轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課件

直流調速系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第2章直流調速系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第2章12.3轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)2.3.1單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜特性2.3.2單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)分析2.3.3無靜差調速系統(tǒng)的積分控制規(guī)律2.3.4單閉環(huán)調速系統(tǒng)的限流保護2.3轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)2.3.1單閉環(huán)調速系22.3.1單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜特性控制器功率驅動裝置生產機械電動機轉速給定電網轉速反饋轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)原理框圖2.3.1單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜特性控制器功率驅動裝置生31.單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成采用轉速負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUdUctGT+++放大器L測速發(fā)電機1.單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成采用轉速負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)+42.轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(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)的輸入輸出關系都是線性的；（2）V-M系統(tǒng)工作在開環(huán)機械特性的連續(xù)段；（3）忽略控制電源和電位器的等效電阻。

為分析閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，先作如下的假定：2.轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性（1）忽略各種非線性5電壓比較環(huán)節(jié)放大器電力電子變換器調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性測速反饋環(huán)節(jié)各環(huán)節(jié)靜態(tài)關系電壓比較環(huán)節(jié)放大器電力電子變換器調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性6以上各關系式中—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)；—轉速反饋系數(shù)，（V·min/r）；—UPE的理想空載輸出電壓；—電樞回路總電阻。KpKsRUd0以上各關系式中KpKsRUd07采用轉速負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++LKpKs采用轉速負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)+ATG+Utgn?UnU*8KpKs

1/CeU*nUct?UnEnUd0Un++IdR_UnKs轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)靜態(tài)結構圖_由上述五個關系式可以得到轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)靜態(tài)結構圖。KpKs1/CeU*nUct?UnEnUd0Un++Id9U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-Ea）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)b）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs1/CeUc?UnnUd0Un+-+K10靜特性方程式將給定輸入和擾動輸入下系統(tǒng)的靜態(tài)方程疊加，推導出整個系統(tǒng)的靜特性方程式：式中，為閉環(huán)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。靜特性方程式將給定輸入和擾動輸入11注意：

閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉速與負載電流（或轉矩）間的穩(wěn)態(tài)關系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。注意：12

比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(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)機械特性為

而閉環(huán)時的靜特性可寫成

3.開環(huán)系統(tǒng)機械特性

和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關系比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)13在同樣的負載擾動下，兩者的轉速降落分別為

和它們的關系是

(1)閉環(huán)系統(tǒng)機械特性的硬度大大提高在同樣的負載擾動下，兩者的轉速降落分別為(1)閉14閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為

和當n0op=n0cl時，(2)n0op=n0cl時，閉環(huán)系統(tǒng)靜差率小許多閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為(2)n15如果電動機的最高轉速都是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Δnop和Δncl之間的關系，得

(3)靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)調速范圍大大提高如果電動機的最高轉速都是nmax；而對最低速16如要維持系統(tǒng)運行速度不變，需要閉環(huán)系統(tǒng)的是開環(huán)系統(tǒng)的(1+K)倍。同時，前三項優(yōu)點若要有效，也要有足夠大的K，因此必須設置放大器。(4)給定電壓相同時，閉環(huán)系統(tǒng)空載轉速大大降低如要維持系統(tǒng)運行速度不變，需要閉環(huán)系統(tǒng)的17

閉環(huán)調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(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，能夠提高調速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器（控制器）以及檢測與反饋裝置。

結論3：

閉環(huán)調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特18例2.2

對于例2.1所示的開環(huán)系統(tǒng)，采用轉速負反饋構成單閉環(huán)系統(tǒng)，且已知晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)Ks=30，=0.015V·min/r，為了滿足給定的要求，計算放大器的電壓放大系數(shù)KP。KpKs

1/CeU*nUct?UnEnUd0Un++IdR_UnKs_例2.2對于例2.1所示的開環(huán)系統(tǒng)，采用轉速負反饋構成單19解：在例2.1中已經求得

Δnop=275r/min，但為了滿足D=20，s<5%的調速要求，須

Δncl=2.63r/min，由式：可得解：在例2.1中已經求得20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。代入已知參數(shù)，則得21nOIdId1Id2AA’開環(huán)機械特性圖2.19閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關系Ud4Ud3Ud2Ud1Kp

U*n?UnUn+_Un1/CeUctEnUd0+IdRKs_BId3Id4CD閉環(huán)靜特性nOIdId1Id2AA’開環(huán)機械特性圖2.19閉環(huán)系統(tǒng)靜22由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(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。由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在23轉速反饋單閉環(huán)調速系統(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)調速系統(tǒng)的基本特征轉速反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)是一種基本的反饋24閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為

