2.1 可控直流源及建模 2.2 稳态调速性能指标和开环系统的机械特性 2.3 转速反馈控制的直流调速系统（比例单环） 2.4 带电流截止负反馈的直流调速系统（比例单环） 2.5 比例积分控制规律和无静差调速系统（PI单环）,第2章 转速反馈控制的直流调速系统,1,2.2 稳态调速性能指标和开环调速系统的机械特性,一、转速控制的要求 1、 调速：范围宽、无级 2、 稳速：精度高、抗扰强、波动小。 3、 加减速：快、平稳,二、 稳态性能指标,调速范围D 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即：,其中nmin 和nmax 一般都指电机额定负载时的转速。,额定负载下,D越大越好！,静差率（衡量转速的相对平稳度） 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 nN ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即：,最大静差率越小越好！,静差率指标一般是最低转速时 的静差率！,5,稳速精度,在规定的电网质量和负载扰动条件下，在规定的运行时间(如1小时或8小时)内，在某一指定的转速下，t时间(通常取1秒)内平均转速最大值和另一t时间内平均转速最小值的相对误差百分数。,一般闭环调速系统高速运行时稳速精度比较容易达到，稳速精度指标通常被用来确定调速范围的速度下限。,三、 调速范围、静差率和额定速降之间的关系,设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，该系统的最大静差率是：,于是，最低转速为：,一定时：,而调速范围为 ：,结论：一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。,例1：某直流调速系统电动机额定转速为nN =1430r/min，额定速降 nN = 115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？,解 ：若要求静差率30%时，调速范围为： 若要求静差率20%，则调速范围只有： 若要求调速范围为10，则静差率为：,四、 开环调速系统的机械特性,开环调速系统的机械特性：,例2： 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，额定数据如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系统，电动机电动势系数 ，主电路总电阻 ，如果要求调速范围 D = 20，静差率5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？,解 ： 当电流连续时，V-M系统的额定速降为：,如果要求D = 20，s 5%，则额定速降为：,13,开环系统调速的问题,从控制理论的立场分析： 速度指令可视为阶跃型输入指令 ；,DnN实际是额定状态下系统输出对阶跃输 入的稳态误差，在开环状态下，当静差 率要求较高即S较小时，系统所能达到的 调速范围D是很小的。,由此可见，开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题！,2.1 可控直流源及建模 2.2 稳态调速性能指标和开环系统的机械特性 2.3 转速反馈控制的直流调速系统（比例单环） 2.4 带电流截止负反馈的直流调速系统（比例单环） 2.5 比例积分控制规律和无静差调速系统（PI单环）,第2章 转速反馈控制的直流调速系统,14,15,一、闭环调速系统的组成及静特性,静特性： 假定： 1、忽略非线性 2、忽略电源、电位器内阻,电压比较,放大器,电力电子变换器,直流电机,测速反馈,测速发电机 的电势常数,16,静态结构图,1）只考虑给定作用时的闭环系统,2）只考虑扰动作用时的闭 环系统,转速单闭环系统的静特性,3）已假设系统是线性的，把二者叠加起来，即得转速单闭环系统的静特性：,18,开环机械特性与闭环静特性的关系,开环特性 闭环静特性,结论：闭环可获得比开环硬得多的稳态特性，在 保证一定静差率要求下提高了调速范围。