转速负反馈单闭环直流调速系统讲解.ppt

直流调速系统 运动控制系统运动控制系统 第 2 章 2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统 2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性 2.3.2 单闭环调速系统的动态分析 2.3.3 无静差调速系统的积分控制规律 2.3.4 单闭环调速系统的限流保护 2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性 控制器功率驱动装置生产机械 电动机 转速给定 电网 转速反馈 转速负反馈单闭环调速系统原理框图 1. 单闭环调速系统的组成 采用转速负反馈的单闭环调速系统 + A TG + Utg n ∆Un U*n M TG Id Un Ud Uct GT + + + 放大器 L 测速 发电机 2. 转速负反馈单闭环调速系统的静特性 （1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的 输入输出关系都是线性的； （2）V-M系统工作在开环机械特性的连续段； （3）忽略控制电源和电位器的等效电阻 为分析闭环调速系统的稳态特性，先作如下 的假定： 电压比较环节 放大器 电力电子变换器 调速系统开环机械特性 测速反馈环节 n 各环节静态关系 以上各关系式中 — 放大器的电压放大系数； — 电力电子变换器的电压放大系数； — 转速反馈系数，（V·min/r）； — UPE的理想空载输出电压； — 电枢回路总电阻。

Kp Ks R  Ud0 采用转速负反馈的单闭环调速系统 + A TG + Utg n ∆Un U*n M TG Id Un Ud0 Uct GT + + + L Kp Ks  KpKs  1/Ce U*nUct∆Un E nUd0 Un + + IdR _ Un Ks n 转速负反馈单闭环调速系统静态结构图 _ 由上述五个关系式可以得到转速负反馈单闭 环调速系统静态结构图 U*n KpKs  1/Ce Uc∆Un n Ud0 Un + - + KpKs 1/Ce -IdR n Ud0 + - E a）只考虑给定作用时的闭环系统 b）只考虑扰动作用时的闭环系统 n 静特性方程式 将给定输入和扰动输入下系统的静态方程叠 加，推导出整个系统的静特性方程式： 式中， 为闭环系统的放大倍数 n注意： 闭环调速系统的静特性表示闭环系统电 动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关 系，它在形式上与开环机械特性相似，但本 质上却有很大不同，故定名为“静特性”，以 示区别 比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静 特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性如果 断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为 而闭环时的静特性可写成 3. 开环系统机械特性 和闭环系统静特性的关系 在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为 和 它们的关系是 (1) 闭环系统机械特性的硬度大大提高 闭环系统和开环系统的静差率分别为 和 当 n0op =n0cl 时， (2) n0op=n0cl时，闭环系统静差率小许多 如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速 静差率的要求相同，那么： 开环时， 闭环时， 再考虑Δnop和Δncl之间的关系，得 (3) 静差率一定时，闭环系统调速范围大大提高 如要维持系统运行速度不变，需要闭环 系统的 是开环系统的 (1+ K) 倍。

同时，前三项优点若要有效，也要有足 够大的K，因此必须设置放大器 (4) 给定电压相同时，闭环系统空载转速大大降低 闭环调速系统可以获得比开环调速系统 硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率 的要求下，能够提高调速范围，为此所需付 出的代价是，须增设电压放大器（控制器） 以及检测与反馈装置 结论3： n例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管整 流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30， = 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，计算 放大器的电压放大系数KP KpKs  1/Ce U*nUct∆Un E nUd0 Un + + IdR _ Un Ks _ 解：在例2.1中已经求得 Δnop = 275 r/min， 但为了满足D = 20，s 6dB n 系统设计要求 从图中三个频段的特征可以判断系统 的性能，这些特征包括四个方面： 0 L/dB c / s -1 -20dB/dec 低频段中频段高频段 图2.25 典型的控制系统伯德图 n 典型控制系统伯德图 n中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且 这一斜率覆盖足够的频带宽度，则系统的稳 定性好； n截止频率（或称剪切频率）c越高，则系 统的快速性越好； n低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳 态精度高； n高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越 低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。

n 伯德图与系统性能的关系 以上四个方面常常是互相矛盾的对稳态精 度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系 统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可 能牺牲快速性；提高截止频率可以加快系统的响 应，又容易引入高频干扰；如此等等 设计时往往须在稳、准、快和抗干扰这四个 矛盾的方面之间取得折中，才能获得比较满意的 结果 n 举例说明——利用Bode图分析系统稳定性 n(s)U*n (s) IdL (s) Uct (s) Un (s) + - Ks Tss+1 Kp 1/Ce TmTl s2+Tms+1  + - R (Tl s+1) Ud0 (s) ∆Un (s) 系统的开环传递函数为： 一般情况下， Tm ≥ 4Tl ，因此分母中的二次项 可以分解成两个一次项之积，即 这样，开环传递函数变成 研究例2.3中的系统，已知 Ts = 0.00167s， Tl = 0.012s ， Tm = 0.098s ，在这里， Tm ≥ 4Tl ，因此分 母中的二次项可以分解成两个一次项之积，即 满足稳态性能要求的闭环系统的开环放大系数 已取为 于是，原始闭环系统的开环传递函数是 其中三个转折频率分别为 n 系统开环对数幅频及相频特性 由图可见，相角裕度  和增益裕度Lh 都是负值，所以原始闭环系统不稳定。

