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1、电气气传动及控制基及控制基础第1页，本讲稿共38页第第3 3章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统3.1 3.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统3.3 3.3 带电流截止负反馈的单闭环调速系统带电流截止负反馈的单闭环调速系统3.4 3.4 闭环调速系统的设计闭环调速系统的设计第2页，本讲稿共38页3.1 3.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器主要内容主要内容1 1.调节器的传递函数调节器的传递函数2.2.常用调节器常用调节器3.3.调节器辅助电路调节器辅助电路 第3页，本讲稿共38页1.1.1.1.调节器的传递
2、函数调节器的传递函数调节器的传递函数调节器的传递函数 运算放大器作调节器使用时运算放大器作调节器使用时,多数多数接成反号放线路接成反号放线路,如图如图3.13.1所示。其所示。其中中Z0Z0为输入阻抗；为输入阻抗；Z1Z1为反馈阻抗；为反馈阻抗；Zba1Zba1为同相输入端的平衡阻抗，为同相输入端的平衡阻抗，用以降低放大器失调电流的影响。用以降低放大器失调电流的影响。调节器的传递函数调节器的传递函数W(s)W(s)如式如式(3.1)(3.1)所示。所示。图3.1 运算放大器构成的调节器（3.1）3.1 3.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第4页，本讲稿共38页1.1.1.1.调
3、节器的传递函数调节器的传递函数调节器的传递函数调节器的传递函数当运算放大器的反向输入端有两个信号时，如图当运算放大器的反向输入端有两个信号时，如图3.23.2所示。所示。（3.23.2）图3.2 综合多个信号的调节器原理图 3.1 3.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第5页，本讲稿共38页当当 ，式（，式（3.23.2）可以写成）可以写成1.1.1.1.调节器的传递函数调节器的传递函数调节器的传递函数调节器的传递函数当运算放大器的反向输入端有两个输当运算放大器的反向输入端有两个输入信号时，如图入信号时，如图 所示，由于所示，由于A点的点的（3.33.3）图3.2 综合多个信号的
4、调节器(b)结构图;(c)结构图结构图用图结构图用图3.23.2表示，可见，运算放大器具有信号综合的作用。表示，可见，运算放大器具有信号综合的作用。3.1 3.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第6页，本讲稿共38页 2.2.2.2.常用调节器常用调节器常用调节器常用调节器(1)(1)比例（比例（P P）调节器调节器图3.3 比例调节器（a）原理图；（b）阶跃响应比例调节器如图（比例调节器如图（3.33.3）所示，传递函数所示，传递函数 如式（如式（3.43.4）所示。）所示。（3.4）3.1 3.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第7页，本讲稿共38页 2.2.2
5、.2.常用调节器常用调节器常用调节器常用调节器(2)(2)积分（积分（I I）调节器调节器传递函数传递函数阶跃响应阶跃响应图3.4 积分调节器（a）原理图；（b）阶跃响应（3.5）3.1 3.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第8页，本讲稿共38页(2)(2)积分（积分（I I）调节器调节器 积分调节器输出响应的特点积分调节器输出响应的特点1 1）线性区）线性区:只要只要 ，UexUex总要逐渐增长。只有当总要逐渐增长。只有当Uin=0Uin=0，UexUex才不才不增长。当增长。当UinUin变号时，变号时，UexUex才能减小。才能减小。2 2）饱和时：输出达到饱和时，必须等
6、）饱和时：输出达到饱和时，必须等UinUin变极性时调节器才能退出变极性时调节器才能退出饱和。饱和。2 2.常用调节器常用调节器3.1 3.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第9页，本讲稿共38页(3)(3)比例积分（比例积分（PIPI）调节器调节器传递函数传递函数阶跃响应阶跃响应 （3.63.6）3.1 3.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器 2 2.常用调节器常用调节器第10页，本讲稿共38页(3)(3)比例积分（比例积分（PIPI）调节器调节器当调节器达到深饱和后，必须等输入信当调节器达到深饱和后，必须等输入信号变号，才能使调节器退出饱和。号变号，才能使调节器
