1、第3章 闭环控制的直流调速系统p本章教学要求与目标n掌握单闭环直流调速系统的组成和稳、动态性能n了解其他型式的单闭环系统的基本原理n掌握双闭环直流调速系统的组成、动态分析和设计方法n了解直流可逆调速系统和弱磁调速系统3.1 单闭环直流调速系统p开环系统不能满足生产工艺要求的主要表现是转速降落过开环系统不能满足生产工艺要求的主要表现是转速降落过大，并且随着负载的增大转速降会更大。那么如何使转速大，并且随着负载的增大转速降会更大。那么如何使转速尽可能不随负载大小变化呢？尽可能不随负载大小变化呢？p根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引到系根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引到系统
2、比较环节，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统比较环节，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响，统进行控制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是而维持被调节量很少变化或不变，这就是反馈控制的基本反馈控制的基本规律规律。p在直流调速系统中，被调节量是转速，通常采用测速发电在直流调速系统中，被调节量是转速，通常采用测速发电机来实现转速反馈，测速发电机的输入量是转速，输出是机来实现转速反馈，测速发电机的输入量是转速，输出是直流电压或交流电压（依测速发电机类型而定）。直流电压或交流电压（依测速发电机类型而定）。p
3、图图3-1所示就是具有转速负反馈的直流电动机调速系统，被调量是转所示就是具有转速负反馈的直流电动机调速系统，被调量是转速速n，给定量是给定电压，给定量是给定电压Un*，在电动机轴上安装测速发电机用以得到，在电动机轴上安装测速发电机用以得到与被测转速成正比的反馈电压与被测转速成正比的反馈电压Un。Un*与与Un相比较后，得到转速偏差电相比较后，得到转速偏差电压压Un，经过比例放大器，经过比例放大器A（又称比例调节器，（又称比例调节器，P调节器），产生电力调节器），产生电力电子变换器电子变换器UPE所需的控制电压所需的控制电压Uc。从。从Uc开始一直到直流电动机，系开始一直到直流电动机，系统的结构
4、与开环调速系统相同，而闭环控制系统和开环控制系统的区统的结构与开环调速系统相同，而闭环控制系统和开环控制系统的区别就在于转速是否反馈到输入端参与控制。别就在于转速是否反馈到输入端参与控制。图3-1单闭环调速系统的稳、动态性能分析p在第在第2章分析开环系统的机械特性时，已经得到开环调速章分析开环系统的机械特性时，已经得到开环调速系统中各环节的稳态关系如下：系统中各环节的稳态关系如下：n电力电子变换器电力电子变换器 n直流电动机直流电动机 p在图在图3-1中又增加了以下环节：中又增加了以下环节：n电压比较环节电压比较环节 n比例调节器比例调节器 n测速反馈环节测速反馈环节 n式中式中 Kp比例放大
5、器的比例放大系数；比例放大器的比例放大系数；n 转速反馈系数（转速反馈系数（V min/r）。）。csd0UKUed0dCRIUnn*nnUUUnpcUKUnU n单闭环直流调速系统的稳态结构图单闭环直流调速系统的稳态结构图图3-2转速负反馈单闭环直流调速系统的稳态特性方程式转速负反馈单闭环直流调速系统的稳态特性方程式p整理以上五式得整理以上五式得p运用稳态结构图运用稳态结构图3-2和叠加原理，同样可以推出该式。和叠加原理，同样可以推出该式。p如果把图如果把图3-2中的反馈回路断开，则该系统的开环机械中的反馈回路断开，则该系统的开环机械特性为特性为llnnKCRIKCUKKCKKCRIUKKn
6、c0cede*nspesped*nsp)1 ()1 ()/1 (opop0ede*nspnnCRICUKKnp比较上面两式得到比较上面两式得到p （3-3）p因为因为Kp能任意取值，所以能任意取值，所以K能任意取值。根据生产工能任意取值。根据生产工艺要求，总能找出一个艺要求，总能找出一个K值，使得下面的不等式成立：值，使得下面的不等式成立：Knnl1opc要求cnnl1. 开环系统机械特性和比例控制闭环系统稳态特性的关系开环系统机械特性和比例控制闭环系统稳态特性的关系p（1）闭环系统稳态特性比开环系统机械特性硬得多闭环系统稳态特性比开环系统机械特性硬得多n由式（由式（3-3），在同样的负载扰动
