第二章 单闭环直流调速系统

1、2单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统学习目标学习目标：1.理解开环调速的缺点及其改进方法。理解开环调速的缺点及其改进方法。2.掌握转速负反馈调速系统的组成，能画出其原理图。掌握转速负反馈调速系统的组成，能画出其原理图。3.掌握转速负反馈调速系统的工作原理，会分析其抗干扰特性。掌握转速负反馈调速系统的工作原理，会分析其抗干扰特性。4.通过与开环调速相比较，掌握闭环调速系统的优点。通过与开环调速相比较，掌握闭环调速系统的优点。5.理解单闭环系统的开环放大倍数对系统的稳态、动态性能的理解单闭环系统的开环放大倍数对系统的稳态、动态性能的影响。影响。6.能在实验室熟练完成单闭环调速系统的接线与调试，会

2、测试能在实验室熟练完成单闭环调速系统的接线与调试，会测试单闭环调速系统的静特性。单闭环调速系统的静特性。2单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统课题引入课题引入-开环调速系统的局限性分析及改进办法开环调速系统的局限性分析及改进办法开环调速系统优点开环调速系统优点：结构简单。：结构简单。 开环调速系统的局限性开环调速系统的局限性：抗干扰能力差，当电机的负载或电网电压发生波动时，抗干扰能力差，当电机的负载或电网电压发生波动时，电机的转速就会随之改变，即转速不够稳定，因此开环电机的转速就会随之改变，即转速不够稳定，因此开环调速只能应用于负载相对稳定、对调速系统性能要求不调速只能应用于负载相对稳定、对调

3、速系统性能要求不高的场合。高的场合。 改进办法改进办法：采用闭环控制。根据自动控制理论，要想使被控量保持稳采用闭环控制。根据自动控制理论，要想使被控量保持稳定，可将被控量反馈到系统的输入端，构成负反馈闭环控定，可将被控量反馈到系统的输入端，构成负反馈闭环控制系统。将直流电动机的转速检测出来，反馈到系统的输制系统。将直流电动机的转速检测出来，反馈到系统的输入端，可构成转速负反馈直流调速系统。入端，可构成转速负反馈直流调速系统。2.1 单闭环调速系统的构成及工作原理单闭环调速系统的构成及工作原理一、单闭环调速系统的构成一、单闭环调速系统的构成1给定电路给定电路2转速调节器转速调节器3触发及功放电路

4、触发及功放电路4整流桥与电机主回路整流桥与电机主回路5转速检测与反馈电路转速检测与反馈电路(五部分五部分)给定电压的极性：运算放大器具有反相给定电压的极性：运算放大器具有反相作用，其输出与给定电压极性相反，所以作用，其输出与给定电压极性相反，所以给定采用负给定，以保证触发电压为正；给定采用负给定，以保证触发电压为正；反馈电压的极反馈电压的极性：为实现负反性：为实现负反馈，反馈电压的馈，反馈电压的极性为正。极性为正。二、单闭环调速系统的工作原理二、单闭环调速系统的工作原理 同开环调速系统一样，转速闭环调速系统中电机的转速同开环调速系统一样，转速闭环调速系统中电机的转速大小受转速给定电压大小受转速

5、给定电压Un*控制，给定电压为零时，电机停止；控制，给定电压为零时，电机停止；给定电压增大时，电机转速升高；给定电压减小时，电机转给定电压增大时，电机转速升高；给定电压减小时，电机转速下降。速下降。 以升速控制为例，系统的调节原理分析如下：以升速控制为例，系统的调节原理分析如下：*nnnctdUUUUUUn 当然，转速上升，转速反馈电压会升高，但其升值小于当然，转速上升，转速反馈电压会升高，但其升值小于给定电压增值，电压差总体上是增大的，转速是上升的。给定电压增值，电压差总体上是增大的，转速是上升的。1、为什么开环调速采用正给定电压，而单闭环要采用负给定电压？、为什么开环调速采用正给定电压，而

