马昕教授电力拖动与运动控制课件3-速度闭环控制的直流调速系统

1、第二章 速度闭环控制的直流调速系统马昕北京化工大学计算机模拟与系统安全工程研究中心教育部化工安全工程研究中心国家安全生产监督管理总局危险化学品生产系统故障预防及监控基础实验室北京化工大学信息科学与技术学院1开环调速系统 开环调速系统的机械特性 开环调速系统的性能和存在的问题速度单闭环控制的调速系统 速度闭环调速系统的组成及其静特性 单闭环调速系统的限流保护 速度闭环控制调速系统的动特性分析 无静差调速系统多环控制直流调速系统 转速电流双闭环调速系统的组成及静特性 双闭环调速系统的启动过程分析 双闭环调速系统的动态性能主要内容重点内容2022/9/212开环调速系统 开环调速系统的机械特性 开环

2、调速系统的性能和存在的问题速度单闭环控制的调速系统多环控制直流调速系统主要内容2022/9/213开环调速系统1. 开环调速系统的机械特性 加载在直流电动机上的电压是晶闸管整流装置的输出瞬时电压ud和平均电压Ud，如果把整流装置内阻上的电压降移到整流装置外面，当做负载电路电压降的一部分，整流电压便可用其理想空载值ud0和Ud0来代替。此时，瞬时电压平衡方程式可以写为：2022/9/214开环调速系统1. 开环调速系统的机械特性2022/9/215开环调速系统1. 开环调速系统的机械特性 开环调速系统的机械特性在形式上与直流电动机的电动势平衡方程式类似，但是两者有本质的不同2022/9/216开

3、环调速系统1. 开环调速系统的机械特性 改变晶闸管控制角，就可以改变Ud0 。晶闸管整流装置可以 看成是一个线性的可控电压源 通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路 的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的 控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，输 出转速并不影响控制电压，属于开环调速系统 开环调速系统适用于生产机械对静差率要求不高的场合， 结构简单，能实现一定范围内的无级调速2022/9/217许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能允许很大的静差率，此时，开环调速系统不能满足较高的性能指标要求开环调速系统2. 开环调速系统的性能和存在的问题2022

4、/9/218开环调速系统2. 开环调速系统的性能和存在的问题2022/9/219开环调速系统速度单闭环控制的调速系统 速度闭环调速系统的组成及其静特性 单闭环调速系统的限流保护 速度闭环控制调速系统的动特性分析 无静差调速系统多环控制直流调速系统主要内容2022/9/2110速度单闭环控制的调速系统2022/9/2111速度单闭环控制的调速系统2.2.1 速度闭环调速系统的组成及其静特性 2.2.1.1 单闭环调速系统的组成 2.2.1.1 转速负反馈单闭环调速系统的静特性 2.2.1.3 开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较 2.2.1.4 单闭环调速系统的基本特征2.2.2 单闭环调速系

5、统的限流保护 2.2.2.1 问题的提出 2.2.2.2 电流截止负反馈环节 2.2.2.3 带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统2.2.3 速度闭环控制调速系统的动特性分析 2.2.3.1 动态数学模型 2.2.3.2 稳定性分析2.2.4 无静差调速系统2022/9/2112速度单闭环调速系统的组成Back to 反馈控制规律Back to 系统各单元静特性（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性1. 速度单闭环调速系统的组成比较环节控制器晶闸管触发装置驱动电路主电路反馈环节2022/9/2113静特性：闭环系统中电动机转速与负载电流的稳态关系分析速度单闭环调速系统的静特性时，需做出

6、如下假设：假定各环节的输入输出关系是线性的；假定系统开环机械特性是连续的；忽略直流电源和电位器的内阻（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性2. 转速负反馈单闭环调速系统的静特性2022/9/2114Back to 动态数学模型速度单闭环调速系统组成示意图（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性2. 转速负反馈单闭环调速系统的静特性2022/9/2115转速负反馈调速系统稳态结构图（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性2. 转速负反馈单闭环调速系统的静特性2022/9/2116速度单闭环调速系统的静特性方程如下：闭环系统理想空载转速闭环系统静态转速降闭环系统的开环放大倍数（一）速度单闭环调速