7、下，当），在同样的负载扰动下，当K值较大时，值较大时， ncl 比比nop 小得多，也就是说，闭环系统的稳态特性要小得多，也就是说，闭环系统的稳态特性要硬得多。硬得多。p（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多闭环系统的静差率要比开环系统小得多n闭环系统和开环系统的静差率分别为闭环系统和开环系统的静差率分别为n 和和n设理想空载转速相同，即当设理想空载转速相同，即当n0cl = n0op 时时n lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc（3-4）p（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围提高调速范围n如果电动机的最高
8、转速都是如果电动机的最高转速都是nN，而对最低速静差率的要，而对最低速静差率的要求相同，那么由式（求相同，那么由式（2-7）可得）可得n开环时开环时 闭环时闭环时 n再考虑式（再考虑式（3-3），得），得n （3-5）n在此需要说明，式（在此需要说明，式（3-5）的条件是开环和闭环系统的）的条件是开环和闭环系统的nN 相同，而式（相同，而式（3-4）的条件是两者的）的条件是两者的n0 相同。计算时相同。计算时若采用同一条件，结果会略有差异。若采用同一条件，结果会略有差异。)1 (opNopsnsnD)1 (cNcsnsnDllopc)1 (DKDlp（4）闭环系统需设置放大器后，才能获得好的性
9、能闭环系统需设置放大器后，才能获得好的性能n从上面的分析可以看出，当从上面的分析可以看出，当K足够大时，闭环系统的静足够大时，闭环系统的静差率才小，调速范围才大，因此必须设置放大器。差率才小，调速范围才大，因此必须设置放大器。n在闭环直流调速系统中，直流电动机的额定速降仍旧是在闭环直流调速系统中，直流电动机的额定速降仍旧是nN，与开环调速系统相比，电枢回路电阻，与开环调速系统相比，电枢回路电阻R，额定负，额定负载电流载电流IN 和电动机的反电势系数和电动机的反电势系数Ce 并没有发生变化。并没有发生变化。思思考考闭环系统稳态速降减少的实质从电路原理上分析闭环系统稳态速降减少的实质从电路原理上分
10、析是什么呢是什么呢？n p在开环系统中，当负载电流增大时，电枢回路压降也增大，在开环系统中，当负载电流增大时，电枢回路压降也增大，转速只能无奈地降下来。在图转速只能无奈地降下来。在图3-3中，设原始工作点为中，设原始工作点为A，负载电流为负载电流为Id1，当负载增大到，当负载增大到Id2 时，开环系统的转速必然时，开环系统的转速必然降到降到A 点所对应的数值。而闭环系统设有反馈装置，转速点所对应的数值。而闭环系统设有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感觉出来通过比较和放大，控制电稍有降落，反馈电压就感觉出来通过比较和放大，控制电压压Uc 增大，使电力电子装置的输出电压增大，使电力电子装置的输出
11、电压Ud0上升，以补偿电上升，以补偿电阻降落部分的影响，使系统工作在新的机械特性上，因而阻降落部分的影响，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升。如当负载增大到转速又有所回升。如当负载增大到Id2 时，闭环系统的输出时，闭环系统的输出电压电压Ud0 由由Ud01 变为变为Ud02，工作点在工作点在B处，稳态速降比开环处，稳态速降比开环系统要小得多。这样，在闭环系统中，每增加一点负载，系统要小得多。这样，在闭环系统中，每增加一点负载，就会相应提高一点电枢电压，使电动机在新的机械特性上就会相应提高一点电枢电压，使电动机在新的机械特性上工作。同理，负载降低时电枢电压跟着降低。工作。同理，负载
12、降低时电枢电压跟着降低。图3-32 2. 单闭环调速系统的抗干扰能力单闭环调速系统的抗干扰能力p除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫作出量变化的因素都叫作“扰动作用扰动作用”。在分析系统稳态特。在分析系统稳态特性时，只讨论了负载变化这一种扰动，除此之外，交流电性时，只讨论了负载变化这一种扰动，除此之外，交流电源电压的波动（相当于源电压的波动（相当于Ks 发生变化）、电动机励磁的变化发生变化）、电动机励磁的变化（造成（造成Ce变化）、放大器输出电压的漂移（相当于变化）、放大器输出电压的漂移（相当于Kp 变变化）、由