6、单闭环要采用负给定电压？ 2、要实现转速负反馈控制，转速反馈电压的极性必需为正，若接线、要实现转速负反馈控制，转速反馈电压的极性必需为正，若接线时误将其极性接反了，会出现什么现象？时误将其极性接反了，会出现什么现象？解：以电机从静止起动为例分析，给定电压增大时系统的调节过程如下：解：以电机从静止起动为例分析，给定电压增大时系统的调节过程如下： 由于反馈电压与给定电压同为负，成为正反馈，只要给定电压稍大由于反馈电压与给定电压同为负，成为正反馈，只要给定电压稍大于零，经反馈电压叠加后，偏差电压会越来越大，电机转速急速升高，造于零，经反馈电压叠加后，偏差电压会越来越大，电机转速急速升高，造成飞车事故

7、。成飞车事故。 在转速单闭调速实验中表现为：给定从零增加一点，电机转速急速在转速单闭调速实验中表现为：给定从零增加一点，电机转速急速升高，再减小给定，电机转速不减小，失控。升高，再减小给定，电机转速不减小，失控。思考题：思考题：2.2 单闭环调速系统的性能分析单闭环调速系统的性能分析一、单闭环调速系统的稳态结构图一、单闭环调速系统的稳态结构图稳态结构图是反映系稳态结构图是反映系统稳定工作时，各构统稳定工作时，各构成单元的输入成单元的输入-输出关输出关系的结构图。系的结构图。稳态结构图是分析系稳态结构图是分析系统性能、进行稳态计统性能、进行稳态计算的基础。算的基础。比较环节：比较环节： *nnU

8、UUctpUKU2p1RKR 运算放大器输出：运算放大器输出： 为运算放大器放大系数。为运算放大器放大系数。 整流装置输出：整流装置输出： dsctUK U电机转速：电机转速： ddeUI RnC转速反馈电压：转速反馈电压： fUn为转速反馈系数为转速反馈系数 二、单闭环调速系统的抗干扰性分析二、单闭环调速系统的抗干扰性分析 引入转速负反馈的目的在于提高调速系统的抗干扰性，保持转引入转速负反馈的目的在于提高调速系统的抗干扰性，保持转速的相对稳定，那么，单闭环调速系统是怎样实现抗干扰作用的呢？速的相对稳定，那么，单闭环调速系统是怎样实现抗干扰作用的呢？以负载电流增大为例分析如下以负载电流增大为例

9、分析如下 ：dnctdddeUI RInUUUUnC 通过这一调节可抑制转速的下降，虽然不能做到完全阻止转速下通过这一调节可抑制转速的下降，虽然不能做到完全阻止转速下降，但同开环相比，转速的下降程度会大大降低，从而保持了转速的降，但同开环相比，转速的下降程度会大大降低，从而保持了转速的相对稳定相对稳定 。 同相可分析电网电压下降时，系统的抗干扰性。电网电压下降时，同相可分析电网电压下降时，系统的抗干扰性。电网电压下降时，整流装置输出电压整流装置输出电压Ud减小，电机转速下降，系统调节过程如下：减小，电机转速下降，系统调节过程如下：dnctdddeUI RUnUUUUnC 三、单闭环调速系统的静

10、特性三、单闭环调速系统的静特性 闭环调速稳定工作时，电机转速与负载电流之间的关系称为闭闭环调速稳定工作时，电机转速与负载电流之间的关系称为闭环调速系统的静特性。环调速系统的静特性。*nnUUUctpUKUdsctUK UddeUI RnC由稳态结构图可知由稳态结构图可知由上述四式不难得出由上述四式不难得出*psndee11K K URnICKCK称为系统的开环放大系数。称为系统的开环放大系数。pseK KKC该式称为系统的静特性方程。该式称为系统的静特性方程。静特性与机械特性的比较静特性与机械特性的比较-11、机械特性调速系统对开环而言；静特性是对闭环系统而言的。两者、机械特性调速系统对开环而

