电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt1-4闭环控制的直流拖动系统精编版

1、 22 本章提要本章提要 1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 1.4 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统 33 本节要点本节要点 1.1.调速系统的基本稳态指标（调速范围及静差率）定义调速系统的基本稳态指标（调速范围及静差率）定义 和相互关系；和相互关系； 2.2.闭环调速系统各组成环节的静态结构推导；闭环调速系统各组成环节的静态结构推导； 3.3.闭环调速系统

2、静特性方程中开环放大系数闭环调速系统静特性方程中开环放大系数K K对误差控对误差控 制的意义制的意义; ; 4.4.反馈控制闭环调速系统的稳态设计中反馈控制闭环调速系统的稳态设计中, ,开环增益开环增益K K与调与调 速范围速范围D D、静差率、静差率s s的对应关系，误差放大器增益的对应关系，误差放大器增益KpKp的确定的确定 原则。原则。 重点、难点重点、难点: : 1.1.闭环调速系统各组成环节的静态结构推导闭环调速系统各组成环节的静态结构推导 2.2.闭环调速系统静特性方程中开环放大系数闭环调速系统静特性方程中开环放大系数K K对误差控对误差控 制的意义制的意义 44 对于调速系统转速

3、控制的要求有以下三个方面： （1）调速调速在一定的最高转速和最低转速范围内 ，分档地或平滑地调节转速； （2）稳速稳速以一定的精度在所需转速上稳定运 行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动； （3）加、减速加、减速频繁起、制动的设备要求加、 减速尽量快，不宜经受剧烈速度变化的机械则要求 起、制动尽量平稳。 1.4.1 1.4.1 转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标 55 (1) (1) 调速范围调速范围 (2) (2) 静差率静差率 或 min max n n D 0 N n n s 为了进行定量的分析，可以针对前 两项要求定义两个调速指标: 这两个指标合称调速系统的稳态性能指标

4、稳态性能指标。 %100 0 N n n s 66 调压调速系统在 不同转速下的机械 特性是互相平行的。 对于同样硬度的特 性，理想空载转速 越低时，静差率越 大。调速系统的静 差率应以最低速的 数值为准。 (3)静差率与机械特性硬度的关系 77 n 静差率与机械特性硬度的关系（续）静差率与机械特性硬度的关系（续） w例如例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%； 在100r/min时同样降落10r/min，就占10%； w 如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就 占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部 降落完了。 w 因此，调速范围和静差率这两项指标并不是

5、 彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统 的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为 准。 88 (4) 调速范围、静差率和额定速降 之间的关系 )1 ( N N sn sn D n nN N 值一定时，对静差率要求越高，值一定时，对静差率要求越高， 即要求即要求 s s 值越小时，系统能够允许的值越小时，系统能够允许的 调速范围也越小。调速范围也越小。 99 结论结论1 调速范围和静差率这两项指标并不是彼此调速范围和静差率这两项指标并不是彼此 孤立的，必须同时提才有意义。孤立的，必须同时提才有意义。 调速系统的静差率指标应以最低速时所能达调速系统的静差率指标应以最低速时所能达 到的数值为准。

6、到的数值为准。 调速系统的调速范围，是指在最低速时还能调速系统的调速范围，是指在最低速时还能 满足所需静差率的转速可调范围满足所需静差率的转速可调范围。 1010 例题例题1-1 某直流调速系统电动机额定转速为某直流调速系统电动机额定转速为14301430r/min， 额定速降额定速降 n nN N = 115r/min= 115r/min，当要求静差率，当要求静差率30%30%时，允许时，允许 多大的调速范围？如果要求静差率多大的调速范围？如果要求静差率20%20%，则调速范围是多，则调速范围是多 少？如果希望调速范围达到少？如果希望调速范围达到1010，所能满足的静差率是多，所能满足的静差

