，其電路方程,積分調(diào)節(jié)器a)原理圖,式中，積分時間常數(shù)。當(dāng)初始值為零時，在階躍輸入作用下，

47、對上式進(jìn)行積分運(yùn)算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出,積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為,2.積分調(diào)節(jié)器的特性,3.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。,圖1-45積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程a)階躍輸入b)一般輸入,輸入和輸出動態(tài)過程,圖b繪出的Un是負(fù)載變化時的偏差電壓波形，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。若初值不是零，還應(yīng)加上初始電壓Uc0，則積分式變成,由上圖b可見，在動態(tài)過程中，當(dāng)Un變化時，只要其

48、極性不變，即只要仍是Un*Un，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長；只有達(dá)到Un*=Un，Un=0時，Uc才停止上升；不到Un變負(fù)，Uc不會下降。在這里，值得特別強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)Un=0時，Uc并不是零，而是一個終值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。分析結(jié)果：積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速運(yùn)行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。,4.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，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。,當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時，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。,圖1-44有靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載過程,突加負(fù)載時的動態(tài)過程,無靜差調(diào)速系統(tǒng),當(dāng)負(fù)載突增時，積分控制的無靜差調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)過程曲線示于下圖。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速偏差電壓Un必為零。如果Un不為零，則Uc繼續(xù)變化，就不是穩(wěn)態(tài)了。在突加負(fù)載引起動態(tài)速降時產(chǎn)生Un，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時，Un又恢復(fù)為零，但Uc已從Uc1上升到Uc2，使電樞電壓由Ud1上升到Ud2，以克服負(fù)載電流增加的壓降。在這里，Uc的