第一章_单闭环直流调速系统

1、Spring 2011华南理工大学华南理工大学第一章第一章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统Spring 20112华南理工大学内容提要内容提要 本章着重讨论基本的单闭环控制系本章着重讨论基本的单闭环控制系 统及其分析与设计方法。统及其分析与设计方法。1.1 直流调速系统的构成 1.2 单闭环调速系统的稳态分析与设计 1.3 单闭环调速系统的动态分析与设计 1.4 无静差调速系统1.5 电压反馈电流补偿控制的调速系统 Spring 20113华南理工大学1.1 1.1 直直流调速系统的构成流调速系统的构成1.1.1 1.1.1 由旋转变流机组供电的直流调速系统由旋转变流机组供电的直流调速系

2、统 在直流调速系统中主要采用变电压调速,最早的直流调速系统是曾在50年代获得广泛使用的由旋转变流机组供电的直流调速系统，简称G-M系统。 图11 旋转变流机组供电的直流调速系统（GM系统） Spring 20114华南理工大学 采用变流机组供电时电动机可逆运行的机械特性如下图： 图12 GM系统的机械特性正向电动状态正向制动状态-Tl-Te0反向电动状态反向制动状态n n1 n2 n3 TlTe -nSpring 20115华南理工大学 由图1-2可见G-M系统可以在允许的转矩范围内四象限运行，无论是正转减速还是反转减速时都能实现回馈制动，可满足调速性能方面的要求。但是，这种系统至少包含两台与

3、调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因而有旋转部分多，设备占地面积大，安装必须打地基，运行噪音大、费用昂贵、效率低、维护不方便等缺点。Spring 20116华南理工大学1.1.2 1.1.2 晶闸管电动机直流调晶闸管电动机直流调 速系统速系统 50年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的相继出现，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管电动机调速系统，简称V-M系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。 Spring 20117华南理工大学V-M系统的简单原理图如下: 图- 晶闸管电动机直流调速系统（-系

4、统） 图中V是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压 来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压 ，从而实现平滑调速。由于V-M系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，因此已在世界各主要工业国得到普遍应用。 CUdUSpring 20118华南理工大学1.2 1.2 单闭环调速系统的稳态分单闭环调速系统的稳态分 析与设计析与设计1.2.1 V-M1.2.1 V-M系统的开环机械特性系统的开环机械特性对于图1-3所示的V-M开环调速系统，当电流连续 时,其主回路的电压平衡方程式为: (1-1)式中 电动机反电动势；

5、 主电路总的等效电阻，包括整流装置内阻、电动机电枢电阻和平波电抗器电阻； 理想空载整流电压的平均值，对一般全控式整流电路，当电流波形连续时， ERdURIEUddSpring 20119华南理工大学式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角； =0时的整流电压波形峰值； 交流电源一周内的整流电压脉波数。将 和式(1-2)代入式(1-1)经整理可得V-M系统的开环机械特性方程式为cossinmUmUmdmUmnCEe (1-2)Spring 201110华南理工大学 (1-3)式中 理想空载转速， 为额定磁通下的电动势与转速比，改变控制角，可得不 同的 ； 对应负载电流 时的转速降落。edCUn0n

6、nRImUmCRIUCndmedde0)cossin(1)(1eC0ndeICRn dII Spring 201111华南理工大学 改变控制角，可得一族平行直线，如图1-4中实直线所示和G-M系统的特性很相似。上述结论表明，只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。当电流断续时，机械特性方程要复杂得多，这里不再讨论。 图1-4 V-M系统的开环机械特性（箭头表示增大的效果） n分界线Id连续区0Spring 201112华南理工大学1.2.1.1 1.2.1.1 调速系统的两个稳态指标调速系统的两个稳态指标 调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速 和最低转速 之比叫调

7、速范围，用字母D 表示，即静差率 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落 与理想空载转速 之比，称为静差率即maxnminnnnDminmaxNn0nSpring 201113华南理工大学或用百分数表示, 显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。它与机械特性的硬度有关,特性越硬，静差率越小，稳速精度越高。然而，静差率与机械特性的硬度又是有区别的。同样硬度的机械特性，理想空载转速越低，静差率S越大，转速的相对稳定性越差。0nnsN%1000nnsNSpring 201114华南理工大学1.2.2 1.2.2 转速负反馈单闭环调速转速负反馈单闭环调速

