電力拖動與控制系統(tǒng)第2章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-

1、2021-10-291第第1篇篇直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)2021-10-292直流電動機的穩(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 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。eKIRUn2021-10-293調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的方法 （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓； （2）減弱勵磁磁通； （3）改變電樞回路電阻。自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。2021-10-294（1）調(diào)壓調(diào)速n工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電阻 R = Ran調(diào)節(jié)過程： 改變

2、電壓 UN U U n ， n0 n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線2021-10-295（2）調(diào)阻調(diào)速n工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電壓 U =UN ；n調(diào)節(jié)過程： 增加電阻 Ra R R n ，n0不變；n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線2021-10-296（3）調(diào)磁調(diào)速n工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = R a ；n調(diào)節(jié)過程： 減小勵磁 N n ， n0 n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。n

3、n0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線2021-10-297 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。2021-10-298第第2章章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)2021-10-299內(nèi) 容 提 要n直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 n穩(wěn)態(tài)

4、調(diào)速性能指標和直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 n轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) n直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制 n轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護 n轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真2021-10-29102.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源n晶閘管整流器-電動機系統(tǒng) n直流PWM變換器-電動機系統(tǒng) 2021-10-29112.1.1 晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)圖21 晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖2021-10-2912在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關(guān)系：（2-1）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)。csdUKU2021-10-29131觸發(fā)脈沖相位控制

5、n調(diào)節(jié)控制電壓Uc， n移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，n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。 2021-10-2914dtdiLRiEuddd0(2-2)式中 E電動機反電動勢(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(), ；瞬時電壓平衡方程式2021-10-2915圖2-2 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 2021-10-2916n對于一般的全控整流電路，當電流波形連續(xù)時， 可用下式表示)(0fUdcossin0mUmUmd(2-3) 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

6、內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。2021-10-2917mU22U22U26U0dUcos9 . 02Ucos17. 12Ucos34. 22U整流電路 單相全波 三相半波三相橋式（全波）m236表2-1不同整流電路的整流電壓波峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓* U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。2021-10-2918n 整流與逆變狀態(tài)n當 0 0 ，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)； n當 /2 max 時， Ud0 0 ，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。 為避免逆變顛覆，應設置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖 2021-10-2919圖1-8 相控整流器的

7、電壓控制曲線 On 逆變顛覆限制 通過設置控制電壓限幅值，來限制最大觸發(fā)角。2021-10-29202電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)n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)導通。n導通后如果u2降低到E以下，靠電感作用可以維持電流id繼續(xù)流通。n由于電壓波形的脈動，造成了電流波形的脈動。 圖2-3 帶負載單相全控橋式整流電路的輸出電壓和電流波形2021-10-2921在Id上升階段，電感儲能；在Id下降階段，電感中的能量將釋放出來維持電流連續(xù)。圖24 V-M系統(tǒng)的電流波形(a) 電流連續(xù)2021-10-2922圖24 V-M系統(tǒng)的電流波形 （b）電流斷續(xù)當負

8、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)。2021-10-2923n 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）設置電感量足夠大的平波電抗器。2021-10-2924（1）多重化整流電路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP 如圖電路為由2個三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路M2021-10-2925（2）平波電抗器的設置與計算n單相橋式全控整流電路 n三相半波整流電路 n三相橋式整流電路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0

9、IUL（2-6）（2-4）（2-5）2021-10-29263晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)的機械特性n當電流波形連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為（2-7）式中，Ce電動機在額定磁通下的電動勢 系數(shù))RIU(C1nd0deNeeKC2021-10-2927圖2-5 電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性只要電流連續(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。（1）電流連續(xù)情況2021-10-2928n 當電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示 (1-10) (1-11)式中 ； 一個電流脈波的導通角。2)6

10、cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）電流斷續(xù)情況2021-10-2929圖26 V-M系統(tǒng)機械特性在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機械特性在電流斷續(xù)區(qū)，機械特性很軟，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。 電流斷續(xù)區(qū)與電流連續(xù)區(qū)的分界線是 = 2/3的曲線，當 = 2/3時，電流便開始連續(xù)了。 ：一個電流脈波的導通角（3）V-M系統(tǒng)機械特性2021-10-2930 4晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù) 和傳遞函數(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

