1、 本章以直流电动机为被控对象，着重讨论直流调速本章以直流电动机为被控对象，着重讨论直流调速系统的组成、控制方法和系统性能。系统的组成、控制方法和系统性能。第第3.13.1节首先介绍节首先介绍开环直流调速系统的组成及带来的主要问题。第开环直流调速系统的组成及带来的主要问题。第3.23.2节节论述转速闭环直流调速系统，分析反馈控制闭环系统的论述转速闭环直流调速系统，分析反馈控制闭环系统的稳态静差率和动态稳定性，为反馈控制系统的分析奠定稳态静差率和动态稳定性，为反馈控制系统的分析奠定基础。第基础。第3.33.3节分析转速、电流双闭环的直流调速系统，节分析转速、电流双闭环的直流调速系统，作为直流调速系
2、统常用的典型控制模式。随后在第作为直流调速系统常用的典型控制模式。随后在第3.43.4节和第节和第3.53.5节分别讨论直流调速系统的电压与磁场协调节分别讨论直流调速系统的电压与磁场协调控制，以及可逆控制问题。第控制，以及可逆控制问题。第3.63.6节介绍利用节介绍利用MATLABMATLAB仿仿真软件进行直流传动控制系统仿真。真软件进行直流传动控制系统仿真。-1-3.1 3.1 开环直流调速系统的组成与主要问题开环直流调速系统的组成与主要问题 -2-直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，在许多需要调速和（或）快速正反向的围内平滑
3、调速，在许多需要调速和（或）快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势。然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和速系统的趋势。然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控
4、制系统。-3-3.1.1 3.1.1 开环直流调速系统的组成开环直流调速系统的组成 根据第根据第1 1章的分析，在直流电动机调速的三种方法章的分析，在直流电动机调速的三种方法中变压调速的性能最好，因此是目前最主要的直流调速中变压调速的性能最好，因此是目前最主要的直流调速方案。如果采用变压调速方法，就需要有专门的可控直方案。如果采用变压调速方法，就需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种：流电源。常用的可控直流电源有以下三种：（1 1）旋转变流机组旋转变流机组用交流电动机和直流发电机用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。这是一种早期的获组成机组，以获得可调的直流电
5、压。这是一种早期的获得可调直流电源的方法，现已极少采用。得可调直流电源的方法，现已极少采用。-4-（2 2）静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整流器，用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压，其主电路拓扑结构及其控制原以获得可调的直流电压，其主电路拓扑结构及其控制原理如第理如第1 1章所述，目前主要用于大容量的直流调速系统。章所述，目前主要用于大容量的直流调速系统。（3 3）直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压，其
6、主电路拓或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压，其主电路拓扑结构及其控制原理也请参见第扑结构及其控制原理也请参见第1 1章有关章节。章有关章节。-5-由可控直流电源供电的开环直流调速系统结构如图由可控直流电源供电的开环直流调速系统结构如图3-13-1所示，系统中所示，系统中UCRUCR为由晶闸管整流器或直流为由晶闸管整流器或直流PWMPWM变换器变换器组成的可控整流器，组成的可控整流器，GTGT为门极（控制极）驱动装置。调为门极（控制极）驱动装置。调节控制电压节控制电压UcUc就可以改变电动机的转速。就可以改变电动机的转速。-6-3.1.2 3.1.2 开环直流调速系统的主要问题开环直流调速系统