8、 系统的组成及其静特性系统的组成及其静特性1.2.2.1 1.2.2.1 系统的组成系统的组成 转速负反馈单闭环调速系统，其原理图示于图15。 图5转速负反馈单闭环调速系统 AGT UnUnUcMTGUt UfnSpring 201115华南理工大学1.2.2.2 1.2.2.2 系统的工作原理及其静特性概念系统的工作原理及其静特性概念 改变转速给定电压 的大小，就可改变电动机的转速，实现平滑调速。如图16所示，设电动机在 决定的特性上的点1处以转速 稳定运行，这时负载电流 控制电压 整流平均电压 ，当电动机轴上的负载转矩 加大时有如下自动调节过程：RIIEnTddLdcfinnnfinUUU

9、UUU)(aU1dU1ddII 1ccUU 1ddUULT1nSpring 201116华南理工大学 图16 闭环系统静特性与开环机械特性的关系Idn12345Ud1Ud2Ud3Ud4B (开环机械特性）A（闭环机械特性）Spring 201117华南理工大学 上述自动调节作用表明，增加或减小负载，就相应地提高或降低整流电压，因而得到一条新的开环机械特性。按上述工作原理在每条开环机械特性上取一个相应的工作点，再将这些点集合起来，就是闭环系统的静特性，也就是说，闭环调速系统的静特性实际上是由许多机械特性上的不同运行点集合而成，可视为一条综合的特性直线，它代表闭环调节作用的结果。 闭环系统能减小稳

10、态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电压。Spring 201118华南理工大学1.2.2.3 1.2.2.3 系统的静特性方程系统的静特性方程为便于分析,先作如下假定：（1）忽略各种非线性因素，认为各环节的输入输出关系是线性的。（2）假定只工作在VM系统开环机械特性的连续段。（3）忽略直流电源和电位器的内阻，且认为电动机的磁场不变。Spring 201119华南理工大学 根据各环节的稳态输入、输出关系，画出闭环系统的稳态结构图，如图17（a）所示。 图1-7 （a）闭环调速系统运用结构图运算方法将给定作用 和扰动作用 看成两个独立的输入量，先按它们分别作用

11、下的系统（图1-12b和c）求出各自的输出与输入关系，再进行线性叠加。静特性方程如下：nURIdSpring 201120华南理工大学 （1-4）图1-7(b)只考虑给定作用n时的系统图1-7(c)只考虑扰动作用dR时的系统bobedenspespednspnnKCRIKCUKKCKKCRIUKKn)1 ()1 ()/1 (KpKs1Ce+-nUnUUfnnKs1Ce+-KpUfnnE-IdRSpring 201121华南理工大学1.2.3 1.2.3 开环系统机械特性与闭开环系统机械特性与闭 环系统静特性的比较环系统静特性的比较 比较一下VM闭环系统的静特性与开环系统的机械特性，就能看出闭环

12、控制的突出优点。若断开反馈回路，则系统的开环机械特性为 (1-5) 式中 和 分别表示开环系统的理想空载转速和静态速降，比较式（14）和式（15）可得以下结论:oknknSpring 201122华南理工大学 （1）闭环系统静特性比开环系统机械 特性硬得多。（2）若理想空载转速相同，即 ，则闭环系统的静差率小得多。 (3) 若要求的静差率一定，则闭环系 统的调速范围将大大提高。 (4)要使系统具有上述三项优点，闭环系统必须设置放大器。 okobnn Spring 201123华南理工大学1.2.41.2.4闭环调速系统的基本性质闭环调速系统的基本性质 转速闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，

