轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、直流調(diào)速系統(tǒng)第 2 章2.3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.3.1 2.3.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性2.3.2 2.3.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析2.3.3 2.3.3 無靜差調(diào)速系統(tǒng)的積分控制規(guī)律無靜差調(diào)速系統(tǒng)的積分控制規(guī)律2.3.4 2.3.4 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)2.3.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性控制器控制器功率驅(qū)動(dòng)裝置功率驅(qū)動(dòng)裝置生產(chǎn)機(jī)械生產(chǎn)機(jī)械電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定轉(zhuǎn)速給定電網(wǎng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖轉(zhuǎn)速負(fù)

2、反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖1. 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+ATG+UtgnUn U*nMTGIdUnUdUctGT+放大器放大器L測(cè)速測(cè)速發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)2. 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的）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；輸入輸出關(guān)系都是線性的；（2）V-M系統(tǒng)工作在開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段；系統(tǒng)工作在開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段；（3）忽略控制電源和電位器的等效電阻。）忽略控制電源和電位器的等效電阻。 為分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，先作如下的假定：電壓比

3、較環(huán)節(jié)電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU放大器放大器 ctpnUKU電力電子變換器電力電子變換器 d0sctUK U調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性 ed0dCRIUn測(cè)速反饋環(huán)節(jié)測(cè)速反饋環(huán)節(jié) nUnn 各環(huán)節(jié)靜態(tài)關(guān)系各環(huán)節(jié)靜態(tài)關(guān)系 以上各關(guān)系式中以上各關(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。KpKsRUd0采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+ATG+UtgnUn U*nMTGIdUnUd0UctGT+LKpKs ed0dCRIUnKpKs 1/CeU*nUctUnEnUd0Un+IdR_Un

4、Ksn 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖_ 由上述五個(gè)關(guān)系式可以得到轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖。)1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-Ea）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)b）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)n 靜特性方程式靜特性方程式 將給定輸入和擾動(dòng)輸入下系統(tǒng)的靜態(tài)方程疊加，推導(dǎo)出整個(gè)系統(tǒng)的靜特性方程靜特性方程式：*psndee(1)(1)K K URInCKCKpse/KK KC 式中， 為閉環(huán)系統(tǒng)

5、的放大倍數(shù)。n注意：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(dòng)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“靜特性靜特性”，以示區(qū)別。 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。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為 opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成 *psnd0clclee(1)(1)K K URInnnCKCK3. 開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性 和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系 在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 和

6、 它們的關(guān)系是 opcl1nnKedopCRIndcle(1)RInCK(1) 閉環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的硬度大大提高閉環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的硬度大大提高 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)，clcl0clnsnop0opopnnsopcl1ssK(2) n0op=n0cl時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)靜差率小許多時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)靜差率小許多 如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對(duì)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nop和ncl之間的關(guān)系，得 clop(1)DK Dnomopop(1)nsDnsnomclcl(1)nsDns(3) 靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍大大提高靜差率一

7、定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍大大提高 如要維持系統(tǒng)運(yùn)行速度不變，需要閉環(huán)系統(tǒng)的 是開環(huán)系統(tǒng)的 (1+ K) 倍。 同時(shí)，前三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，也要有足夠大的K，因此必須設(shè)置放大器。(4) 給定電壓相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)空載轉(zhuǎn)速大大降低給定電壓相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)空載轉(zhuǎn)速大大降低0op0cl1nnK*nU 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（控制器）須增設(shè)電壓放大器（控制器）以及檢測(cè)與反饋裝置以及檢測(cè)與反饋裝置。 結(jié)論結(jié)論3： n例例2.2 對(duì)于例2.1所示的開環(huán)系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成單閉環(huán)系統(tǒng)，且已知晶閘管

8、整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù) Ks = 30， = 0.015Vmin/r，為了滿足給定的要求，計(jì)算放大器的電壓放大系數(shù)KP 。KpKs 1/CeU*nUctUnEnUd0Un+IdR_UnKs_解：解：在例2.1中已經(jīng)求得 nop = 275 r/min，但為了滿足D = 20，s 5%的調(diào)速要求，須 ncl = 2.63 r/min，由式： 可得opcl27511103.62.63nKn opcl1nnK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)。462 . 0/015. 0306 .103/espCKKKnOIdId1Id2AA開環(huán)機(jī)械

