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1、第第5章章 直流传动控制系统直流传动控制系统5.1 概述概述 一、自动控制系统的组成和分类一、自动控制系统的组成和分类 1.自动控制系统的组成自动控制系统的组成 2.自动控制系统的分类自动控制系统的分类(1)按采用不同的反馈方式，可分为按采用不同的反馈方式，可分为转速负反馈、电势负反馈、电压负转速负反馈、电势负反馈、电压负反馈及电流正反馈反馈及电流正反馈(2)按自动调节系统的复杂程度，可分为按自动调节系统的复杂程度，可分为单环自动调节系统和多环自单环自动调节系统和多环自动调节系统动调节系统(3)按系统稳态时被调量与给定量有无差别，可分为按系统稳态时被调量与给定量有无差别，可分为有静差调节系统和
2、有静差调节系统和无静差无静差调节系统调节系统(4)按给定量变化的规律，可分为按给定量变化的规律，可分为定值调节系统、程序控制系统和随动定值调节系统、程序控制系统和随动系统系统(5)按调节动作与时间的关系，可分为按调节动作与时间的关系，可分为断续控制系统和连续控制系统断续控制系统和连续控制系统，或，或无级调速和有级调速无级调速和有级调速。(6)按系统中所包含的元件特性，可分为按系统中所包含的元件特性，可分为线性控制系统和非线性控制系线性控制系统和非线性控制系统统（7）按电机调速特性分，可分为）按电机调速特性分，可分为恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速和恒功率调速二二、调速系统主要性能指标调速系统主
3、要性能指标 调速系统的调速技术指标调速系统的调速技术指标静态指标静态指标动态指标动态指标1.静态技术指标静态技术指标 1）静差度静差度S：静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。速度稳定性指标速度稳定性指标 当当负负载载变变化化时时，生生产产机机械械转转速速的的变变化化要要能能维维持持在在一一定定范范围围之之内内，即即要要求求静静差差度度S小于一定数值。小于一定数值。普通设备普通设备普通车床普通车床龙门刨床龙门刨床冷轧机冷轧机热轧机热轧机造纸机造纸机S50%S30%S5%S2%0.2%0.5%S0.1%2）调速范围）调速范围D 在在额定负载额定负载下
4、，允许的下，允许的最高转速最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能达到的下所能达到的最低转速最低转速之比称为调速范围之比称为调速范围。车床车床龙门刨床龙门刨床钻床钻床铣床铣床轧钢机轧钢机造纸机造纸机进给机械进给机械20120204021220303151020530000 3）D、nN 和和 S2的关系的关系 电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高;在在一一个个调调速速系系统统中中，如如果果在在最最低低转转速速运运行行时时能能满满足足静静差差度度的的要要求求，则则在在
5、其其他他转速时必能满足要求。转速时必能满足要求。因此，设计时要求的静差度指低速时的静差度因此，设计时要求的静差度指低速时的静差度S2。2.动态技术指标动态技术指标 从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转所经过的一段过渡过程，从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转所经过的一段过渡过程，称为称为动态过程动态过程。1 1）.最大超调量最大超调量：反映系统的相对稳定性反映系统的相对稳定性超调量太大，达不到生产工艺上的要求；超调量太大，达不到生产工艺上的要求；超调量太小，会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高超调量太小，会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高范围：范围：2 2）.上升时间上升时间t
6、tr r：反映动态响应的快速性反映动态响应的快速性 4 4）.振振荡荡次次数数 N N：在在过过渡渡过过程程内内，被被调调量量N N在在其其稳稳定值上下摆动的次数定值上下摆动的次数系系统统超调超调量量过渡过程过渡过程时间时间T振荡次振荡次数数性能性能10长长无无不好不好2大大长长多多不好不好3小小短短中中好好 3 3）.过过渡渡过过程程时时间间t ts s：衡衡量量系系统统整整个个调调节节过过程程的的快快慢慢例例5.1 5.1 有有一一生生产产机机械械要要求求调调速速范范围围D=5D=5，静静差差率率5 5，电电动动机机额额定定数数据据为为10KW10KW，220V220V，55A55A，10