11、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)。2021-10-2931（1）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計算 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計算方法是cdsUUK圖2-7 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和Ks的測定 (2-12)用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線2021-10-2932晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是Uc，輸出量是Ud，晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)Ks可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定 。如果沒有得到實測特性，也可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。2021-10-2933 如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如： 設觸發(fā)電路控制電壓

12、的調(diào)節(jié)范圍為 Uc = 010V 相對應的整流電壓的變化范圍是 Ud = 0220V 可取 Ks = 220/10 = 22（2）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算2021-10-2934（3）失控時間和純滯后環(huán)節(jié) 在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個純滯后環(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)。2021-10-2935圖28 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間 2021-10-2936最大失控時間 mf1Tmaxs(2-13) 平均失控時間 maxssT21T 式中，f

13、 交流電源頻率(Hz)， m 一周內(nèi)整流電壓的脈 波數(shù)。2021-10-2937整流電路形式最大失控時間 Tsmax(ms)平均失控時間 Ts(ms)單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式20106.673.331053.331.67表2-2 晶閘管整流器的失控時間（f=50Hz）2021-10-2938（4）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1(t-Ts)。輸入輸出關(guān)系為： )( 10scsdTtUKU 傳遞函數(shù)為sTscdsseKsUsUsW)()()(0（214） 2021-10-2939（5）傳遞函數(shù)的近似處理n按泰勒級

14、數(shù)展開，可得 3322! 31! 211)(sTsTsTKeKeKsWsssssTssTssssn考慮到 Ts 很小，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) sT1K)s(Wsss（2-16） 2021-10-2940圖29 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖準確的近似的（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)2021-10-29415. 晶閘管整流器運行中存在的問題（1）晶閘管是單向?qū)щ姷?，不允許電流反向，給電動機的可逆運行帶來困難。 （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。任一指標過高都可以使晶閘管損壞。（3）晶閘管的導通角變小時會使得系統(tǒng)

15、的功率因數(shù)也隨之減少，并在交流側(cè)產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，被稱之為“電力公害”。 2021-10-29422.1.2 直流直流PWM變換器變換器-電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng)n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)制的高頻開關(guān)控制方式, 形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。n與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性。n直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應用日益廣泛，特別在中、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)。 2021-10-29431PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形n脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度

16、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)電動機轉(zhuǎn)速。nPWM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。2021-10-2944圖2-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)電路原理圖 n 簡單的 不可逆PWM-直流電動機系統(tǒng)2021-10-2945圖2-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)電壓和電流波形 2021-10-2946n在一個開關(guān)周期T內(nèi)，n當 時，Ug為正，VT飽和導通，電源電壓Us通過VT加到直流電動機電樞兩端。n當 時， Ug為負， VT關(guān)斷，電樞電路中的電流通過續(xù)流二極管VD續(xù)流

17、，直流電動機電樞電壓近似等于零。 ontt0Ttton2021-10-2947n直流電動機電樞兩端的平均電壓為 （2-17） n改變占空比 ，即可實現(xiàn)直流電動機的調(diào)壓調(diào)速。n令 為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中 （2-18）ssondUUTtU10sdUU2021-10-2948n不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)不允許電流反向，n續(xù)流二極管VD的作用只是為id提供一個續(xù)流的通道。n如果要實現(xiàn)電動機的制動，必須為其提供反向電流通道 。2021-10-2949圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)電路原理圖 n 有制動電流通路的 不可逆PWM-直流電動機系統(tǒng)20

18、21-10-2950一般電動狀態(tài)n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）。n在0tton期間，VT1導通，VT2關(guān)斷。電流id沿圖中的回路1流通。n在tontT期間，VT1關(guān)斷，id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流。nVT1和VD2交替導通， VT2和VD1始終關(guān)斷。電路原理圖 圖2-11有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)2021-10-2951圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形 2021-10-2952制動狀態(tài) n在tontT期間，Vg2為正，VT2導通，在感應電動勢E的作用下，反向電流沿回路3能耗

19、制動。n在TtT+ton（即下一周期的0tton）期間，Vg2為負， VT2關(guān)斷，-id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋能量。nVT2和VD1交替導通， VT1和VD2始終關(guān)斷。 電路原理圖 圖2-11有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)2021-10-2953圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)1gU的正脈沖變窄負脈沖變寬 ，平均電壓Ud降低 dUE di始終為負。 制動狀態(tài)的電壓、電流波形 2021-10-2954輕載電動狀態(tài) n在VT1關(guān)斷后，id經(jīng)VD2續(xù)流。n還沒有到達周期T，電流已經(jīng)衰減到零，n在t=t2時刻，VT2導通，使電流反向，產(chǎn)生局部

