1、直流调速系统基本概念直流调速系统基本概念直流调速系统主要性能指标直流调速系统主要性能指标 机电传动控制系统选择调速方案的依据：机电传动控制系统选择调速方案的依据：生产机械对调速系统提出的调速技术指标生产机械对调速系统提出的调速技术指标调速系统的调速技术指标调速系统的调速技术指标静态指标静态指标动态指标动态指标一、静态技术指标一、静态技术指标 1.静差度静差度S：静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。速度稳定性指标速度稳定性指标 000nnnnnSee 静态速降静态速降eennn0 当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内，即要求静差当
2、负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内，即要求静差度度S小于一定数值。小于一定数值。电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高;在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能满足要求。转速时必能满足要求。2.调速范围调速范围D 在在额定负载额定负载下，允许的下，允许的最高转速最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能达到的下所能达到的最低转速最低转速之比称为调速范围
3、之比称为调速范围。minemaxennD 3.调速的平滑性调速的平滑性 调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。调速调速无级调速无级调速有级调速有级调速 以改变直流电动机电枢外加电压调速为例，说明调速范围以改变直流电动机电枢外加电压调速为例，说明调速范围D与静差度与静差度S之间之间的关系的关系：)S(nSnnnnnnnnnnDemaxeemaxeemaxeminemaxe11020202 最高速度由系统中所使用电动机的额定转速最高速度由系统中所使用电动机的额定转速决定；决定；静差度静差度S和调速范围和调速范围D由生产机械的要求
4、决定；由生产机械的要求决定；当上述三个参数确定后，则要求静态速降是当上述三个参数确定后，则要求静态速降是一个定值。一个定值。二、动态技术指标二、动态技术指标 从一种稳定速度变化到另一种从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转稳定速度运转（启动、制动过程仅（启动、制动过程仅是特例而已），由于有电磁惯性和是特例而已），由于有电磁惯性和机械惯性，过程不能瞬时完成，而机械惯性，过程不能瞬时完成，而需要一段时间，即要经过一段过渡需要一段时间，即要经过一段过渡过程，或称过程，或称动态过程动态过程。1.最大超调量最大超调量%nnnMmaxp10022超调量超调量超调量太大，达不到生产工艺上的要求；超调量太大，
5、达不到生产工艺上的要求；超调量太小，会使过渡过程过于缓慢，不超调量太小，会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高等利于生产率的提高等%Mp3510范围：范围：超调量超调量 2.过渡过程时间过渡过程时间T 从输入控制（或扰动）作用于系统从输入控制（或扰动）作用于系统开始直到被调量开始直到被调量 n 进入（进入（0.05 0.02）n2稳定值区间时为止（并且以后不再越出稳定值区间时为止（并且以后不再越出这个范围）的一段时间，叫作过渡过程这个范围）的一段时间，叫作过渡过程时间。时间。过渡过程时间过渡过程时间 3.振荡次数振荡次数 N 在过渡过程时间内在过渡过程时间内,被调量被调量n在其稳定值在其稳定
6、值上下摆动的次数，上下摆动的次数，如图所示是三种不同调速系统被调量从如图所示是三种不同调速系统被调量从x1改变为改变为x2时的变化情况。时的变化情况。系系统统超调超调量量过渡过程过渡过程时间时间T振荡次振荡次数数性能性能10长长无无不好不好2大大长长多多不好不好3小小短短中中好好晶闸管电动机直流传动控制系统晶闸管电动机直流传动控制系统按结构的不同：按结构的不同：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统可逆系统可逆系统1 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 一、有静差调速系统一、有静差调速系统 单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系单