13、具有以下具体特征，也就是反馈控制的基本规律。(1)应用比例调节器的闭环系统是有静差的 (2)闭环系统对于给定输入绝对服从(3)闭环系统具有较强的抗扰性能Spring 201124华南理工大学 抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征。然而，闭环系统对给定电源和反馈检测装置的扰动量无能为力。因此,提高给定电源和反馈检测装置的精度对提高闭环系统的调速精度起着决定性的作用。 图1-8自动调速系统的给定作用和扰动作用 KpKs1Ce+-nUnUUc UdUfnnE+-RId励磁变化电阻变化 交流电源电压波动Kp变化扰动作用Spring 201125华南理工大学1.2.5 1.2.5 转速负反馈单闭环调速转速

14、负反馈单闭环调速 系统稳态参数计算系统稳态参数计算 稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定控制系统的基本构成，然后通过动态参数设计使系统臻于完善。它包括以下各参数的计算:(1) 额定负载时调速系统的稳态速降 ;(2)根据 求出系统应具有的开环放大系数K;(3)闸管装置的放大系数 ;(4)计算测速反馈环节的放大系数 和电位器 (5)计算比例调节器的放大系数和参数。bnbnsK2PRSpring 201126华南理工大学1.2.6 1.2.6 闭环调速系统中的电流闭环调速系统中的电流截止负反馈环节及其特性截止负反馈环节及其特性 1.2.6.1 1.2.6.1 调速系统的限流保护问题调速系统

15、的限流保护问题 有两类生产机械要求限制电动机电流。(1)一类是快速起动和制动的生产机械。 为了实现快速起动,采用转速负反馈的单闭环调速系统的给定信号多半采用突加方式，这时，由于电动机和生产机械的惯性大,转速不可能立即建立起来,反馈电压仍为零,差不多是其稳态工作值的(1+K)倍,而放大器和晶闸管整流装置的惯性都很小，整流电压一下子就达到它的最高值,对电动机来说相当于全压起动,其起动电流高达额定电流的几十倍。Spring 201127华南理工大学(2)另一类是经常在堵转状态下工作的生产机械，例如挖土机,轧钢机的推床、压下装置等。 在上述两种情况下，若不采取限流保护措施，则电动机的起动电流和堵转电流

16、会大大超过电动机的最大允许电流值。这样大的冲击电流对电动机的换向十分不利，尤其对于过载能力低的晶闸管来说，更是不能允许的。Spring 201128华南理工大学1.2.6.2 1.2.6.2 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节 为了解决单闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，在系统中引入电流截止负反馈，即当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈。其典型电路如图1-9所示。 (a)用直流电源作为比较电压 (b)用稳压管产生比较电压 图19电流截止负反馈环节MfiU接放大器cRcomUVDdIMfiU接放大器cRbrUdIVSTSpring 201129华南理工大学1.2.6.3 1.2.6.3

17、 带电流截止负反馈环节的单闭环调速系带电流截止负反馈环节的单闭环调速系 统的稳态结构图和静特性统的稳态结构图和静特性 电流截止负反馈环节的输入输出特性如图1-10所示。 图10 电流截止负反馈环节的输入输出特性 comCdURI0fiUSpring 201130华南理工大学将电流截止负反馈环节与系统其它部分联在一起，即可得带电流截止负反馈的单闭环调速系统，稳态结构图如图1-11所示。 图11 带电流截止负反馈环节的单闭环调速系统稳态结构图KpKs1Ce+-nUnUUcUdUfnnE+-RIdRcfiUcomUSpring 201131华南理工大学由图1-11可推导出该系统的静特性方程。当 时，

18、电流负反馈被截止， (1-6) 其相应的静特性相当于图1-11中的 -A段，它是单闭环调速系统本身的静特性,比较硬。 dcdIIbobdeenSpnnIKCRKCUKKn)1 ()1 (obnSpring 201132华南理工大学当 时，电流负反馈起作用。 (1-7) 其静特性对应图1-20中的A-B段。dcdII)1 ()1 ()()1 ()()1 ()1 (bobdecSpecomnSpedcomcdeSpenSpnnIKCRKKRKCUUKKKCRIURIKCKKKCUKKnSpring 201133华南理工大学bn0dIdblIdcI0nobnAB 图11带电流截止负反馈环节的单闭环调