9、特性開環(huán)機(jī)械特性圖2.19 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系Ud4Ud3Ud2Ud1Kp U*nUnUn+_Un1/CeUctEnUd0+IdRKs_BId3Id4CD閉環(huán)靜特性閉環(huán)靜特性 由此看來，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。 轉(zhuǎn)速反饋單閉環(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(gè)基本特三個(gè)基本特征征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。 4. 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本特征單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本特征 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 只有

10、K = ，才能使 ncl = 0，而這是不可能實(shí)現(xiàn)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。)(edcKICRInl(1) 具有比例放大器的單閉環(huán)系統(tǒng)存在靜差具有比例放大器的單閉環(huán)系統(tǒng)存在靜差(2) 閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)源：n負(fù)載變化的擾動(dòng)（使Id變化）；n交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)（使Ks變化）；n電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng)（造成Ce 變化 ）；n放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng)（使Kp變化）；n溫升引起主電路電阻增大的擾動(dòng)（使R變化）；n檢測(cè)誤差的擾動(dòng)（使變化） 。 n 擾動(dòng)作用的位置擾動(dòng)作用的位置圖2.2

11、0 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用 勵(lì)磁變化勵(lì)磁變化Id變化變化電源波動(dòng)電源波動(dòng)Kp變化變化電阻變化電阻變化檢測(cè)誤差檢測(cè)誤差KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- R n反饋控制系統(tǒng)對(duì)被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)都有抑制功能。n但是，如果在反饋通道上的測(cè)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(huì)增大被調(diào)量的誤差。n 擾動(dòng)帶來的影響擾動(dòng)帶來的影響 反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠反饋控制系統(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(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊

12、地跟隨著給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都隨著給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從的。是唯命是從的。結(jié)論結(jié)論4： n給定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(dòng)，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動(dòng)。因此，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。n檢測(cè)精度檢測(cè)精度反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測(cè)精度決定了系統(tǒng)輸出精度。(3) 系統(tǒng)的精度依賴于給定和檢測(cè)元件的精度系統(tǒng)的精度依賴于給定和檢測(cè)元件的精度2.3.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 通過穩(wěn)態(tài)性能的研究可知：引

13、入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋并使放大倍數(shù) K 足夠大，就可以減少穩(wěn)態(tài)速降，滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)要求。但是放大系放大系數(shù)過大，會(huì)使數(shù)過大，會(huì)使閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差，甚至動(dòng)態(tài)性能變差，甚至造成不穩(wěn)定造成不穩(wěn)定，因此有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能的分析。 為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)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. 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟：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)

14、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)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)系統(tǒng)的 傳遞函數(shù)。+A+UtgnUn U*nMTGIdUnUd0UctGT+L(1) 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)TL+MUd0+E R Ln, Te idM圖圖2.21 直流電動(dòng)機(jī)等效電路直流電動(dòng)機(jī)等效電路 dd0dddiuRiLEt 假定主電路電流連續(xù)，則電壓平衡方程為： 電壓平衡方程電壓平衡方程(1) 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)TL+MUd0+E R Ln, Te idM圖圖2.21 直流電動(dòng)機(jī)等效電

15、路直流電動(dòng)機(jī)等效電路 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： 轉(zhuǎn)矩平衡方程轉(zhuǎn)矩平衡方程(1) 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)tnGDTTdd3752Le飛輪慣量2GD結(jié)合 ， dmeICT nCEe并定義下列時(shí)間常數(shù) 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，s； 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，s。RLTlme2m375CCRGDT dd0dd()dliueR iTtmddLddTeiiRtLdLmTiC式中 為負(fù)載電流。 將上述各式進(jìn)行整理，得到微分方程組n 微分方程微分方程 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)電壓與電流間的傳遞函數(shù) dd0( )1

16、/( )( )1lI sRUsE sTs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)()()(n 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)n 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 Id (s)IdL(s)+-E (s) R TmsE(s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)+dd0( )1/( )( )1lI sRUsE sTssTRsIsIsEmdLd)()()(+n(s)圖圖2.22 電流連續(xù)時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖電流連續(xù)時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 1/CeUd0(s)IdL (s) E(s)Id (s)+- 1/R Tl s+1 R Tms 由上圖可以看出，由上圖可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)