7、的主要问题1 1系统机械特性的变异问题系统机械特性的变异问题 对于对于V-MV-M系统，当电流连续时，系统的机械特性方程系统，当电流连续时，系统的机械特性方程式为式为dde1()nUI RK（3-1）额定磁通下的电动势系数额定磁通下的电动势系数 晶闸管整流器输出电压晶闸管整流器输出电压 dd0cosUU（3-2）eeNKC-7-由此可见，改变控制角由此可见，改变控制角，可得一族平行直线，即，可得一族平行直线，即V-MV-M系统在电流连续时的机械特性与直流电动机电枢调压系统在电流连续时的机械特性与直流电动机电枢调压调速的机械特性很相似，但是，调速的机械特性很相似，但是，V-MV-M系统中电枢回路
8、的总系统中电枢回路的总电阻包括了电机的电枢电阻电阻包括了电机的电枢电阻R Ra a，整流器的内阻，整流器的内阻R Re e，以及线，以及线路电阻路电阻R Rl l，即为，即为 aelRRRR（3-3）-8-由于由于R R R Ra a，因此在相同电压下，因此在相同电压下，V-MV-M系统的机械特系统的机械特性要比直流电动机电枢调压的机械特性软。如图性要比直流电动机电枢调压的机械特性软。如图3-2a3-2a所所示，其中：曲线示，其中：曲线为仅考虑电枢电阻的机械特性；曲线为仅考虑电枢电阻的机械特性；曲线为为V-MV-M系统的机械特性，虚线表示电流断续，其特性应系统的机械特性，虚线表示电流断续，其特
9、性应另外分析。另外分析。-9-当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。对于不同的控制角，可用数值解法求出一族复杂得多。对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性，图电流断续时的机械特性，图3-2b3-2b绘出了完整的绘出了完整的V-MV-M系统机系统机械特性，其中包含了电流连续区和电流断续区。由图可械特性，其中包含了电流连续区和电流断续区。由图可见，当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，见，当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得
10、很高。-10-而对于直流而对于直流PWMPWM调速系统调速系统，采用不同形式的，采用不同形式的PWMPWM变换变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单。对于直流而机械特性关系式比较简单。对于直流PWMPWM可逆整流电路，可逆整流电路，其电压方程为其电压方程为 dsUU（3-4）电压系数电压系数 -11-将式（将式（3-43
11、-4）代入式（）代入式（3-13-1），则机械特性方程式为），则机械特性方程式为 sde1nURIKse0eeeTeTURRnTnTKK KK K（3-6）（3-5）TTNKC额定磁通下的转矩系数额定磁通下的转矩系数 s0eUnK理想空载转速理想空载转速-12-2.2.能量回馈问题能量回馈问题 （1 1）V-MV-M系统的能量回馈系统的能量回馈 由于晶闸管的单向导电性，使得采用晶闸管整流器由于晶闸管的单向导电性，使得采用晶闸管整流器的的V-MV-M系统进行能量的双向流动较为困难。这里有两种情系统进行能量的双向流动较为困难。这里有两种情况：如果电动机驱动位能性负载，比如起重机，就可以况：如果电动
12、机驱动位能性负载，比如起重机，就可以通过整流电路自身的有源逆变将位能负载下降过程的机通过整流电路自身的有源逆变将位能负载下降过程的机械能回馈到电网，如图械能回馈到电网，如图3-33-3所示。根据晶闸管触发脉冲的所示。根据晶闸管触发脉冲的相位，相控整流器有两种工作状态：相位，相控整流器有两种工作状态：-13-14-1 1）整流状态）整流状态 当晶闸管的触发脉冲的相位角小于当晶闸管的触发脉冲的相位角小于9090，即，即 9090 时，整流器工作于整流状态，且有时，整流器工作于整流状态，且有U Ud d E E（E E为直流电动机的反电动势）。此时，整流器将输入的为直流电动机的反电动势）。此时，整流
13、器将输入的交流电转换成可调的直流电输出，供给直流电动机传动交流电转换成可调的直流电输出，供给直流电动机传动机械负载运动。电动机工作在电动状态，其机械特性处机械负载运动。电动机工作在电动状态，其机械特性处于第一象限（见图于第一象限（见图3-3c3-3c中的曲线中的曲线）。）。-15-2 2）有源逆变）有源逆变 如果直流电动机工作于倒拉反接制动如果直流电动机工作于倒拉反接制动状态，由机械负载传动电动机反向运行，感应电动势状态，由机械负载传动电动机反向运行，感应电动势-E-E。此时，调节触发脉冲的相位角使其大于此时，调节触发脉冲的相位角使其大于9090，即，即 9090，且使且使 。则整流器工作于有