19、速系统的静态特性 上面只是从静特性上分析了电流截止负反馈环节的起动限流作用，实际起动时电流的变化过程还取决于系统的动态结构与惯性参数，以及转速给定信号的加入情况。进一步的动态分析和较理想的动态控制将在以后的章节中逐步深入讨论。Spring 201134华南理工大学1.3 1.3 单闭环调速系统的动态分单闭环调速系统的动态分 析与设计析与设计 上一节讨论了单闭环调速系统的稳态性能。显然，从稳态精度看，系统的开环放大系数K越大越好。然而，由自动控制理论可知，为了保证系统的动态稳定性，K值不能随意增大，即在闭环系统中稳与准是互相矛盾的。为此，必须进一步分析系统的动态性能。Spring 201135华

20、南理工大学1.3.1 1.3.1 系统的动态数学模型系统的动态数学模型1.3.1.1 1.3.1.1 取数学模型的步骤取数学模型的步骤建立线性系统动态数学模型的步骤如下：(1)根据系统中各环节的物理规律，列写出描述该环节动态过程的微分方程；(2)求出各环节的传递函数；(3)组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。Spring 201136华南理工大学1.3.1.2 1.3.1.2 建立系统各环节的微分方程和传建立系统各环节的微分方程和传递函数递函数(1)(1)直流电动机直流电动机电动机的电压平衡关系电动机的电压平衡关系 在额定励磁，电枢电流连续这两个条件下，电枢回路的电压平衡方程式为: （1

21、-8）式中R是电枢回路总电阻;L是电枢回路总电感； 而 电枢回路电磁时间常数。在零初始条件下，对上式两端取拉氏变换得电枢电流与电压之间的传递函数为: （1-9） )()(dtdITIRdtdIRLIRdtdILRIEUdlddddddRLT/11/1)()()(sTRsEsUsIlddSpring 201137华南理工大学 电动机转矩平衡关系电动机转矩平衡关系 忽略粘性摩擦，电动机转矩与转速之间的力矩平衡方程式为: （1-10）式中 额定励磁下的电磁转矩； 包括空载转矩在内的负载转矩； 电力拖动系统运动部分折算到电机 轴上的飞轮力矩; 电动机额定励磁下的转矩电流 比。dtdnGDTTle375

22、2dmeICT LT2GD/30emCC Spring 201138华南理工大学考虑到 为负载电流，则上式可化简为： (1-11) 在零初始条件下，对上式取拉氏变换得反电势与电流之间的传递函数为： (1-12)转速与电流之间的传递函数为： (1-13)式中 电机的积分时间常数。dtdERTdtdERCCRGDdtdnCGDIImemmLd137537522LmLICTsTRsIsIsEmLd)()()(sTsIsIsniLd1)()()(iTSpring 201139华南理工大学联合式（1-9）和式（1-12）并考虑到 ，可得直流电动机在电流连续时的动态结构图，如图1-13 图113 额定励磁

23、下，直流电动机的动态结构图nCEeRTms1Cen(s)(sUd)(sId)(sILE(s)sTRl1/ 1Spring 201140华南理工大学(2)(2)晶闸管触发和整流装置晶闸管触发和整流装置 可将晶闸管变流装置当作一阶惯性环节来处理，其传递函数为: (1-14)(3)(3)比例放大器比例放大器 (1-15)(4)(4)转速检测及反馈环节转速检测及反馈环节 (1-16)sTKsUsUsscd1)()()()(sUsUKncp)()(snsUfnSpring 201141华南理工大学1.3.1.3 1.3.1.3 单闭环调速系统的动态结构图和单闭环调速系统的动态结构图和 传递函数传递函数

24、根据前面得出的各环节的传递函数以及它们在系统中的相互关系，可画出单闭环调速系统的动态结构图如图1-14所示。 图114 单闭环调速系统的动态结构图n(s)E(s)(sIL)(sId1sTKss1/1sTRlpKsTRmeC1)(sUd)(sUn)(sUfn)(sUc)(sUcSpring 201142华南理工大学 由图可见，将晶闸管变流装置按一阶惯性环节近似处理后，对比调节器的单闭环调速系统可以看成是一个三阶系统，可推得其开环传递函数为: (1-17) 式中 。 当 =0时，可推得系统的闭环传递函数为： (1-18) 1)(1()(2sTsTTsTKsWmlmSespCKKK/111)(11/