20、時間的制動作用。n輕載時，電流可在正負方向之間脈動，平均電流等于負載電流，一個周期分成四個階段。 電路原理圖 圖2-11有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)2021-10-2955圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng) (d) 輕載電動狀態(tài)的電流波形 VT1、VD2、VT2和VD1四個管子輪流導通。 2021-10-2956n 有制動電流通路的 不可逆PWM-直流電動機系統(tǒng) n圖2-11(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。n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

21、動機系統(tǒng)，在第4章中將進一步討論。 2021-10-2957小小 結(jié)結(jié)表2-3 二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)2021-10-29582.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性n對于帶制動電流通路的不可逆電路，其電壓平衡方程式分兩個階段：n (2-19)n (2-20)式中R、L分別為電樞電路的電阻和電感。)0(onddsttEdtdiLRiUEdtdiLRidd0)(Ttton2021-10-2959電壓平均值方程電壓平均值方程 平均電壓平均電壓 平均電流平均電流 電樞電感壓降的均值（穩(wěn)態(tài)時）電樞電感壓降的均值（穩(wěn)態(tài)時） 平均轉(zhuǎn)速平均轉(zhuǎn)速nCRIERIUeddssdUUdI0dtdiLd eC

22、En （2-21） 求一個周期內(nèi)的平均值，則電壓平均值方程為：求一個周期內(nèi)的平均值，則電壓平均值方程為：2021-10-2960機械特性 n機械特性方程式為 (2-22)n或用轉(zhuǎn)矩表示， (2-23)式中， 電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。dedeesICRnICRCUn0emeemeesTCCRnTCCRCUn0NmmKCesCUn02021-10-2961圖2-12直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機械特性2021-10-29623PWM控制器與變換器的動態(tài)數(shù)學模型控制器與變換器的動態(tài)數(shù)學模型圖2-13 PWM控制器與變換器框圖 2021-10-2963傳遞函

23、數(shù) n傳遞函數(shù)為 (2-24)式中：KsPWM裝置的放大系數(shù) TsPWM裝置的延遲時間，n近似的傳遞函數(shù) (2-25)sTscdsseKsUsUsW)()()(1)(sTKsWsss2021-10-29644直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的電能回饋和泵升電壓調(diào)速系統(tǒng)的電能回饋和泵升電壓nPWM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。當電動機工作在回饋制動狀態(tài)時，電能不可能通過整流裝置送回交流電網(wǎng)，只能向濾波電容充電，形成直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)特有的電能回饋問題。C C+2021-10-2965n對濾波電容充電的結(jié)果造成直流側(cè)電壓升高，稱

24、作“泵升電壓”。n系統(tǒng)在制動時釋放的動能將表現(xiàn)為電容儲能的增加，所以要適當?shù)剡x擇電容的電容量，或采取其它措施，以保護電力電子開關(guān)器件不被泵升電壓擊穿。 過電壓信號UsRbVTbC+泵升電壓限制電路2021-10-29662.2 穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標和 直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性n對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求：（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)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)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動；（3）加、減速頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。2021-10-29672

25、.2.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標1、調(diào)速范圍調(diào)速范圍n生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即（2-27）nnmax和nmin是電動機在額定負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，n對于少數(shù)負載很輕的機械，也可用實際負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。minmaxnnD 2021-10-29682、靜差率靜差率sn當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉(zhuǎn)速降落nN與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比：（2-28）n用百分數(shù)表示（2-29）0nnsN%1000nnsN2021-10-2969靜差率與機械特性硬度的區(qū)別圖2-1

26、4 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率n特性a和b的硬度相同，n特性a和b額定速降相同，n特性a和b的靜差率不相同。 2021-10-2970n例如例如：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%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。 n 因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。n調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數(shù)值為準。靜差率與機械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）2021-10-29713. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系（2-30）n對于

27、同一個調(diào)速系統(tǒng)，nN值是定值。n要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍D也越小。n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。)1 (snsnDNN2021-10-2972結(jié)論1：n調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。孤立的，必須同時提才有意義。n調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數(shù)值為準。達到的數(shù)值為準。n調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還調(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。能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。 2021-10-

