变流技术与运动控制--第 4 课

1、闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统 第第 二二 章章变流技术与运动控制变流技术与运动控制变流技术与运动控制变流技术与运动控制变流技术与运动控制变流技术与运动控制内容提要内容提要 开环调速系统开环调速系统无法满足人们期无法满足人们期望的性能指标。望的性能指标。 本章就本章就闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统展开分析和讨论。展开分析和讨论。1.1.转速单闭环直流调速系统转速单闭环直流调速系统2.2.转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统3.3.调节器的设计方法调节器的设计方法本章内容本章内容4. 4. 转速、电流双闭环直流调速系统的数字实现转速、电流双闭环直流

2、调速系统的数字实现 5. 5. 直流调速系统的仿真直流调速系统的仿真2.1 2.1 转速单闭环直流调速系统转速单闭环直流调速系统本节提要本节提要1.1.转速单闭环直流调速系统的转速单闭环直流调速系统的控制规律控制规律2.2.转速单闭环直流调速系统的转速单闭环直流调速系统的限流保护限流保护3.3.转速单闭环直流调速系统的转速单闭环直流调速系统的动态数学模型动态数学模型4.4.PIPI控制规律及控制规律及调节器的设计调节器的设计2.1.1 2.1.1 转速单闭环直流调速系统的控制规律转速单闭环直流调速系统的控制规律 根据自动控制原理，反馈控制的闭环根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按系统是按被

3、调量的偏差被调量的偏差进行控制的系统，进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。正偏差的作用。 调速系统的调速系统的转速降落转速降落正是由负载引起正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。速系统应该能够大大减少转速降落。 1、系统工作原理、系统工作原理图图2-1 2-1 采用转速负反馈的闭环调速系统采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg比例放大器比例放大器放大

4、倍数放大倍数KP（P调节器）调节器）2、稳态分析条件、稳态分析条件 下面分析闭环调速系统的稳态特性，下面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，先作如下的假定：出主要矛盾，先作如下的假定： （1 1）忽略各种）忽略各种非线性因素非线性因素，假定系统，假定系统中各环节的输入输出关系都是中各环节的输入输出关系都是线性的线性的，或者，或者只取其线性工作段；只取其线性工作段； （2 2）忽略控制电源和电位器的）忽略控制电源和电位器的内阻内阻。直流电动机直流电动机eddCRIUn0+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+U

5、nUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUd0UcUnntg电压比较环节电压比较环节Un = Un*-Un比例调节器比例调节器Uc = KpUn电力电子变换器电力电子变换器Ud0 = KsUc测速反馈环节测速反馈环节Un = n 3 3、稳态关系稳态关系 转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下： 电压比较环节电压比较环节 n*nnUUU比例调节器比例调节器 npcUKU电力电子变换器电力电子变换器 cs0dUKU直流电动机直流电动机 ed0dCRIUn测速反馈环节测速反馈环节 nUn以上各关系式中：以上各关系式中： 放大器的电压放大系数；放

6、大器的电压放大系数； 电力电子变换器的电压放大系数；电力电子变换器的电压放大系数； 转速反馈系数，（转速反馈系数，（Vmin/rVmin/r）；）； UPE UPE的理想空载输出电压；的理想空载输出电压； 电枢回路总电阻。电枢回路总电阻。KpKsRUd0*psndee(1)(1)K K URICKCK 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： 4 4、静特性方程静特性方程*psndepse(1/)K K UI RnCK KCnn0（2-1）K-闭环系统开环放大系数

7、闭环系统开环放大系数esPCKKK 式中闭环系统的开环放大系数式中闭环系统的开环放大系数K K为：为：espCKKK 它相当于在测速反馈电位器输出端把它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测反馈回路断开后，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，是速反馈输出为止总的电压放大系数，是各各环节单独的放大系数的乘积环节单独的放大系数的乘积。nEC e电动机环节放大系数为：电动机环节放大系数为：注意：注意： 式式 表示闭环系统电动机转速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，它在形式上与开环与负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式上与开环机械