25、)()()(23sKTTsKTTTsKTTTKCsUsnsWsmslmslmesnLISpring 201143华南理工大学1.3.2 1.3.2 单闭环调速系统的稳定单闭环调速系统的稳定 条件条件由式（1-18）可知，系统的特征方程为 (1-19) 它的一般表达式为 根据劳斯古尔维茨稳定判据，系统稳定的充分必要条件是 0， 0， 0， 0及 - 00111)(123sKTTsKTTTsKTTTSmSlmSlm0322130asasasa0a1a3a2a1a2a3a0aSpring 201144华南理工大学式（1-19）的各项系数显然都大于零，因此稳定条件就只有即, (1-20) 式(1-20

26、)表明，当系统参数 , , 已定的情况下,为保证系统稳定，其开环放大系数K不能太大,必须满足式(1-20)的稳定条件。因此，由满足稳态性能要求所计算的值还必须按系统稳定性条件进行校核。0111)(KTTTKTTKTTTSlmSmSlmSlSSlmTTTTTTK2)(mT1TsTSpring 201145华南理工大学1.3.3 1.3.3 动态校正动态校正PIPI调节器设计调节器设计 设计一个闭环控制系统时,一般分以下三步进行:(1) 进行总体设计，基本部件选择和稳态参数计算，以形成一个基本的闭环控制系统，或者原始系统；(2) 建立原始系统的动态数学模型；(3) 检查原始系统的稳定性和其它动态性

27、能，若它不稳定或动态性能不好，就为它设计配置合适的校正装置，使校正的系统能够全面满足要求。Spring 201146华南理工大学1.3.3.1 1.3.3.1 控制系统对开环对数频率特性的要求控制系统对开环对数频率特性的要求 在设计调速系统的校正装置时,所采用的主要研究工具是伯德图,利用它不仅可获知稳定性和稳定精度的信息,而且还能大致地衡量闭环系统的各种稳态和动态性能。在定性地分析控制系统的性能时,通常将伯德图分成低、中、高三个频段,如图1-15: 图115典型的控制系统伯德图-20dB/decc0dBL )(低中高频段Spring 201147华南理工大学1.3.3.2 1.3.3.2 调节

28、器串联校正设计调节器串联校正设计(1)PI(1)PI调节器调节器 采用运算放大器的PI调节器线路如图1-16所示 图1-16 PI调节器电路由图可知,1i0iRinU0UdtUUKdtUCRURRUiipiii1110010Spring 201148华南理工大学 由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分两部分组成。在零初始条件下,对上式两边取拉氏变换并整理得PI调节器的传递函数, (1-21) 在零初始状态和阶跃输入下，PI调节的输出特性如图1-17所示。 图1-17 比例积分（PI）调节器输出特性 ssKssKsKsUsUsWpipipiipi110111)()()(0iU0UmU0iUi

29、piUKSpring 201149华南理工大学(2) PI(2) PI调节器的设计调节器的设计 根据原始的带比例放大器闭环系统的伯德图和期望的经过校正的系统伯德图可设计出PI调节器。其具体设计步骤如下：(1)判断原始系统是否稳定；(2)根据工艺要求的动态性能或系统的稳定裕度确定校正后系统预期的开环对数频率特性；(3)确定原始系统的开环对数频率特性；(4)确定校正环节添加部分的对数频率特性;(5)计算PI调节器的参数。Spring 201150华南理工大学1.4 1.4 无静差调速系统无静差调速系统1.4.1 1.4.1 系统无静差的实现系统无静差的实现 前面讨论的带比例调节器的单闭环调速系统本

30、质上是一个有静差系统。也就是说，当系统达稳态时，转速只能接近给定值，而不可能完全等于给定值。为了完全消除静差，实现转速无静差调节，根据自动控制理论，可以在系统中引入积分控制规律，即采用比例积分控制规律，也就是用比例积分调节器代替比例调节器。Spring 201151华南理工大学1.4.2 1.4.2 采用积分（采用积分（I I）调节器）调节器 采用运算放大器构成的积分调节器的原理图及输出特性，如图1-18所示 （a）原理图（b）阶跃输入时的输出特性 图118积分调节器C0RRiU0UmU0iUiU0USpring 201152华南理工大学由图可得,进一步可得积分调节器的传递函数为,积分调节器有