7、退出饱和。图3.5 比例积分调节器（a）原理图；（b）阶跃响应3.1 3.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器 2 2.常用调节器常用调节器第11页，本讲稿共38页3.3.3.3.调节器辅助电路调节器辅助电路调节器辅助电路调节器辅助电路（1 1）输出限幅电路）输出限幅电路调节器在实际应用调节器在实际应用中带有输出限幅电中带有输出限幅电路，以满足电气传路，以满足电气传动的某些传动动的某些传动,如图如图3.63.6。图3.6 二极管钳位的外限幅电路和封锁电路3.1 3.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第12页，本讲稿共38页3.3.3.3.调节器辅助电路调节器辅助电路调
8、节器辅助电路调节器辅助电路 (2)(2)输入滤波电路输入滤波电路 图3.7 含滤波输入的PI调节器（a）原理图；（b）结构图3.1 3.1 闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器第13页，本讲稿共38页3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 主要内容主要内容引言引言1.1.单闭环有静差调速系统组成及静特性单闭环有静差调速系统组成及静特性 2.2.单闭环有静差调速系统的动态特性单闭环有静差调速系统的动态特性 3.3.其它单闭环有静差调速系统其它单闭环有静差调速系统4.4.无静差调速系统及积分控制规律无静差调速系统及积分控制规律 第14页，本讲稿共38页引言引言 闭环系统的引入
9、闭环系统的引入 例例3.1:3.1:某龙门刨床工作台拖动系统采用直流电机某龙门刨床工作台拖动系统采用直流电机:Z2-93:Z2-93型、型、60kw60kw、220V220V、305A305A、1000r/min1000r/min，要求，要求D=20D=20，s5%s5%。如果采用。如果采用V-MV-M系统，主回路总电阻系统，主回路总电阻R=0.18R=0.18，电机，电机CeCe=0.2V/=0.2V/（r/minr/min）。则当电流连续时，在额定负载下的转速降为：）。则当电流连续时，在额定负载下的转速降为：结论：结论：额定转速时的静差率已大大超过额定转速时的静差率已大大超过55的要求，调
10、速范围的低速时更不满的要求，调速范围的低速时更不满足要求。足要求。解决方法：解决方法：引入负反馈闭环控制引入负反馈闭环控制开环系统机械特性连续段在额定转速时的晶差率为开环系统机械特性连续段在额定转速时的晶差率为第15页，本讲稿共38页1.1.1.1.单闭环有静差调速系统组成及静特性单闭环有静差调速系统组成及静特性单闭环有静差调速系统组成及静特性单闭环有静差调速系统组成及静特性系统组成：在电机上安装系统组成：在电机上安装一台测速发电机，从而引出一台测速发电机，从而引出与转速成正比的负反馈电压，与转速成正比的负反馈电压，与转速给定电压相比较后，与转速给定电压相比较后，得到偏差电压，经过放大器得到偏
11、差电压，经过放大器产生触发装置的控制电压，产生触发装置的控制电压，用以控制电机转速。这就组用以控制电机转速。这就组成了反馈控制的闭环系统，成了反馈控制的闭环系统，其原理图如图其原理图如图3.83.8所示。所示。由于被调量是转速，所以由于被调量是转速，所以称这种系统为调速系统。称这种系统为调速系统。图3.8 单闭环有静差调速系统原理图3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第16页，本讲稿共38页 图图3.83.8中所示系统中环节的关系如下中所示系统中环节的关系如下 电压比较环节电压比较环节 放放 大大 器器 晶闸管触发整流装置晶闸管触发整流装置 V-M V-M系统开环机械特性系统开
12、环机械特性 测速发电机测速发电机Kp比例调节器放大系统；Ks晶闸管触发-整流装置的放大系数；测速反馈系数。3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第17页，本讲稿共38页 闭环系统的静态结闭环系统的静态结构如图构如图3.93.9所示。由所示。由静态结构图可求得静态结构图可求得转速负反馈闭环调转速负反馈闭环调速的静特性方程式速的静特性方程式图3.9 单闭环有静差调速系统静态结构图（3.7）3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第18页，本讲稿共38页静特性分析静特性分析静特性分析静特性分析开环机械特性开环机械特性闭环静特性闭环静特性（3.83.8）（3.93.9）3.2
13、 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第19页，本讲稿共38页结论：结论：闭环系统的静特性比开环系统的闭环系统的静特性比开环系统的机械特性要硬的多，对于相同的理想空载机械特性要硬的多，对于相同的理想空载转速的开环和闭环两条特性，闭环系统静转速的开环和闭环两条特性，闭环系统静特性的静差率要小的多。由于闭环系统的特性的静差率要小的多。由于闭环系统的静差率小，所以当要求静差率一定时，闭静差率小，所以当要求静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围，但必须增环系统可以大大提高调速范围，但必须增加放大器。加放大器。静特性分析静特性分析静特性分析静特性分析图3.10 闭环系统静特性和 开环机械特性