14、源逆变状态，将输入。则整流器工作于有源逆变状态，将输入的直流电转换成交流电回馈给电网。有源逆变时电动机的直流电转换成交流电回馈给电网。有源逆变时电动机工作于再生发电状态，其机械特性处于第四象限（见图工作于再生发电状态，其机械特性处于第四象限（见图3-3c3-3c中的曲线中的曲线）。）。dEU-16-（2 2）直流）直流PWMPWM系统的能量回馈与泵升电压系统的能量回馈与泵升电压 直流直流PWMPWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容的二极管整流器产生，并采用大电容C C滤波，以获得恒定滤波，以获得恒定的直流电压的直流电压
15、U Us s，电容，电容C C同时对感性负载的无功功率起储能同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用，当电机制动时吸收运行系统动能。但由于直缓冲作用，当电机制动时吸收运行系统动能。但由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作称作“泵升电压泵升电压”。-17-电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压U Usmsm，因此，因此电容量就不可能很小，一般几电容量就不可能很小，一般几kWkW的调速系统所需的电容的调速
16、系统所需的电容量达到数千量达到数千F F。在大容量或负载有较大惯量的系统中，。在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用图不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用图3-43-4中的镇流电阻中的镇流电阻R Rb b来消耗掉部分动能。来消耗掉部分动能。R Rb b的分流电路靠的分流电路靠开关器件开关器件VTVTb b在泵升电压达到允许数值时接通。在泵升电压达到允许数值时接通。对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回
17、馈电网。当然，这样一来，系统就更复杂了。电网。当然，这样一来，系统就更复杂了。-18-19-3.1.3 3.1.3 开环系统的静特性计算开环系统的静特性计算 开环调速系统的静态性能可以通过式（开环调速系统的静态性能可以通过式（3-13-1）和（）和（3-3-5 5）计算，并对照电力传动系统的静态指标，用式（）计算，并对照电力传动系统的静态指标，用式（1-1-5050）、（）、（1-511-51）和（）和（1-521-52）检查是否能够满足生产工艺）检查是否能够满足生产工艺要求。要求。eK-20-eK-21-由上例可以看出，生产工艺的要求的额定速降是由上例可以看出，生产工艺的要求的额定速降是2.
18、63r/min2.63r/min，而开环调速系统能达到的额定速降却是，而开环调速系统能达到的额定速降却是275 275 r/minr/min，相差几乎百倍。因此，开环调速系统虽能实现一，相差几乎百倍。因此，开环调速系统虽能实现一定范围内的无级调速，但是，由于其系统性能有限，往定范围内的无级调速，但是，由于其系统性能有限，往往不能满足生产工艺要求。往不能满足生产工艺要求。-22-3.2 3.2 转速闭环直流调速系统转速闭环直流调速系统 -23-为了克服开环系统的不足，根据自动控制原理，反为了克服开环系统的不足，根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，馈控制的闭环系统是
19、按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。由于转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，闭环由于转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，闭环调速系统应该能够大大减少转速降落。为此引入转速反调速系统应该能够大大减少转速降落。为此引入转速反馈，组成转速反馈控制的闭环直流调速系统。馈，组成转速反馈控制的闭环直流调速系统。-24-3.2.1 3.2.1 转速闭环直流调速系统的组成转速闭环直流调速系统的组成 转速闭环的直流调速系统的结构如图转速闭环的直流调速系统的结构如图3-53-5所示。所示。-25-3.2.2 3.