只有K=，才能使ncl

=0，而這是不可能實現(xiàn)的。因此，這樣的調速系統(tǒng)叫做有靜差調速系統(tǒng)。實際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調量的偏差進行控制的。(1)具有比例放大器的單閉環(huán)系統(tǒng)存在靜差閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為(1)具有比例放25(2)閉環(huán)系統(tǒng)具有較強的抗干擾性能調速系統(tǒng)的擾動源：負載變化的擾動（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）。

(2)閉環(huán)系統(tǒng)具有較強的抗干擾性能調速系統(tǒng)的擾動源：26擾動作用的位置圖2.20閉環(huán)調速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

擾動作用的位置圖2.20閉環(huán)調速系統(tǒng)的給定作用和擾動作27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。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，反而會增大被調量的誤差。擾動帶來的影響反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。28

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反饋環(huán)內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。結論4：

反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效29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節(jié)還是不應有的電壓波動。因此，高精度的調速系統(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。(3)系統(tǒng)的精度依賴于給定和檢測元件的精度給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度302.3.2單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)分析通過穩(wěn)態(tài)性能的研究可知：引入轉速負反饋并使放大倍數(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。但是放大系數(shù)過大，會使閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能變差，甚至造成不穩(wěn)定，因此有必要對系統(tǒng)進行動態(tài)性能的分析。2.3.2單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)分析通過穩(wěn)態(tài)31為了分析調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質，必須首先建立描述系統(tǒng)動態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學模型，對于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學模型是常微分方程，經過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動態(tài)結構圖表示。1.單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型為了分析調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質，必須首先32

建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基本步驟：（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)的動態(tài)結構圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基本步驟：33+A+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++L(1)額定勵磁下直流電動機的傳遞函數(shù)+A+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+34TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流電動機等效電路

假定主電路電流連續(xù)，則電壓平衡方程為：

電壓平衡方程(1)額定勵磁下直流電動機的傳遞函數(shù)TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流35TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流電動機等效電路

忽略粘性磨擦及彈性轉矩，電機軸上的動力學方程為：

轉矩平衡方程(1)額定勵磁下直流電動機的傳遞函數(shù)—飛輪慣量TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流36結合，

并定義下列時間常數(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。結合，并定義下列時間常數(shù)37式中為負載電流。

將上述各式進行整理，得到微分方程組微分方程式中為負載電流38

在零初始條件下，取等式兩側的拉氏變換，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)在零初始條件下，取等式兩側的拉氏變換，得電39動態(tài)結構圖

Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsE(s)Ud0+-1/RTls+1Id

(s)++動態(tài)結構圖Id(s)IdL(s)+-E(s)R40n(s)圖2.22電流連續(xù)時直流電動機的動態(tài)結構圖1/CeUd0(s)IdL

(s)

E(s)Id(s)++--1/RTls+1RTmsn(s)圖2.22電流連續(xù)時直流電動機的動態(tài)結構圖1/C41

由上圖可以看出，直流電動機有兩個輸入量，一個是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，另一個是負載電流IdL。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。如果不需要在結構圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進行等效變換。由上圖可以看出，直流電動機有兩個輸入42n(s)Ud0

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

(s)R(Tls+1)帶載時動態(tài)結構圖的變換和簡化a.IdL≠

0n(s)Ud0(s)+-1/CeTmTls2+Tms43n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0

(s)空載時動態(tài)結構圖的變換和簡化b.IdL=0n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0(s)44+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++L(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctG45(2)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)電路，因此在進行系統(tǒng)分析時，往往把它們看作一個整體，作為一個環(huán)節(jié)處理。+Ud0UctGT(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)由于46

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內的特性率決定，計算方法是 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定

放大系數(shù)Ks的求取

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍47如果不能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設觸發(fā)電路控制電壓的調節(jié)范圍為

Uc=0~10V相對應的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V可取Ks

=220/10=22如果不能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。48晶閘管觸發(fā)與整流裝置的滯后效應是由晶閘管的失控時間引起的。晶閘管一旦導通后，控制電壓的變化在該器件關斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時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電壓的狀況。滯后時間Ts的求取

晶閘管觸發(fā)與整流裝置的滯后效應是由晶閘管的失49u2udUctta1OUc1Uc2a1ttOOOa2a2Ud01Ud02Ts圖2.23晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間失控時間Ts的分析

u2udUctta1OUc1Uc2a1ttOOOa2a2Ud50顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發(fā)生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關，由下式確定式中

—交流電流頻率；—一周內整流電壓的脈沖波數(shù)。fm最大失控時間Tsmax的計算

顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發(fā)生變化51

相對于整個系統(tǒng)的響應時間來說，Ts是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值Ts

=Tsmax/2，并認為是常數(shù)。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取Ts=Tsmax。下表列出了不同整流電路的失控時間。表2.2不同整流電路的失控時間（f=50Hz）