11、言；静特性是对闭环系统而言的。两者都表示电机转速与负载电流之间的关系，即都表示电机转速与负载电流之间的关系，即n=f(Id)。2、一条机械特性曲线对应于一个不变的电枢电压；而一条静特性曲线、一条机械特性曲线对应于一个不变的电枢电压；而一条静特性曲线对应于对应于 一个不变的给定电压。一个不变的给定电压。3、如右图所示，设电机开始工、如右图所示，设电机开始工作于作于A点，当负载电流增大时，点，当负载电流增大时，开环和闭环系统工作的原理是不开环和闭环系统工作的原理是不同的：同的：(1)开环系统，给定不变，电枢电开环系统，给定不变，电枢电压就不变，电流增加，工作点将压就不变，电流增加，工作点将沿最下面

12、那条机械特性向下移动沿最下面那条机械特性向下移动(2)而对于闭环调速系统，给定不变，电流增加时，系统有维持转速不而对于闭环调速系统，给定不变，电流增加时，系统有维持转速不下降的趋势，通过调节，电枢电压升高，工作点将移至下降的趋势，通过调节，电枢电压升高，工作点将移至B、C或或D。ABCD所在直线就是闭环系统的在该给定电压下的一条静特性曲线。所在直线就是闭环系统的在该给定电压下的一条静特性曲线。静特性与机械特性的比较静特性与机械特性的比较-24、静特性的硬度要比机械特性硬得多。、静特性的硬度要比机械特性硬得多。这一点从特性方程也可看出：这一点从特性方程也可看出：开环机械特性：开环机械特性：*ps

13、ndee11K K URnICKCKdeedURnICCeRkC斜率：斜率：闭环静特性：闭环静特性：e1RkCK斜率：斜率：可见闭环静特性斜率比开环机械特性小得多。可见闭环静特性斜率比开环机械特性小得多。思考题：思考题：2开环机械特性与闭环系统的静特性有何相同之处和不同之处？开环机械特性与闭环系统的静特性有何相同之处和不同之处？1怎样通过实验测试闭环系统的静特性曲线？怎样通过实验测试闭环系统的静特性曲线？四、闭环调速与开环调速的比较四、闭环调速与开环调速的比较*psndee11K K URnICKCKdbe1I RnK CddeUI RnCdkeI RnCkb1nnKkb1ssKbk1DK D

14、静特性方程：静特性方程：闭环转速降闭环转速降机械特性方程：机械特性方程：开环转速降开环转速降 闭环静特性比开环机械特性硬得多。负载电流相等时闭环静特性比开环机械特性硬得多。负载电流相等时 闭环系统的静差率要比开环小得多。理想空载转速相等时，闭环系统的静差率要比开环小得多。理想空载转速相等时， 闭环系统可比开环有更大的调速范围。静差率相等时，闭环系统可比开环有更大的调速范围。静差率相等时， 闭环系统比开环系统的抗干扰性能好。闭环系统比开环系统的抗干扰性能好。 可见，增大开环放大倍数可见，增大开环放大倍数K对改善调速系统的稳态性能有利，即静对改善调速系统的稳态性能有利，即静差率减小、硬度提高、调速

15、范围增大；但是，开环放大系数差率减小、硬度提高、调速范围增大；但是，开环放大系数K过大系统过大系统会变得不稳定，即动态性能变差了。这就是控制系统的稳态和动态性会变得不稳定，即动态性能变差了。这就是控制系统的稳态和动态性能之间的相互制约性。能之间的相互制约性。 思考题：思考题：2从调速系统的稳态性能方面考虑，系统的开环放大系数从调速系统的稳态性能方面考虑，系统的开环放大系数K是大是大点好，还是小点好？从动态性能方面考虑呢？点好，还是小点好？从动态性能方面考虑呢？1同开环调速相比，转速负反馈调速系统有什么优点？同开环调速相比，转速负反馈调速系统有什么优点？五、闭环调速系统的基本特征五、闭环调速系统

16、的基本特征 转速调节器为比例调节器时，闭环调速系统是有静差的。转速调节器为比例调节器时，闭环调速系统是有静差的。闭环调速系统有三个基本特征闭环调速系统有三个基本特征: 被控量总是跟随给定量变化。被控量总是跟随给定量变化。 即转速跟随给定电压变化。即转速跟随给定电压变化。 闭环系统对作用于闭环内前向通道上的干扰有调节作用。闭环系统对作用于闭环内前向通道上的干扰有调节作用。而作用于而作用于 闭环外或非前向通道上的干扰没有调节作用。闭环外或非前向通道上的干扰没有调节作用。2闭环调速系统对什么样的干扰有调节作用？闭环调速系统对什么样的干扰有调节作用？试举例说明。试举例说明。1什么是有静差调速系统？什么