7、00r/min1000r/min，电电枢枢回回路路总总电电阻阻R=1R=1，KeKe=0.1925V=0.1925V.r/min.r/min，问问开开环环系系统统能能否否满满足要求？足要求？三、根据生产机械的负载性质来选择电动机的调速方式三、根据生产机械的负载性质来选择电动机的调速方式 1.生产机械的负载特性生产机械的负载特性2电动机调速过程中的负载能力电动机调速过程中的负载能力 在调速过程中应保持电枢电流在调速过程中应保持电枢电流Ia为额定值为额定值IN，在不同，在不同转速下电动机轴上输出的转矩和功率就是电动机所能允许转速下电动机轴上输出的转矩和功率就是电动机所能允许长期输出的最大转矩和最大
8、功率，亦即电动机调速过程中长期输出的最大转矩和最大功率，亦即电动机调速过程中的负载能力。的负载能力。3电动机的调速性质与生产机械的负载特性的配合电动机的调速性质与生产机械的负载特性的配合 负载为恒转矩型的生产机械应尽可能选用恒转负载为恒转矩型的生产机械应尽可能选用恒转矩性质的调速方式，且电动机的额定转矩矩性质的调速方式，且电动机的额定转矩T应等于或应等于或略大于负载转矩略大于负载转矩TL；负载为恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功负载为恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功率性质的调速方式，且电动机的额定功率率性质的调速方式，且电动机的额定功率PN应等于应等于或略大于生产机械的静负载功率或略大于生产
9、机械的静负载功率PL。5.2 晶闸管电动机直流传动控制系统晶闸管电动机直流传动控制系统按结构的不同：按结构的不同：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统可逆系统可逆系统 一、单闭环直流调速系统一、单闭环直流调速系统 1.有静差转速负反馈调速系统有静差转速负反馈调速系统 1)基本组成基本组成 按静态误差的不同：按静态误差的不同：无静差直流调速系统无静差直流调速系统有静差直流调速系统有静差直流调速系统任务：任务：调节速度；调节速度；扩大调速范围，减小静态误差。扩大调速范围，减小静态误差。分类：分类：测速反馈回路测速反馈回路速度给定速度给定 放大器放大器触发回路触发
10、回路可控整流回路可控整流回路 电枢回路电枢回路励磁回路励磁回路+-晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理带电阻性负载的单相可控整流电路带电阻性负载的单相可控整流电路 2)静特性分析静特性分析 2）静特性：静特性：电动机的转速与负载电流之间的大小关系电动机的转速与负载电流之间的大小关系。(1)各环节输入输出的关系各环节输入输出的关系 电动机电路电动机电路 可控硅和触发电路可控硅和触发电路 放大器电路放大器电路 反馈电路反馈电路 (2)分析与结论分析与结论 理想空载转速理想空载转速 转速降转速降 设设 调速范围调速范围 在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下，在最大运行转速和低速时最大允许静差
11、度不变的情况下，3)工作原理工作原理 (1)调速（调速（Uf不变，改变不变，改变Ug的大小）的大小）改变改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速调速。(2)稳速（稳速（Ug不变、负载变化使不变、负载变化使Uf变化变化)当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈能维持速度基本不变，当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈能维持速度基本不变，这种状态称为稳速。这种状态称为稳速。该该系系统统主主要要靠靠偏偏差差电电压压U进进行行调调节节、工工作作，若若U=0则则Ud=0，则则电电机机就就不不能能工工作作。另另，为为了了使使偏偏差差电电压压U足足够
12、够小小（如如速速度度有有微微小小波波动动）时时，也也能能获获得得足足够够大大的的控控制制电电压压Ud，要求，要求K足够大。足够大。这种具有比例调节器的闭环系统叫做这种具有比例调节器的闭环系统叫做有静差调速系统有静差调速系统。4）调速过程中特性（工作点）变化：）调速过程中特性（工作点）变化：当当:TLTL1NUUdUd1或：或：TLTL2NUUdUd2 因此因此:当系统闭环后，稳定工作点在当系统闭环后，稳定工作点在A-B-C线上移动，特性曲线较硬；线上移动，特性曲线较硬；若无闭环，当若无闭环，当TL变化时，变化时，Ud不变，不变，工作点在一条工作点在一条Ud上移动。上移动。结论：结论：由由于于放
