1、第八章第八章8.1 8.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 8.2 8.2 单闭环直流有静差调速系统单闭环直流有静差调速系统 8.3 8.3 无静差直流调速系统无静差直流调速系统 8.4 8.4 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统 按拖动电动机的类型来分，自动调速系统有直流调速系统和交流调速系统两大类。直流电动机具有良好的起、制动性能，可在广范围内平滑调整，所以，直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式，它广泛地应用于金属切削机床、大型起重机、矿井卷扬机等诸多领域。在直流调速系统中，有旋转变流机组供电的直流调速系统(F-D)系统、磁放大器调速系统和可控硅整流装置供
2、电的直流凋速系统(KZ-D)系统。随着电子技术和晶闸管技术的发展，晶闸管直流调速系统在经济和技术性能方面都比前两个系统更具优越性，因此得到越来越广泛的应用，并已逐渐取代了机组和磁放大器调速系统。绝大多数调速系统为闭环调速系统。按反馈量，可分为转速负反馈、电压负反馈、电流正反馈和电流负反馈等；按反馈回路数量，可分为单闭环系统和多闭环系统。本章首先介绍有关自动控制系统的一些基本概念，接着着重讲述单闭环有静差调速系统、无静差调速系统及双闭环调速系统的系统组成原理、系统静特性的分析，同时也作一些动态的分析。在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术得到了广泛的应用。所谓自动控制，是指在无人直接参与的情况
3、下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量等于给定值或按给定信号变化规律去变化的过程。自动控制系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，其功能及组成是多种多样的，结构上也是有简有繁的。它可以是一个具体的工程系统，也可以是一个抽象的社会系统、生态系统和经济系统等。这里主要介绍工业机电自动控制系统的一些基本概念。8.1.1 8.1.1 自动控制理论简介自动控制理论简介 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论按其发展过程，可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，到五十年代末期，自动控制理论已经形成比较完整的体系，通常把这个时
4、期以前所应用的自动控制理论，称为经典控制理论。经典控制理论，以传递函数为基础，主要研究单输入、单输出的反馈控制系统，采用的主要研究方法有时域分析法、根轨迹和频率法。进入六十年代以来，随着自动控制技术的发展，出现了新的控制理论-现代控制理论。现代控制理论，以状态空间法为基础，主要研究多变量、变参数，非线性、高精度及高效能等各种复杂控制系统。现代控制理论已成功地应用在航天、航空、航海及工业生产等许多方面。目前，现代控制理论正在大系统工程、人工智能控制等方面向纵深发展。经典控制理论和现代控制理论，两者相辅相成，各有其应用场合。8.1.2 8.1.2 自动控制技术中常用的一些术语自动控制技术中常用的一
5、些术语1.1.被控对象被控对象 被控对象是一个设备，由一些机械或电器零件组成，其功能是完成某些特定的动作，这些动作通常是系统最终输出的目标。2.2.系统系统 系统是由一些部件所组成的，用以完成一定的任务。3.3.环节环节 环节是系统的一个组成部分，它由控制系统中的一个或多个部件组成，其任务是完成系统工作过程中的局部过程。4.4.扰动扰动 扰动是一种对系统的输出量产生反作用的信号或因素。若扰动产生于系统内部，则称为内部扰动;若其来自于系统外部，则称为外部扰动。5.5.反馈控制反馈控制 在有扰动的情况下，反馈控制有减小系统输出量与给定输人量之间偏差的作用，而这种控制作用正是基于这一偏差来实现的。反