17、直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓載電壓Ud0，另一個(gè)是負(fù)載電流，另一個(gè)是負(fù)載電流IdL。前者。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。如是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將果不需要在結(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)行等效變換。擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換。n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n 帶載時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化帶載時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化a. IdL 0n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)n

18、空載時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化空載時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化b. IdL= 0+ATG+UtgnUn U*nMTGIdUnUd0UctGT+L(2) 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)(2) 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù) 由于晶閘管整流裝置總離不開觸發(fā)電由于晶閘管整流裝置總離不開觸發(fā)電路，因此在進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)，往往把它們路，因此在進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)，往往把它們看作一個(gè)整體，作為看作一個(gè)整體，作為一個(gè)環(huán)節(jié)一個(gè)環(huán)節(jié)處理。處理。+Ud0UctGTsd0ssct( )( )e( )T sUsW sKUs 晶閘管觸發(fā)和整晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可流

19、裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是率決定，計(jì)算方法是cdsUUK晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測(cè)定 n 放大系數(shù)放大系數(shù)Ks的求取的求取 如果不能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。如果不能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。n例如：例如： 設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為 Uc = 010V 相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是 Ud = 0220V 可取可取 Ks = 220/10 = 22 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的滯后效應(yīng)是晶閘管觸發(fā)與整流裝置的滯后效應(yīng)是由晶閘管的由晶閘管的失控時(shí)間失控時(shí)間引起的。引

20、起的。 晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時(shí)才能使輸出整流電壓一相觸發(fā)脈沖來到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。電壓的狀況。n 滯后時(shí)間滯后時(shí)間Ts的求取的求取 u2udUctt1OUc1Uc21ttOOO22Ud01Ud02Ts圖圖2.23 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間n 失控時(shí)間失控時(shí)間Ts的分析的分析 顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大

21、小隨發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間就是生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電源頻兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定式中式中 交流電流頻率；交流電流頻率； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fmmfT1maxsn 最大失控時(shí)間最大失控時(shí)間Tsmax的計(jì)算的計(jì)算 相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來說，相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來說，Ts 是不大的，是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值 Ts = Tsmax /2，并認(rèn)，并認(rèn)為是常數(shù)。也

22、有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮，取為是常數(shù)。也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts = Tsmax 。下表列出了不同整流電路的失控時(shí)間。下表列出了不同整流電路的失控時(shí)間。表表2.2 不同整流電路的失控時(shí)間（不同整流電路的失控時(shí)間（f =50Hz）n Ts值的選取值的選取 由于 Ts 很小，為了分析和設(shè)計(jì)的方便，當(dāng)系統(tǒng)的截止頻率滿足時(shí)，可將晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)近似成一階慣性環(huán)節(jié)，即n 傳遞函數(shù)的近似處理傳遞函數(shù)的近似處理cs13Tsd0ssscts( )( )e( )1T sUsKW sKUsTsssT sK eUc(s)Ud0(s)ss1KT sUc(s)Ud0(s)(a) 準(zhǔn)確的(b)

23、近似的n 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 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，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)和反饋系數(shù)，即數(shù)和反饋系數(shù)，即 放大器放大器ctapn( )( )( )U sW sKU s)()()(nfnsnsUsW測(cè)速反饋測(cè)速反饋(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) 知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們知道了各環(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，就可以按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起

24、來，就可以得到閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。得到閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖2.24 單閉環(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)(4) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)Un (s) 設(shè)設(shè)Idl=0，在給定輸入下，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直，在給定輸入下，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(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(/)(sm2sm3sm

25、espm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllllpse/KK KC 上式表明，將晶閘管觸發(fā)和整流裝置按一上式表明，將晶閘管觸發(fā)和整流裝置按一階慣性環(huán)節(jié)近似處理后，帶比例放大器的單閉階慣性環(huán)節(jié)近似處理后，帶比例放大器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)三階線性系統(tǒng)三階線性系統(tǒng)。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)電樞的供電電源采用直流當(dāng)電動(dòng)機(jī)電樞的供電電源采用直流PWM變變換器時(shí)，也可以得到完全相似的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。換器時(shí)，也可以得到完全相似的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。 下面以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的下面以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋

26、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和閉環(huán)傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和閉環(huán)傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究其穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)校正問題。其穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)校正問題。2. 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)校正單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)校正 由閉環(huán)傳遞函數(shù)得到反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速由閉環(huán)傳遞函數(shù)得到反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為系統(tǒng)的特征方程為 0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll它的一般表達(dá)式為它的一般表達(dá)式為 0322130asasasa(1) 穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件 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)，系統(tǒng)古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是穩(wěn)定的充分必要條件是 03021321

27、0aaaaaaaa非零同號(hào)，且、 閉環(huán)特征方程的各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，閉環(huán)特征方程的各項(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 ()(TTKTTTTll或或整理后得整理后得 smmsllTTTKTTT 上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) Kcr，當(dāng)，當(dāng) K Kcr 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，對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的能否正常工作的首要條件，是必須保證的。 n例例2.3 對(duì)于例對(duì)于例2.1的

28、的V-M系統(tǒng)，按例系統(tǒng)，按例2.2要求要求構(gòu)成轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，除了前述構(gòu)成轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，除了前述所有已知條件和性能要求外，又知道晶閘所有已知條件和性能要求外，又知道晶閘管整流裝置采用三相橋式全控整流電路，管整流裝置采用三相橋式全控整流電路，電樞回路總電感電樞回路總電感 L=2.16mH，整個(gè)系統(tǒng)的，整個(gè)系統(tǒng)的飛輪慣量飛輪慣量 GD2=78Nm2，試分析系統(tǒng)的穩(wěn)，試分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。定性。解解 計(jì)算系統(tǒng)各時(shí)間常數(shù)計(jì)算系統(tǒng)各時(shí)間常數(shù)0.002160.012s0.18lLTR為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)應(yīng)為為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)應(yīng)為 2mem780.180.098

29、s3753750.20.230/ GD RTC Cs0.00167sT smms0.0980.0980.00167670.001670.0120.012llTTTKTTT 由例由例2.3可知，為使系統(tǒng)穩(wěn)定，希望可知，為使系統(tǒng)穩(wěn)定，希望K103.6?？梢?，穩(wěn)態(tài)精度?？梢姡€(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求是矛盾的，而且一般和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求是矛盾的，而且一般的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)大都如此。的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)大都如此。 怎么辦？怎么辦？ 為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定并具有一定的穩(wěn)定為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定并具有一定的穩(wěn)定裕量，同時(shí)滿足穩(wěn)態(tài)性能的要求，必須采裕量，同時(shí)滿足穩(wěn)態(tài)性能的要求，必須采用動(dòng)態(tài)校正措施以改造系統(tǒng)，即設(shè)計(jì)合適用動(dòng)態(tài)校正

30、措施以改造系統(tǒng)，即設(shè)計(jì)合適的校正裝置，才能圓滿地達(dá)到要求。的校正裝置，才能圓滿地達(dá)到要求。(2) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟：閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)基本部件選擇基本部件選擇穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性分析動(dòng)態(tài)性能分析動(dòng)態(tài)性能分析引入校正裝置引入校正裝置n靜態(tài)設(shè)計(jì)靜態(tài)設(shè)計(jì)首先應(yīng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，選擇基首先應(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)。本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱原始系統(tǒng)。n動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析建立原始系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，建立原始系

31、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)畫出其伯德圖，檢查它的穩(wěn)定性和其他動(dòng)態(tài)性能。性能。n動(dòng)態(tài)校正動(dòng)態(tài)校正如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，或動(dòng)態(tài)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，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。使校正后的系統(tǒng)全面滿足性能要求。n 系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟n 串聯(lián)校正串聯(lián)校正n 并聯(lián)校正并聯(lián)校正 串聯(lián)校正結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易利用運(yùn)算放串聯(lián)校正結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，而且只要?jiǎng)討B(tài)要求不是很高，大器實(shí)現(xiàn)，而且只要?jiǎng)討B(tài)要求不是很高，一般都能達(dá)到。一般都能達(dá)到。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的校正方式：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中