28、2973例題例題2-1 n某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降nN=115r/min， 當要求靜差率s30%時，允許多大的調(diào)速范圍？ 如果要求靜差率s 20%，則調(diào)速范圍是多少？ 如果希望調(diào)速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？ 2021-10-2974解解 在要求s 30%時，允許的調(diào)速范圍為 若要求s 20%，則允許的調(diào)速范圍只有 若調(diào)速范圍達到10，則靜差率只能是3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (snsnDNN1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D%6 .44446. 011510143011510NNNnDnnDs

29、2021-10-2975圖215 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖2.2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性2021-10-29762.2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即無反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。n調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。n晶閘管整流器和PWM變換器都是可控的直流電源，用UPE來統(tǒng)一表示可控直流電源， 2021-10-2977機械特性機械特性 n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電力電子變換器直流電動機 n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性為 csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn（2-31） 2021-

30、10-2978圖2-16 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2021-10-2979圖2-17 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性n額定速降 nN=RIN/Ce制約了開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)速范圍和靜差率2021-10-2980例題例題2-2 某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數(shù)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，電動機電動勢系數(shù)Ce=0.2Vmin/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s5%，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nN最多能有多少？ 2021-10-2981解解:當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)在額

31、定轉(zhuǎn)速時的靜差率為如要求 ， ，即要求305 0.18=275r/min0.2dNNeIRnC2750.21621.6%1000275NNNNnsnn 10000.052.63 /min(1)20(10.05)NNn snrDs20D%5s2021-10-2982 由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275 r/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，需采用轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。2021-10-29832.3 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)n根據(jù)自動控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進行比較，用

32、比較后的偏差值對系統(tǒng)進行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制反饋控制的基本作用。n調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。 2021-10-29842.3.1 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學模型n在負反饋基礎(chǔ)上的“檢測誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。n在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。2021-10-29851轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖2-18 帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)

33、直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 2021-10-2986 穩(wěn)態(tài)關(guān)系穩(wěn)態(tài)關(guān)系n電壓比較環(huán)節(jié)n比例調(diào)節(jié)器n測速反饋環(huán)節(jié) n電力電子變換器 n直流電動機 n*nnUUUnpcUKUnUncsdUKU0ed0dCRIUnKp比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin/r）2021-10-2987靜特性方程式 *(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK KCCKCK（2-32） 式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán) 放大系數(shù) n閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。 espCKKK2021-10-2988n注意：注意： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特

34、性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特靜特性性”，以示區(qū)別。2021-10-2989KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-19 轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（a）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 2021-10-2990 圖中各方塊內(nèi)的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運用結(jié)構(gòu)圖運算法同樣可以推出式（2-32）所表示的靜特性方程式，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，2021-10-2991b）只考慮給定作用

35、時的閉環(huán)系統(tǒng)c）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng))1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E2021-10-2992 由于已認為系統(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（2-32）)1()1(ede*nspKCRIKCUKKn2021-10-2993圖2-19轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（b）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng) 2021-10-2994圖2-19轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（c）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)2021-10-2995圖2-19轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)

36、速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（a）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 2021-10-29962轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型n一個帶有儲能環(huán)節(jié)的線性物理系統(tǒng)的動態(tài)過程可以用線性微分方程描述，n微分方程的解即系統(tǒng)的動態(tài)過程系統(tǒng)的動態(tài)過程，它包括兩部分：動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)解。n在動態(tài)過程中，從施加給定輸入值的時刻開始，到輸出達到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的動態(tài)響應；n系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，可用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。2021-10-2997n比例放大器的傳遞函數(shù) n電力電子變換器的傳遞函數(shù)n測速反饋的傳遞函數(shù)1)(sTKsWsss(2-33) pncaKsUsUsW)()()(（2-42） )()()(snsUsWnfn(2-43)

37、 2021-10-2998圖2-20 他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路n假定主電路電流連續(xù)， 動態(tài)電壓方程動態(tài)電壓方程： (2-34) n忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩， 電動機軸上的動力學方程動力學方程： (2-35)EdtdILRIUddd0dtdnGDTTLe37522021-10-2999n額定勵磁下的感應電動勢感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩分別為 (2-36) (2-37) 包括電動機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩，（Nm） 電力拖動裝置折算到電動機軸上的飛輪慣量，(Nm2) 電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，(Nm/A)n再定義下列時間常數(shù)： 電樞回路電磁時間常數(shù)(s) 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)(s)