6、馈控制仅仅是针对无法预料的扰动而设计的，可以预料的或者已知的扰动，可以用补偿的方法解决。8.1.3 8.1.3 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 1.1.按系统的结构特点分类按系统的结构特点分类 （1）开环控制系统 这类系统的特点是系统的输出量对系统的控制作用没有直接影响。在开环控制系统中，由于不存在输出对输入的反馈，因此对系统的输出量没有任何闭合回路。（2）闭环控制系统 这类系统的特点是输出量对系统的控制作用有直接影响。在闭环控制系统中，由于系统的输出量，经测量后反馈到输人端，故对系统的输出量形成了闭合回路。（3）复合控制系统 复合控制是开环控制与闭环控制相结合的一种控制方式。复合控制系
7、统是兼有开环结构和闭环结构的控制系统。2.2.按输人量的特点分类按输人量的特点分类 （1）恒值控制系统 这类系统的输入量是恒值，要求系统的输出量也保持相应恒值。如电动机自动调速、恒温、恒压、恒流等自动控制系统均属此类系统。（2）随动系统 这类系统的输入量是随意变化着的，要求系统的输出量，能以一定的精确度跟随输入量的变化作相应的变化，因此也称之为自动跟踪系统。如机床的仿形控制、雷达的自动跟踪等自动控制系统均属随动系统。（3）程序控制系统 这类系统的特点是系统的控制作用按预先制定的规律(程序)变化。如按预先制定的程序控制加热炉炉温的温度控制系统。3.3.按系统输出量与输入量间的关系分类按系统输出量
8、与输入量间的关系分类 （1）线性控制系统 这类系统的输出量和输入量之间为线性关系。系统和各环节均可用线性微分方程来描述。线性系统的特点是可以运用叠加原理。（2）非线性控制系统 这类系统中具有非线性性质的环节，因此系统只能用非线性微分方程来描述。此外，还可按其它分类方式，将自动控制系统分成连续系统和离散系统、确定系统和不确定系统、单输入单输出系统和多输人多输出系统、有静差系统和无静差系统等。8.1.4 8.1.4 开环控制、闭环控制与复合控制开环控制、闭环控制与复合控制 1.1.开环控制开环控制 开环控制系统其控制装置与被控对象之间，只有顺向作用而没有反向联系，系统既不需要对输出量进行测量，也不
9、需要将它反馈到输入端与给定输入量进行比较，故系统的输入量就是系统的给定值。开环控制系统可用如图8-1所示方块图表示。图8-1开环控制系统典型方块图 开环控制系统中，每一个给定的输入量，就有一个相应的固定输出量(期望值)。但是，当系统中出现扰动(如温度箱的箱门开关次数变化及电源电压的波动等)时，这种输人与输出之间的一一对应关系将被破坏，系统的输出量(如温度箱的实际温度)将不再是其期望值，两者之间就有一定的误差。开环系统自身不能减小此误差，一旦此误差超出了允许范围，系统将不能满足实际控制要求。因此，开环控制系统不能实现自动调节。开环控制系统的特点:（1）系统中无反馈环节，不需要反馈测量元件，故结构
10、较简单、成本低。（2）系统开环工作，稳定性好。（3）系统不能实现自动调节作用，对干扰引起的误差不能自行修正，故控制精度不够高。因此，开环控制系统，适用于输入量与输出量之间关系固定且内部和外部扰动较小的场合。为保证一定的控制精度，开环控制系统必须采用高精度元件。2.2.闭环控制闭环控制 闭环控制系统是反馈控制系统，其控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系，它将被控对象输出量送回到输入端，与给定输入量比较，而形成偏差信号，将偏差信号作用到控制器上，使系统的输出量趋向其期望值。闭环控制系统可用如图8-2所示方块图表示。图8-2闭环控制系统典型方块图 闭环控制系统与开环控制系统相比，具有如下