20、2.2 转速闭环直流调速系统的稳态分析转速闭环直流调速系统的稳态分析 首先分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何首先分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的假能够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的假定：定：（1 1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输入-输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段。输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段。（2 2）忽略控制电源和电位器的内阻。）忽略控制电源和电位器的内阻。-26-1 1系统稳态结构图与静特性方程系统稳态结构图与静特性方程 根据图根据图3-53
21、-5各环节的输入输出关系和式（各环节的输入输出关系和式（3-13-1），可），可以画出闭环系统的稳态结构图，如图以画出闭环系统的稳态结构图，如图3-63-6所示。所示。-27-图图3-63-6转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：系如下：电压比较环节电压比较环节 *nnnUUU设转速调节器采用比例放大器，其比例系数为设转速调节器采用比例放大器，其比例系数为K Kp p，其输，其输出控制电压出控制电压U Uc c为为 cpnUKU（3-7）（3-8）-28-假定脉冲发生器假定脉冲发生器GTGT与电力电子变换器与电力电子变换器UPEUPE环节的电压放环
22、节的电压放大系数为大系数为K Ks s，则有，则有 由式（由式（3-13-1）调速系统开环机械特性）调速系统开环机械特性（3-9）dscUK U（3-10）ddeUI RnK设测速反馈环节的转速反馈系数为设测速反馈环节的转速反馈系数为，单位，单位V Vmin/rmin/r，则转速反馈电压则转速反馈电压U Un n为为 nK-29-（3-11）设测速反馈环节的转速反馈系数为设测速反馈环节的转速反馈系数为K Kn n，单位，单位V Vmin/rmin/r，则转速反馈电压则转速反馈电压U Un n为为 nnUK n 从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，
23、即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式 *psndee(1)(1)K K URInKKKK（3-12）-30-称作称作闭环系统的开环放大系数闭环系统的开环放大系数，它相当于在测速反，它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。的放大系数的乘积。闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式
24、上与开环负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式上与开环机械特性机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为相似，但本质上却有很大不同，故定名为“静静特性特性”，以示区别。，以示区别。psneK K KKK-31-2 2开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较 现比较开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，现比较开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，来分析转速反馈闭环控制的优越性。在图来分析转速反馈闭环控制的优越性。在图3-53-5系统中断系统中断开反馈回路，则可得系统的开环机械特性为开反馈回路，则可得系统的开环机械特性为*psnddd0opopeeeK K
25、UUI RRInnnKKK而闭环时的静特性可写成而闭环时的静特性可写成 *psnd0clclee(1)(1)K K URInnnKKKK（3-13）（3-14）-32-比较式（比较式（3-133-13）和式（）和式（3-143-14）可得出以下结果：）可得出以下结果：（1 1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多多 在同样的负载扰动下，比较开环系统和闭环系统的在同样的负载扰动下，比较开环系统和闭环系统的转速降落，它们的关系是转速降落，它们的关系是 opcl1nnK（3-15）可见，当可见，当K K值较大时，闭环系统的特性要硬得多。值较大时，闭环系
26、统的特性要硬得多。-33-（2 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 由式（由式（1-511-51）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（3-16）即闭环系统的静差率比开环系统小即闭环系统的静差率比开环系统小1+1+K K倍。倍。cc0clllnnopop0opnn按理想空载转速相同的情况比较，则按理想空载转速相同的情况比较，则 opc1lK-34-（3 3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大）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大提高调速范围 如果电动机的最高转速都是如果电动机的最高转速都是n nN