32、最常用的校正方式：n 動(dòng)態(tài)校正方式動(dòng)態(tài)校正方式 在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是伯德圖（伯德圖（Bode Diagram），即開環(huán)對(duì)數(shù)頻率），即開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡(jiǎn)便，可以確特性的漸近線。它的繪制方法簡(jiǎn)便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還切地提供穩(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)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。n 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具 在實(shí)際系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不僅必須在實(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)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

33、素的影響。在伯德圖變化和一些未計(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：相角裕度標(biāo)是：相角裕度 和以分貝表示的增益裕和以分貝表示的增益裕度度 Lh。一般要求：。一般要求： = 45 70 Lh 6dB n 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 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，這些特征包括四個(gè)方面：的性能，這些特征包括四個(gè)方面：0L/dBc / s -1-20dB/dec低頻段低頻段中頻段中頻段高頻段高頻段圖2.25 典型的控制系統(tǒng)伯德圖 n 典型控制系統(tǒng)伯德圖典型控制系統(tǒng)伯德圖n中頻段以中頻段以-20dB/

34、dec的斜率穿越的斜率穿越0dB，而且這，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；性好；n截止頻率（或稱剪切頻率）截止頻率（或稱剪切頻率） c越高，則系統(tǒng)越高，則系統(tǒng)的快速性越好；的快速性越好；n低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高；精度高；n高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，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)。說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。n 伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系 以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。對(duì)穩(wěn)態(tài)精以上四個(gè)方面常常是互相矛盾

35、的。對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系度要求很高時(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)穩(wěn)定了，又可統(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；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響能犧牲快速性；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；如此等等。應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。 設(shè)計(jì)時(shí)往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個(gè)矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結(jié)果結(jié)果。n 舉例說明舉例說明利用利用Bode圖分析系統(tǒng)穩(wěn)定性圖分析系統(tǒng)穩(wěn)定性n(s)U*n (s)IdL

36、 (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1Kp1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)Un (s)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：n2nsmm( )( )( )(1)(1)lUsKW sUsT sT TsT spse/KK KC 一般情況下，一般情況下， Tm 4Tl ，因此分母中的二次項(xiàng)，因此分母中的二次項(xiàng)可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即 2mm121(1)(1)lT T sT sT sT s 這樣，開環(huán)傳遞函數(shù)變成這樣，開環(huán)傳遞函數(shù)變成nns12( )( )( )(1)(1)(1)UsKW sUsT sTsT s 研究研究例例

37、2.3中的系統(tǒng)，已知中的系統(tǒng)，已知 Ts = 0.00167s， Tl = 0.012s ， Tm = 0.098s ，在這里，在這里， Tm 4Tl ，因此分，因此分母中的二次項(xiàng)可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即母中的二次項(xiàng)可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即 22mm10.098 0.0120.0981(0.0841)(0.0141)lT T sT sssss 滿足穩(wěn)態(tài)性能要求的閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)滿足穩(wěn)態(tài)性能要求的閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)已取為已取為 于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是 pse/103.6KK KC103.6( )(0.001671)(0.0141)(

38、0.0841)W ssss其中三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為 1111111.90.084sT1221171.40.014sT1s360000167. 011sT20lg20lg103.640.3 dBK n 系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻及相頻特性系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻及相頻特性 由圖可見，相角裕度由圖可見，相角裕度 和增益裕度和增益裕度Lh都是負(fù)值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。這都是負(fù)值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。這和和例例2.3中用勞斯判據(jù)得到的結(jié)論是一致的。中用勞斯判據(jù)得到的結(jié)論是一致的。 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)串聯(lián)校正，常在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)串聯(lián)校正，常用運(yùn)算放大器組成用運(yùn)算放大器組成PI（滯后）、（滯后）、PD（超（