11、优点：（1）系统中具有负反馈环节，可自动对输出量进行调节补偿，对系统中参数变化所引起的扰动和系统外部的扰动，均有一定的抗干扰能力。（2）系统采用负反馈，除了降低系统误差、提高控制精度外，还能加速系统的过渡过程，但系统的控制质量与反馈元件的精度有关。（3）系统闭环工作，有可能产生不稳定现象，因此存在稳定性问题。闭环控制系统在受到干扰后，利用负反馈的自动调节作用，能够有效地抑制一切被包在负反馈环内、前向通道上的扰动对被控量的影响，而且能够紧紧跟随给定作用，使被控量按给定信号的变化而变化，从而实现复杂而准确的控制。因此，闭环控制系统又常称为自动调节系统，系统中的控制器也常称为调节器。1.1.复合控制
12、复合控制 开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。它是在闭环控制回路的基础上，附加一个信号或扰动作用的顺馈通路，以提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对输入信号的补偿装置或对扰动作用的补偿装置组成，分别称为按输入信号补偿和按扰动作用补偿的复合控制系统。复合控制系统可用如图8-3所示方块图表示。图8-3 复合控制典型方块图 8.1.5 8.1.5 自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成 一个自动控制系统是由若干个环节组成的，每个环节有其特定的功能。自动控制系统的组成和信号的传递情况常用方框图来表示。在方框图中，系统的各环节用方框表示，而环节间作用信号的传递情况用箭头表示，这样依次将各方框联接
13、起来，便构成控制系统的方框图。对于具体系统，方框图可以不尽相同。图8-4所示为一般闭环自动控制系统的方框图。图8-4 闭环自动控制系统的方框图 一般说来，一个闭环控制系统均由以下基本元件(或装置)组成。（一）测量元件 对系统输出量进行测量，也称为敏感元件。（二）比较元件 对系统输出量和输入信号进行加减运算，给出偏差(误差)信号，起信号的综合作用。（三）放大元件 对微弱的偏差信号进行放大和变换，输出足够功率和要求的物理量。（四）执行机构 根据放大后的偏差信号，对被控对象执行控制任务，使被控制量与希望值趋于一致。（五）被控对象 自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程。被控对象内要求实现自动
14、控制的物理量称为被控制量或输出量。（六）校正装置 参数或结构便于调整的元件，用于改善系统性能。方框图中，信号由输入端，沿箭头方向，到达输出端的传输通路，称为前向通路；系统输出量通过测量装置反馈到输入端的传输通路，称为主反馈通路；前向通路与主反馈通路一起构成主回路(主环)。此外，某些自动控制系统，还有局部反馈通路以及它所组成的内回路(内环)。只有一个反馈通路的系统，称为单回路(单环)系统;而具有两个及以上反馈通路的系统，则称为多回路(多环)系统。根据以前所学的知识，可知直流电动机的转速表达式：(8-1)式中:n电机转速 U电枢电压 I电枢电流 R电枢回路总电阻 励磁磁通 Ce电势系数eUIRnC
15、 由式(8-1)可知，如果使n改变，可以通过下列方法进行调速:1.改变电枢电压；2.改变电枢回路电阻；3.改变励磁磁通。对于要求广范围无级调速的系统来说，以调节电枢电压的方式为最好。有许多生产机械，常常不允许很大的静差率，有时开环系统是不能满足要求的，因此就必须要采取闭环系统。本节主要讲述单闭环调速系统。8.2.1 8.2.1 系统组成系统组成 如图8-5所示为采用转速负反馈的单闭环直流调速系统。图8-5 采用转速负反馈的单闭直流环调速系统 现对组成系统的各环节的工作和特点作进一步的说明如下:8.2.1.1 8.2.1.1 直流电动机直流电动机 0ddddddeUI RUI RnnnCcece
16、(8-2)式中:n0:理想空载转速 n:转速降落由式(8-2)可知，Id愈大(亦即负载愈大),n则愈大。8.2.1.2 8.2.1.2 晶闸管整流电路晶闸管整流电路 晶闸管整流电路具有效率高、体积小、反应快、耗能低、控制性能好等显著优点，但使用不当也会出现故障，甚至损坏元件。dSKUKU(8-3)8.2.1.3 8.2.1.3 放大电路放大电路式中：其中：Ugn为给定电压 Ufn为测速负反馈信号 KpUKU（8-4）ngnfUUU8.2.1.4 8.2.1.4 转速检测环节转速检测环节 转速的测试方式很多，有测速发电机、电磁感应传感器、光电传感器等，一般采用测速发电机。(8-5)以上各式中，K