Ts值的選取

相對于整個系統(tǒng)的響應時間來說，Ts是不大52

由于Ts

很小，為了分析和設計的方便，當系統(tǒng)的截止頻率滿足時，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)，即傳遞函數(shù)的近似處理由于Ts很小，為了分析和設計的方便，當系統(tǒng)53Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)準確的(b)近似的動態(tài)結構圖

Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)準確的(54

直流閉環(huán)調速系統(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)，它們的響應都可以認為是瞬時的，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

放大器測速反饋(3)控制與檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)直流閉環(huán)調速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器55

知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關系組合起來，就可以得到閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖。知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中56圖2.24單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

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

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)(4)單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖和傳遞函數(shù)?Un(s)圖2.24單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖n(s)U*n(s)57

設Idl=0，在給定輸入下，轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是設Idl=0，在給定輸入下，轉速負反饋單閉58

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環(huán)調速系統(tǒng)是一個三階線性系統(tǒng)。當電動機電樞的供電電源采用直流PWM變換器時，也可以得到完全相似的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。上式表明，將晶閘管觸發(fā)和整流裝置按一階慣性環(huán)59下面以轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖和閉環(huán)傳遞函數(shù)為基礎，研究其穩(wěn)定性和動態(tài)校正問題。2.單閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)校正下面以轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖和60由閉環(huán)傳遞函數(shù)得到反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的特征方程為

它的一般表達式為(1)穩(wěn)定條件由閉環(huán)傳遞函數(shù)得到反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的61

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

閉環(huán)特征方程的各項系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有或根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定62整理后得

上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)Kcr，當K

≥Kcr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。整理后得上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)63例2.3

對于例2.1的V-M系統(tǒng)，按例2.2要求構成轉速反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)，除了前述所有已知條件和性能要求外，又知道晶閘管整流裝置采用三相橋式全控整流電路，電樞回路總電感L=2.16mH，整個系統(tǒng)的飛輪慣量GD2=78N·m2，試分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例2.3對于例2.1的V-M系統(tǒng)，按例2.2要求構成轉速64解計算系統(tǒng)各時間常數(shù)為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)應為解計算系統(tǒng)各時間常數(shù)為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)應65由例2.3可知，為使系統(tǒng)穩(wěn)定，希望K<67；而由例2.2可知，為使系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)要求，應使K>103.6?？梢姡€(wěn)態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性的要求是矛盾的，而且一般的閉環(huán)調速系統(tǒng)大都如此。

怎么辦？由例2.3可知，為使系統(tǒng)穩(wěn)定，希望K<67；66為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定并具有一定的穩(wěn)定裕量，同時滿足穩(wěn)態(tài)性能的要求，必須采用動態(tài)校正措施以改造系統(tǒng)，即設計合適的校正裝置，才能圓滿地達到要求。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定并具有一定的穩(wěn)定裕量，同時滿67(2)單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)校正閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計步驟：系統(tǒng)總體設計基本部件選擇穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算穩(wěn)定性分析動態(tài)性能分析引入校正裝置(2)單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)校正閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計步驟：系統(tǒng)68靜態(tài)設計——首先應進行總體設計，選擇基本部件，按穩(wěn)態(tài)性能指標計算參數(shù)，形成基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱原始系統(tǒng)。動態(tài)分析——建立原始系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，畫出其伯德圖，檢查它的穩(wěn)定性和其他動態(tài)性能。動態(tài)校正——如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，或動態(tài)性能不好，就必須配置合適的動態(tài)校正裝置，使校正后的系統(tǒng)全面滿足性能要求。系統(tǒng)設計步驟靜態(tài)設計——首先應進行總體設計，選擇基本部件，按穩(wěn)態(tài)性能指標69串聯(lián)校正并聯(lián)校正串聯(lián)校正結構簡單，容易利用運算放大器實現(xiàn)，而且只要動態(tài)要求不是很高，一般都能達到。運動控制系統(tǒng)中最常用的校正方式：動態(tài)校正方式串聯(lián)校正運動控制系統(tǒng)中最常用的校正方式：動態(tài)校正方式70

在設計校正裝置時，主要的研究工具是伯德圖（BodeDiagram），即開環(huán)對數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的性能。系統(tǒng)設計工具在設計校正裝置時，主要的研究工具是伯德圖（B71在實際系統(tǒng)中，動態(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)定裕度的指標是：相角裕度

和以分貝表示的增益裕度Lh。一般要求：

=45°~70°

Lh>6dB

系統(tǒng)設計要求在實際系統(tǒng)中，動態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還72從圖中三個頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括四個方面：0L/dBc/s-1-20dB/dec低頻段中頻段高頻段圖2.25典型的控制系統(tǒng)伯德圖典型控制系統(tǒng)伯德圖從圖中三個頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些73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，即高頻特性負分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強。伯德圖與系統(tǒng)性能的關系中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋74以上四個方面常常是互相矛盾的。對穩(wěn)態(tài)精度要求很高時，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，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應，又容易引入高頻干擾；如此等等。