,调速范围：对相同静差率、 相同额定转速,静差率：对相同理想空载转速,硬度 【在相同负载下两者 的速降关系为】,19,闭环系统静态速降低于开环的原因,闭环系统能大大提高稳速性能的原因是：系统在负载变化时可通过闭环调节使电枢电压自动跟踪负载变化，补偿电枢电流在回路电阻上的压降损失，从而维持转速基本不变。,比例单闭环反馈控制规律,规律： 1、仅比例调节，必存在静差； 2、对作用于前向通道的扰动有较强的抑制作用； 3、对作用于给定和反馈通道的扰动无抑制作用，系统精度依赖 于给定和反馈精度。,21,稳态参数的计算,【例3】V-M系统额定数据为DCM：10kW,220V,55A,1000r/min,电枢电阻0.5W； 晶闸管三相桥式全波可控整流，电压放大系数44；电枢回路总电阻1W；永磁直流测速发电机110V，1900r/min，转速反馈系数取0.01。 要求：D10，s=5%，计算稳态参数。,解：,因,注意：电机电势常数计算与电机以外电路参数无关。,1000r/min时,所以，闭环系统应有的开环放大系数：,开环速降与电枢回路参数有关。,指标要求的闭环额定负载下稳态速降：,开环额定负载下稳态速降：,24,运算放大器比例放大系数 设输入电阻为10K，则比例电阻为240K。,25,二、闭环调速系统的动态模型和分析,1、电力电子变换器：,2、直流电机的动态模型,26,电枢回路的电磁 时间常数：,电机拖动系统的 机电时间常数：,27,直流电机结构图变换,过阻尼二阶系统,欠阻尼二阶系统,28,3、单转速闭环比例型直流调速系统动态结构图,29,4、系统开环传递函数（对给定而言）,30,5、对给定的闭环传递函数,31,稳定条件,由Routh判据，稳定条件为： 或： K：比例型单转速闭环系统开环放大系数,32,稳定性分析,【例3】V-M系统额定数据为DCM：10kW,220V,55A,1000r/min,电枢电阻0.5W； 晶闸管三相桥式全波可控整流，电压放大系数44；电枢回路总电阻1W；永磁直流测速发电机110V，1900r/min。 要求：D10，s=5%，计算稳态参数。 已知电磁时间常数为0.017s,机电时间常数为0.075s，判断系统的稳定性。,33,稳定性分析,所以，这样的比例控制系统的动态稳定性和稳态性能要求是矛盾的。,34,比例单闭环Matlab仿真,无电流限制的比例单闭环调速系统仿真,35,比例单闭环仿真,电流尖峰=210A2倍额定电流110A,2.1 可控直流源及建模 2.2 稳态调速性能指标和开环系统的机械特性 2.3 转速反馈控制的直流调速系统（比例单环） 2.4 带电流截止负反馈的直流调速系统（比例单环） 2.5 比例积分控制规律和无静差调速系统（PI单环）,第2章 转速反馈控制的直流调速系统,36,37,限流保护电流截止负反馈,1、问题的提出：起动、严重过载、堵转 过流损坏功率器件,2、对策：电流截止负反馈,比较电压与转速给定作用一致，理想空载转速大幅提高； 电流负反馈的作用相当于主电路中串入大电阻，特性急剧下垂。,堵转电流：,截止电流：,40,电流截止比例单闭环Matlab仿真,结构图仿真,41,电流截止比例单闭环仿真,最大电流尖峰=90A 系统稳定性较差、存在静差,习题2-3、5、6,2.1 可控直流源及建模 2.2 稳态调速性能指标和开环系统的机械特性 2.3 转速反馈控制的直流调速系统（比例单环） 2.4 带电流截止负反馈的直流调速系统（比例单环） 2.5 比例积分控制规律和无静差调速系统（PI单环）,第2章 转速反馈控制的直流调速系统,42,问题的提出,采用比例控制的有静差调速系统，Kp 越大，系统精度越高；但 Kp 过大，将降低系统稳定性。 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： Uc = Kp Un Uc 0，电动机运行，即Un 0 ； Uc = 0，电动机停止。