7、纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系统，简称有静差调速系统；统，简称有静差调速系统；（一）转速负反馈调速系统（一）转速负反馈调速系统 1.基本组成基本组成 按静态误差的不同：按静态误差的不同：无静差直流调速系统无静差直流调速系统有静差直流调速系统有静差直流调速系统任务：任务：调节速度；调节速度；扩大调速范围，减小静态误差。扩大调速范围，减小静态误差。分类：分类：测速发电机测速发电机：与直流电动机：与直流电动机M同轴相连，即两者的速度相同轴相连，即两者的速度相同，测速发电机用来测量电动同，测速发电机用来测量电动机的速度，称检测元件；机的速度，称检测元件；转换元件转换元
8、件：将测速：将测速发电机的转速转换成发电机的转速转换成电压信号以便与给定电压信号以便与给定电压进行比较。电压进行比较。给定电位器：给定电位器：调节调节Rg的位置可的位置可改变给定电压改变给定电压Ug的大小的大小。放大器：放大器：将外加电将外加电压和反馈信号经转换后压和反馈信号经转换后的电压之差进行放大。的电压之差进行放大。触发电路：触发电路：将放大器放大后将放大器放大后的电压信号变为脉冲型号去控的电压信号变为脉冲型号去控制整流电路的输出大小。制整流电路的输出大小。整流电路整流电路：变交流：变交流电压为直流电压，电压为直流电压，输出电压大小由触输出电压大小由触发电路输出脉冲信发电路输出脉冲信号所
9、决定，整流电号所决定，整流电路的输出为直流电路的输出为直流电动机电枢的外加电动机电枢的外加电压；压；直流电动机：直流电动机：系系统的控制对象。统的控制对象。fgUUU 由系统的结构分析可知：由系统的结构分析可知：v 系统的调速方法是改变外加电压调速；系统的调速方法是改变外加电压调速；v 系统的反馈信号是被控制对象系统的反馈信号是被控制对象n本身本身;v 反馈电压和给定电压的极性相反，即反馈电压和给定电压的极性相反，即:该系统又称该系统又称转速负反馈转速负反馈调速系统。调速系统。2.工作原理工作原理 当当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态稳
10、态。fgUUU 不不变变 kU 不不变变 不不变变 dU 不不变变 n不不变变 (2)调速（调速（Uf不变，改变不变，改变Ug的大小）的大小）gUU fgUUkU dU nnUUUUUUdkfgg 改变改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速调速.(1)稳态（稳态（Ug、Uf 不变）不变）(3)稳速（稳速（Ug不变、负载变化使不变、负载变化使Uf变化变化)nUUUUUUndkfgf 当负载增加使当负载增加使nUUUUUUndkfgf 当负载减小使当负载减小使 当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈能维持速度基本不变，这当负载发生变化使速度发
11、生变化后，系统通过反馈能维持速度基本不变，这种状态称为稳速。种状态称为稳速。3.静特性分析静特性分析 目的：找到减小静态速降、扩大调速范围，提高系统性能的途径。目的：找到减小静态速降、扩大调速范围，提高系统性能的途径。静特性表示出静特性表示出电动机的转速与负载电流之间的大小关系。电动机的转速与负载电流之间的大小关系。(1)各环节输入输出的关系各环节输入输出的关系 电动机电路电动机电路 RInCRInKUaeaed 式中式中:axRRR电枢回路的总电阻；电枢回路的总电阻；xR可控整流电源的等效内阻；可控整流电源的等效内阻；电动机的电枢电阻。电动机的电枢电阻。aR可控硅和触发电路可控硅和触发电路
12、设可控硅和触发电路的放大倍数为设可控硅和触发电路的放大倍数为K2，则：，则：kdUKU2放大器电路放大器电路 设放大器的放大倍数为设放大器的放大倍数为KP，则：，则：)UU(KUKUcfgpPk 反馈电路反馈电路 速度反馈信号电压与转速速度反馈信号电压与转速n成正比，设放大系数为成正比，设放大系数为Kf，则：，则：nKUff (2)静特性静特性 nKU)UU(KUUKURInCUfffgpkkdaed2RInCUKaek2RInC)UU(KKaefgp2RInCnKKKUKKaefpgp22efpapCKKKRIUgKKn22则：则：令：令：efppGCKKKK,KKK22fofeaegGnn