7、系统的组成及其静特性2. 转速负反馈单闭环调速系统的静特性2022/9/2117（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性3. 开环系统机械特性与闭环系统静特性比较 闭环系统静特性比开环系统机械特性的硬度大大提高 当理想空载转速相同时，闭环系统的静差率要小得多 当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可以大大提高 当给定电压相同时，闭环系统的理想空载转速大大降低2022/9/2118（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性闭环系统必须引入放大器3. 开环系统机械特性与闭环系统静特性比较2022/9/2119（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性 综合上述四条特点，可得出以下结论：闭环系统可以获

8、得比开环系统硬得多的稳态特性，在保证一定静差率的要求下，大大提高了调速范围。但是闭环系统必须设置检测装置和电压放大器。 调速系统之所以产生稳态速降，根本原因在于负载电流引起了电枢回路电阻压降。 闭环系统静态速降减少，并不是由于闭环后能使电枢回路电阻减小，而是闭环系统具有自动调节作用，它能随着负载的变化相应地改变整流装置输出电压。3. 开环系统机械特性与闭环系统静特性比较2022/9/2120应用比例调节器的闭环系统是有静差的控制系统闭环系统绝对服从于给定输入闭环系统对于被包围在负反馈环内的一切主通道上的绕动作用都能有效地加以抑制对给定电源和反馈检测元件中的误差无能为力速度单闭环调速系统组成示意

9、图（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性4. 单闭环调速系统的基本特征反馈控制规律2022/9/2121 电流负反馈的引入不能影响电动机正常工作时的静特性 电流截止负反馈：正常运行时不起作用；一旦电流超过规定值，电流负反馈即投入运行 限流保护的具体方法即为：引入电流截止负反馈环节 限流保护是为了解决反馈闭环调速系统的启动和堵转时电流过大的问题而采取的一种限流措施过大的电流会损坏电动机和晶闸管反馈控制原理：要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈（二）单闭环调速系统的限流保护1. 问题的提出电流负反馈2022/9/2122电流截止负反馈装置原理接线 （1）用直流电源做比较电压（

10、二）单闭环调速系统的限流保护2. 电流截止负反馈环节2022/9/2123电流截止负反馈装置原理接线（2）用稳压管的击穿电压做比较电压（二）单闭环调速系统的限流保护2. 电流截止负反馈环节2022/9/2124电流截止负反馈环节的输入输出特性电流截止负反馈环节的输入输出特性是一个非线性环节（两段线性环节）：（二）单闭环调速系统的限流保护2. 电流截止负反馈环节2022/9/2125带电流截止负反馈环节的速度闭环调速系统稳态结构图转速负反馈调速系统稳态结构图（二）单闭环调速系统的限流保护3. 带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统2022/9/2126（二）单闭环调速系统的限流保护3. 带电

11、流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统2022/9/2127由 可得（二）单闭环调速系统的限流保护堵转：电动机正常运行时，将转子堵住，强制其停止转动，此时电枢电流将迅速上升3. 带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统2022/9/2128 带电流截止负反馈速度闭环调速系统的静特性下垂特性挖土机特性（二）单闭环调速系统的限流保护3. 带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统2022/9/2129建立线性系统数学模型的基本步骤：写出描述各环节动态过程的微分方程式；求出各环节的传递函数；组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数速度单闭环调速系统组成（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1. 动

12、态数学模型2022/9/2130放大器晶闸管触发电路及整流装置转速反馈环节晶闸管装置的失控时间（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1. 动态数学模型2022/9/2131直流电动机电枢回路总电感电枢回路电磁时间常数（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1. 动态数学模型2022/9/2132直流电动机负载电流机电时间常数（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1. 动态数学模型2022/9/2133直流电动机（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1. 动态数学模型2022/9/2134速度闭环调速系统的数学模型和传递函数（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析速度闭环调速系统的动态结构图Back

13、 to 双环调速系统动特性分析Back to 无静差调速系统1. 动态数学模型2022/9/2135速度闭环调速系统的数学模型和传递函数（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1. 动态数学模型2022/9/2136速度闭环调速系统的数学模型和传递函数（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1. 动态数学模型2022/9/2137（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析2. 稳定性分析2022/9/2138PI调节器原理接线图（四）采用PI调节器的单闭环无静差调速系统1. 比例积分调节器和比例积分控制规律2022/9/2139PI调节器输出响应1. 比例积分调节器和比例积分控制规律（四）采用PI调节