設計時往往須在穩(wěn)、準、快和抗干擾這四個矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結果。以上四個方面常常是互相矛盾的。對穩(wěn)態(tài)精度要求75舉例說明——利用Bode圖分析系統(tǒng)穩(wěn)定性n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

(s)Un(s)+-KsTss+1Kp1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)?Un(s)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：舉例說明——利用Bode圖分析系統(tǒng)穩(wěn)定性n(s)U*n76

一般情況下，Tm≥4Tl，因此分母中的二次項可以分解成兩個一次項之積，即這樣，開環(huán)傳遞函數(shù)變成一般情況下，Tm≥4Tl，因此分母中77

研究例2.3中的系統(tǒng)，已知Ts=0.00167s，Tl=0.012s，Tm

=0.098s，在這里，Tm≥4Tl，因此分母中的二次項可以分解成兩個一次項之積，即

研究例2.3中的系統(tǒng)，已知Ts=0.00178

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)已取為于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是

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79其中三個轉折頻率分別為

其中三個轉折頻率分別為80

系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻及相頻特性系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻及相頻特性81由圖可見，相角裕度和增益裕度Lh都是負值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。這和例2.3中用勞斯判據(jù)得到的結論是一致的。由圖可見，相角裕度和增益裕度Lh都是負82

在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中實現(xiàn)串聯(lián)校正，常用運算放大器組成PI（滯后）、PD（超前）、PID（超前—滯后）三種校正裝置。串聯(lián)校正的實現(xiàn)在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中實現(xiàn)串聯(lián)校正，常用運算放大83串聯(lián)校正的實現(xiàn)——PI調節(jié)器圖2.27比例積分（PI）調節(jié)器Uex++CRbUinR0+AR1-i1i0-串聯(lián)校正的實現(xiàn)——PI調節(jié)器圖2.27比例積分（PI）84串聯(lián)校正的工程實現(xiàn)方法Step1對消時間常數(shù)最大的環(huán)節(jié)串聯(lián)校正的工程實現(xiàn)方法Step1對消時間常數(shù)最大的環(huán)節(jié)85串聯(lián)校正的工程實現(xiàn)方法Step2按照的要求，求得相應的截止頻率，滿足繼而推導出KPI的值。串聯(lián)校正的工程實現(xiàn)方法Step2按照862.3.3無靜差調速系統(tǒng)和積分控制規(guī)律本節(jié)將討論，采用積分（I）調節(jié)器或比例積分（PI）調節(jié)器代替比例放大器，構成無靜差調速系統(tǒng)。

為什么要討論無靜差調速系統(tǒng)？2.3.3無靜差調速系統(tǒng)和積分控制規(guī)律本節(jié)87如前所述，采用P放大器控制的有靜差的調速系統(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。進一步分析靜差產生的原因，由于采用比例調節(jié)器，轉速調節(jié)器的輸出為Uct=KpUnUct0，電動機運行，即Un

0；Uct

=0，電動機停止，即Un

=0。

問題的提出如前所述，采用P放大器控制的有靜差的調速系統(tǒng)，88+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++L①②不可能無窮大不能為零+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctG89

因此，在采用比例調節(jié)器的自動控制系統(tǒng)中，輸入偏差是維系系統(tǒng)運行的基礎，必然要產生靜差，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，比如：采用積分（Integration）調節(jié)器或比例積分（ProportionalIntegration）調節(jié)器來代替比例放大器。因此，在采用比例調節(jié)器的自動控制系統(tǒng)中，輸入901.積分調節(jié)器和積分控制規(guī)律圖2.28積分調節(jié)器Uex++CRbUinR0+-ii0-

UexUintUinUexO圖2.29階躍輸入時的輸出特性Uexm1.積分調節(jié)器和積分控制規(guī)律圖2.28積分調節(jié)器U91

積分調節(jié)器的傳遞函數(shù)為只要在調節(jié)器輸入端有Uin作用，電流i不為零，電容C就不斷積分，輸出Uex不斷增加，直到運算放大器達到飽和。積分調節(jié)器的傳遞函數(shù)為只要92積分調節(jié)器的特點累積作用——只要輸入端有信號，哪怕是微小信號，積分就會進行，直到輸出達到飽和。記憶作用——積分過程中，如果輸入信號突變?yōu)榱?，積分器的輸出將保持在當前值。延緩作用——即使輸入信號突變，積分器輸出也不能躍變，只能以固定的斜率線性增長。積分調節(jié)器的特點累積作用——只要輸入端有信號，哪怕是微小93轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課件94比例調節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。