27、N；而对最低速静差率；而对最低速静差率的要求相同，那么由式（的要求相同，那么由式（1-521-52），），（3-21）可见，在额定转速可见，在额定转速n nN N相同条件下，闭环系统的调速范围相同条件下，闭环系统的调速范围要比开环系统扩大要比开环系统扩大1+1+K K倍。倍。再考虑式（再考虑式（3-153-15），得），得 Nopop(1)nDnNclcl(1)nDncop(1)lDK D-35-由上分析可得下述结论：由上分析可得下述结论：闭环调速系统可以获得比闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够
28、提高调速范围，为此所需付出的代价率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。-36-nKpsne103.646/30 0.015/0.2KKK KKeK-37-3 3闭环直流调速系统设计举例闭环直流调速系统设计举例 稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定了控制系统的基本构成环节，有了基本环节组成系统定了控制系统的基本构成环节，有了基本环节组成系统之后，再通过动态参数设计，就可使系统臻于完善。之后，再通过动态参数设计，就可使系统臻于完善。-38-39-40-eK
29、eK-41-nKetgKetg1101900Kn2etgKK220.2n2etg10000.2 0.0579 1000UK-42-20.2n2etg0.2 0.0579KKetgN2Ntg0.0579 10000.20.2 0.21RPKnRI2etgNNtg0.20.0579 1000 0.2 0.212.43WRPWKnI-43-pnse53.320.140.01158 440.1925KKK KC-44-3.2.3 3.2.3 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 前一节讨论了反馈控制闭环调速系统的稳态性能及前一节讨论了反馈控制闭环调速系统的稳
30、态性能及其分析与设计方法。引入了转速负反馈，且放大系数足其分析与设计方法。引入了转速负反馈，且放大系数足够大时，就可以满足系统的稳态性能要求。然而放大系够大时，就可以满足系统的稳态性能要求。然而放大系数太大又可能引起闭环系统不稳定，这时应再增加动态数太大又可能引起闭环系统不稳定，这时应再增加动态校正措施，才能保证系统的正常工作，此外，还须满足校正措施，才能保证系统的正常工作，此外，还须满足系统的各项动态指标的要求。为此，必须进一步分析系系统的各项动态指标的要求。为此，必须进一步分析系统的动态性能。统的动态性能。-45-1 1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型反馈控制闭环直流调速系统的动态数
31、学模型 为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型。对于转速闭环建立描述系统动态物理规律的数学模型。对于转速闭环的直流调速系统，其主要环节是由的直流调速系统，其主要环节是由电力电子变换器电力电子变换器和和直直流电动机流电动机构成。在第构成。在第2 2章中第章中第1.21.2节和节和1.31.3节已经给出两节已经给出两者的传递函数，式（者的传递函数，式（2-812-81）表示的电力电子变流器的传）表示的电力电子变流器的传递函数重写如下递函数重写如下 s()1ssKG sT s（3-22）-46-由图由图2-72-7，
32、如果保持磁通不变，并考虑采用整流器，如果保持磁通不变，并考虑采用整流器后电枢回路的总电阻后电枢回路的总电阻R R及平波电抗器的电感及平波电抗器的电感L L，他励直流，他励直流电动机的传递函数为电动机的传递函数为 dd()1/()()1lIsRUsE sTsddLm()()()E sRIsIsT s（3-24）（3-23）RLTl电枢回路电磁时间常数电枢回路电磁时间常数 2meT375GD RTK K电力拖动系统机电时间常数电力拖动系统机电时间常数-47-在直流闭环调速系统中还有比例放大器和测速反馈在直流闭环调速系统中还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传环节，
33、它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即递函数就是它们的放大系数，即 cASRpn()()()U sGsKUsnfnn()()()UsGsKn s（3-26）（3-25）比例放大器：比例放大器：测速反馈：测速反馈：-48-根据上述各环节的传递函数，可以画出闭环直流调根据上述各环节的传递函数，可以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如图速系统的动态结构图，如图3-83-8所示。由图可见，反馈所示。由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的控制闭环直流调速系统的开环传递函数开环传递函数是是 2smm()(1)(1)lKG sT sT TsT s（3-27）-49-50-假定假
34、定I IdLdL=0=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的系统的闭环传递函数闭环传递函数是是 （3-28）pse2psesmmc2smm2smm/(1)(1)()(1)(1)1(1)(1)llllK KKK KKT sT TsT sGsKT sT TsT sKT sT TsT s-51-2 2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件 由式（由式（3-283-28）可知，转速反馈控制的闭环直流调速）可知，转速反馈控制的闭环直流调速系统的系统的特征方程特征方程为为32msmsms()10111llT TTT TTTTsssKKK（