17、P是放大器的电压放大倍数；Ks是可控硅装置的电压放大倍数，即整流输出的理想空载电压与触发器控制电压之比；是测速发电机的反馈系数。n fUn 上面四个关系式消去中间量，整理后，即得转速负反馈单闭环调速系统的静特性方程式:（8-6）它和开环系统的机械特性相似，表示闭环系统电动机转速与负载电流的静态关系，为调速系统的静特性。111psgdddpsgdddeeepseK K VI RK K VRnICKCKCK KC8.2.3 8.2.3 系统的方框图系统的方框图 图8-5所示系统的方框图如图8-6所示。图8-6 直流调速系统方块图 8.2.4 8.2.4 系统的自动调节过程系统的自动调节过程 当电动
18、机转速由于某种原因(例如负载转矩Mfz增加)而下降时，这时系统将同时存在着两个调节过程:一个是电动机自动调节过程;另一个是由于反馈环节作用而使控制回路产生相应的自动调节过程，如图8-7所示。从上图可以发现，电动机内部自动调节过程主要通过反电动势下降 ，导致Id上升;转速负反馈主要通过反馈电压Ufn下降，使U增加，从而使整流装置电压Ud增加，导致电流Id上升。dddEUI R图8-7 转速负反馈调速系统的自动调节过程 8.2.5 8.2.5 闭环系统静特性和开环系统机械特性的比较及调速闭环系统静特性和开环系统机械特性的比较及调速 系统的基本特性系统的基本特性8.2.5.1 8.2.5.1 闭环系
19、统静特性和开环系统机械特性的比较闭环系统静特性和开环系统机械特性的比较 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的稳态关系，它在形式上与开环系统机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名静特性以示区别。根据前面所述调速系统各环节的静态关系可以画出静态结构图，如图8-8所示，运用结构图运算的方法可以推出静特性方程式。图8-8 转速负反馈闭环调速系统的静态结构图 开环时：开环时：（8-78-7）闭环静特性：闭环静特性：（8-88-8）001psgdddddKKeeeK K VUI RRnInnCCKC011psgnddbbeeK K URnInnCKCK 从上述两式不难发现，当Ugn一
20、定时，加人转速负反馈使转速大大降低，n0b只为n0k的1/(l十K)倍，这是因为负反馈电压Ufn把给定电压Ugn抵消了一部分，使加在放大器端的电压大大降低，电动机的输出转速自然就低了。如果想维持系统的运行速度不变，就要使给定电压Ugn提高为开环的(l十K)倍。另外，我们再来比较开环与闭环两系统的速度降落，即nk与nb，当负载相同时，这样，闭环系统静特性的硬度就大大提高了。11bKnnK 如图8-9所示为闭环系统静特性和开环机械特性的关系。图8-9闭环系统静特性和开环机械特性的关系8.2.5.2 8.2.5.2 单闭环有静差调速系统的基本特征单闭环有静差调速系统的基本特征 1.1.具有比例放大器
21、的闭环控制系统是有静差的具有比例放大器的闭环控制系统是有静差的 在图8-8中，如果值为某一范围内时，系统是稳定的。系统给定阶跃输入时所引起的稳态误差为:（8-9）11gnUUK 而扰动阶跃输入时引起的稳态误差Ud为：（8-10）可见，随着Kp增大，K增大，稳态误差逐渐减小，只有 ，才能使U、Ud为零，而这是不可能的，因此，这样的调速系统称为转速负反馈有稳态误差调速系统。如果稳态误差为零，则U=0，因而Ud0为零，电动机不可能运转。d11ddddKKUI RI RKK pK 2 2.闭环系统对包围在负反馈环内的一切主通道上的扰动都有较强的抑制作用 给定电压不变时，引起被控制量转速变化的因素为扰动