13、温升引起主电路电阻化）、由温升引起主电路电阻R的增大等，所有这些因素的增大等，所有这些因素都要影响到转速。在转速负反馈系统中，转速的变化都会都要影响到转速。在转速负反馈系统中，转速的变化都会被测速装置检测出来，再通过反馈控制的作用，减少它们被测速装置检测出来，再通过反馈控制的作用，减少它们对稳态转速的影响。图对稳态转速的影响。图3-4 画出了在扰动作用下的稳态结构画出了在扰动作用下的稳态结构图。图。p p根据自动控制原理，反馈控制系统能够抑制所有被反馈环根据自动控制原理，反馈控制系统能够抑制所有被反馈环包围的前向通道上的扰动。抗扰性能是反馈控制系统最突包围的前向通道上的扰动。抗扰性能是反馈控制
14、系统最突出的特征之一。正因为这一特征，在设计闭环系统时，可出的特征之一。正因为这一特征，在设计闭环系统时，可以只考虑一种主要扰动的影响，如在调速系统中只考虑负以只考虑一种主要扰动的影响，如在调速系统中只考虑负载扰动。按照克服负载扰动的要求设计的系统，其它扰动载扰动。按照克服负载扰动的要求设计的系统，其它扰动也就自然受到了抑制。也就自然受到了抑制。p因为系统输出是紧紧跟随给定作用，对给定信号的任何变因为系统输出是紧紧跟随给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。所以高精度的调速系统必须有更高精化都是唯命是从的。所以高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。度的给定稳压电源。p反馈检测装置
15、的误差也是反馈控制系统无法克服的。如测速发电机励反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的。如测速发电机励磁发生变化时，会使检测到的转速反馈信号偏离应有的数值，而测速磁发生变化时，会使检测到的转速反馈信号偏离应有的数值，而测速发电机电压中的换向纹波、制造或安装不良造成转子的偏心等，都会发电机电压中的换向纹波、制造或安装不良造成转子的偏心等，都会给系统带来周期性的干扰。这些扰动相当于使给系统带来周期性的干扰。这些扰动相当于使发生变化，系统对它是发生变化，系统对它是无能为力的。无能为力的。图3-43. 单闭环调速系统的稳态参数计算p稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定稳态参数计算是自动
16、控制系统设计的第一步，它决定了控制系统的基本构成，然后再通过动态校正使系统了控制系统的基本构成，然后再通过动态校正使系统趋于完善。趋于完善。p在模拟控制的运动控制系统中，大都采用线性集成电在模拟控制的运动控制系统中，大都采用线性集成电路运算放大器作为系统的调节器。路运算放大器作为系统的调节器。p图图3-5是用运算放大器作比例调节器（是用运算放大器作比例调节器（P调节器）的原理图。调节器）的原理图。图中图中 ui 和和 uo 为调节器的输入和输出电压，为调节器的输入和输出电压，R1 为输入电阻，为输入电阻，R2 为反馈电阻，为反馈电阻，R3 为同相输入端的平衡电阻，用以降低为同相输入端的平衡电阻
17、，用以降低放大器失调电流的影响，放大器失调电流的影响，R3 数值一般应为反相输入端各数值一般应为反相输入端各电路电阻的并联值。电路电阻的并联值。p该比例调节器的比例系数为该比例调节器的比例系数为 12iopRRuuK图3-5-+R1R2R3uiuo（3-6）p值得注意的是，一般使用运算放大器的反相输入，因值得注意的是，一般使用运算放大器的反相输入，因此输出电压和输入电压的极性是相反的。此输出电压和输入电压的极性是相反的。p如果要反映出极性，如果要反映出极性，Kp 应为负值，这将给系统的设计应为负值，这将给系统的设计p和计算带来麻烦。为了避免这种麻烦，调节器的比例和计算带来麻烦。为了避免这种麻烦
18、，调节器的比例系数本身都用正值，反相的关系只在具体电路的极性系数本身都用正值，反相的关系只在具体电路的极性中考虑。中考虑。p当当R1=R2 时，调节器的比例系数为时，调节器的比例系数为1，由于输出和输入，由于输出和输入反相，故常在控制系统中作反相器。反相，故常在控制系统中作反相器。p此外，为了使比例系数可调，常在输出反馈端加一只电位器，原理图此外，为了使比例系数可调，常在输出反馈端加一只电位器，原理图如图如图3-6所示。它是以输出电压的一部分所示。它是以输出电压的一部分 uo（分压系数（分压系数 1）作为反）作为反馈电压，则比例系数可调的比例调节器的比例系数为馈电压，则比例系数可调的比例调节器