35、3-29）根据三阶系统的劳斯根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，系统稳定的古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是充分必要条件是 0000030213210aaaaaaaa，-52-式（式（3-293-29）的各项系数显然都是大于零的，因此稳）的各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只有定条件就只有msmsms()0111llT TTTTT TTKKK由此可推导出转速闭环控制直流调速系统由此可推导出转速闭环控制直流调速系统稳定条件稳定条件2msss()llT TTTKTT（3-30）-53-式（式（3-303-30）右边称作系统的临界放大系数）右边称作系统的临界放大系数K Kcrcr。如。如果果
36、K K K Kcrcr，系统将不稳定。对于一个自动控制系统来，系统将不稳定。对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。的。eK-54-2meT10 1.00.075s30375375 0.19250.1925GD RTK K-55-2meT10 0.60.045s30375375 0.19250.1925GD RTK K-56-eK-57-从例题从例题3-43-4和和3-53-5的计算中可以看出，由于的计算中可以看出，由于IGBTIGBT的开的开关频率高，关频率高，PWMPWM装置的滞后时间常数非常小，同时主电装置
37、的滞后时间常数非常小，同时主电路不需要串接平波电抗器，电磁时间常数也不大，因此路不需要串接平波电抗器，电磁时间常数也不大，因此闭环的脉宽调速系统容易稳定。或者说，闭环的脉宽调速系统容易稳定。或者说，在保证稳定的在保证稳定的条件下，脉宽调速系统的稳态性能指标可以大大提高。条件下，脉宽调速系统的稳态性能指标可以大大提高。-58-3 3反馈控制系统的抗扰作用反馈控制系统的抗扰作用 控制系统除了要求能按给定指令的变化控制系统输控制系统除了要求能按给定指令的变化控制系统输出，提高系统的稳态性能和稳定性外，还应使系统具有出，提高系统的稳态性能和稳定性外，还应使系统具有良好的抗扰性能，以有效地抑制外部对系统
38、的扰动作用。良好的抗扰性能，以有效地抑制外部对系统的扰动作用。除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会除给定信号外，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做引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用扰动作用”，比如：负，比如：负载变化就是一种扰动作用。除此以外，交流电源电压的载变化就是一种扰动作用。除此以外，交流电源电压的波动（使波动（使K Ks s变化）、电动机励磁的变化（造成变化）、电动机励磁的变化（造成K Ke e变化）、变化）、运算放大器输出电压的漂移、由温升引起主电路电阻的运算放大器输出电压的漂移、由温升引起主电路电阻的增大等等。增大等等。-59-图图3-93-9将各种
39、扰动作用都在稳态结构图上表示出来了。将各种扰动作用都在稳态结构图上表示出来了。-60-上述这些因素的变化最终都要影响到转速，都会被上述这些因素的变化最终都要影响到转速，都会被测速装置检测出来，再通过反馈控制的作用，减小它们测速装置检测出来，再通过反馈控制的作用，减小它们对稳态转速的影响。这说明反馈控制系统对它们都有抑对稳态转速的影响。这说明反馈控制系统对它们都有抑制功能。但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到制功能。但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。因此，抑制，
40、反而会增大被调量的误差。因此，反馈控制系统反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。-61-抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征之一。正因抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征之一。正因为有这一特征，在设计闭环系统时，可以只考虑一种主为有这一特征，在设计闭环系统时，可以只考虑一种主要扰动作用，例如在调速系统中只考虑负载扰动。按照要扰动作用，例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进行设计，则其它扰动也就自然都克服负载扰动的要求进行设计，则其它扰动也就自然都受到抑制了。受到抑制了。-62-与众不同的是在反馈环外的给定作用，如图
41、与众不同的是在反馈环外的给定作用，如图3-93-9中中的转速给定信号的转速给定信号U Un n*，它的些微变化都会使被调量随之变，它的些微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。因此，全面地看，化，丝毫不受反馈作用的抑制。因此，全面地看，反馈反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。从的。-63-3.2.4 3.2.4 比例积分控制
42、规律和无静差调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统 由上分析，在设计闭环调速系统时，由上分析，在设计闭环调速系统时，常常会遇到动常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况。由于采用比。由于采用比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统，例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统，它是通过增大比例放大系数它是通过增大比例放大系数K Kp p来提高系统静态精度，而来提高系统静态精度，而随着随着K Kp p的增大，系统的稳定性变差。为此，必须设计合的增大，系统的稳定性变差。为此，必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态适的动