38、nCEedmeICT LT2GDemCC30RLTlmemCCRGDT37522021-10-29100n整理后得 (2-38) (2-39)式中， 負載電流（A）。)(0dtdITIREUdldddtdERTIImdLdmLdLCTI2021-10-29101n在零初始條件下，取拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) (2-40)n電流與電動勢間的傳遞函數(shù) (2-41)11)()()(10sTRsEsUsIddsTRsIsIsEmdLd)()()(2021-10-29102圖2-21 額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖 (b)電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖 (c）直流電動機的動

39、態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2021-10-29103n直流電動機有兩個輸入量兩個輸入量： 一個是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，是控制輸入量， 另一個是負載電流IdL，是擾動輸入量。n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，再進行等效變換，得圖2-22。 2021-10-29104n額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環(huán)節(jié)，n時間常數(shù)Tm表示機電慣性n時間常數(shù)Tl表示電磁慣性。 圖2-22 直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換 2021-10-29105圖2-23 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由圖可見，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

40、性系統(tǒng)。2021-10-29106轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) ) 1)(1()()()(2sTsTTsTKsUsUsWmlmsnn(2-44) 式中 espCKKK/2021-10-29107轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) KsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsUsnsWmlmsespmlmsespmlmsespncl) 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)()()(222*111)(1)1 (23sKTTsKTTTsKTTTKCKKsmslmslmesp（2-45） 2021-10-291082.3.2 比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1開環(huán)

41、系統(tǒng)機械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系n開環(huán)機械特性為 (2-46) 式中， 表示開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速， 表示開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。n比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性為 (2-47) 式中， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (opn0opn0clncln2021-10-29109（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng) 機械特性硬得多n在同樣的負載擾動下， 開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落 閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落n它們的關(guān)系是 (2-48)edopCRIn)1 (KCRInedc

42、lKnnopcl12021-10-29110（2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng) 小得多n閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率為n開環(huán)系統(tǒng)的靜差率為n當 時， （2-49）clclclnns0opopopnns0clopnn00Kssopcl12021-10-29111（3）如果所要求的靜差率一定，則 閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍n如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nN，最低速靜差率都是s，可得 開環(huán)時， 閉環(huán)時， n得到 （2-50）)1 (snsnDopNop)1 (snsnDclNclopclDKD)1 ( 2021-10-29112結(jié)論結(jié)論2： 把以上三點概括起來，可得下述結(jié)論： 比值控制的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比

43、值控制的直流閉環(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)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，須增設速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及轉(zhuǎn)速檢測與反饋裝置。電壓放大器以及轉(zhuǎn)速檢測與反饋裝置。 2021-10-29113圖2-24 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機械特性的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性2021-10-29114系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程n開環(huán)系統(tǒng) Id n 例如：在圖2-24中工作點從A An 閉環(huán)系統(tǒng) Id n Un Un Uc n Ud0 例如：在圖2-24中工作點從A

44、 Bn比例控制直流調(diào)速系統(tǒng)能夠在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降的變化。2021-10-29115例題2-3 在例題2-2中，龍門刨床要求D=20，s5%，已知 Ks=30,= 0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)滿足上述要求時，比例放大器的放大系數(shù)應該有多少？ 2021-10-29116解: n開環(huán)系統(tǒng)額定速降為 =275 r/min，n閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為 2.63 r/min，由式（2-48）可得n則得n即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46。opncln6 .103163. 22751clopnn

45、K462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK2021-10-291172反饋控制規(guī)律（1）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差被調(diào)量有靜差的的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)n 比例控制反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。n但只要比例放大系數(shù)Kp常數(shù)，開環(huán)放大系數(shù)K，反饋控制就只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它，n這樣的控制系統(tǒng)叫做有靜差控制系統(tǒng)。比例控制的閉環(huán)直流調(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，2021-10-29118（2）反饋控制系統(tǒng)的作用是：）反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動抵抗擾動, 服從給定

46、服從給定n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反饋環(huán)所包圍的上的擾動作用，n對于給定作用的變化唯命是從。n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”。2021-10-29119調(diào)速系統(tǒng)的擾動源n負載變化的擾動（使Id變化）；n交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；n電動機勵磁的變化的擾動（造成Ce 變化 ）；n放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）；n溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；n檢測誤差的擾動（使變化） 。 在圖2-25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。2021-10-29