22、作用。负载是调速系统的主扰动，除此之外，还有引起转速变化的许多因素，如:电动机励磁变化、由温度变化而引起电枢回路电阻变化、整流装置交流电源电压的波动、放大器放大倍数变化等。所有这些变化都会影响转速变化，但系统通过反馈都能抑制它们对稳态转速的影响。3 3.对于给定电压、反馈元件误差等无抑制作用8.2.6 8.2.6 调速系统的限流保护调速系统的限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈 直流电动机在起动时，会产生很大的冲击电流，这不仅对换向不利，对于可控硅元件来说，更可能烧坏，因而应考虑限流问题。前面所述的采用转速负反馈的单闭环系统虽然能提高静特性的硬度，但却没有解决起动电流大的问题。当系统突然加压时
23、，由于机电惯性，转速不能突变，因而反馈电压为零，这样加在放大器输入端的偏差电压U等于Ugn，经过放大器对电动机来说就相当于满电压起动，起动电流很大。为了解决这个问题，我们在这里采用了在原有的系统中加入一限制电流的环节，如图8-10所示的电流截止负反馈环节，系统的其余部分与前述的转速负反馈相同。电流负反馈信号IdRc经过二极管与比较电压Ubj相比较后送到放大器的入口。当IdRcUbj时，由于二极管的单向导电性，使电流负反馈环节被截止，电流负反馈不起作用；当IdRc Ubj时，二极管导通，电流负反馈信号电压将加到放大器的输入端，此时偏差电压 ，当电流继续时，Ufi使U 降低，Uk降低，从而限制电流
24、过大的增加。gnfnfiUUUU图810带电流截止环的转速负反馈的调速系统 带电流截止环节的转速负反馈调速系统的静态结构图，如图8-11所示。电流负反馈回路的非线性部分用它的输入输出特性在方块中表示出来，它表明，当输入信号IdRc-Ubj为正值时，输出和输人相等；当IdRc-Ubj为负值时，输出为零。图8-11带转速负反馈和电流负反馈调速系统的静态结构图 由结构图可得下列关系式，当 时，（8-11）当 时,（8-12）上式 称为截止电流。由两表达式可以发现，式（8-11）其实就是转速负反 馈的转速表达式，式(8-12)多了一项为电流负反馈起了作用。ddjII11psgddeeK K URnIC
25、KCKddjII111psgdpsc dbjdeeeK KUK KRnRIUICKCKCK bjdjcUIR 对应的静特性如图8-12所示。曲线a段主要是转速负反馈起作用，特性较硬；在b段主要是电流截止负反馈起作用，使特性下垂(很软)。这样的特性有时称为“挖土机特性”。机械特性很陡下垂，还意味着，堵转时(或起动时)，电流不是很大。这是因为在堵转时，虽然转速n=0，但由于电流截止负反馈的作用，使Ud大大下降，从而Id不致过大。应用电流截止负反馈环节后，虽然限制了最大电流，但在主回路中，还必须接人快速熔断器，以防止短路，在要求较高的场合，还要增设过电流继电器，以防止在截止环节出故障时把晶闸管元件烧
26、坏。图8-12带电流截止环节的转速负反馈调速系统的静特性8.2.7 8.2.7 单闭环有静差调速系统的其它方案单闭环有静差调速系统的其它方案 对转速负反馈调速系统，由于采用被控量直接反馈的方法，其闭环调节作用的效果比较好。但这需要一台测速发电机，不仅增加了投资，增添了维护量，而且测速发电机的安装要求高，有些场合不便于安装测速发电机。在恒定励磁的条件下，转速负反馈实际上就是电动机反电动势负反馈，而电动机反电动势与电机端电压之间只差一个数值小的电枢电阻压降，因此，在调速指标要求不高的场合，可以采用电枢电压负反馈。对指标要求稍高的场合，可以适量地加电流正反馈，以补偿电枢电阻压降的影响。8.2.7.1
27、8.2.7.1电负反馈调速系统电负反馈调速系统 电压负反馈调速系统如图8-13，在电动机电枢两端并联一电位器，通过电位器分压的负反馈电压Ufv反馈至调节器输入端与给定电压相比较，以调节调节器输出电压大小，从而控制晶闸管整流电压以达到自动调节电动机电枢电压的目的。图8-13 电压负反馈调速系统8.2.7.2 8.2.7.2 电流正反馈电流正反馈扰动量的补偿控制扰动量的补偿控制 当负载增加而使电流增加时，整流装置和电枢的总内阻上的压降将增加，转速将降低，这表明电流Id的上升在一定程度上反映了电压和转速的降低。如图8-14，使Ud能相应地增加，从而减少转速降落，提高系统静特性硬度。其实，电流正反馈不