19、的比例系数为p p注意：注意：R3 应取比应取比R2 小几倍，小几倍， 这样对放大倍数的影响可不这样对放大倍数的影响可不 考虑。考虑。R1一般取几千欧姆至一般取几千欧姆至 几十千欧姆。几十千欧姆。-+R1R2R4R312iopRRuuK图3-6思考：有其它电路可以改变比例系数吗（3-7）比例控制的单闭环直流调速系统可以根据系统设计要求进行比例控制的单闭环直流调速系统可以根据系统设计要求进行稳态参数计算。稳态参数计算。p(1)按照对闭环系统稳态速降的要求，确定开环放大倍数K 首先求出电动机的电动势系数首先求出电动机的电动势系数Ce：p p由式（由式（3-3）可得）可得p注意这里注意这里Ra 是电
20、动机电枢电阻，是电动机电枢电阻，R 是主回路总电阻。是主回路总电阻。p(2)UPE放大倍数Ks 的确定 设比例调节器的最大输出值设比例调节器的最大输出值（限幅值）为（限幅值）为Ucm，对应的，对应的UPE最大输出值为最大输出值为Ud0m，则，则NadNNenRIUC11cedNcopllnCRInnKcmd0msUUK p(3)转速反馈系数的确定 设对应于额定转速的最大速设对应于额定转速的最大速度给定信号为度给定信号为U*nm，则，则p(4)比例调节器放大倍数的确定 p最后由式（最后由式（3-6）或（）或（3-7）可以确定各电阻数值。）可以确定各电阻数值。Nnm*nU sepKKCK 4单闭环
21、调速系统的动态分析p第第章里已经导出了电力电子变换器、直流电动机的章里已经导出了电力电子变换器、直流电动机的传递函数，现将单闭环直流调速系统的动态结构图示传递函数，现将单闭环直流调速系统的动态结构图示于图于图3-7。图3-7p从动态结构图可以得出，转速负反馈单闭环直流调速系统的开环传递从动态结构图可以得出，转速负反馈单闭环直流调速系统的开环传递函数为函数为p （3-8） p设设IdL=0，即不考虑负载扰动，从给定输入作用上看，转速负反馈单闭，即不考虑负载扰动，从给定输入作用上看，转速负反馈单闭环直流调速系统的闭环传递函数为环直流调速系统的闭环传递函数为 p （3-9）p由此可见，比例控制的单闭
22、环直流调速系统是一个三阶线性系统。它由此可见，比例控制的单闭环直流调速系统是一个三阶线性系统。它的闭环特征方程式为的闭环特征方程式为p p （3-10）)sTsT)(Ts(TK(s)U(s)UsW2l11)(mmsnnK)sTsT)(Ts(TCKK)sTsT)(Ts(TCKK)sTsT)(Ts(TCKKsW2l2l2ll11/11/111/)(mmsespmmsespmmsespc0111)(1sm2sm3msKTTsKTTTsKTTTlslp三阶系统闭环特征方程式的一般形式为三阶系统闭环特征方程式的一般形式为p根据三阶系统的劳斯判据，系统稳定的充要条件为根据三阶系统的劳斯判据，系统稳定的充要
23、条件为p式（式（3-10）中各项系数均大于零，因此系统稳定的条件就只有是）中各项系数均大于零，因此系统稳定的条件就只有是p p即即 p整理后得整理后得 （3-11）0322130asasasa0000003213210aaaaaaaa，0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTllssms)1 ()(TTKTTTTlls2ssm)(TTTTTTKllp式（式（3-11）右边称为系统的临界放大系数）右边称为系统的临界放大系数Kcr，K若超出此若超出此值，系统将不稳定。而稳定是系统能否正常工作的先决条值，系统将不稳定。而稳定是系统能否正常工作的先决条件，必须得到保证。实际上动态稳定性不仅必须保
24、证，而件，必须得到保证。实际上动态稳定性不仅必须保证，而且还要有一定的稳定裕度，以备参数变化和其它一些未计且还要有一定的稳定裕度，以备参数变化和其它一些未计入的影响，也就是说，入的影响，也就是说，K的取值应该比它的临界值更小一的取值应该比它的临界值更小一些。些。p而由以前的稳态性能分析表明，而由以前的稳态性能分析表明，K 值越大稳态误差越小。值越大稳态误差越小。所以所以系统稳态误差要求和动态稳定性的要求是矛盾的系统稳态误差要求和动态稳定性的要求是矛盾的。要。要解决这个矛盾，必须再设计合适的校正装置。解决这个矛盾，必须再设计合适的校正装置。p例题3-1 直流电动机参数与例题直流电动机参数与例题2