有偏差就調節(jié)、控制輸出保持等特性使得積分調節(jié)器能夠實現(xiàn)無差調節(jié)。分析結果比例調節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而95積分控制器的輸出響應比較緩慢，為了提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，需要對積分控制器進行改進。存在問題積分控制器的輸出響應比較緩慢，為了提高系統(tǒng)的96如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應快，該怎么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結合起來就行了，這便是比例積分控制。解決辦法如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應快，該怎么辦97UexUinUexmtUinUexO比例積分（PI）調節(jié)器Uex++CRbUinR0+AR1-i1i0-階躍輸入時的輸出特性KPIUin2.比例積分調節(jié)器和比例積分控制規(guī)律UexUinUexmtUinUexO比例積分（PI）調節(jié)器98

OtOtUex?Uin121+2PI調節(jié)器輸出特性曲線2：積分作用1：比例作用1+2：比例積分作用OtOtUex?Uin121+2PI調節(jié)器輸出特性曲線299分析結果

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。比例部分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。

分析結果由此可見，比例積分控制綜合了比100圖2.31無靜差直流調速系統(tǒng)++-+-M+-nU*nR0R0RbUctLIdR1C1UnUdMTG3采用PI調節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng)+-~圖2.31無靜差直流調速系統(tǒng)++-+-M+-nU*nR0101（1）穩(wěn)態(tài)抗擾性能分析n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

(s)Un(s)+-KsTss+1A1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)?Un(s)只考慮擾動作用的影響，即令U*n(s)=0，則系統(tǒng)的動態(tài)結構圖可變換為下面的形式：（1）穩(wěn)態(tài)抗擾性能分析n(s)U*n(s)IdL(s)102Δn(s)-IdL

(s)

A1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)KsTss+1采用不同調節(jié)器時，輸出量Δn(s)與擾動量IdL

(s)之間的動態(tài)關系如下：Δn(s)-IdL(s)A1/CeTmTls2+T103①采用P調節(jié)器不同調節(jié)器作用時，擾動對輸出的影響②采用I調節(jié)器③采用PI調節(jié)器①采用P調節(jié)器不同調節(jié)器作用時，擾動對輸出的影響②采用I104①采用P調節(jié)器利用終值定理求擾動輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差②采用I調節(jié)器③采用PI調節(jié)器①采用P調節(jié)器利用終值定理求擾動輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差②采用I105分析結果

只要在控制系統(tǒng)的前項通道上的擾動作用點以前含有積分環(huán)節(jié)，當這個擾動為突加階躍擾動時，它便不會引起穩(wěn)態(tài)誤差。如果積分環(huán)節(jié)出現(xiàn)在擾動作用點以后，它對消除靜差是無能為力的。分析結果只要在控制系統(tǒng)的前項通道上的擾106

由于無靜差調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時沒有速度偏差，即Un=0，因此可以得到|Un|

=|Un*|=αn，則在系統(tǒng)設計時可直接計算轉速反饋系數(shù)

—電動機調壓調速時的最高轉速；—相應的給定電壓的最大值。

nmaxU*nmax轉速反饋系數(shù)的求取由于無靜差調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時沒有速度偏差，即107（2）動態(tài)抗擾性能分析

這里對單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能進行定性的分析。

比較下面的兩組動態(tài)響應曲線：（2）動態(tài)抗擾性能分析這里對單閉環(huán)無靜差調108給定值不變突加負載擾動動態(tài)速降轉速偏差控制電壓給定值不變突加負載擾動動態(tài)速降轉速偏差控制電壓給定值不變突加負載擾動動態(tài)速降轉速偏差控制電壓給定值不變突加1092.3.4限流保護——電流截止負反饋的應用要明確三個問題：1.為什么要加入電流負反饋？2.什么是電流截止負反饋？3.如何實現(xiàn)電流截止負反饋？2.3.4限流保護——電流截止負反饋的應用要明確三1101問題的提出

為了解決轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)啟動和堵轉時電流過大的問題。系統(tǒng)中必須設有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。1問題的提出為了解決轉速負反饋單閉環(huán)調111起動的沖擊電流——直流電動機全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產生很大的沖擊電流，這不僅對電機換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。堵轉電流——有些生產機械的電動機可能會遇到堵轉的情況。例如，由于故障，機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，電流將遠遠超過允許值。

啟動和堵轉電流起動的沖擊電流——直流電動機全電壓起動時，如果沒有限流措施，112解決辦法為了解決反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動和堵轉時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。解決辦法為了解決反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動和113帶電流負反饋的調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖KpKs

1/CeU*nUc?UnIdEnUd0Un++--

R

-

Rs

Ui系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖帶電流負反饋的調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖KpKs1/C114靜特性方程帶電流負反饋的調速系統(tǒng)的靜特性方程為：與轉速閉環(huán)調速系統(tǒng)靜特性方程相比，多了一項由電流反饋引起的轉速降落。靜特性方程帶電流負反饋的調速系統(tǒng)的靜特性方程為：115Idbl0n0A—轉速負反饋特性B—轉速電流負反饋特性IdO加電流負反饋后系統(tǒng)的靜特性曲線電流負反饋的引入使系統(tǒng)的靜特性變的很軟。Idbl0n0A—轉速負反饋特性B—轉速電流負反饋特性I116IdOn堵轉時期望的系統(tǒng)靜特性曲線期望的靜特性曲線IdOn

