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电力拖动控制系统 2022/9/211本讲稿第一页，共六十五页调速系统是最基本的电力拖动自动系统。调速系统又可分调速系统是最基本的电力拖动自动系统。调速系统又可分为直流调速和交流调速两种，称为直流拖动系统和交流拖为直流调速和交流调速两种，称为直流拖动系统和交流拖动系统。动系统。调速具有两个方面的含义：一是能在一定范围内调速具有两个方面的含义：一是能在一定范围内“变速调速变速调速”，电动机负载不变时，转速发生变化。二是，电动机负载不变时，转速发生变化。二是“恒速调速恒速调速”，当生产机械在某一速度下运行时，总要受到外界的干扰，当生产机械在某一速度下运行时，总要受到外界的干扰，为保证工作速度不受干扰的影响，也要进行调速。例如负载为保证工作速度不受干扰的影响，也要进行调速。例如负载增加，电动机转速要降低，为维持转速恒定，就得调整电动增加，电动机转速要降低，为维持转速恒定，就得调整电动机转速，使其回升，并等于或接近于原来的转速机转速，使其回升，并等于或接近于原来的转速直流电动机转速直流电动机转速 n=(U-IR)/(Ce)n=(U-IR)/(Ce)调节电动机转速的方法：调节电动机转速的方法：（1 1）调电枢电压（）调电枢电压（2 2）弱磁升速（）弱磁升速（3 3）变电枢回路电阻）变电枢回路电阻2022/9/212本讲稿第二页，共六十五页闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统多环控制的直流调速系统多环控制的直流调速系统可逆调速系统可逆调速系统直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统位置随动系统位置随动系统变频调速系统变频调速系统串级调速系统串级调速系统2022/9/213本讲稿第三页，共六十五页第一章第一章 闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统直流调速系统用的可控直流电源VM系统的特殊问题反馈控制闭环调速系统的的稳态分析和设计 反馈控制闭环调速系统的的动态分析和设计 无静差调速系统和积分比例积分控制规律电压反馈电流补偿控制的调速系统2022/9/214本讲稿第四页，共六十五页51 51 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源对于要求广范围无级调速的系统来说，以调节电枢电对于要求广范围无级调速的系统来说，以调节电枢电压供电电压方式为最好，弱磁虽然也能平滑调速，但压供电电压方式为最好，弱磁虽然也能平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速以上调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速以上作小范围升速。作小范围升速。在调压调速方案中，从供电电源又分为下面两在调压调速方案中，从供电电源又分为下面两种情况：在交流供电系统中，采用可控变流装种情况：在交流供电系统中，采用可控变流装置，以获得直流可调电源；在具有恒定直流供置，以获得直流可调电源；在具有恒定直流供电电源地方，采用可控硅斩波器，实现脉冲调电电源地方，采用可控硅斩波器，实现脉冲调压调速。压调速。旋转变流机组旋转变流机组G-MG-M静止变流装置供电的直流调速系统静止变流装置供电的直流调速系统V-MV-M直流斩波器和脉宽调制变换直流斩波器和脉宽调制变换PWMPWM2022/9/215本讲稿第五页，共六十五页旋转变流机组旋转变流机组G-MG-M调节发电机的励磁即可改变其输出电压，从而调节电动机调节发电机的励磁即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速；同时改变励磁电流的方向，发电机输出电压的极的转速；同时改变励磁电流的方向，发电机输出电压的极性也会改变，从而使转速的方向发生变化，实现性也会改变，从而使转速的方向发生变化，实现GMGM的可的可逆运行。设备多、体积大、费用高、效率低、安装及维护逆运行。设备多、体积大、费用高、效率低、安装及维护不方便、运行有噪音等缺点。不方便、运行有噪音等缺点。