25、-2相同，系统采用的是三相桥式可相同，系统采用的是三相桥式可控整流电路，已知电枢回路总电阻控整流电路，已知电枢回路总电阻R=0.18，电感量，电感量L= 3mH，系统运，系统运动部分的飞轮惯量动部分的飞轮惯量GD2 =60Nm2，稳态性能指标，稳态性能指标D=20，s 5%。试判。试判别该单闭环直流调速系统的稳定性。别该单闭环直流调速系统的稳定性。p解解 首先计算系统中有关时间常数：首先计算系统中有关时间常数：p电磁时间常数电磁时间常数 p机电时间常数机电时间常数 p对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为p p为保证系统稳定，应满足稳定
26、条件：为保证系统稳定，应满足稳定条件：p按稳态性能指标，按稳态性能指标，K 要大于要大于103.6，这与稳定性的要求是矛盾的。，这与稳定性的要求是矛盾的。ssRLTl0167. 018. 0003. 0ssCCRGDT075. 02 . 055. 92 . 037518. 060375me2msT00167. 0s5 .4900167. 00167. 000167. 0)00167. 00167. 0(075. 0)(2s2ssmTTTTTTKllp例题3-2 在例题在例题3-1的闭环直流调速系统中，若改用全控型器的闭环直流调速系统中，若改用全控型器件的件的PWM调速系统，电动机不变，电枢回路
27、参数为：调速系统，电动机不变，电枢回路参数为：R=0.1，L= 1mH，PWM开关频率为开关频率为8 kHz。按同样的稳态。按同样的稳态性能指标，该系统能否稳定？如果对静差率的要求不变，在性能指标，该系统能否稳定？如果对静差率的要求不变，在保证稳定时，系统能够达到的最大调速范围有多少？保证稳定时，系统能够达到的最大调速范围有多少？p解解 采用采用PWM调速，各环节的时间常数为调速，各环节的时间常数为ssRLTl01. 01 . 0001. 0ssCCRGDT0419. 02 . 055. 92 . 03751 . 060375me2mssT000125. 080001sp则稳定条件为则稳定条件
28、为p按照稳态性能指标要求，额定负载时闭环系统应为按照稳态性能指标要求，额定负载时闭环系统应为ncl 2.63r/min，而开环额定速降为，而开环额定速降为p所以开环放大系数应满足所以开环放大系数应满足p这里这里，PWM调速系统能够满足稳定性和稳态性能两方面的要求。调速系统能够满足稳定性和稳态性能两方面的要求。4 .339000125. 001. 0000125. 0)000125. 001. 0(0419. 0)(2s2ssmTTTTTTKllmin/. 5 .152min/2 . 01 . 0305edNoprrCRIn57163. 25 .1521coplnnK无静差直流调速系统p比例控制
29、的单闭环调速系统本质上是一个有静差系统，在比例控制的单闭环调速系统本质上是一个有静差系统，在一定范围内增加其放大系数，只能减少稳态速差，却不能一定范围内增加其放大系数，只能减少稳态速差，却不能消除它，反而可能引起系统不稳定。解决的思路是采用下消除它，反而可能引起系统不稳定。解决的思路是采用下面的校正方案：面的校正方案：p动态时放大系数自动变小，稳态时放大系数自动变大。p具体来说就是要采用带积分作用的调节器，理论上能够完具体来说就是要采用带积分作用的调节器，理论上能够完全消除稳态速差，组成无静差调速系统。全消除稳态速差，组成无静差调速系统。1、积分调节器和积分控制规律p根据理想运算放大器的假设，
30、可以推出根据理想运算放大器的假设，可以推出p式中式中 = R0C积分时间常数。积分时间常数。p其传递函数为其传递函数为p只要输入大于零，输出就会上升，只要输入大于零，输出就会上升，p直至达到限幅值。直至达到限幅值。p输入为零时，输出停止上升。输入为零时，输出停止上升。p输入变负，输出才会下降。输入变负，输出才会下降。p这是与比例调节的本质区别这是与比例调节的本质区别 tdtUU0nc1s sW1)(I图3-8积分调节器的输入输出动态过程 图图3-9积分控制可以在偏差为零时保持恒速运行，从而实现无静差调速。积分控制可以在偏差为零时保持恒速运行，从而实现无静差调速。p调速系统中除了给定输入量调速系