43、态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面的要求。本节采用比例积稳定性和稳态性能指标两方面的要求。本节采用比例积分调节器代替比例放大器后，可使系统稳定，并有足够分调节器代替比例放大器后，可使系统稳定，并有足够的 稳 定 裕 度，同 时 还 能 满 足 稳 态 精 度 指 标。的 稳 定 裕 度，同 时 还 能 满 足 稳 态 精 度 指 标。-64-1 1积分调节器和积分控制规律积分调节器和积分控制规律 在采用比例调节器的调速系统中，调节器的输出是在采用比例调节器的调速系统中，调节器的输出是电力电子变换器的控制电压为电力电子变换器的控制电压为cpnUKU 可见，只要电
44、动机在运行，就必须有控制电压可见，只要电动机在运行，就必须有控制电压U Uc c，因而也必须有转速偏差电压因而也必须有转速偏差电压U Un n，这是此类调速系统有，这是此类调速系统有静差的根本原因。静差的根本原因。-65-如果采用积分调节器，则控制电压如果采用积分调节器，则控制电压U Uc c是转速偏差电是转速偏差电压压U Un n的积分，即的积分，即 cInUkU dt（3-32）假定假定U Un n为常值，且初始电压为为常值，且初始电压为U Uc0c0，则控制电压，则控制电压U Uc c的积分的积分为为 cnc0dUUtU（3-33）-66-由上式可见，在动态过程中，积分调节器的输出使由上
45、式可见，在动态过程中，积分调节器的输出使U Uc c一直增长，直到积分器输出饱和。一直增长，直到积分器输出饱和。如果如果U Un n*=U Un n，当，当U Un n=0=0时，时，U Uc c并不为零，而是一个终值并不为零，而是一个终值U Ucfcf；如果；如果U Un n不不再变化，这个终值便保持恒定而不再变化，这是积分控再变化，这个终值便保持恒定而不再变化，这是积分控制的特点。因为如此，制的特点。因为如此，积分控制可以使系统在无静差的积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。情况下保持恒速运行，实现无静差调速。-67-将以上的分析归纳起来，可得下述论断：将以上的分
46、析归纳起来，可得下述论断：比例调节比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。输出则包含了输入偏差量的全部历史。虽然现在虽然现在 U Un n=0=0，只要历史上有过，只要历史上有过 U Un n，其积分就有一定数值，足以，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压产生稳态运行所需要的控制电压U Uc c。积分控制规律和比积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。例控制规律的根本区别就在于此。-68-2 2比例积分控制规律比例积分控制规律 积分控制虽然在无静差的角度优于比例控制，积分控制
47、虽然在无静差的角度优于比例控制，但但是，在控制的快速性上，是，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。积分控制却又不如比例控制。同样在阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即同样在阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变化。响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变化。为了既为了既要稳态精度高又要动态响应快，可以将比例和积分两种要稳态精度高又要动态响应快，可以将比例和积分两种控制结合起来形成比例积分控制。控制结合起来形成比例积分控制。-69-由图由图1-531-53，PIPI调节器是由比例和积分两部分相加而调节器是由比例和积分两部分相加而成，模拟成，模
48、拟PIPI调节器的电路方程为调节器的电路方程为 PIdu tk e tke tt（3-34）（3-35）同理，假定初始条件为零，在式（同理，假定初始条件为零，在式（3-343-34）两边取拉氏变）两边取拉氏变换，可得换，可得PIPI调节器的传递函数为调节器的传递函数为 IPIPI1U sT sGskE sT s-70-PI PI调节器利用比例部分能迅速响应控制作用，而用调节器利用比例部分能迅速响应控制作用，而用积分部分最终消除稳态偏差。由此可见，比例积分控制积分部分最终消除稳态偏差。由此可见，比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又
49、克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。各自的缺点，扬长避短，互相补充。除此以外，比例积分调节器还是提高系统稳定性的除此以外，比例积分调节器还是提高系统稳定性的校正装置，因此，它在调速系统和其它控制系统中获得校正装置，因此，它在调速系统和其它控制系统中获得了广泛的应用。了广泛的应用。-71-3 3无静差直流调速系统及其稳态参数计算无静差直流调速系统及其稳态参数计算 图图3-103-10是一个无静差直流调速系统的实例，采用模是一个无静差直流调速系统的实例，采用模拟运算放大器组成拟运算放大器组成PIPI调节器以实现无静差。调节器以实现无静差。-72-上述系统的稳态结构图示于图上述系统的稳态结构图示于
50、图3-113-11，其中代表，其中代表PIPI调调节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用。特性，以表明是比例积分作用。-73-无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时况下，稳态时U Un n=0=0，因而，因而U Un n*=U Un n，可以按式（，可以按式（3-113-11）直接计算转速反馈系数直接计算转速反馈系数 *nmaxnmaxUKn（3-36）maxn*nmaxU电动机调压时的最高转速电动机调压时的最高转速 相应的最高给定电压相应的最高给定