39、超前）、前）、PID（超前（超前滯后）三種校正裝置。滯后）三種校正裝置。n 串聯(lián)校正的實(shí)現(xiàn)串聯(lián)校正的實(shí)現(xiàn)PIPIi1PI( )(1)WsKs：PDPDdPD( )(1)WsKs：PIDPIDdi1PID( )(1)WsKss：n 串聯(lián)校正的實(shí)現(xiàn)串聯(lián)校正的實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器圖圖2.27 比例積分（比例積分（PI）調(diào)節(jié)器）調(diào)節(jié)器 Uex+CRbUinR0+AR1-i1i0-ex1PIin0PIi( )1( )( )1(1)UsRCsWsUsR CsKs1PIi10RKRCR；n 串聯(lián)校正的串聯(lián)校正的工程實(shí)現(xiàn)方法工程實(shí)現(xiàn)方法Step1 對(duì)消時(shí)間常數(shù)最大的環(huán)節(jié)對(duì)消時(shí)間常數(shù)最大的環(huán)節(jié)nns12( )(

40、 )( )(1)(1)(1)UsKW sUsT sTsT sPIiPIi(1)( )KsWssn 串聯(lián)校正的串聯(lián)校正的工程實(shí)現(xiàn)方法工程實(shí)現(xiàn)方法Step2 按照按照 的要求，求得相應(yīng)的截止的要求，求得相應(yīng)的截止 頻率，滿足頻率，滿足 繼而推導(dǎo)出繼而推導(dǎo)出 KPI 的值。的值。2c2/1 T452.3.3 無靜差調(diào)速系統(tǒng)和積分控制規(guī)律無靜差調(diào)速系統(tǒng)和積分控制規(guī)律 本節(jié)將討論，采用積分（本節(jié)將討論，采用積分（I）調(diào)節(jié)器或）調(diào)節(jié)器或比例積分（比例積分（PI）調(diào)節(jié)器代替比例放大器，）調(diào)節(jié)器代替比例放大器，構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。 為什么要討論無靜差調(diào)速系統(tǒng)？為什么要討論無靜差調(diào)速系統(tǒng)？

41、如前所述，采用如前所述，采用P放大器控制的有靜差的調(diào)放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，速系統(tǒng)，Kp 越大越大，系統(tǒng)精度越高系統(tǒng)精度越高；但但 Kp 過大過大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。 進(jìn)一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例進(jìn)一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為 Uct = Kp Unn Uct 0，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，即，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，即 Un 0 ；n Uct = 0，電動(dòng)機(jī)停止，即，電動(dòng)機(jī)停止，即 Un = 0 。 n 問題的提出問題的提出+ATG+UtgnUn U*nMTGIdUnUd0UctGT+L

42、)(edcKICRInlctpnUKU不可能無窮大不可能無窮大不能為零不能為零 因此，在采用因此，在采用比例調(diào)節(jié)器的自動(dòng)控制比例調(diào)節(jié)器的自動(dòng)控制系系統(tǒng)中，統(tǒng)中，輸入偏差是維系系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，必輸入偏差是維系系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，必然要產(chǎn)生靜差然要產(chǎn)生靜差，因此是，因此是有靜差系統(tǒng)有靜差系統(tǒng)。 如果要消除系統(tǒng)誤差，必須尋找其他控如果要消除系統(tǒng)誤差，必須尋找其他控制方法，比如：制方法，比如：采用積分（采用積分（Integration）調(diào)）調(diào)節(jié)器或比例積分（節(jié)器或比例積分（Proportional Integration）調(diào)節(jié)器來代替比例放大器調(diào)節(jié)器來代替比例放大器。1. 積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律積分調(diào)節(jié)

43、器和積分控制規(guī)律 圖圖2.28 積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器 Uex+CRbUinR0+-ii0- UexUintUinUexO圖圖2.29 階躍輸入時(shí)的輸出特性階躍輸入時(shí)的輸出特性 Uexm 積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ssUsUsW1)()()(inexiCR0 只要在調(diào)節(jié)器輸入端有只要在調(diào)節(jié)器輸入端有Uin作用，電流作用，電流 i 不為零，電容不為零，電容C就不斷積分，輸出就不斷積分，輸出Uex不斷不斷增加，直到運(yùn)算放大器達(dá)到增加，直到運(yùn)算放大器達(dá)到飽和飽和。n 積分調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)積分調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)n累積作用累積作用只要輸入端有信號(hào)，哪怕是微只要輸入端有信號(hào)，哪怕是微小信號(hào)，積分就