14、的关系3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第20页，本讲稿共38页例例3.13.1中中 满足满足 D=20D=20、S S 5%5%要求时，须有：要求时，须有：则则若已知若已知V-MV-M系统参数为系统参数为则所需放大器的放大倍数则所需放大器的放大倍数KpKp为为:3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第21页，本讲稿共38页闭环系统静特性变硬分析闭环系统静特性变硬分析结论：闭环系统静特性变硬的实质是闭环系统的自动调节作用。结论：闭环系统静特性变硬的实质是闭环系统的自动调节作用。图3.12 闭环调速控制系统的给定和扰动作用图3.11 闭环系统静特性和开环机械特性的
15、关系3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第22页，本讲稿共38页2.2.2.2.单闭环有静差调速系统的动态特性单闭环有静差调速系统的动态特性单闭环有静差调速系统的动态特性单闭环有静差调速系统的动态特性图3.13 单闭环有静差调速系统动态结构图动态结构图如图动态结构图如图3.133.13所示，它是一个三阶系统，如图可求得闭环调所示，它是一个三阶系统，如图可求得闭环调速系统的传递函数速系统的传递函数（3.103.10）3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第23页，本讲稿共38页 闭环特征方程式闭环特征方程式系统稳定的条件系统稳定的条件 计算得计算得 当当 整理后得整
16、理后得 静态精度和动态稳定性矛盾静态精度和动态稳定性矛盾 （3.11）（3.12）（3.13）3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第24页，本讲稿共38页结论结论：启动时电流过大启动时电流过大单闭环有静差调速系统评价单闭环有静差调速系统评价系统静特性变硬，在一定静差率要求下调速范围变宽，且系统具有系统静特性变硬，在一定静差率要求下调速范围变宽，且系统具有良好的抗扰性能。良好的抗扰性能。存在两个问题：存在两个问题：静态精度和动态稳定性之间的矛盾；启动时电流过大。静态精度和动态稳定性之间的矛盾；启动时电流过大。单闭环启动过程分析单闭环启动过程分析 突加给定电压时，由于电机惯性，转速
17、不可能立即建立起来，转突加给定电压时，由于电机惯性，转速不可能立即建立起来，转速反馈电压在两个仍为零，偏差电压是稳态工作值（速反馈电压在两个仍为零，偏差电压是稳态工作值（1+K1+K）倍。这时，）倍。这时，由于放大器和触发整流装置的惯性都很小，整流电压会一下子达到最高值。由于放大器和触发整流装置的惯性都很小，整流电压会一下子达到最高值。3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第25页，本讲稿共38页3.3.3.3.其它单闭环有静差调速系统其它单闭环有静差调速系统其它单闭环有静差调速系统其它单闭环有静差调速系统图3.14 电压负反馈调速系统（a）原理图；（b）静态结构图3.2 3.2
18、 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第26页，本讲稿共38页图3.15 带电流正反馈的电压负反馈调速系统（a）原理图；（b）静态结构图3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第27页，本讲稿共38页4.4.4.4.无静差调速系统及积分控制规律无静差调速系统及积分控制规律无静差调速系统及积分控制规律无静差调速系统及积分控制规律图3.16 无静差调速系统原理图3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第28页，本讲稿共38页动态特性分析动态特性分析图3.17 无静差系统的抗扰动过程3.2 3.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第29页，本讲稿共38页3.3 3.3 带
19、电流截止负反馈的闭环调速系统带电流截止负反馈的闭环调速系统 主要内容主要内容1.电流截止负反馈的引入电流截止负反馈的引入 2.带电流截止负反馈闭环调速系统静特性带电流截止负反馈闭环调速系统静特性 3.带电流截止负反馈闭环调速系统启动过程带电流截止负反馈闭环调速系统启动过程第30页，本讲稿共38页1.1.1.1.电流截止负反馈的引入电流截止负反馈的引入电流截止负反馈的引入电流截止负反馈的引入引入电流截止负反引入电流截止负反馈馈解决启动电流解决启动电流过大问题。过大问题。当电流大到一定程度当电流大到一定程度时才出现的电流负反时才出现的电流负反馈成为电流截止负反馈成为电流截止负反馈。馈。带电流截止负