17、是有静差调速系统？思考题：思考题：2.3 无静差调速系统无静差调速系统一、调节器及其特性一、调节器及其特性无静差调速系统无静差调速系统：调速系统达到稳定工作状态时，转速反馈与转速给：调速系统达到稳定工作状态时，转速反馈与转速给定的值相等，调节器的输入偏差电压等于零，这种调速系统称为无静定的值相等，调节器的输入偏差电压等于零，这种调速系统称为无静差调速系统。差调速系统。有静差调速与无静差调速的区别在于调节器的选择不同，从而引起系有静差调速与无静差调速的区别在于调节器的选择不同，从而引起系统的特性不同。统的特性不同。调节器是由运算放大器构成的电路单元。调节器是由运算放大器构成的电路单元。下面以比例

18、调节器、积分调节器、比例下面以比例调节器、积分调节器、比例-积分调节器三种调节器积分调节器三种调节器为例介绍其电路构成及其特性。为例介绍其电路构成及其特性。1、比例调节器、比例调节器 (简称简称P调节器调节器)(1)电路图电路图(2)输入输入-输出特性输出特性*opnnpUKUUKU 2p1RKR为比例调节器的放大倍数为比例调节器的放大倍数 (3)调节器的特点调节器的特点输出随时跟随输入，控制调节速度快；输出随时跟随输入，控制调节速度快；调节器的输入偏差一般不为零，只调节器的输入偏差一般不为零，只能实现有静差控制。能实现有静差控制。2、积分调节器、积分调节器 (简称简称I调节器调节器)(1)电

19、路图电路图(2)输入输入-输出特性输出特性1TRC为积分时间常数为积分时间常数 (3)调节器的特点调节器的特点输入偏差大于零，输出增大；偏差等于输入偏差大于零，输出增大；偏差等于零，输出保持；偏差小于零，输出减小。零，输出保持；偏差小于零，输出减小。稳定状态下稳定状态下(输入、输出均不变输入、输出均不变)，输，输入偏差为零，可实现无静差控制。入偏差为零，可实现无静差控制。o1dUu tT 由输入由输入-输出响应曲线知：当输入偏差输出响应曲线知：当输入偏差为定值时，输出呈直线增长；当输入偏为定值时，输出呈直线增长；当输入偏差为零时，输出保持。差为零时，输出保持。输出不能马上跟随输入变化，控制响输

20、出不能马上跟随输入变化，控制响应较慢。应较慢。3、比例、比例-积分调节器积分调节器 (简称简称PI调节器调节器)(1)电路图电路图(2)输入输入-输出特性输出特性(3)调节器的特点调节器的特点同时具有同时具有P调节器和调节器和I调节器的优点，即调节器的优点，即既能实现无静差控制，控制响应速度也较既能实现无静差控制，控制响应速度也较快。快。采用采用PI调节器的控制系统具有较好的调节器的控制系统具有较好的动态和稳态性能，因此动态和稳态性能，因此PI调节器应用调节器应用广泛。广泛。PI调节器的输入调节器的输入-输出特性是输出特性是P调节器和调节器和I调节器的特性叠加：积分作用之前先经比调节器的特性叠

21、加：积分作用之前先经比例放大，输出比例放大，输出比I调节器响应快；输出稳调节器响应快；输出稳定时，调节器的输入端偏差为零，可实现定时，调节器的输入端偏差为零，可实现无静差控制。无静差控制。op1UKUUdtT 要说明的是，纯积分调节器只是一种理论的模型，实际实现较难，要说明的是，纯积分调节器只是一种理论的模型，实际实现较难，一般不单独应用。一般不单独应用。转速负反馈调速系统，转速调节器为转速负反馈调速系统，转速调节器为比例调节器比例调节器时可实现时可实现有静差调有静差调速速；若要实现；若要实现无静差调速无静差调速，转速调节器应采用，转速调节器应采用PI调节器调节器。除了前面介绍的三种调节器之外