7、率是多 少？少？ 解解: 要求30%时，调速范围为 若要求20%，则调速范围只有 若调速范围达到10，则静差率只能是 3 . 5 )3 . 01 (115 3 . 01430 )1 ( N N sn sn D 1 . 3 )2 . 01 (115 2 . 01430 D %6 .44446. 0 115101430 11510 NN N nDn nD s 1111 1.4.2开环调速系统和闭环调速系统开环调速系统和闭环调速系统 要求S不能 太大，一般 S5% 1212 开环调速系统往往不能满足调速范围和静差率开环调速系统往往不能满足调速范围和静差率 的要求。的要求。 反馈控制的闭环系统是按被调

8、量的偏差进行控反馈控制的闭环系统是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。生纠正偏差的作用。 因此，闭环调速系统可以获得比开环调速系因此，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率的统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的 要求下，能够提高调速范围。要求下，能够提高调速范围。 1313 例例1-2 : :某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机：某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机：Z2-93Z2-93 型、型、60kw60kw、220V220V、305A305A、1000r1000

9、rminmin，如果采用，如果采用V-MV-M系统，系统， 已知主回路总电阻已知主回路总电阻R R0.180.18，电动机，电动机CeCe0.2Vmin/r0.2Vmin/r。 如果要求如果要求D D2020，s s5 5，则开环调速能否满足？，则开环调速能否满足？ 开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为 这已大大超过了这已大大超过了5的要求！的要求！ min/275min/ 2 . 0 18. 0305 e dN N rr C RI n %6 .21216. 0 2751000 275 NN N N nn n s min/63. 2min/

10、)05. 01 (20 05. 01000 )1 ( N N rr sD sn n 解：解： 当电流连续时，当电流连续时，V-M系统的额定速降为系统的额定速降为 如果要满足生产工艺如果要满足生产工艺D20，s5的要求，的要求，nN应该是多少呢应该是多少呢? 1414 1.4.3闭环调速系统的组成及其静特性 假定； 1.各环节的输入输 出关系都是线性的 2.忽略控制电源和 电位器的内阻 1515 电压比较环节电压比较环节 n * nn UUU 放大器放大器 npc UKU 电力电子变换器电力电子变换器 cs0d UKU 调速系统开环机械特性调速系统开环机械特性 e d0d C RIU n 测速反

11、馈环节测速反馈环节 nU n 稳态分析 1616 静特性方程 从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，从上述五个关系式中消去中间变量，整理后， 即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程 式式 1717 闭环系统的稳态结构框图闭环系统的稳态结构框图 1818 b）只考虑给定作用时的 闭环系统 c）只考虑扰动作用时的 闭环系统 )1( e * nsp KC UKK n )1( e d KC RI n 1919 开环系统机械特性和闭环系统静特性 开环机械特性：开环机械特性： opop0 e d e * nsp e d0d nn C RI C UKK C R

12、IU n 闭环系统静特性闭环系统静特性 ： clcl0 e d e * nsp )1 ()1 ( nn KC RI KC UKK n 2020 （1 1）闭环系统静特性比开环系统机械特 性硬得多 （2 2）闭环系统的静差率比开环系统小得 多（按理想空载转速相同进行比较） K n n 1 op cl 比比 较较 K s s 1 op cl 2121 （3）所要求的静差率一定时，闭环系统可大大 提高调速范围（最高转速相同）（最高转速相同） （4 4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置 放大器 opcl DKD)1 ( 比比 较（续）较（续） 2222 结论2 闭环调速系统可以获得比开环 调速系统

13、硬得多的稳态特性，从而 在保证一定静差率的要求下，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。 2323 例题1-3 在例题1-2中，龙门刨床要求D = 20，s 5%， 已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r，Ce = 0.2Vmin/r， 如何采用闭环系统满足此要求？ 解解 在上例中已经求得 nop = 275 r/min， 但为了满足调速要求，须有 ncl = 2.63 r/min， 由式（1-38）可得 6 . 1031 63 . 2 275 1 c op l n n K 代入已知参数，则得 46 2 . 0/015. 030 6 .1