31、 : （1）延缓作用 （2）积累作用 （3）记忆作用 dtUdtUcRUiioo11ssUsUsWioi1)()()(Spring 201153华南理工大学 在单闭环调速系统中若用I调节器代替P调节器，则控制电压为: 只要出现过 ,其积分就有一定数值。但是，由于积分过程需要一定时间，控制电压的值只能逐渐化增长，使系统动态响应变慢，尤其当 较大时，控制电压增长更慢，会使系统动态响应变得很慢。所以积分控制不宜单独在快速调节系统中应用。dtUUnc1nUSpring 201154华南理工大学1.4.3 1.4.3 采用比例积分（采用比例积分（PIPI）调）调节器的单闭环无静差调速系统节器的单闭环无静

32、差调速系统1.4.3.1 1.4.3.1 系统的工作原理系统的工作原理 PI调节器输出是由比例和积分两部分相加而成。采用PI调节器的单闭环无静差调速系统如图1-19所示。 图-19采用PI调节器的单闭环无静差调速系统 UcMTG+-UdR0R0RUnRp1Ufn1R1CdI+Spring 201155华南理工大学 其输入输出动态特性如图1-20所示: 图1-20PI调节器的输入输出特性 由图可见,在系统起动过程中，PI调节器输出的比例控制作用由强变弱,对系统起动过程有强烈作用,促使系统响应加速,其积分控制作用则由弱到强,最终消除静差,而 是 与 之和,它既具有快速性能,又足以消除调速系统的静差

33、。 nUtt0cUcUcpU2cUcUcPUciUcPUcUSpring 201156华南理工大学1.4.3.2 1.4.3.2 系统的抗扰调节过程系统的抗扰调节过程 无静差调速系统只是在静态时转速无静差,动态时转速还是有静差的。现以阶跃负载扰动为例,说明PI的调节器在抗扰调节过程中的作用。设系统原来在负载 下以转速 稳定运行，这时PI调节器的输入电压 =0，触发电路控制电压 = ，整流电压 = 。在t1时刻负载由 突增至 ，这时转速 和整流电压 的变化过程示于下图1-21中。1LT1n1fnnnUUUcU1cUdU1dU1LT2LTndUSpring 201157华南理工大学由于 正比于 ，

34、因此 的波形与 相似，当 最大时， 作用最强，最后当 =0时， =0， 比 例控制作用结束，也 就是说 与 共存 亡。图1-21 系统的抗扰调节过程 n1n0cU)(dUlT00cU)(dU01cU1LT2LT3122ccpcUUU2cUtttt(a)(b)(c)(d)cPUnUcPUnUnUcPUnUcPUcPUnUSpring 201158华南理工大学1.4.3.3 1.4.3.3 系统的稳态结构图、静特性及其系统的稳态结构图、静特性及其 稳态参数计算稳态参数计算采用 PI调节器可实现系统转速调节无静差。为了限制动态过程中的冲击电流还须加入电流截止负反馈环节。图1-22所示为带电流截止负反

35、馈环节的单闭无静差调速系统。 1C1R0R0RdUcUVTTAVST图22带电流截止负反馈的单闭环无静差调速系统Spring 201159华南理工大学 系统的稳态结构图如图1-23(a)所示，其中PI调节器方框中无法用放大系数表示,一般用它的输出特性表示。系统的理想静特性如图1-23(b)所示。 Ks1Ce+-nUnUUcUdUfnnE+-RIdfiUcomUdIndcI3n2n1nmaxn（a）稳态结构图（b）静特性 图23 无静差调速系统稳态结构图及静特性Spring 201160华南理工大学1.4.4 1.4.4 稳态抗扰误差分析稳态抗扰误差分析1.4.4.1 1.4.4.1 比例控制时