励励磁磁机机GM负负载载2022/9/216本讲稿第六页，共六十五页静止变流装置供电的直流调速系统静止变流装置供电的直流调速系统晶闸管晶闸管电动机调速系统（电动机调速系统（VMVM系统）系统）半控整流电路只允许单象限运行；全控整流电路可以实现有源逆半控整流电路只允许单象限运行；全控整流电路可以实现有源逆变；采用正反两组整流电路即可实现中象限运行，只是硅整流设变；采用正反两组整流电路即可实现中象限运行，只是硅整流设备要增加一倍。备要增加一倍。优点：优点：1 1、经济性和可靠性都有很大提高、经济性和可靠性都有很大提高 2 2、速度有很大提高，机组秒级；晶闸管整流器毫秒级、速度有很大提高，机组秒级；晶闸管整流器毫秒级 3 3、功率放大倍数在、功率放大倍数在10104 4以上以上 M2022/9/217本讲稿第七页，共六十五页缺点：缺点：1 1、由于晶闸管的单向导电性，半控整流电路、由于晶闸管的单向导电性，半控整流电路 只能单象只能单象限运行；全控整流电路能二象限运行；要可逆运行，必须实现四限运行；全控整流电路能二象限运行；要可逆运行，必须实现四象限运行，只好采用正、反两组全控整流电路，所以整流设备要象限运行，只好采用正、反两组全控整流电路，所以整流设备要增加一倍。增加一倍。2 2、元件对过电压、过电流及过高的电压变化率和、元件对过电压、过电流及过高的电压变化率和电流变化率都十分敏感，所以需加可靠的保护装置和符电流变化率都十分敏感，所以需加可靠的保护装置和符合要求的散热设备。合要求的散热设备。3 3、系统处于深调速状态，晶闸管的导通小，系统、系统处于深调速状态，晶闸管的导通小，系统功率因数低，会产生较大的谐波电流，引起电网电压波功率因数低，会产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，会殃及附近的用电设备，造成形畸变，会殃及附近的用电设备，造成“电力公害电力公害”。增调无功补偿和谐波滤波装置。增调无功补偿和谐波滤波装置。响响应应时时间间功率放大倍数功率放大倍数 变流机组变流机组v-m2022/9/218本讲稿第八页，共六十五页直流斩波器和脉宽调制变换直流斩波器和脉宽调制变换直流斩波器适用于地铁、电力机车、无轨电车及电瓶车等。直流斩波器适用于地铁、电力机车、无轨电车及电瓶车等。此时晶闸管工作在开关状态，工作原理及电路图所下所示：此时晶闸管工作在开关状态，工作原理及电路图所下所示：VTVT导通时，导通时，UsUs加到电动机上；加到电动机上；UTUT关断时，电动机经二极管续关断时，电动机经二极管续流。这里流。这里VTVT工作在开关状态。电动机得到的平均电压为工作在开关状态。电动机得到的平均电压为 TT晶闸管的开关周期晶闸管的开关周期 tonVTtonVT开通时间开通时间 =ton/T=tonf=ton/T=tonf占空比占空比 ff开关频率（开关频率（100200hz100200hz）强迫关断电路强迫关断电路MTton2022/9/219本讲稿第九页，共六十五页直流斩波器的几种控制方式直流斩波器的几种控制方式1 1脉冲宽度调制脉冲宽度调制PWMPWM：T T不变，只改变不变，只改变ton,ton,也就是变脉也就是变脉宽宽2 2脉冲频率调制脉冲频率调制PFMPFM：T T改变，改变，tonton不变，也就是变不变，也就是变晶闸管关断时间。晶闸管关断时间。3 3两点式控制：当负载电流或电压低于某一最小值时，两点式控制：当负载电流或电压低于某一最小值时，VTVT导通；当负载电流或电压达到某一最大值时，导通；当负载电流或电压达到某一最大值时，VTVT关断。导通和关断时间不确定。关断。导通和关断时间不确定。2022/9/2110本讲稿第十页，共六十五页PWMPWM调速系统（脉宽调速系统）调速系统（脉宽调速系统）主要是近年来研制了既能控制开通又能控制关断的主要是近年来研制了既能控制开通又能控制关断的“全控式全控式”电力电子器件，如门极可关晶闸管电力电子器件，如门极可关晶闸管GTOGTO、电、电力晶体管力晶体管GTRGTR、电力场效应管、电力场效应管PMOSFETPMOSFET等，全控式器等，全控式器件的关断时间短，其构成的斩波器工作频率可达件的关断时间短，其构成的斩波器工作频率可达20KHz20KHz，在其实行开关控制时，采用了脉冲宽度的调制方法，简在其实行开关控制时，采用了脉冲宽度的调制方法，简称称PWMPWM调速系统或脉宽调速系统。调速系统或脉宽调速系统。其与其与VMVM系统相比要以下优点系统相比要以下优点1.1.