44、會(huì)進(jìn)行，直到輸出達(dá)到飽和。小信號(hào)，積分就會(huì)進(jìn)行，直到輸出達(dá)到飽和。n記憶作用記憶作用積分過程中，如果輸入信號(hào)突積分過程中，如果輸入信號(hào)突變?yōu)榱?，積分器的輸出將保持在當(dāng)前值。變?yōu)榱?，積分器的輸出將保持在當(dāng)前值。n延緩作用延緩作用即使輸入信號(hào)突變，積分器輸即使輸入信號(hào)突變，積分器輸出也不能躍變，只能以固定的斜率線性增長(zhǎng)。出也不能躍變，只能以固定的斜率線性增長(zhǎng)。 比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差比例調(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。輸入偏差量的全部歷史。 有偏差就調(diào)節(jié)有偏差就調(diào)節(jié)、控制輸出保持控制輸出保持 等特性

45、等特性使得積分調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)無差調(diào)節(jié)。使得積分調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)無差調(diào)節(jié)。n 分析結(jié)果分析結(jié)果 積分控制器的輸出響應(yīng)比較緩慢，積分控制器的輸出響應(yīng)比較緩慢，為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，需要對(duì)積分為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，需要對(duì)積分控制器進(jìn)行改進(jìn)?？刂破鬟M(jìn)行改進(jìn)。n 存在問題存在問題 如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，該怎么辦呢？快，該怎么辦呢？ 只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，這便是就行了，這便是比例積分控制比例積分控制。n 解決辦法解決辦法UexUinUexmtUinUexO比例積分（比例積分（PI）調(diào)節(jié)器）調(diào)節(jié)器 Uex+CR

46、bUinR0+AR1-i1i0-階躍輸入時(shí)的輸出特性階躍輸入時(shí)的輸出特性 KPI Uin2. 比例積分調(diào)節(jié)器和比例積分控制規(guī)律比例積分調(diào)節(jié)器和比例積分控制規(guī)律 OtOtUexUin121+2n PI調(diào)節(jié)器輸出特性曲線調(diào)節(jié)器輸出特性曲線2： 積分作用積分作用1： 比例作用比例作用1+2： 比例積分作用比例積分作用n 分析結(jié)果分析結(jié)果 由此可見，由此可見，比例積分控制綜合了比例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)控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)。比例部。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。消除穩(wěn)態(tài)偏差。 圖2.31 無靜差直流調(diào)速系

47、統(tǒng) +-+-M+-nU*nR0R0RbUctLIdR1C1UnUdMTG3 采用采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng) +-（1）穩(wěn)態(tài)抗擾性能分析）穩(wěn)態(tài)抗擾性能分析n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1A1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)Un (s) 只考慮擾動(dòng)作用的影響，即令只考慮擾動(dòng)作用的影響，即令U*n (s)=0，則，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可變換為下面的形式：系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可變換為下面的形式：n(s)-IdL (s) A1/Ce TmTl s2+Tms+1+-R (Tl s+

48、1)Ud0 (s) KsTss+1 采用不同調(diào)節(jié)器時(shí)，輸出量采用不同調(diào)節(jié)器時(shí)，輸出量n(s)與擾動(dòng)與擾動(dòng)量量IdL (s)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系如下：之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系如下：采用采用P調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器n 不同調(diào)節(jié)器作用時(shí)，擾動(dòng)對(duì)輸出的影響不同調(diào)節(jié)器作用時(shí)，擾動(dòng)對(duì)輸出的影響dLs1e2smm( )(1)(1)( )(1)(1)lRIsT sT sCn sT sT T sT sK采用采用I調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器dLs1e2ssmme( )(1)(1)( )(1)(1)lRIss T sT sCn sKs T sT T sT sC采用采用PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器器dLs1e2sPIsmme( )(1)(1)( )(1)(1)(1)lR