47、120圖2-25 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用2021-10-29121n 結(jié)論3： 反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環(huán)內(nèi)夠有效地抑制一切被包在負反饋環(huán)內(nèi)前向通道上前向通道上的擾動作用；另一方面，的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信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。號的任何變化都是唯命是從的。2021-10-29122（3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度度n反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應有的給定電壓的電源波動。n反饋檢測裝置的誤差

48、也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的。n現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用數(shù)字給定和數(shù)字測速來提高調(diào)速系統(tǒng)的精度。 2021-10-291233比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動態(tài)穩(wěn)定性n比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為 (2-51)n根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是n整理后得 (2-52)0111)(123sKTTsKTTTsKTTTsmslmslm0111)(KTTTKTTKTTTslmsmslmslsslmTTTTTTK2)(2021-10-29124例題2-4 在例題2-3中，系統(tǒng)采用的是三相橋式可控整流電路，已知電樞回路總電阻 ，電感量 3mH，系統(tǒng)運動部分的飛輪慣量 ，試判別系統(tǒng)的

49、穩(wěn)定性。0.18R L 2260mNGD2021-10-29125解 ：n電磁時間常數(shù)n機電時間常數(shù) n晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為 n為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應滿足的穩(wěn)定條件：n閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和例題2-3中穩(wěn)態(tài)性能要求 是矛盾的。sRLTl0167. 018. 0003. 0sCCRGDTmem075. 02 . 0302 . 037518. 0603752sTs00167.05 .4900167. 00167. 000167. 0)00167. 00167. 0(075. 0)(22slsslmTTTTTTK103.5K 2021-10-29126例題2-5 在上題的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，若改用

50、全控型器件的PWM調(diào)速系統(tǒng)，電動機不變，電樞回路參數(shù)為： ， ， ，PWM開關(guān)頻率為8 。按同樣的穩(wěn)態(tài)性能指標 ， ，該系統(tǒng)能否穩(wěn)定？如果對靜差率的要求不變，在保證穩(wěn)定時，系統(tǒng)能夠達到的最大調(diào)速范圍有多少？0.1R 1LmH44sK kHz20D 5%s 2021-10-29127解 ：sCCRGDTmem0419. 02 . 0302 . 03751 . 0603752sRLTl01.01 .0001.04 .339000125. 001. 0000125. 0)000125. 001. 0(0417. 0)(22slsslmTTTTTTKsTs000125. 0800012021-10-2

51、9128n按照穩(wěn)態(tài)性能指標 、 要求 n nPWM調(diào)速系統(tǒng)能夠在滿足穩(wěn)態(tài)性能指標要求下穩(wěn)定運行。 20D 5%s 2.63 r/mincln（見例題2-2） 3050.1152.5 r/min0.2NopeI RnC152.511572.63opclnKn 0，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長；只有達到Un=0時， Uc才停止上升；只有到Un變負， Uc才會下降。n當Un=0時， Uc并不是零，而是某一個固定值Ucf 積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速運行，實現(xiàn)2021-10-29134n突加負載時，由于Idl的增加，轉(zhuǎn)速n下降，導致Un變正，n在積分調(diào)節(jié)器的作用下，Uc上升，電樞電壓U

52、d上升，以克服Idl增加的壓降，最終進入新的穩(wěn)態(tài) 。*nnUU0nU2dLdII2ccUU 圖2-27積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負載時的動態(tài)過程2021-10-29135積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別：n積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時Un =0，只要歷史上有過Un ，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運行所需要的控制電壓。2021-10-291362比例積分控制規(guī)律n比例積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）的輸入輸出關(guān)系為 （2-55）式中，UinPI調(diào)節(jié)器的輸入，UexPI調(diào)節(jié)器的輸出。n其傳遞函數(shù)為 （2-56）式中，KpPI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)， PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。n令1=Kp，則PI調(diào)節(jié)器的傳遞函

53、數(shù)也可寫成如下形式 （2-57）表明，PI調(diào)節(jié)器也可用積分和比例微分兩個環(huán)節(jié)表示，式中，1微分項中的超前時間常數(shù)。tininpexdtUUKU01ssKsKsWppPI11)(ssKsWpPI111)(2021-10-29137n用運算放大器來實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器的輸入極性和輸出極性是反相的； (2-58)n式中 Rbal為運算放大器同相輸入端的平衡電阻。圖2-28 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器線路圖dtUUKdtUCRURRUininpininex11100101RRKp10CR2021-10-29138nPI控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點。n比例部分能迅速響應控制作用比