开关频率高，电枢电流连续，系统的低速运行平稳，开关频率高，电枢电流连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，损耗和发热小。调速范围较宽，损耗和发热小。2.2.与电机配合使用时，频带宽，快速响应性能好，动态抗扰与电机配合使用时，频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强。能力强。3.3.由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高装置效率较高直流直流PWMPWM系统只适用于中、小型系统。系统只适用于中、小型系统。2022/9/2111本讲稿第十一页，共六十五页52 VM52 VM系统的特殊问题系统的特殊问题触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制 把整流装置内部压降、器件的正向压降、变压器的漏抗把整流装置内部压降、器件的正向压降、变压器的漏抗 引起的换向压降都移到整流装置外部。引起的换向压降都移到整流装置外部。UdoUdo理想空载电压；理想空载电压；对一般全控式整流电路，当电路波形连续时对一般全控式整流电路，当电路波形连续时 m m交流电源一周期内整流交流电源一周期内整流 电压脉动数；电压脉动数；UdoUdo为为=0=0时时 输出电压的峰值。输出电压的峰值。2022/9/2112本讲稿第十二页，共六十五页电流脉动的影响及其抑制措施电流脉动的影响及其抑制措施影响：影响：1 1、脉动电流产生的脉动转矩，对生产机械不利。、脉动电流产生的脉动转矩，对生产机械不利。2 2、脉动电流造成较大的谐波分量，流入电源后对电网不利，同时也增、脉动电流造成较大的谐波分量，流入电源后对电网不利，同时也增加电机发热。加电机发热。抑制电流脉动的措施。抑制电流脉动的措施。1 1、增加整流电路的相数。、增加整流电路的相数。2 2、设置平波电抗器，按低速轻载时保证电流连续的条、设置平波电抗器，按低速轻载时保证电流连续的条 件来选择平波电抗器的电感量。件来选择平波电抗器的电感量。电流波形的连续和断续电流波形的连续和断续 VMVM系统最主要特点系统最主要特点 当电阻性负载及电感性负载电感量不是很大时都会引起当电阻性负载及电感性负载电感量不是很大时都会引起 波形断续，电流波形断续会给平均值描述带来一种非线波形断续，电流波形断续会给平均值描述带来一种非线 性因素，造成机械特性的非线性。性因素，造成机械特性的非线性。2022/9/2113本讲稿第十三页，共六十五页VMVM系统的机械特性系统的机械特性 当电流连续时，只要是电流连续就可以看成是一个线性可控电压当电流连续时，只要是电流连续就可以看成是一个线性可控电压源。源。断续时，机械特性很复杂。断续时，机械特性很复杂。完整的完整的VMVM系统的机械特性，系统的机械特性，包含整流状态和逆变状态、连包含整流状态和逆变状态、连 续区和断续区。连续时特性较续区和断续区。连续时特性较 硬；断续段特性较软呈显著非硬；断续段特性较软呈显著非 线性，可采用直线逼近断续特线性，可采用直线逼近断续特 性。性。2022/9/2114本讲稿第十四页，共六十五页5353反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计一、转速控制的要求和调速指标一、转速控制的要求和调速指标（一）控制要求：（一）控制要求：调速：在一定的最高转速和最低转速的范围内，分档地（有级）或平调速：在一定的最高转速和最低转速的范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节调速。滑地（无级）调节调速。稳速：以一定的精度在所需的转速上稳定运行，在各种可能的干扰下，不稳速：以一定的精度在所需的转速上稳定运行，在各种可能的干扰下，不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。允许有过大的转速波动，以确保产品质量。加、减速：频繁起、制动的设备要求尽量快地加、减速以提高生产率，不加、减速：频繁起、制动的设备要求尽量快地加、减速以提高生产率，不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。