28、能算做反馈控制，而是补偿控制。由于电流大小反映了负载扰动，所以称为扰动量的补偿控制。但正反馈环节容易引起振荡，一般很少单独采用，通常与电压负反馈一起使用，起辅助的补偿作用。对电压负反馈及电流正反馈的调速系统，为了限制起动电流和进行过载保护，还需接入电流截止负反馈。图8-14附加电流正反馈的电压负反馈调速系统静态结构图 上一节所述的一些调速方案，是依靠系统的反馈量和给定量的误差进行工作，只能尽量减小系统的静差，并不能完全消除静差，如果想消除静差，怎样来处理呢?本节就要解决这个问题。8.3.1 8.3.1 积分调节器积分调节器(I I调节器调节器)我们可以用线性集成电路很容易实现积分控制。如图8-
29、15所示，USr和USc的极性相反，其幅值之间的关系是：（8-13）式中，是积分时间常教ScSrSr011UUdtUdtR C0R C其输出特性如图8-16所示。图8-15积分调节器 图8-16阶跃输入时积分调节器的输出特性 从特性曲线可以发现，其输出量波形不同于输入量的波形。而是取决于输入量对时间的积累过程，还和原先状态有关。积分调节器还有一个特点，只有当USr=0时才能处于稳态，若USr0，则积分过程仍将继续下去，如果调节器输出电压USc的初始值为零，在阶跃输入时，即USc随时间线性增长，直到饱和为止。这说明，当积分调节器接受任何一个突变的控制信号时，它的输出只能逐渐增长，反应迟缓，所以，
30、在实际系统中很少单独使用积分调节器。ScSr11UUt8.3.2 8.3.2 比例积分调节器比例积分调节器(PIPI调节器调节器)比例积分调节器可以用线性集成电路构成，它的输出量由比例和积分两个部分组成，即，（8-14）式中:Kp=，为PI调节器的比例系数 1=R1C1，为PI调节器的时间系教Sr11111Ui Ri dtCSr010UiiR111ScSrSrSrSr0010011RRR11UUUdtUUdtRR CRRR CPPSrSr1K=KUUdt10RR其输出特性如图8-18所示。图8-17比例积分调节器 图8-18阶跃输入时PI调节器的输出特性 由图可见，比例积分调节器的输出特性中，
31、既有“立即响应”的比例部分 ，又有能随时间对转入信号不断积累的积分部分 ，由于它含有积分，所以当USr0时，积分过程将不断地继续下去，输出量将继续变化着。只有当Usr=0时，才能处于稳态状态。由此可见，采用比例积分调节器的自动调速系统，既能获得较高的静态静度，又能具有较快的动态响应，因而得到了广泛的应用。PSrKUPSrKUdt8.3.3 8.3.3 系统无静差的实现系统无静差的实现 若要完全消除静差，其反馈量和给定量完全相等，则调节器必须为积分调节器或比例积分调节器。但是积分调节器的调节作用太缓慢，其输出电压为阶跃变化时，输出却从零逐渐线性增长，反应迟缓，所以在实际应用中很少采用。通常采用比
32、例积分调节器来实现无静差调速。如图8-19所示为一应用比例积分调节器的无静差直流调速系统。此系统具有转速负反馈和电流截止负反馈环节。此系统既然没有静差，所以主要研究它的动态特性。图8-19 采用比例积分调节器的无静差调速系统8.3.3.1 8.3.3.1 比例积分调节器的传递函数比例积分调节器的传递函数 （8-15）有时为了避免过大的零点漂移，有意地把放大倍数降低一些，形成近似的PI调节器，调节器的传递函数变为：（8-16）1PI(S)P1S 1WKS 11PI(S)P1S 1WKS 18.3.3.2 PI8.3.3.2 PI调节器的动态校正作用调节器的动态校正作用 PI调节器的传递函数表明，
33、它不仅能使系统在静态上无静差，而且还能提高动态的稳定性，很好地解决了闭环系统静、动态的矛盾。PI调节器之所以能解决静、动态的矛盾，在静态时，电容C相当于开路，则放大倍数很大，使静态误差减小到几乎为零。在动态中，当Usr变化很快时，C1相当于短路，放大倍数大大减小，因而能使系统稳定。由于放大倍数的自动变化，所以能兼顾静态准确性和动态稳定性的要求。8.3.3.3 8.3.3.3 动态速降动态速降(升升)无静差调速系统只是在静态上无差，动态上还是有差的。如果负载突然增大，电动机轴上转矩失去平衡，转速总要下降，其调节作用如下，在动态过程中最大的转速降落叫做动态速降。gnfnkdnUUU0UUn 如上节