8、特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为“闭环闭环调速系统静特性调速系统静特性”，以示区别。，以示区别。+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntgKP 1CeKSUnespCKKK*psndee(1)(1)K KURICKCKnKpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs 5 5、闭环系统的稳态结构框图闭环系统的稳态结构框图图图2-2 2-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图( (a)a) 图中各方块内的符号代表该环节

9、的图中各方块内的符号代表该环节的放大系数放大系数。运用结。运用结构图运算法同样可以推出式（构图运算法同样可以推出式（2-12-1）所表示的）所表示的静特性方程式静特性方程式。 方法如下：将方法如下：将给定量给定量和和扰动量扰动量看成两个独立的输入量，看成两个独立的输入量，先按它们分别作用下的系统求出各自的输出与输入关系式先按它们分别作用下的系统求出各自的输出与输入关系式。给定量给定量扰动量扰动量b b）只考虑给定作用时的闭环系统只考虑给定作用时的闭环系统c c）只考虑扰动作用时的闭环系统只考虑扰动作用时的闭环系统)1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn

10、n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E 由于已认为系统是线性的，可以把二由于已认为系统是线性的，可以把二者者叠加叠加起来，即得系统的起来，即得系统的静特性方程式静特性方程式：)1 ()1 (ede*nspKCRIKCUKKnKpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs可得转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图：可得转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图：6、系统静特性分析、系统静特性分析 比较一下比较一下开环系统的机械特性开环系统的机械特性和和闭环系统的静闭环系统的静特性特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。

11、 如果断开反馈回路，则上述系统的如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特开环机械特性性为：为： opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(23) 而而闭环时的静特性闭环时的静特性可写成：可写成： llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1 ()1 (22) 比较式（比较式（2-32-3）和式（）和式（2-22-2）不难得出以下的论断）不难得出以下的论断： （1 1）闭环系统静）闭环系统静特特性可以比开环系统性可以比开环系统机械特性硬得多。机械特性硬得多。Knnl1opc(2-4) 它们的关系是：它们的关系是：edopCRIn)1 (edcKCRInl和和 在同样的

12、负载扰动下，两者的转速降落分别在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为：为：当当 n n0op0op =n =n0cl0cl 时：时： （2 2）在相同的理想空载转速条件下，闭）在相同的理想空载转速条件下，闭环系统的静差率要小得多环系统的静差率要小得多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：lllnnsc0ccop0opopnns和和Kssl1opc（2-5） (3)(3)当要求的静差率一定时，闭环系统当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围可以大大提高调速范围opc)1(DKDl(2-6) 如果电动机的最高转速都是如果电动机的最高转速都是nN；而对最；而

13、对最低速静差率的要求相同，那么：低速静差率的要求相同，那么：)1 (opNopsnsnD)1 (cNcsnsnDll 开环时：开环时： 闭环时：闭环时： 再考虑式（再考虑式（2-42-4），）， 得：得： Knnl1opc （4 4）要取得上述三项优势，闭环系统必）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器须设置放大器 上述三项优点若要有效，都取决于一点上述三项优点若要有效，都取决于一点。 即即K 要足够大，因此必须设置放大器。要足够大，因此必须设置放大器。Knnl1opc(2-4) 转速降关系：转速降关系：Kssl1opc（2-5）静差率关系：静差率关系：opc)1 (DKDl(2-6) 调

14、速范围关系：调速范围关系： （1 1）闭环调速系统可以获得比开环）闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的调速系统硬得多的稳态特性稳态特性， （2 2）在保证一定）在保证一定静差率静差率的要求下，的要求下，能够能够提高调速范围提高调速范围。 为此所需付出的代价是，须增设为此所需付出的代价是，须增设： （1 1）电压放大器电压放大器 （2 2）检测与反馈装置检测与反馈装置。 结论：结论：例题例题2-1 2-1 在例题在例题1-21-2中，龙门刨床要求中，龙门刨床要求: : D D = 20 = 20，s s 5% R，因此：，因此：scom*ndbRUUIl（2-10）sspcom*nspdb)(RKKRUUKKIl（2-9）五五、电流截止负反馈