54、例部分能迅速響應控制作用，n積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。2021-10-29139n在t=0時就有Uex(t)=KpUin，實現(xiàn)了快速控制；n隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長， n在t=t1時，Uin=0， 圖2-29 PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性ininpexUtUKtU)(in1exUtU2021-10-29140n在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)節(jié)器輸出部分Uc由兩部分組成，n比例部分和Un成正比，n積分部分表示了從t=0到此時刻對Un(t)的積分值，nUc是這兩部分之和。圖2-30 閉環(huán)系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程2021-10-291412.3.4 直流調(diào)速系

55、統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析圖2-31 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器用ASR表示） 穩(wěn)態(tài)誤差是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的指標2021-10-29142n使用比例調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-44） 式中 n使用積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-59） 式中 n使用比例積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-60） 式中 ) 1)(1()(2sTsTTsTKsWmlmsespCKKK/) 1)(1()(2sTsTTsTsKsWmlmsesCKK) 1)(1() 1()(2sTsTTsTssKKsWmlmspesCKK2021-10-29143n根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中積分環(huán)節(jié)的數(shù)目劃分控制

56、系統(tǒng)的類型， 比例控制的調(diào)速系統(tǒng)是0型系統(tǒng)， 積分控制、比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是型系統(tǒng)。n穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值，即 （2-61）n衡量系統(tǒng)控制的準確度的是系統(tǒng)對給定輸入Un*的跟隨能力；n衡量系統(tǒng)抑制干擾能力的是系統(tǒng)抑制負載電流IdL的抗擾能力。)()()(*tUtUtUnnn2021-10-291441階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差n在分析階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差時，令I(lǐng)dL(s)=0。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-62）n階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 ) 1)(1(11)()(2*sTsTTsTKsUsUmlmsnnsUsUnn*)(KUsTsTTsTKsUssUsUnmlmsn

57、snsn1) 1)(1(11)(*2*00limlim（2-65） 2021-10-29145n積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-63）n階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 sUsUnn*)(（2-66） ) 1)(1(11)()(2*sTsTTsTsKsUsUmlmsnn0) 1)(1(11)(2*00limlimsTsTTsTsKsUssUsUmlmsnsnsn2021-10-29146n比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-64）n階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 sUsUnn*)(（2-67） ) 1)(1() 1(11)()(2*sTsTTsTssKKsUsUmlmspnn0) 1)(1(

58、) 1(11)(2*00limlimsTsTTsTssKKsUssUsUmlmspnsnsn2021-10-29147階躍給定輸入分析結(jié)果n在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，n0型系統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱作有靜差調(diào)速系統(tǒng)；n型系統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無差，被稱作無靜差調(diào)速系統(tǒng)。2021-10-291482擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差n在分析由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差時，令Un*(s)=0。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-68）n階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-72) ) 1)(1(1) 1() 1()()(22sTsTTsTKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLn)1 () 1)(1(1) 1()

59、1()(2200limlimKCRIsTsTTsTKsTsTTCsTRsIssUsUedLmlmsmlmeldLsnsnsIsIdLdL)(2021-10-29149n積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-70）n階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-73) sIsIdLdL)() 1)(1(1) 1() 1()()(22sTsTTsTsKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLn0) 1)(1(1) 1() 1()(2200limlimsTsTTsTsKsTsTTCsTRsIssUsUmlmsmlmeldLsnsn2021-10-29150n比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-71）n階躍擾動

60、引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-74) sIsIdLdL)()1)(1()1(1)1()1()()(22sTsTTsTssKKsTsTTCsTRsIsUmlmspmlmeldLn0) 1)(1() 1(1) 1() 1()(2200limlimsTsTTsTssKKsTsTTCsTRsIssUsUmlmspmlmeldLsnsn2021-10-29151階躍擾動分析結(jié)果n由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差取決于誤差點與擾動加入點之間的傳遞函數(shù)。n比例控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)無積分環(huán)節(jié)，故存在擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差，稱作有靜差調(diào)速系統(tǒng)；n積分控制或比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)具有積分環(huán)節(jié)，所以由階躍擾動引起的穩(wěn)