20、反馈的带电流截止负反馈的闭环调速系统如图所闭环调速系统如图所示。示。图3.18 带电流截止负反馈的闭环调速系统3.3 3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统带电流截止负反馈的闭环调速系统第31页，本讲稿共38页2.2.2.2.带电流截止负反馈闭环调速系统静特性带电流截止负反馈闭环调速系统静特性带电流截止负反馈闭环调速系统静特性带电流截止负反馈闭环调速系统静特性静态结构图静态结构图图3.19 带电流截止负反馈的闭环调速系统静态结构图3.3 3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统带电流截止负反馈的闭环调速系统第32页，本讲稿共38页静特性推导静特性推导静特性推导静特性推导当当IdIdcrIdIdc
21、r时，电流负反馈截止。时，电流负反馈截止。当当IdIdcrIdIdcr时，电流负反馈起作用时，电流负反馈起作用（3.14）（3.15）3.3 3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统带电流截止负反馈的闭环调速系统第33页，本讲稿共38页2 2.带电流截止负反馈闭环调速系统静特性带电流截止负反馈闭环调速系统静特性 临界电流临界电流I Idcrdcr 取值：取值：大于额定电流大于额定电流赌转电流赌转电流 I Idb1db1取值：取值：小于最大电流小于最大电流图3.20 带电流截止负反馈的 闭环调速系统静态特性3.3 3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统带电流截止负反馈的闭环调速系统第34页，本讲稿
22、共38页性能评价：性能评价：带电流截止负反馈的闭环调速带电流截止负反馈的闭环调速系统，具有一定的调速范围和系统，具有一定的调速范围和稳态精度，同时又能限制启动稳态精度，同时又能限制启动电流和堵转工作，线路简单，电流和堵转工作，线路简单，调整方便，很有实用价值，但调整方便，很有实用价值，但是系统的启动过程不理想。是系统的启动过程不理想。图3.21 调速系统启动过程的电流和转速波形（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动过程；（b）理想快速启动过程3.3.3.3.带电流截止负反馈闭环调速系统启动过程带电流截止负反馈闭环调速系统启动过程带电流截止负反馈闭环调速系统启动过程带电流截止负反馈闭环调速系
23、统启动过程3.3 3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统带电流截止负反馈的闭环调速系统第35页，本讲稿共38页转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统ASR-转速调节器;ACR-电流调节器;TG-测速发电机;TA-电流互感器;GT-触发装置;图3.22 转速、电流双闭环调速系统原理图3.3 3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统带电流截止负反馈的闭环调速系统第36页，本讲稿共38页已知参数：已知参数：电动机：电动机：60KW60KW、220V220V、305A305A、1000r/min1000r/min、0.0660.066，变流器：变流器：Ks=30 Ks=30，VMVM系统电枢回
24、路总电阻系统电枢回路总电阻 R=0.18 R=0.18 测速发电机：测速发电机：23.123.1W W、110V110V、0.21A0.21A、1900r/min1900r/min要求：要求：D=20 D=20、S S 5%5%解：系统稳态运行时，电流反馈不起作用，因此，先不考虑电流截止环解：系统稳态运行时，电流反馈不起作用，因此，先不考虑电流截止环节，求满足静特性要求的参数，即调节器参数。节，求满足静特性要求的参数，即调节器参数。（1 1）根据要求，求系统的实际允许速降）根据要求，求系统的实际允许速降（2 2）根据）根据 ndnd求闭环系统的开环放大倍数求闭环系统的开环放大倍数 K K（3
25、3）测速反馈环节参数）测速反馈环节参数（4 4）电流截止环节设计）电流截止环节设计（5 5）调节参数选择）调节参数选择3.4 3.4 闭环调速系统静态设计闭环调速系统静态设计第37页，本讲稿共38页复习思考题复习思考题3 3已知参数：已知参数：电动机：电动机：1010KWKW、220V220V、55A55A、1000r/min1000r/min、0.50.5，变流器：变流器：Ks=44 Ks=44，VMVM系统电枢回路总电阻系统电枢回路总电阻 R=1.0 R=1.0 测速发电机：测速发电机：23.123.1W W、110V110V、0.21A0.21A、1900r/min1900r/min要求：要求：D=10 D=10、S S 5%5%1 1.设计带电流截止负反馈的转速闭环系统（图设计带电流截止负反馈的转速闭环系统（图2.452.45）的调节器参数和电流截止环）的调节器参数和电流截止环节的稳压管参数。节的稳压管参数。2 2.分别分析单闭环有静差调速系统（图分别分析单闭环有静差调速系统（图2.362.36）电网扰动（电压增大）时和励磁电流扰动）电网扰动（电压增大）时和励磁电流扰动（励磁电流减小）时系统的自动调节过程。（励磁电流减小）时系统的自动调节过程。3 3.比例调节器构成的转速闭环系统为什么有静差？比例调节器构成的转速闭环系统为什么有静差？第38页，本讲稿共38页