14、器的单闭环无静差调速系统2022/9/21402. 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统速度单闭环调速系统动态结构图（四）采用PI调节器的单闭环无静差调速系统2022/9/21412. 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统（四）采用PI调节器的单闭环无静差调速系统2022/9/2142结论：积分控制和比例积分控制的调速系统都是无静差的2. 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统（四）采用PI调节器的单闭环无静差调速系统2022/9/2143开环调速系统速度单闭环控制的调速系统多环控制直流调速系统 转速电流双闭环调速系统的组成及静特性 双闭环调速系统的启动过程分析 双闭环调速系统的动态性能主要内容

15、2022/9/2144多环控制直流调速系统2.3.1 转速电流双闭环调速系统的组成及静特性 2.3.1.1 问题的提出 2.3.1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 2.3.1.3 转速、电流双闭环调速系统的静特性2.3.2 双闭环调速系统的启动过程分析 2.3.2.1 启动过程的三个阶段 2.3.2.2 启动过程特点2.3.3 双闭环调速系统的动态性能2022/9/2145多环控制系统：是指按一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或两个以上闭环的控制系统相当于过程控制中的串级控制系统多环控制直流调速系统2022/9/2146带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动时的电流和转速波形直流电动机理想启

16、动过程波形（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性1. 问题的提出2022/9/2147理想启动特性：当电动机最大电流受到限制时，在过渡过程中电流始终保持最大值，电动机以最大转矩加速，调速系统具有最大启动加速度到达给定转速时，电流立刻降低，使转速与负载达到平衡，转入稳定运行状态（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性1. 问题的提出2022/9/2148为实现在允许条件下的最快启动，关键是获得一段电流维持在最大值的恒流过程欲维持电流在最大值处和负载电流值处为恒值，引入电流负反馈转速电流双闭环直流调速系统的研究目的：快速安全启动（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性1. 问题的提出202

17、2/9/2149转速电流双闭环直流调速系统转速调节器电流调节器外环内环（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性2. 转速、电流双闭环调速系统的组成2022/9/2150对转速和电流分别进行控制，设置两个调节器ASR：转速调节器ACR：电流调节器转速：主控信号，有外加给定值，外环电流：稳定运行时受负载决定，内环ASR的输出作为ACR的输入，ACR的输出控制触发装置（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性2. 转速、电流双闭环调速系统的组成2022/9/2151转速、电流双闭环直流调速系统稳态结构图PI调节器，输出限幅PI调节器，输出限幅（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性3. 转速、电

18、流双闭环调速系统的静特性2022/9/2152 正常运行时，电流不会达到最大值，因此ACR始终不会饱和，只有ASR涉及是否饱和问题（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性3. 转速、电流双闭环调速系统的静特性2022/9/2153（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性3. 转速、电流双闭环调速系统的静特性2022/9/2154双闭环调速系统的静特性（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性3. 转速、电流双闭环调速系统的静特性2022/9/2155（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性3. 转速、电流双闭环调速系统的静特性2022/9/2156启动过程的3个阶段：电流上升阶段恒流升速

19、阶段转速调节阶段启动过程分析设置双闭环的重要目的是获得接近理想启动特性的启动过程，整个启动过程按照ASR处于不饱和、饱和、退饱和的不同状态分为三个阶段（二）双闭环调速系统的启动过程分析1. 启动过程的三个阶段2022/9/2157启动过程特点：（）饱和非线性控制ASR饱和：恒值电流调节ASR不饱和：电流随动，无静差调速（）准时间最优控制（）退饱和转速超调（二）双闭环调速系统的启动过程分析2. 启动过程特点2022/9/2158系统动态性能：（）动态跟随性能（）动态抗扰性能：抗负载扰动、抗电网电压扰动调速系统动态抗干扰能力分析速度单闭环调速系统动态结构图ASR和ACR的作用：ASR：转速稳态无静差；抵抗负载扰动；限制最大电流ACR：抵抗内环扰动；最大启动电流；限制电流最大值；电流跟随作用（三）双闭环调速系统的动态性能2022/9/2159本章小结速度闭环调速系统是直流电动机调速系统的一种基本方式，具有反馈控制的基本规律限流保护是为了解决反馈闭环调速系统的启动和堵转时电流过大问题而采取的一种限流措施，限流保护的基本方法之一是电流截止负反馈调速系统采用比例调节时系统有静差，为消除静差可在调速系统中引入积分环节，使之成为比例积分调速系统，可同时满足稳定精度高和动态响应快的要求2022/9/2160本章小结如果对直流调速系统的动态性能要求较高，例如要求快速启动和制动、突加负载动态速降小等等