正常運行時期望的系統(tǒng)靜特性曲線特點：“軟”轉速變化對電流影響小特點：“硬”電流變化對轉速影響小IdOn堵轉時期望的系統(tǒng)靜特性曲線期望的靜特性曲線IdO117進一步的問題綜上所述，電流負反饋的作用只應在啟動和堵轉的時候存在，在正常運行時必須去掉。這種當電流大到一定程度才起作用的電流負反饋稱作電流截止負反饋（截流反饋）。

這樣的系統(tǒng)如何實現(xiàn)？進一步的問題綜上所述，電流負反饋的作用只1182電流截止負反饋環(huán)節(jié)基本思想：將電流反饋信號轉換成電壓信號，再與比較電壓信號進行比較?！隼锚毩㈦娫醋鞅容^電壓■利用穩(wěn)壓管獲得比較電壓

2電流截止負反饋環(huán)節(jié)基本思想：將電流反饋信號轉換成電壓信119圖2.34電流截止負反饋環(huán)節(jié)a）利用獨立電源作比較電壓M++--UdId

RsVDUi

Ucom接放大器Mb)利用穩(wěn)壓管獲得比較電壓

UbrM+-UdId

RsVSTUi接放大器M2電流截止負反饋環(huán)節(jié)+-+-圖2.34電流截止負反饋環(huán)節(jié)a）利用獨立電源作比較電壓M120圖2.35系統(tǒng)原理圖++-+-MnRP1U*nR0R0RbalUcVSTUiTALIdR1C1UdM2帶電流截止負反饋的調速系統(tǒng)+-UnTGR0交流電流檢測裝置+-圖2.35系統(tǒng)原理圖++-+-MnRP1U*nR0R0121Ubr電流截止負反饋環(huán)節(jié)VSTUi1.電流反饋信號來自交流電流檢測裝置；2.該檢測裝置測得的信號與電機電流Id成正比；3.穩(wěn)壓管的擊穿電壓為Ubr；4.擊穿電壓對應臨界截止電流Idcr及反饋系數(shù)βUbr電流截止負反饋環(huán)節(jié)VSTUi1.電流反饋信號來自122Ubr電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸出特性VSTUi1.當輸入信號(βId

-

Ubr)>0時，輸入輸出為線性關系；2.當輸入信號(βId

-

Ubr)

≤0時，輸出恒為零。0Ui(βId

-

Ubr)+-Ubr電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸出特性VSTUi1.當輸入123圖2.37帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調速穩(wěn)態(tài)結構圖nKs

1/CeU*nUct?UnIdEUd0Un++--Rβ-UbrβId

-

Ubr-加電流截止負反饋環(huán)節(jié)后系統(tǒng)靜態(tài)結構圖Ui圖2.37帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調速穩(wěn)態(tài)結構圖nKs124當Id

≤

Idcr

時，電流負反饋被截止，靜特性和只有轉速負反饋調速系統(tǒng)的靜特性相同

當Id

Idcr時，引入了電流負反饋，靜特性變成

靜特性方程——分兩段描述當Id≤Idcr時，電流負反饋被截125IdblIdcrn0IdOnAB圖2.38帶電流截止負反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性

靜特性曲線——分兩段描述IdblIdcrn0IdOnAB圖2.38帶電流截止負反饋126

A-B段靜特性常稱作下垂特性或挖土機特性。當挖土機遇到堅硬的石塊而過載時，電動機停下，電流也不過是堵轉電流Idbl。令n=0，得A-B段靜特性常稱作下垂特性或挖土機特性。當127堵轉應小于電機允許的最大電流，一般取

Idbl=（1.5~2.5）Inom從調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大，截止電流應大于電機的額定電流，一般取Idcr

≥（1.1~1.2）Inom電流截止負反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設計堵轉應小于電機允許的最大電流，一般取電流截止負反饋環(huán)128參考示例P188例2.7

P194例2.9參考示例P188例2.7129思考題2-3：P209習題2.12習題2.13思考題2-3：P209習題2.12130直流調速系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第2章直流調速系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第2章1312.3轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)2.3.1單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜特性2.3.2單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)分析2.3.3無靜差調速系統(tǒng)的積分控制規(guī)律2.3.4單閉環(huán)調速系統(tǒng)的限流保護2.3轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)2.3.1單閉環(huán)調速系1322.3.1單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜特性控制器功率驅動裝置生產機械電動機轉速給定電網轉速反饋轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)原理框圖2.3.1單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜特性控制器功率驅動裝置生1331.單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成采用轉速負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUdUctGT+++放大器L測速發(fā)電機1.單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成采用轉速負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)+1342.轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(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)的輸入輸出關系都是線性的；（2）V-M系統(tǒng)工作在開環(huán)機械特性的連續(xù)段；（3）忽略控制電源和電位器的等效電阻。