13、)K(CRI)K(CUKn 11闭闭环环系系统统的的静静特特性性2KKKpG从放大器输入端到可从放大器输入端到可控整流电路输出端的电压控整流电路输出端的电压放大倍数；放大倍数；2KKCKKpef闭环系统的开环放大闭环系统的开环放大倍数。倍数。如果系统没有转速负反馈（即如果系统没有转速负反馈（即开环系统）时，则整流器的输出开环系统）时，则整流器的输出电压电压:RInCUKUKKUaegGgpd2 由此可得开环系统的机械特性由此可得开环系统的机械特性方程方程:nnICRCUKnaeegG 0开开环环系系统统的的静静特特性性 (3)分析与结论分析与结论 fofeaegGnn)K(CRI)K(CUKn
14、 11闭闭环环系系统统的的静静特特性性nnICRCUKnaeegG 0开开环环系系统统的的静静特特性性 理想空载转速理想空载转速 在给定电压一定时，有在给定电压一定时，有:Kn)K(CUKnegGf1100 转速降转速降 如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即，如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即，00nnfKnI)K(CRnaef11 调速范围与静差度调速范围与静差度 在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下，在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下，开环：开环：)S(nSnDNmaxe221 闭环闭环：D)K()S(KnSn)S(nSnDNmaxeNfma
15、xf11112222 重的事故重的事故突然失去负反馈产生严突然失去负反馈产生严速度负反馈，速度负反馈，注意！单闭环系统仅有注意！单闭环系统仅有K K1 1U UU U闭环给定电压闭环给定电压理想空载转速理想空载转速为了获得同开环相同的为了获得同开环相同的g ggfgf结论：结论：由于放大倍数不可能为无穷大，即静态速降不可能为由于放大倍数不可能为无穷大，即静态速降不可能为0，因此，上述系统只能，因此，上述系统只能维持速度基本不变。这种维持被调量（转速）近于恒值不变，但又具有偏差的反维持速度基本不变。这种维持被调量（转速）近于恒值不变，但又具有偏差的反馈控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统
16、）。馈控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统）。采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化、采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化、晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。提高系统的开环放大倍数提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。系统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。但是放系统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。但是放大倍数也不能过分增大，否则系统容易产
17、生不稳定现象。大倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。1.比例(P)调节器式中 KpP调节器的比例系数。Uo输出信号2.比例控制的特点 作用及时、快速、控制作用强，而且Kp值越大，系统的静特性越好、静差越小。比例控制 是指系统的输出量与输入量(即偏差量)成比例的控制，简称P控制。Ui输入信号1.积分(I)调节器式中 KII 调节器的积分常数；I调节器的积分时间，=1/KI。2.积分控制的特点 可以消除输出量的稳态误差，能实现无静差控制，这是积分控制的最大优点。积分控制 是指系统的输出量与输入量对时间的积分成正比例的控制，简称I控制。1.比例积分(PI )调节器式中 比例控制的输出；积
18、分控制的输出；比例积分调节器的积分时间，TI=KP/KI。比例积分控制 是把比例控制和积分控制作用结合起来。比例积分控制简称为PI 控制。2.比例积分控制的特点1)系统动态响应速度快；系统基本上无静差。2)减小超调量，降低系统的动态响应速度。1.比例积分微分(PID)调节器比例积分微分控制 是把比例、积分、微分三种控制规律结合起来。比例积分微分控制，通常简称为PID控制。2.比例积分微分控制的特点1)不但可以实现控制系统无静差，而且具有比PI控制更快的动态响应速度。2)PID调节器是一种较为完善的调节器，其参数主要有比例系数Kp、积分时间TI和微分时间TD，三者必须根据被控对象的特性正确配合，才能充分发挥各自优点，满足控制系统的要求。