31、统中除了给定输入量U*n p外，还存在一个反映负载变化的外，还存在一个反映负载变化的p扰动输入量扰动输入量IdL。扰动作用时系统。扰动作用时系统的动态过程曲线示于图的动态过程曲线示于图3-10。 p综合上述分析得出以下结论：综合上述分析得出以下结论：p比例调节器的输出只取决于输比例调节器的输出只取决于输p入偏差量的现状，而积分调节入偏差量的现状，而积分调节p器的输出则包含了输入偏差量器的输出则包含了输入偏差量p的全部历史。的全部历史。 图3-102、比例积分调节器及其控制规律p采用运算放大器构成的采用运算放大器构成的PI调节器电路如图调节器电路如图3-11a所示。所示。该电路具有限幅功能，通该
32、电路具有限幅功能，通过调整过调整RP1和和RP2值，可以值，可以改变输出信号的正、负限改变输出信号的正、负限幅值。根据运算放大器的幅值。根据运算放大器的特性，可以得出下列关系特性，可以得出下列关系p p由此可见，由此可见，PI调节器的输调节器的输出是由比例和积分两个部出是由比例和积分两个部分相加而成分相加而成。tdtUUKU0ininpex1图3-11p初始条件为零时，求拉氏变换后得到初始条件为零时，求拉氏变换后得到PI调节器的传递函数调节器的传递函数p令令1 = Kp，则此传递函数也可以写成如下形式，则此传递函数也可以写成如下形式p即可以用即可以用积分积分和和比例微分比例微分两个环节表示，两
33、个环节表示，1 是微分项中的超前时是微分项中的超前时间常数。间常数。s s Ks KsW11)(ppPIssKsW11pPI1)(p从图从图3-11b 中可以看出比例积分作用的物理意义。当中可以看出比例积分作用的物理意义。当t=0时突加输时突加输入入Ui，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到KpUi，保，保证了一定的快速控制作用。随后电容证了一定的快速控制作用。随后电容C逐渐被充电，逐渐被充电，Uex按积分按积分规律增长，直至规律增长，直至Ui=0，Uex维持在一稳定值，仍然有控制作用输维持在一稳定值，仍然有控制作用输出。出。p比例积分控制综合
34、了比例控制和积分控制两者的优点，又克服比例积分控制综合了比例控制和积分控制两者的优点，又克服了各自的缺点，比例部分能迅速响应输入的变化，积分部分则了各自的缺点，比例部分能迅速响应输入的变化，积分部分则最终消除误差。最终消除误差。3. 采用PI调节器的无静差直流调速系统p用用PI 调节器代替原来的调节器代替原来的P调节器就构成转调节器就构成转速反馈单闭环无静差直流调速系统。当突速反馈单闭环无静差直流调速系统。当突加输入信号时，由于加输入信号时，由于PI 调节器电容两端电调节器电容两端电压不能突变，相当于两端瞬时短路，运算压不能突变，相当于两端瞬时短路，运算放大器的反馈回路中只剩下电阻，就成为放大
35、器的反馈回路中只剩下电阻，就成为一个放大系数为一个放大系数为Kp的比例调节器，若系统的比例调节器，若系统中中Un 如图如图3-12中那样变化，在输出端立即中那样变化，在输出端立即出现电压出现电压KpUn，如图，如图3-12中曲线中曲线，实现，实现快速控制，发挥了比例控制的长处。此后，快速控制，发挥了比例控制的长处。此后，随着电容充电，积分部分开始作用，曲线随着电容充电，积分部分开始作用，曲线是积分曲线，其数值不断增加，直到稳是积分曲线，其数值不断增加，直到稳态。态。PI 调节器的输出是两部分之和，即曲调节器的输出是两部分之和，即曲线线+。稳态时，电容两端电压等于。稳态时，电容两端电压等于Uo，
36、电阻已不发挥作用，又和积分调节器一样电阻已不发挥作用，又和积分调节器一样了，这时就发挥积分调节器的长处，实现了，这时就发挥积分调节器的长处，实现稳态无静差。稳态无静差。图3-12p在实际系统中，为了避免运算放大器长期工作时的零点漂移，常常在在实际系统中，为了避免运算放大器长期工作时的零点漂移，常常在 R1、C 两端再并接一个电阻，其值为若干两端再并接一个电阻，其值为若干M，以便把放大系数压低一，以便把放大系数压低一些。这样就成为一个近似的些。这样就成为一个近似的PI调节器，或称调节器，或称“准准PI 调节器调节器”，系统也，系统也只是一个近似的无静差调速系统。只是一个近似的无静差调速系统。p如
37、何选择如何选择PI 调节器的参数调节器的参数Kp 和和1 ？p在自动控制原理中提出了几种校正设计方法，如根轨迹法、频率特性在自动控制原理中提出了几种校正设计方法，如根轨迹法、频率特性法等，其中频率法中的伯德图是工程上常用的方法。法等，其中频率法中的伯德图是工程上常用的方法。PI 调节器是一种调节器是一种串联滞后校正装置。其设计的基本原则是根据系统对性能指标的要求串联滞后校正装置。其设计的基本原则是根据系统对性能指标的要求确定期望对数频率特性，期望特性减去原始固有特性就可以得到校正确定期望对数频率特性，期望特性减去原始固有特性就可以得到校正装置的伯德图，从而就能确定相关参数。后续章节将要深入讨论