22、，还要两种调节器除了前面介绍的三种调节器之外，还要两种调节器-比例比例-微分微分(PD)调节器和比例调节器和比例-积分积分-微分微分(PID)调节器，本书直流调速系统部分没用到调节器，本书直流调速系统部分没用到它们，暂不介绍。它们，暂不介绍。二、无静差调速系统二、无静差调速系统1、实现无静差调速的条件、实现无静差调速的条件 (必需同时满足以下二个条件必需同时满足以下二个条件)：(2)转速调节器采用转速调节器采用PI调节器。调节器。(1)采用转速负反馈；采用转速负反馈；2、单闭环无静差调速系统原理图、单闭环无静差调速系统原理图(观察对比，指出与有静差调速系统的异同观察对比，指出与有静差调速系统的

23、异同)3、单闭环无静差调速系统稳态结构图、单闭环无静差调速系统稳态结构图* *n nn nU U = = U U- - U U = = 0 0* *n nn nU U= = U U = =n n无静差调速系达到稳定工作状态时，系统的一个显著特点就是调节无静差调速系达到稳定工作状态时，系统的一个显著特点就是调节器的输入偏差为零，即器的输入偏差为零，即或或这就是无静差调速系统的静特性方程。这就是无静差调速系统的静特性方程。思考题：思考题：如上图示，给定为如上图示，给定为10V时，电机的稳定转速为时，电机的稳定转速为1000r/min，则转速反馈系，则转速反馈系数等于数等于 。*nn121200(r

24、/min)0.01UUnNNaeN22055 10.111500UI RCndeda0.11 120050 1182(V)UC nI R dcts1824.55(V)40UUKddaeUI RnC由由得得1实现无静调速的条件是什么？实现无静调速的条件是什么？思考题：思考题：2无静差调速系统稳定工作时，若负载加重了（即负载无静差调速系统稳定工作时，若负载加重了（即负载电流增大），系统再次达到稳定工作状态，（电流增大），系统再次达到稳定工作状态，（1）电动机）电动机的转速如何变化？（的转速如何变化？（2）整流装置输出电压如何变化？（）整流装置输出电压如何变化？（3）调节器的输出如何变化？调节器的输

25、出如何变化？一、要知道实验做什么？一、要知道实验做什么？1.调速系统线路连接调速系统线路连接实验前指导：实验前指导：2.测试开环机械特性和单闭环静特性测试开环机械特性和单闭环静特性二、要知道怎么做？二、要知道怎么做？做好实验前的预习和准备是关键。做好实验前的预习和准备是关键。预习什么？预习到什么程度呢？预习什么？预习到什么程度呢？1、能熟练画出单闭环调速系统原理图。、能熟练画出单闭环调速系统原理图。2、自学附录，知道用、自学附录，知道用哪些挂件？用哪些电路模块？功能是什么？怎么接线哪些挂件？用哪些电路模块？功能是什么？怎么接线 ？3、纸、纸上谈兵：能把系统原理图转化为实验接线图，并能画出来。上

26、谈兵：能把系统原理图转化为实验接线图，并能画出来。4、预习预习2.4章节，能有条理地说出实验内容和对应实验操作步骤。章节，能有条理地说出实验内容和对应实验操作步骤。三、要知道实验应该得到怎样的结果？三、要知道实验应该得到怎样的结果？四、怎样写实验报告？写什么？四、怎样写实验报告？写什么？2.4 单闭环有静差直流调速系统实验单闭环有静差直流调速系统实验3.测试系统参数测试系统参数 、 和sKpK特别说明特别说明直流调速系统实验是阶梯式的实验，由简单到复杂，层层递进。直流调速系统实验是阶梯式的实验，由简单到复杂，层层递进。熟练掌握前一实验相关知识和技能是开展下一实验的基础和前提。熟练掌握前一实验相关知识和技能是开展下一实验的基础和前提。单闭环调速系统实验同开环调速实验相比，两者主电路相同，只单闭环调速系统实验同开环调速实验相比，两者主电路相同，只是控制电路增加一个转速反馈环节。是控制电