14、03 / es p CK K K 2424 Ud4 Ud3 Ud2 Ud1 Id Id1Id3Id2 Id4 AB C A D 闭环静特性闭环静特性 开环机械特性 图1-26 闭环系统静特性和开环机械特性的关系 n 系统调节过程系统调节过程 0 n 2525 n 系统调节过程（续）系统调节过程（续） w开环系统开环系统 Id n 例如：在图例如：在图1-261-26中工作点从中工作点从A A A A w闭环系统闭环系统 Id n Un Un n Ud0 Uc 例如：在图例如：在图1-261-26中工作点从中工作点从A A B B 2626 1.4.5 反馈控制规律 (1) 1) 只用比例放大器

15、的反馈控制系统，其只用比例放大器的反馈控制系统，其 被调量是有静差的。被调量是有静差的。 )1 (KC RI n e d cl ，才能使 =0。 K cl n只有 2727 一方面能够有效地抑制一切一方面能够有效地抑制一切被包在被包在 负反馈环内前向通道上负反馈环内前向通道上的扰动作用的扰动作用； 另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，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从对给定信号的任何变化都是唯命是从 的。的。 (2)2)反馈控制系统的作用是： 2828 给定和扰动作用给定和扰动作用 2929 n 调速系统的扰动源 w负载变化的扰动（使负载变化的扰动（使I Id

16、d变化）；变化）； w交流电源电压波动的扰动（使交流电源电压波动的扰动（使K Ks s变化）；变化）； w电动机励磁的变化的扰动（造成电动机励磁的变化的扰动（造成C Ce e 变化 变化 ）；）； w放大器输出电压漂移的扰动（使放大器输出电压漂移的扰动（使K Kp p变化）；变化）； w温升引起主电路电阻增大的扰动（使温升引起主电路电阻增大的扰动（使R R变化）；变化）； w检测误差的扰动（使检测误差的扰动（使 变化）变化） 。 在图在图1-271-27中，各种扰动作用都在稳态结构框中，各种扰动作用都在稳态结构框 图上表示出来了，所有这些因素最终都要影响到图上表示出来了，所有这些因素最终都要影

17、响到 转速。转速。 3030 抗扰能力抗扰能力 反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰 动都有抑制功能。 w例如：Us Ud0 n Un Un w w n Ud0 Uc 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抑制，反 而会增大被调量的误差。 w例如： Un Un Uc Ud0 n 3131 n给定作用 与众不同的是在反馈环外的给定作用， 如图1-27中的转速给定信号，它的微小变 化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈 作用的抑制。 如果产生给定电压的电源发生波动， 反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正 常调节还是不应有的电压波动。因此，高 精度的调速系

18、统必须有更高精度的给定稳 压电源。 3232 结论结论3 n只用比例放大器的反馈控制系统， 其被调量是有静差的。 n反馈控制系统的作用是：抵抗扰 动，服从给定。 n系统的精度依赖于给定和反馈检 测的精度。 3333 1.4.6 稳态参数计算 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，然后再通过动态参数设计使 系统臻于完善。 在讨论具体的稳态参数计算方法以 前，先研究一下几个主要的部件。 3434 运算放大器运算放大器 * () yPxx UK UU 运算放大器用作比运算放大器用作比 例放大器例放大器(也称比例调节也称比例调节 器、器、P调节器调节器)。 称称A点为点为“虚地点虚地点”。 于是于是 a) 原理图 b) 结构图 其中其中 1 0 P R K R 3535 晶闸管触发和整流装置的放大系晶闸管触发和整流装置的放大系 数的计算数的计算 c d s U U K (1-12) 晶闸管触发和整 流装置的放大系数 可由工作范围内的 特性率决定，计算 方法是 3636 反馈控制有静差直流调速系统原理图反馈控制有静差直流调速系统原理图 KP Ks - + 3737 1.4.7 限流保护电流截止负