这 和例2.3中用劳斯判据得到的结论是一致的 在单闭环调速系统中实现串联校正，常 用运算放大器组成PI（滞后）、PD（超前 ）、PID（超前—滞后）三种校正装置 n 串联校正的实现 n 串联校正的实现——PI调节器 图2.27 比例积分（PI）调节器 Uex + + C Rb Uin R0 + A R1 - i1 i0 - n 串联校正的工程实现方法 Step1 对消时间常数最大的环节 n 串联校正的工程实现方法 Step2 按照 的要求，求得相应的 截止 频率，满足 继而推导出 KPI 的值 2.3.3 无静差调速系统和积分控制规律 本节将讨论，采用积分（I）调节器或 比例积分（PI）调节器代替比例放大器，构 成无静差调速系统 为什么要讨论无静差调速系统？ 如前所述，采用P放大器控制的有静差的调 速系统，Kp 越大，系统精度越高；但 Kp 过大， 将降低系统稳定性，使系统动态不稳定 进一步分析静差产生的原因，由于采用比例 调节器， 转速调节器的输出为 Uct = Kp Un n Uct  0，电动机运行，即Un  0 ； n Uct = 0，电动机停止，即Un = 0 。

n 问题的提出 + A TG + Utg n ∆Un U*n M TG Id Un Ud0 Uct GT + + + L ①② 不可能无穷大 不能为零 因此，在采用比例调节器的自动控制系 统中，输入偏差是维系系统运行的基础，必 然要产生静差，因此是有静差系统 如果要消除系统误差，必须寻找其他控 制方法，比如：采用积分（Integration）调 节器或比例积分（Proportional Integration ）调节器来代替比例放大器 1. 积分调节器和积分控制规律 图2.28 积分调节器 Uex + + C Rb Uin R0 + - i i0 -  Uex Uin t UinUex O 图2.29 阶跃输入时的输出特性 Uexm 积分调节器的传递函数为 只要在调节器输入端有Uin作用，电流 i 不为零，电容C就不断积分，输出Uex不断 增加，直到运算放大器达到饱和 n 积分调节器的特点 n累积作用——只要输入端有信号，哪怕是 微小信号，积分就会进行，直到输出达到饱 和 n记忆作用——积分过程中，如果输入信号 突变为零，积分器的输出将保持在当前值 n延缓作用——即使输入信号突变，积分器 输出也不能跃变，只能以固定的斜率线性增 长。

比例调节器的输出只取决于输入偏差 量的现状；而积分调节器的输出则包含了 输入偏差量的全部历史 有偏差就调节、控制输出保持 等特性 使得积分调节器能够实现无差调节 n 分析结果 积分控制器的输出响应比较缓慢， 为了提高系统的动态性能，需要对积分 控制器进行改进 n 存在问题 如果既要稳态精度高，又要动态响应 快，该怎么办呢？ 只要把比例和积分两种控制结合起来 就行了，这便是比例积分控制 n 解决办法 Uex Uin Uexm t UinUex O 比例积分（PI）调节器 Uex + + C Rb Uin R0 + A R1 - i1 i0 - 阶跃输入时的输出特性 KPI Uin 2. 比例积分调节器和比例积分控制规律 O t O t Uex ∆Uin 1 2 1+2 n PI调节器输出特性曲线 2： 积分作用 1： 比例作用 1+2： 比例积分作用 n 分析结果 由此可见，比例积分控制综合了比例 控制和积分控制两种规律的优点比例部 分能迅速响应控制作用，积分部分则最终 消除稳态偏差 图2.31 无静差直流调速系统 + + - + - M + - n U*nR0 R0 Rb Uct L Id R1C1 Un Ud M TG 3 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统 + - ~ （1）稳态抗扰性能分析 n(s)U*n (s) IdL (s) Uct (s) Un (s) + - Ks Tss+1 A 1/Ce TmTl s2+Tms+1  + - R (Tl s+1) Ud0 (s) ∆Un (s) 只考虑扰动作用的影响，即令U*n (s)=0，则 系统的动态结构图可变换为下面的形式： Δn(s ) -IdL (s) A 1/Ce TmTl s2+Tms+1  + - R (Tl s+1) Ud0 (s) Ks Tss+1 采用不同调节器时，输出量Δn(s)与扰动 量IdL (s)之间的动态关系如下： ①采用P调节器 n 不同调节器作用时，扰动对输出的影响 ②采用I调节器 ③采用PI调节器 ①采用P调节器 n 利用终值定理求扰动输入下的稳态误差 ②采用I调节器 ③采用PI调节器 n 分析结果 只要在控制系统的前项通道上的扰动 作用点以前含有积分环节，当这个扰动为 突加阶跃扰动时，它便不会引起稳态误差 。

如果积分环节出现在扰动作用点以后， 它对消除静差是无能为力的 由于无静差调速系统在稳态时没有速度偏差， 即 Un = 0，因此可以得到 |Un| =|Un*|=αn ，则在系 统设计时可直接计算转速反馈系数 — 电动机调压调速时的最高转速； — 相应的给定电压的最大值 nmax U*nmax n 转速反馈系数的求取 （2）动态抗扰性能分析 这里对单闭环无静差调速系统的动态 抗扰性能进行定性的分析 比较下面的两组动态响应曲线： 给定值不变 突加负载扰动 动态速降 转速偏差 控制电压 给定值不变 突加负载扰动 动态速降 转速偏差 控制电压 2.3.4 限流保护——电流截止负反馈的应用 要明确三个问题： 1. 为什么要加入电流负反馈？ 2. 什么是电流截止负反馈？ 3. 如何实现电流截止负反馈？ 1 问题的提出 为了解决转速负反馈单闭环调速系统 启动和堵转时电流过大的问题系统中必 须设有自动限制电枢电流的环节 n起动的冲击电流。