49、Iss T sT sCn sK Ks T sT T sT ssC采用采用P調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器n 利用終值定理求擾動(dòng)輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差利用終值定理求擾動(dòng)輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差dL0elim( )(1)sIRns n sCK 采用采用I調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器采用采用PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器器0lim( )0sns n s0lim( )0sns n sn 分析結(jié)果分析結(jié)果 只要在控制系統(tǒng)的前項(xiàng)通道上的擾動(dòng)只要在控制系統(tǒng)的前項(xiàng)通道上的擾動(dòng)作用點(diǎn)以前含有積分環(huán)節(jié)作用點(diǎn)以前含有積分環(huán)節(jié)，當(dāng)這個(gè)擾動(dòng)為，當(dāng)這個(gè)擾動(dòng)為突加階躍擾動(dòng)時(shí)，它便不會(huì)引起穩(wěn)態(tài)誤差。突加階躍擾動(dòng)時(shí)，它便不會(huì)引起穩(wěn)態(tài)誤差。如果積分環(huán)節(jié)出現(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)以后，它如果積分環(huán)節(jié)出現(xiàn)

50、在擾動(dòng)作用點(diǎn)以后，它對(duì)消除靜差是無能為力的。對(duì)消除靜差是無能為力的。 由于無靜差調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)沒有速度偏差，由于無靜差調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)沒有速度偏差，即即 Un = 0，因此可以得到，因此可以得到 |Un| =|Un*|=n ，則在系，則在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可直接計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可直接計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) max*maxnnU 電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)的最高轉(zhuǎn)速；電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)的最高轉(zhuǎn)速； 相應(yīng)的給定電壓的最大值。相應(yīng)的給定電壓的最大值。 nmaxU*nmaxn 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的求取轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的求取（2）動(dòng)態(tài)抗擾性能分析）動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 這里對(duì)單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)這里對(duì)單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)

51、抗擾性能進(jìn)行抗擾性能進(jìn)行定性定性的分析。的分析。 比較下面的兩組動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線：比較下面的兩組動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線：給定值不變給定值不變突加負(fù)載擾動(dòng)突加負(fù)載擾動(dòng)動(dòng)態(tài)速降動(dòng)態(tài)速降maxn轉(zhuǎn)速偏差轉(zhuǎn)速偏差控制電壓控制電壓給定值不變給定值不變突加負(fù)載擾動(dòng)突加負(fù)載擾動(dòng)動(dòng)態(tài)速降動(dòng)態(tài)速降maxn轉(zhuǎn)速偏差轉(zhuǎn)速偏差控制電壓控制電壓PII2.3.4 限流保護(hù)限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋的應(yīng)用電流截止負(fù)反饋的應(yīng)用 要明確三個(gè)問題：要明確三個(gè)問題：1. 為什么要加入電流負(fù)反饋？為什么要加入電流負(fù)反饋？2. 什么是電流截止負(fù)反饋？什么是電流截止負(fù)反饋？3. 如何實(shí)現(xiàn)電流截止負(fù)反饋？如何實(shí)現(xiàn)電流截止負(fù)反饋？1 問題的提出問題的提出 為

52、了解決轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了解決轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)啟動(dòng)和和堵轉(zhuǎn)堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題。系統(tǒng)中必時(shí)電流過大的問題。系統(tǒng)中必須設(shè)有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。須設(shè)有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。n起動(dòng)的沖擊電流起動(dòng)的沖擊電流直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，如果沒有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊時(shí)，如果沒有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對(duì)電機(jī)換向不利，對(duì)過載能力電流，這不僅對(duì)電機(jī)換向不利，對(duì)過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。低的電力電子器件來說，更是不能允許的。n堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)電流有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機(jī)械軸

53、遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。環(huán)節(jié)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。n 啟動(dòng)啟動(dòng)和和堵轉(zhuǎn)堵轉(zhuǎn)電流電流n 解決辦法解決辦法 為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)制電樞電流的環(huán)節(jié)。 根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反量基本不變，就

54、應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入饋。那么，引入電流負(fù)反饋電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。電流基本不變，使它不超過允許值。 帶電流負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖帶電流負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 Kp Ks 1/CeU*nUcUnIdEnUd0Un+- R - Rs Uin 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n 靜特性方程靜特性方程帶電流負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程為：帶電流負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程為：)1 ()1 ()1 (edsspede*nspKCIRKKKCRIKCUKKn 與轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程相比，多與轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程相比，多了一項(xiàng)由電流反饋引起的轉(zhuǎn)速降落。了一項(xiàng)由電流反饋引起的轉(zhuǎn)速降落。 Idbl0n0A轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性B轉(zhuǎn)速電流負(fù)反饋特性IdOn 加