為分析閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，先作如下的假定：2.轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性（1）忽略各種非線性135電壓比較環(huán)節(jié)放大器電力電子變換器調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性測速反饋環(huán)節(jié)各環(huán)節(jié)靜態(tài)關系電壓比較環(huán)節(jié)放大器電力電子變換器調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性136以上各關系式中—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)；—轉速反饋系數(shù)，（V·min/r）；—UPE的理想空載輸出電壓；—電樞回路總電阻。KpKsRUd0以上各關系式中KpKsRUd0137采用轉速負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++LKpKs采用轉速負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)+ATG+Utgn?UnU*138KpKs

1/CeU*nUct?UnEnUd0Un++IdR_UnKs轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)靜態(tài)結構圖_由上述五個關系式可以得到轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)靜態(tài)結構圖。KpKs1/CeU*nUct?UnEnUd0Un++Id139U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-Ea）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)b）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs1/CeUc?UnnUd0Un+-+K140靜特性方程式將給定輸入和擾動輸入下系統(tǒng)的靜態(tài)方程疊加，推導出整個系統(tǒng)的靜特性方程式：式中，為閉環(huán)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。靜特性方程式將給定輸入和擾動輸入141注意：

閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉速與負載電流（或轉矩）間的穩(wěn)態(tài)關系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。注意：142

比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(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)機械特性為

而閉環(huán)時的靜特性可寫成

3.開環(huán)系統(tǒng)機械特性

和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關系比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)143在同樣的負載擾動下，兩者的轉速降落分別為

和它們的關系是

(1)閉環(huán)系統(tǒng)機械特性的硬度大大提高在同樣的負載擾動下，兩者的轉速降落分別為(1)閉144閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為

和當n0op=n0cl時，(2)n0op=n0cl時，閉環(huán)系統(tǒng)靜差率小許多閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為(2)n145如果電動機的最高轉速都是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Δnop和Δncl之間的關系，得

(3)靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)調速范圍大大提高如果電動機的最高轉速都是nmax；而對最低速146如要維持系統(tǒng)運行速度不變，需要閉環(huán)系統(tǒng)的是開環(huán)系統(tǒng)的(1+K)倍。同時，前三項優(yōu)點若要有效，也要有足夠大的K，因此必須設置放大器。(4)給定電壓相同時，閉環(huán)系統(tǒng)空載轉速大大降低如要維持系統(tǒng)運行速度不變，需要閉環(huán)系統(tǒng)的147

閉環(huán)調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(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，能夠提高調速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器（控制器）以及檢測與反饋裝置。

結論3：

閉環(huán)調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特148例2.2

對于例2.1所示的開環(huán)系統(tǒng)，采用轉速負反饋構成單閉環(huán)系統(tǒng)，且已知晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)Ks=30，=0.015V·min/r，為了滿足給定的要求，計算放大器的電壓放大系數(shù)KP。KpKs

1/CeU*nUct?UnEnUd0Un++IdR_UnKs_例2.2對于例2.1所示的開環(huán)系統(tǒng)，采用轉速負反饋構成單149解：在例2.1中已經求得

Δnop=275r/min，但為了滿足D=20，s<5%的調速要求，須

Δncl=2.63r/min，由式：可得解：在例2.1中已經求得150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。代入已知參數(shù)，則得151nOIdId1Id2AA’開環(huán)機械特性圖2.19閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關系Ud4Ud3Ud2Ud1Kp

U*n?UnUn+_Un1/CeUctEnUd0+IdRKs_BId3Id4CD閉環(huán)靜特性nOIdId1Id2AA’開環(huán)機械特性圖2.19閉環(huán)系統(tǒng)靜152由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(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。由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在153轉速反饋單閉環(huán)調速系統(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)調速系統(tǒng)的基本特征轉速反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)是一種基本的反饋154閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為

只有K=，才能使ncl

=0，而這是不可能實現(xiàn)的。因此，這樣的調速系統(tǒng)叫做有靜差調速系統(tǒng)。實際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調量的偏差進行控制的。(1)具有比例放大器的單閉環(huán)系統(tǒng)存在靜差閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為(1)具有比例放155(2)閉環(huán)系統(tǒng)具有較強的抗干擾性能調速系統(tǒng)的擾動源：負載變化的擾動（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）。

(2)閉環(huán)系統(tǒng)具有較強的抗干擾性能調速系統(tǒng)的擾動源：156擾動作用的位置圖2.20閉環(huán)調速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