34、所述，采用PI调节器的转速负反馈的单闭环调速系统，既保证了系统的稳定性又能做到转速无静态调速，很好的地解决了系统动、静态之间的矛盾。并采用电流截止反馈环节，限制了起(制)动时的最大电流。这对一般要求不太高的调整系统，基本上已能满足要求，但是，电流截止负反馈只能限制最大电流，加上电动机反电势随着转速的上升而增加，使电流到达最大值后便迅速降下来。这样，电动机转矩亦迅速减小，使起动的时间较长。在工业部门中，有许多生产机械，如龙门刨床、轧钢机等经常处于正反转状态，为了提高生产效率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程的时间。这样，就造成了起动过程的矛盾:一方面，为了快速起动，需要较大的起动转矩或起动电流；另
35、一方面，电动机的瞬时最大转矩或最大电流一般为额定值的1.5-2倍，所以过大的起动转矩或起动电流是不允许的。因此，一个比较理想的方法是，在整个起动过程中，把转矩或电流限制在最大值，这样就可以利用电机的过载能力，以达到过渡过程较短的目的。经过研究与实践，出现了双闭环调速系统。8.4.1 8.4.1 双闭环调速系统的组成双闭环调速系统的组成 双闭环调速系统的原理如图8-20所示。它有两个PI调节器:一个用来调节电枢电流，称为电流调节器，用LT表示。由电流负反馈环节组成的闭环称为电流环。另一个用来调节转速，称为速度调节器，用ST表示。由速度负反馈环节组成的闭环称为速度环。两个调节器的输出都是带限幅的。
36、电流调节器常采用二极管反馈限幅电路，而速度调节器常采用三极管反馈限幅电路。速度调节器ST的输出限幅电压是Usim，它决定了电流调节器给定电压的最大值;电流调节器LT的输出限幅电压是Ulim，它限制了晶闸管整流装置输出电压的最大值。由ST和LT组成两个闭环，由于速度环包围电流环，因此，电流环称为内环(又称副环)，速度环则为外环(又称主环)。在自动调节的过程中，这两个闭环各自起着不同的作用，下面将分别分析这两个闭环的作用。图8-20 转速、电流双闭环调速系统 8.4.2 ST8.4.2 ST和和LTLT两个调节器的作用两个调节器的作用8.4.2.1 8.4.2.1 电流调节器电流调节器LTLT的作
37、用的作用 电流环为由电流负反馈组成的闭环，它的主要作用是稳定电流。由于LT为PI调节器，所以，稳态时 。由此式可见，在稳态时，。此式的含义是:当Us为一定的情况下，由于电流调节器的调节作用，整流装置的电流将保持在 的数值上。isdUUI0sdUIsU 1.1.自动限制最大电流自动限制最大电流 由于ST有输出限幅，限幅值为Usim，这样电流的最大值便为 ，当 时，电流环将使电流降下来。由上式可见，整定电流反馈系数或调节ST限幅值Usim，即可整定Idm的数值。一般整定Idm=(2-2.5)Ic(额定电流)。2.2.能有效抑制电压波动的影响能有效抑制电压波动的影响 当电网电压波动而引起电流波动时，
38、通过电流调节器LT的调节作用，使电流很快回复原值。在双闭环调速系统中，电网电压波动时，几乎看不出来。simdmUIddmII8.4.2.2 8.4.2.2 速度调节器速度调节器 STST的作用的作用 速度环是由速度负反馈组成的闭环，它的主要作用是保持转速稳定，并最后消除转速静差。由于ST也是PI调节器，因此，稳态时 。由此式可见，在稳态时，。此式的含义是：当Ugn为一定的情况下，由于速度调节器的调节作用，转速n将稳定在 的数值上。转速环要求电流迅速响应转速n的变化而变化，而电流环则要求维持电流不变。这种性能会不利于电流、转速变化的响应，有使静特性变软的趋势。但由于转速环是外环，电流环的作用只相