38、的工装置的伯德图，从而就能确定相关参数。后续章节将要深入讨论的工程设计法是设计直流调速系统的一种好方法。利用程设计法是设计直流调速系统的一种好方法。利用MATLAB软件及其软件及其Simulink模块进行系统仿真设计，可以方便地得到更满意的结果。模块进行系统仿真设计，可以方便地得到更满意的结果。其他型式的单闭环直流调速系统p1、电压负反馈直流调速系统n如果在实际工程中速度反馈环节无法实现，例如在设备改造中没如果在实际工程中速度反馈环节无法实现，例如在设备改造中没有合适的地方安装测速发电机，那怎么办呢？解决方法是采用电有合适的地方安装测速发电机，那怎么办呢？解决方法是采用电压反馈代替测速反馈，构
39、成如图压反馈代替测速反馈，构成如图3-13所示的电压负反馈直流调速所示的电压负反馈直流调速系统。系统。图3-13p电动机转速较高时，直流电动机的电动势与端电压近似相等，电动机转速较高时，直流电动机的电动势与端电压近似相等，或者说电动机转速近似与端电压成正比。则采用电压负反馈可或者说电动机转速近似与端电压成正比。则采用电压负反馈可基本代替转速负反馈的作用。基本代替转速负反馈的作用。p假设电压反馈电阻充分大，其稳态结构图如图假设电压反馈电阻充分大，其稳态结构图如图3-14所示。所示。图3-14p由结构图知，电枢回路总电阻由结构图知，电枢回路总电阻R分成两个部分，即：分成两个部分，即：p p式中式中
40、 Ra电动机电枢电阻电动机电枢电阻p Rpe电力电子变换器内阻电力电子变换器内阻p因而：因而： p p这些关系都反映在结构图中。这些关系都反映在结构图中。ape RRRERIUURIU adddpedd0p利用结构图运算规则，分别求出每部分的输入输出关系，叠加起来，利用结构图运算规则，分别求出每部分的输入输出关系，叠加起来，即得电压负反馈直流调速系统的稳态特性方程式：即得电压负反馈直流调速系统的稳态特性方程式：p式中：式中：K = KpKsp由稳态结构图和稳态特性方程式可以看出，电压负反馈系统实际上只由稳态结构图和稳态特性方程式可以看出，电压负反馈系统实际上只是一个自动调压系统，所以只有被反馈
41、环包围的电力电子装置内阻引是一个自动调压系统，所以只有被反馈环包围的电力电子装置内阻引起的稳态速降被减小到起的稳态速降被减小到1/(1+K)，而电枢电阻速降，而电枢电阻速降RaId/Ce 处于反馈环外，处于反馈环外，仍和开环系统中一样没有被减小。仍和开环系统中一样没有被减小。p显然电压负反馈系统的稳态性能比带同样放大器的转速负反馈系统要显然电压负反馈系统的稳态性能比带同样放大器的转速负反馈系统要差一些。所以仅适应生产工艺对调速系统稳态指标要求不太高的场合。差一些。所以仅适应生产工艺对调速系统稳态指标要求不太高的场合。p注意：注意：（1）在实际系统中，为了尽量减小稳态速降，电压负反馈信）在实际系
42、统中，为了尽量减小稳态速降，电压负反馈信号的引出线应尽量靠近电动机电枢两端。（号的引出线应尽量靠近电动机电枢两端。（2）电压反馈信号必须经）电压反馈信号必须经过滤波。（过滤波。（3）最好采用电压隔离变换器，使主电路与控制电路之间）最好采用电压隔离变换器，使主电路与控制电路之间没有直接电的联系。没有直接电的联系。edaedpeensp)1 ()1 (CIRKCIRKCUKKn带电流补偿控制的电压负反馈直流调速系统p为了改善电压负反馈调速系统的缺陷，可以使用带电流正反馈即补偿为了改善电压负反馈调速系统的缺陷，可以使用带电流正反馈即补偿控制的电压负反馈直流调速系统，见图控制的电压负反馈直流调速系统，
43、见图3-15。图 3-15 p主电路中串入取样电阻主电路中串入取样电阻Rs，由，由IdRs 取出电流正反馈信号。要注意串接取出电流正反馈信号。要注意串接Rs 的位置，须使的位置，须使IdRs的极性与转速给定信号的极性一致，而与电压负的极性与转速给定信号的极性一致，而与电压负反馈信号反馈信号Uu=Ud 的极性相反。在运算放大器的输入端，转速给定和电的极性相反。在运算放大器的输入端，转速给定和电压负反馈的输入回路电阻都是压负反馈的输入回路电阻都是R0，电流正反馈输入回路的电阻是，电流正反馈输入回路的电阻是R2，以便获得适当的电流反馈系数以便获得适当的电流反馈系数，其定义为：，其定义为：p当负载增大