36、的稳态抗扰误差比例控制时的稳态抗扰误差采用比例调节器的单闭环有静差调速系统动态结构图如图1-24所示。 (a)一般情况 (b) =0时 图1-24采用比例调节器的单闭环有静差调速系统动态结构图1/ 12 sTsTTCmlme1sTKssKp) 1(sTRl)(sIdL)(snnUSpring 201161华南理工大学 当 =0时，只有扰动输入 ，这时输出量为负载扰动引起的转速偏差，即动态速降 ，利用反馈连接等效转变换法则，可求得 (s)为: (1-22) 利用拉氏变换后整理可求出负载扰动引起的稳定误差为: (1-23)KsTsTTsTSTsTCRsIsnmlmslsel) 1)(1() 1)(

37、1()()(2)1 () 1)(1() 1)(1(lim)(lim200KCRIKsTsTTsTTsTCRIsnsnelmlmslseLssnULInnSpring 201162华南理工大学1.4.4.2 1.4.4.2 积分控制时的稳态抗扰误差积分控制时的稳态抗扰误差将比例调节器换成积分调节器，则图1-24(a)动态结构图变成图1-25所示。同样利用反馈连接等效变换法则可求得 , 图1-25 采用积分调节器的单闭环调速系统动态结构图（ =时）1/12sTsTTCmlme1sTKss)1(sTRl)(sIdL)(sns1nUnSpring 201163华南理工大学 (1-24)突加负载扰动引起

38、的稳态误差为: (1-25)可见，积分控制的调速系统是无静差的。 esmlmslseLCKsTsTTsTssTsTRCTsn)1)(1()1)(1()(20) 1)(1() 1)(1(lim)(lim200esmlmslseLssCKsTsTTsTssTsTsRCIsnsnSpring 201164华南理工大学1.4.4.3 1.4.4.3 比例积分控制时的稳态抗扰误差比例积分控制时的稳态抗扰误差采用比例积分调节器控制的单闭环调速系统Un=0时的动态结构图如图1-26所示。依照前面的推导方法，可得突加负载扰动引起的转速偏差,相应的稳态速差为,) 1() 1)(1() 1)(1()(2sKCKs

39、TsTTsTssTsTCRIsnpiesmlmslseL0) 1() 1)(1() 1)(1(lim)(lim200sKCKsTsTTsTssTsTsCRIsnsnpiesmlmslseLssSpring 201165华南理工大学1.5 1.5 电压反馈电流补偿控制的电压反馈电流补偿控制的 调速系统调速系统 现实生活中,若生产机械对调速精度要求不是太高，则可以用电动机端电压负反馈取代转速反馈，构成电压负反馈调速系统。按反馈控制原理该系统只能维持电动机端电压恒定，不能对电动机电枢电阻压降引起的稳态速降加以限制，因而系统稳态性能较差。为弥补这一不足，在系统中引入电流正反馈，用以补偿电枢压降引起的转

40、速降，构成电压负反馈电流补偿控制的单闭环调速系统。Spring 201166华南理工大学1.5.1 1.5.1 电压负反馈单闭环有静电压负反馈单闭环有静 差调速系统差调速系统 若忽略电枢压降，则电动机的转速近似地与电枢端电压成正比，因此电压负反馈基本上能取代转速负反馈的作用。图1-26所示，为电压负反馈单闭环有静差调速系统原理图。 图-26电压负反馈单闭环有静差调速系统 UcMUaR1R0R0RnUafuUUSpring 201167华南理工大学图1-27所示为电压负反馈系统的稳态结构图。 图27电压负反馈调速系统稳态结构图 利用结构图运算规则，可得电压负反馈调速系统的静特性方程式为, (1-26)KpKs1Ce+-nUnUUcUdn+-IdsRaREbobdeadesenspnnICRIKCRKCUKKn)1 ()1 (Spring 201168华南理工大学电压负反馈调速系统有如下特征: (1) 电压负反馈把反馈环包围的整流装置的内阻等引起的稳态速降减小到1/（1+K）,而由电枢电阻压降引起的速降 仍和开环时一样。 (2)电压负反馈信号不仅应取自平波电抗器后面尽量靠近电枢两端，而且还必须经过滤波后才能引入放大器输入端。 (3)为安全起见,对电压较高，电机容量较大的系统，通常在反馈回路中加入电压隔离器，以