13、放大大倍倍数数K不不可可能能为为无无穷穷大大，即即静静态态速速降降不不可可能能为为0，因因此此，上上述述系系统统只只能能维维持持速速度度基基本本不不变变。这这种种维维持持被被调调量量（转转速速）近近于于恒恒值值不不变变，但但又又具具有有偏偏差差的的反反馈控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统）。馈控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统）。采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化、采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化、晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。提高系统的开
14、环放大倍数提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。系统的放大倍数系统的放大倍数K越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。但是越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。但是放大倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。放大倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。2.无静差转速负反馈调速系统无静差转速负反馈调速系统 1）比例积分（）比例积分（PI）调节器）调节器比例调节器比例调节器其输入输出之间的关系如下其输入输出之间的关系如下：积分调节器积分调节器其输入输出之间的关系如下其输入输出之间的关系如
15、下：比例积分调节器比例积分调节器2）采用采用PI调节器的无静差调速系统调节器的无静差调速系统 3）动态调节过程动态调节过程二、双闭环直流调速系统二、双闭环直流调速系统v1.转速、电流双闭环调速系统的组成转速、电流双闭环调速系统的组成启动时电动机电压启动时电动机电压启动结束时电压启动结束时电压Idt1t2IamIa0启动时的电压波形启动时的电压波形tIa,n,UdUdn(Iam-Ia)RIamRIaIamt理想的启动波形理想的启动波形v2.2.转速、电流双闭环调速系统的分析转速、电流双闭环调速系统的分析v1)1)静态分析静态分析MACRASRUK-Ugi+Ufi-UfnUnBR+UgnUiUdI
16、aLTAv2.2.转速、电流双闭环调速系统的分析转速、电流双闭环调速系统的分析v2)2)系统分析系统分析IaILnngIamttt1t2t3t4三、正反转控制三、正反转控制1.利用接触器的可逆线路利用接触器的可逆线路v2.可控硅切换线路可控硅切换线路MUdIa(Ia)VT1VT3VT2VT4+-ABMUdIa(Ia)KM1KM2KM2KM1+-AB55 有一直流调速系统，其高速时的理想空载转速有一直流调速系统，其高速时的理想空载转速n01=1480rmin，低速时的理想空载转速，低速时的理想空载转速n02=157rmin，额定负载时的转，额定负载时的转速降速降nN10rmin。试画出该系统的静
17、特性。试画出该系统的静特性(即电动机的机械即电动机的机械特性特性)，求出调速范围和静差度，求出调速范围和静差度511 某一有静差调速系统的速度调节范围为某一有静差调速系统的速度调节范围为75rmin1500rmin，要求静差度，要求静差度S2，该系统允许的静态速降是多少，该系统允许的静态速降是多少?如如果开环系统的静态速降是果开环系统的静态速降是100rmin，则闭环系统的开环放大，则闭环系统的开环放大倍数应有多大倍数应有多大?512 某一直流调速系统调速范围某一直流调速系统调速范围D10，最高额定转速，最高额定转速nmax=1000rmin，开环系统的静态速降是，开环系统的静态速降是100rmin。试问该。试问该系统的静差度为多少系统的静差度为多少?若把该系统组成闭环系统，保持若把该系统组成闭环系统，保持n02不变不变的情况下，使新系统的静差度为的情况下，使新系统的静差度为5，试问闭环系统的开环放，试问闭环系统的开环放大倍数为多少大倍数为多少?