擾動作用的位置圖2.20閉環(huán)調速系統(tǒng)的給定作用和擾動作157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。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，反而會增大被調量的誤差。擾動帶來的影響反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。158

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反饋環(huán)內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。結論4：

反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效159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節(jié)還是不應有的電壓波動。因此，高精度的調速系統(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。(3)系統(tǒng)的精度依賴于給定和檢測元件的精度給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度1602.3.2單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)分析通過穩(wěn)態(tài)性能的研究可知：引入轉速負反饋并使放大倍數(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。但是放大系數(shù)過大，會使閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能變差，甚至造成不穩(wěn)定，因此有必要對系統(tǒng)進行動態(tài)性能的分析。2.3.2單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)分析通過穩(wěn)態(tài)161為了分析調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質，必須首先建立描述系統(tǒng)動態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學模型，對于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學模型是常微分方程，經過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動態(tài)結構圖表示。1.單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型為了分析調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質，必須首先162

建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基本步驟：（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)的動態(tài)結構圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基本步驟：163+A+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++L(1)額定勵磁下直流電動機的傳遞函數(shù)+A+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+164TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流電動機等效電路

假定主電路電流連續(xù)，則電壓平衡方程為：

電壓平衡方程(1)額定勵磁下直流電動機的傳遞函數(shù)TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流165TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流電動機等效電路

忽略粘性磨擦及彈性轉矩，電機軸上的動力學方程為：

轉矩平衡方程(1)額定勵磁下直流電動機的傳遞函數(shù)—飛輪慣量TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流166結合，

并定義下列時間常數(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。結合，并定義下列時間常數(shù)167式中為負載電流。

將上述各式進行整理，得到微分方程組微分方程式中為負載電流168

在零初始條件下，取等式兩側的拉氏變換，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)在零初始條件下，取等式兩側的拉氏變換，得電169動態(tài)結構圖

Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsE(s)Ud0+-1/RTls+1Id

(s)++動態(tài)結構圖Id(s)IdL(s)+-E(s)R170n(s)圖2.22電流連續(xù)時直流電動機的動態(tài)結構圖1/CeUd0(s)IdL

(s)

E(s)Id(s)++--1/RTls+1RTmsn(s)圖2.22電流連續(xù)時直流電動機的動態(tài)結構圖1/C171

由上圖可以看出，直流電動機有兩個輸入量，一個是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，另一個是負載電流IdL。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。如果不需要在結構圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進行等效變換。由上圖可以看出，直流電動機有兩個輸入172n(s)Ud0

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

(s)R(Tls+1)帶載時動態(tài)結構圖的變換和簡化a.IdL≠

0n(s)Ud0(s)+-1/CeTmTls2+Tms173n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0

(s)空載時動態(tài)結構圖的變換和簡化b.IdL=0n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0(s)174+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++L(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctG175(2)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)電路，因此在進行系統(tǒng)分析時，往往把它們看作一個整體，作為一個環(huán)節(jié)處理。+Ud0UctGT(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)由于176

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內的特性率決定，計算方法是 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定

放大系數(shù)Ks的求取

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍177如果不能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設觸發(fā)電路控制電壓的調節(jié)范圍為

Uc=0~10V相對應的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V可取Ks

=220/10=22如果不能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。178晶閘管觸發(fā)與整流裝置的滯后效應是由晶閘管的失控時間引起的。晶閘管一旦導通后，控制電壓的變化在該器件關斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時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電壓的狀況。滯后時間Ts的求取

晶閘管觸發(fā)與整流裝置的滯后效應是由晶閘管的失179u2udUctta1OUc1Uc2a1ttOOOa2a2Ud01Ud02Ts圖2.23晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間失控時間Ts的分析

u2udUctta1OUc1Uc2a1ttOOOa2a2Ud180顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發(fā)生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關，由下式確定式中

—交流電流頻率；—一周內整流電壓的脈沖波數(shù)。fm最大失控時間Tsmax的計算

顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發(fā)生變化181

相對于整個系統(tǒng)的響應時間來說，Ts是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值Ts

=Tsmax/2，并認為是常數(shù)。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取Ts=Tsmax。下表列出了不同整流電路的失控時間。表2.2不同整流電路的失控時間（f=50Hz）

Ts值的選取

相對于整個系統(tǒng)的響應時間來說，Ts是不大182

由于Ts

很小，為了分析和設計的方便，當系統(tǒng)的截止頻率滿足時，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)，即傳遞函數(shù)的近似處理由于Ts很小，為了分析和設計的方便，當系統(tǒng)183Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)準確的(b)近似的動態(tài)結構圖

Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)準確的(184

直流閉環(huán)調速系統(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)，它們的響應都可以認為是瞬時的，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

放大器測速反饋(3)控制與檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)直流閉環(huán)調速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器185

知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關系組合起來，就可以得到閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖。知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中186圖2.24單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

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

s2+Tms+1