44、使静态速降增加时，电流正反馈信号也增大，通过运算放当负载增大使静态速降增加时，电流正反馈信号也增大，通过运算放大器使电力电子装置控制电压随之增加，从而补偿了转速的降落。因大器使电力电子装置控制电压随之增加，从而补偿了转速的降落。因此，此，电流正反馈的作用又称作电流补偿控制电流正反馈的作用又称作电流补偿控制。具体的补偿作用有多少，。具体的补偿作用有多少，由系统各环节的参数决定。由系统各环节的参数决定。SRRR20系统稳态结构图见图系统稳态结构图见图3-16。p系统的稳态特性方程式为系统的稳态特性方程式为p很明显，如果加大电流反馈系数很明显，如果加大电流反馈系数就可以减少静差。那么，就可以减少静差
45、。那么，把把加大到一定程度，理论上可实现无静差。即只要满足加大到一定程度，理论上可实现无静差。即只要满足下式即可：下式即可：p整理后，可得无静差的条件是：整理后，可得无静差的条件是：edaedSpeedspe*sp)1 ()()1 ()1 (CIRKCIRRKCIKKKCUKKnn011aspespRKRRKKKcrspaKKKRRp不同补偿条件下的稳态特性如图不同补偿条件下的稳态特性如图3-17 所示所示 。p采用补偿控制的方法使静差为零，采用补偿控制的方法使静差为零，叫做叫做“全补偿全补偿”。特性是带电压。特性是带电压负反馈和适当电流正反馈的全补偿负反馈和适当电流正反馈的全补偿特性，是一条
46、水平线。如果特性，是一条水平线。如果cr，则特性上，则特性上翘，叫做翘，叫做“过补偿过补偿”(特性特性)。电。电压负反馈系统的稳态特性压负反馈系统的稳态特性(特性特性) 开环系统的机械特性开环系统的机械特性(特性特性) 。p所有的特性都是以同样的理想空载所有的特性都是以同样的理想空载转速转速n0为基准的。为基准的。图3-17 反馈控制与补偿控制的区别：反馈控制与补偿控制的区别：p（1）由被调量负反馈构成的反馈控制和由扰动量正反馈构成的）由被调量负反馈构成的反馈控制和由扰动量正反馈构成的补偿控制，是性质不同的两种控制规律：反馈控制只能使静差补偿控制，是性质不同的两种控制规律：反馈控制只能使静差减
47、小，补偿控制却能把静差完全消除。减小，补偿控制却能把静差完全消除。p（2）反馈控制在原理上是自动调节的作用，无论环境如何变化，）反馈控制在原理上是自动调节的作用，无论环境如何变化，都能可靠地减小静差；而补偿控制则要靠参数的配合。都能可靠地减小静差；而补偿控制则要靠参数的配合。p（3）反馈控制对一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动都有）反馈控制对一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动都有抑制效能，而补偿控制则只是针对某一种扰动而言的。抑制效能，而补偿控制则只是针对某一种扰动而言的。p思考：补偿控制有什么缺点？思考：补偿控制有什么缺点？带电流截止负反馈的直流调速系统p问题的提出：问题的提出：p起动的
48、冲击电流起动的冲击电流直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。力电子器件来说，更是不能允许的。p闭环调速系统突加给定起动的冲击电流闭环调速系统突加给定起动的冲击电流采用转速负反馈的闭环调采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压差不多是其稳态工作值的反馈电压仍为零，相当于偏
49、差电压差不多是其稳态工作值的 1+K 倍。倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。p堵转电流堵转电流有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的稳态特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远于闭环系统的稳态特性很硬，若
50、无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。也会给正常工作带来不便。p为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。系统中必须有自动限制电枢电流的环节。p根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保