（二）稳态指标：电力拖动控制系统稳定运行时的性能指标称作稳（二）稳态指标：电力拖动控制系统稳定运行时的性能指标称作稳态指标态指标 调速范围调速范围D D：生产机械要求电动机提供的最高转速：生产机械要求电动机提供的最高转速n nmaxmax和最低转速和最低转速n nminmin之之比叫调速范围。比叫调速范围。n nmaxmax和和n nminmin通常是指电动机额定负载时的转速。通常是指电动机额定负载时的转速。对于少数负载很轻的机械，也可以用实际负载时的转速。对于少数负载很轻的机械，也可以用实际负载时的转速。2022/9/2115本讲稿第十五页，共六十五页静差率静差率S S：衡量调速系统在负载变化下的转速稳定度。当系统：衡量调速系统在负载变化下的转速稳定度。当系统 某一转速下运行，负载由理想空载增加到满载所对应的转速降落某一转速下运行，负载由理想空载增加到满载所对应的转速降落n nnomnom与理想空载转速与理想空载转速n n0 0之比。之比。静差率和硬度有关，静差率和硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高；硬度相同时，理想空载转速越低，静差率越大，转速的相对稳定硬度相同时，理想空载转速越低，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。度也就越差。一个调速系统的调速范围，是指在一个调速系统的调速范围，是指在最低速时最低速时还能满还能满足足静差率要求静差率要求的转速可调范围的转速可调范围 调压调速系统中调速范围、静差率与额定转速之间的关系调压调速系统中调速范围、静差率与额定转速之间的关系 在直流电机在直流电机调压调速调压调速系统中，常以电系统中，常以电动机额定转速动机额定转速n nnomnom为为最高转速最高转速，若带额定负载时的转速降落为，若带额定负载时的转速降落为n nnomnom，则系统的，则系统的静差率应该是静差率应该是最低速最低速时的静差率。时的静差率。2022/9/2116本讲稿第十六页，共六十五页而而 得得当当n nnomnom一定时一定时S S越小越小D D也越小也越小。例例5151龙门刨床工作台拖动采用直流电动机：龙门刨床工作台拖动采用直流电动机：Z293Z293型，型，60KW60KW、220V220V、305A305A、1000r/min 1000r/min、要求、要求D=20D=20、S5%S5%，用，用VMVM系统。已知：主电路电阻系统。已知：主电路电阻R=0.18R=0.18欧，电动机欧，电动机Ce=0.2 Vmin/rCe=0.2 Vmin/r，则当电流连续时，在额定负载下的转速，则当电流连续时，在额定负载下的转速降落为多少降落为多少？静差率为多少？静差率为多少？275r/min 21.6%275r/min 21.6%系统要求：速降系统要求：速降.63%.63%2022/9/2117本讲稿第十七页，共六十五页单闭环调速系统的稳态性能单闭环调速系统的稳态性能1.1.组成及静特性组成及静特性假定：（假定：（1）忽略各种非线性因素，假定各环节输入输出关）忽略各种非线性因素，假定各环节输入输出关系都是线性的系都是线性的（2）假定只工作在）假定只工作在VM系统开环机械特性的连续段系统开环机械特性的连续段（3）忽略直流电源和电位器的内阻）忽略直流电源和电位器的内阻AGTMTG2022/9/2118本讲稿第十八页，共六十五页闭环系统的静特：表示闭环系统电动机转速与负载电闭环系统的静特：表示闭环系统电动机转速与负载电流（转矩）的稳态关系。流（转矩）的稳态关系。KpKs-2022/9/2119本讲稿第十九页，共六十五页 闭环系统的开环放大倍数2022/9/2120本讲稿第二十页，共六十五页2.2.开环系统机械特性与闭环静特性的比较开环系统机械特性与闭环静特性的比较开环机械特性开环机械特性 闭环静特性闭环静特性（1 1）闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多）闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多（2 2）同一）同一n n。下，闭环系统的静差率要小得多。下，闭环系统的静差率要小得多 当n0op=n0cl时 2022/9/2121本讲稿第二十一页，共六十五页（3 3）当）当S S一定时，闭环系统提高调速范围一定时，闭环系统提高调速范围（4 4）如取得上述三条优越性，需设置放大器，）如取得上述三条优越性，需设置放大器，K K要足够大要足够大.