,因此，在采用比例调节器控制的自动系统中，输入偏差是维持系统运行的基础，必然要产生静差，因此是有静差系统。,一、积分调节器和积分控制规律,1、积分调节器 由运算放大器可构成一个积分电路。根据电路分析，其电路方程：,积分调节器原理图,式中， 积分时间常数。 当初始值为零时，在阶跃输入作用下，对上式进行积分运算，得积分调节器的输出：,图1 积分调节器的输入和输出动态过程 a) 阶跃输入 b) 一般输入,2、转速的积分控制规律,3、两种调节器特性比较,两种调节器I/O特性曲线,那么，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。,47,二、PI调节器,按控制理论对传递函数的符号约定，其输出对输入绝对值的传递函数为：,1、模拟PI的组成,2、PI调节器输出时间特性,49,3、PI调节器的饱和限幅特性,在调速系统中使用的模拟PI调节器，通常都采用运算放大器构成，受其工作电压限制，运算放大器都有自然饱和限幅特性，其输出达到一定数值后将不可能继续增大。对于数字PI调节器也是如此。PI调节器工作时是否进入饱和限幅状态对系统动态调节影响很大，正确理解限幅输出的PI调节器动态响应特点，对分析与设计双环调速系统和采用此类调节器的自动控制系统是十分重要的。,50,限幅输出的PI调节器,当PI调节器的输入即误差信号E大小和变化规律不同时，PI调节器的输出变化情况会有很大差异 输入误差信号为阶跃形式: 当系统运行中负载过重， 电机发生堵转时出现，比例 部分在0时刻突跳，积分部分按时间常数 线性增长，经过一个很短的 时间，调节器输出即达到饱 和限幅值。,51,误差衰减比较慢时,系统无过载、反馈无断路、主电路工作正常，一般误差仅会在一开始输出还来不及变化时跃变，随着调节器输出的控制作用，系统输出增长，误差便逐渐减小，调节器输出的比例部分相应减小，积分部分 继续增大，但增大速率 减缓。当被控对象的等 效惯性时间常数远远大 于调节器积分时间常数 时，输出增长比较慢即 误差衰减比较慢，调节 器输出的积分部分增长 速度快于比例部分下降 的速度，在误差尚未衰 减到零时调节器输出仍可能会达到饱和限幅值。,52,误差衰减较快时,如果被控对象的等效惯性时间常数较小，误差衰减较快，会使调节器输出的比例部分下降速率快于积分增长，在经历一个初始的最大值后逐渐下降，到t1时刻误差等于零时，比例部分输出也为零 而积分部分保持t1时 刻的值不变，调节器 的输出完全由积分部 分确定，调节器完全 工作在线性区。,53,4、PI调节器特性讨论1,从积分器的原理可知，PI调节器一旦饱和，只有输入的误差信号变号，调节器才可能退出饱和输出状态，误差变号意味着系统输出值大于指令值，所以调节器饱和通过偏差变号再回到线性工作区意味着系统输出必然产生超调。,54,4、PI调节器特性讨论2,分析PI调节器动态响应输出时特别要注意它与P调节器的区别,误差信号变化时，比例部分立即将此变化按比例放大输出， 马上产生调节作用；,积分部分需根据积分时间常数确定的斜率随时间增长逐渐产生输出，调节作用相对缓慢。,当误差消失为零时，比例部分输出立刻为零，而积分部分 将保持误差消失瞬间的输出值。,由积分部分决定的调节器输出值代表了误差消失前全部误差变化的累积效应。只要误差不为零，积分输出的变化在调节器饱和以前不会停止，这也是采用PI调节器的系统稳态时能达到无静差的原因。,PI调节器的输出由比例和积分两部分共同决定，不能简单地根据误差的增减来判断调节器输出值的增减。,PI调节器输出的变化趋势由导数的符号决定。,误差较大时主要由P起快速调节作用，误差较小时主要靠I的累积记忆产生的调节作用来消除静差。,调节器输出的变化应当通过对线性部分两边求导来分析,4、PI调节器特性讨论3,56,三、动态校正,设计工具：Bode图,最小相位系统稳定裕度的一般要求,希望特性： 1、中频段以20dB/dec 斜率穿越0dB线，并覆盖足够频