39、当于转速环内部的一种扰动而已，不起主导作用。只要转速环的开环放大倍数足够大，最后仍然能靠ST的积分作用消除转速偏差。ngnUUn=0gnUngnUn8.4.3 8.4.3 双闭环系统静特性双闭环系统静特性 当 时，根据 ，可知Us Usim，速度调节器输出电压末达到限幅值，再根据式Us=n，而由Us决定了转速n，如图821所示。直线nA段所示，也就是说，当给定信号Us一定的情况下，靠速度调节器维持电动机转速恒定，使 之 不 受 负 载 扰 动 的 影 响，其 调 节 过 程 为：当 。这样速度调节器进行PI运算，使Usim负值增加，电流调节器进行PI运算，使 。因此，电机正常工作时即 ，随着负
40、载转矩TL的增加，转速维持不变。ddmIIsimdmUIcfnsfnTnnUUU0 cd0UUnddmII 当 时，可知Us=Usim，速度调节器输出电压达到限幅值，此时，但由于Usi已达到负限幅值，故转速变化对速度调节器不发生影响，转速外环呈开环状态。系统变成一个电流无静差调速系统。靠电流环节限 流 作 用，使 ，其 限 流 调 节 器 过 程为:，此时电流调节器输入正信号，因而Uc、Ud0、Id。最后直至堵转n=0，如图中曲线AB段。ddmIIfnnUU0 ddmIIddmII fisimUU0图8-21 双闭环系统的机械特性 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，
41、当负载电流达到Idm后表现为电流无静差。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性要强得多。不过，运算放大器的开环放大倍数实际上并非无穷大，因而静特性的两段实际上都略有很小的静差度，如图中虚线所示。8.4.4 8.4.4 双闭环系统起动特性双闭环系统起动特性 当突加给定电压Ugn时，系统便进入起动过程，起动过程中各物理量的动态过程如图8-22所示。起动过程中，电流是一个关键的物理量，根据起动过程中电流变化的特点，可以将给定电压的起动过程分为三个阶段。8.4.4.1 8.4.4.1 电流从零增至截止值电流从零增至截止值 起动之初，由于电动机的机电惯性，转速及转速负反馈电压Ufn均为零，
42、因而速度调节的输人电压U即为给定电压Ugn，加上速度调节器的比例系数通常较大，因而其输出电压Usi几乎瞬时达负限幅值。在速度调节器输出限幅电压作用下，电流调节器由于其比例系数较大(一般不大于1)，其输出控制电压UK上升，因而可控硅整流电压、电枢电流都很快升高，直到电流升到设计时所选定的最大值Idm为止。这时电流负反馈电压与其给定电压平衡。8.4.4.2 8.4.4.2 恒流升速阶段恒流升速阶段 这是双闭环系统起动过程的主要阶段。在这段时间内，速度调节器仍处于限幅状态。通过电流调节器的调节，使Id一直维持在近似Idm值，因而使电动机在此阶段以恒定的加速度线性上升，这样获得了起动时间最短的理想起动
43、过程。所以转速和反电动势都按线性规律上升。反电动势对电流调节系统的作用好像是一个线性渐增的扰动量，因而电流必须发挥调节作用，使LT输出电压UK基本上也按线性增长，才能克服反电势的扰动，保持电流恒定。因而，在整个起动过程中，电流调节器是不应该饱和的。8.4.4.3 8.4.4.3 转速调节阶段转速调节阶段 转速调节器在这个阶段才起作用。开始时，转速己经上升到给定值，转速调节器的给定和反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以，电动机仍在最大电流下加速，使转速超调。超调后，ST的输入端出现负的偏差电压，使其退饱和，其输出电压也就是LT的给定电压立即从限幅值降下来，主电路Id也因而下降。但由于Id Il时，转速继续上升，当Id Il时,转速达到最大值。Id=Il时，转速开始下降。有时可能产生衰减振荡。由于转速调节在外环，ST处于主导电路，而LT起着跟随作用。从以上分析可以看出，双闭环有很多优点，如良好的静特性、动态响应快、抗干扰能力强等等。因而它在冶金、机械、印刷等许多部门得到了广泛的应用。图8-22 双闭环调速系统的起动特性