也会得出也会得出如下的公式：如下的公式：结论：闭环系统稳态特性比开环结论：闭环系统稳态特性比开环硬硬，在保证在一定静差率要，在保证在一定静差率要求下，能提高调速范围，须增检测与反馈装置和电压放大器。求下，能提高调速范围，须增检测与反馈装置和电压放大器。转速降落的实质：转速稍有降落，反馈电压就转速降落的实质：转速稍有降落，反馈电压就能检测出来，能检测出来，通过通过比较和放大，提高晶闸管输出电压，使系统工作在新的机械特性上，比较和放大，提高晶闸管输出电压，使系统工作在新的机械特性上，转速又有所回升。转速又有所回升。系统能够减少稳态速降的系统能够减少稳态速降的实质实质在与它的自动调节作用，在于在与它的自动调节作用，在于它能够随负载的变化而相应地改变整流电压。它能够随负载的变化而相应地改变整流电压。2022/9/2122本讲稿第二十二页，共六十五页3.3.反馈控制规律反馈控制规律（1 1）被控量有偏差）被控量有偏差,K,K越大，静特性越越大，静特性越硬，硬，稳态速降小，在一定的静差率要求下的调速范围越稳态速降小，在一定的静差率要求下的调速范围越广，广，K K越越大，稳态性能越好。大，稳态性能越好。KK无穷无穷ncl 0 ncl 0，所以调，所以调速系统速系统叫有静差调速系统，依靠偏差（被调量）的变化才叫有静差调速系统，依靠偏差（被调量）的变化才能实现能实现控制作用控制作用（2 2）抵抗扰动与服从给定）抵抗扰动与服从给定.具有良好的抗扰性能，具有良好的抗扰性能，对于被对于被负反馈环包围的前向通道上的一切扰动都能有效地加以负反馈环包围的前向通道上的一切扰动都能有效地加以抑抑制，但对给定作用的变化却惟命是从制，但对给定作用的变化却惟命是从KpKsR2022/9/2123本讲稿第二十三页，共六十五页（3 3）闭环系统精度依赖于给定和反馈检测精度）闭环系统精度依赖于给定和反馈检测精度 给定电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别，因此需给定电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别，因此需高精度的稳压电源，反馈检测元件本身的误差，测速机高精度的稳压电源，反馈检测元件本身的误差，测速机的误差，需高精度的反馈检测元件的误差，需高精度的反馈检测元件 .4.4.反馈控制调速系统的主要部件和稳态参数计算反馈控制调速系统的主要部件和稳态参数计算（1 1）运算放大器）运算放大器 高放大倍数、实现各种运算、输入电阻大、输入信号高放大倍数、实现各种运算、输入电阻大、输入信号共地、输出可用钳位限幅或接地保护，使系统工作安全共地、输出可用钳位限幅或接地保护，使系统工作安全可靠。可靠。原理图原理图Kp2022/9/2124本讲稿第二十四页，共六十五页（2 2）晶闸管触发装置和整流装置）晶闸管触发装置和整流装置在一定范围内近似成线性环节在一定范围内近似成线性环节 Ud=f(Uct)Ud=f(Uct)也可据电路参数估算：如也可据电路参数估算：如UctUct的范围的范围010V010V，UdUd的范围的范围0220V0220V则：则：Ks=220/10=22Ks=220/10=22稳态参数计算稳态参数计算:AMTGuct2022/9/2125本讲稿第二十五页，共六十五页例题：电动机：例题：电动机：10KW10KW、220V220V、50A50A、1000r/min1000r/min，Ra=0.5,Ra=0.5,晶闸管三相桥式可控整流电路，整流变压器晶闸管三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/YY/Y联结，二联结，二次线电压次线电压E2f=230VE2f=230V，触发整流电路环节的放大倍数，触发整流电路环节的放大倍数Ks=44Ks=44，测速机：永磁式，测速机：永磁式ZYS231/110ZYS231/110型，额定数据型，额定数据23.1W23.1W、110V110V、0.21A0.21A、1900r/min 1900r/min 生产机械要求：生产机械要求：D=10D=10，S5%S5%解：解：ncl=5.26%K=53.3 Ro=40K R1=KpRo=840K2022/9/2126本讲稿第二十六页，共六十五页5.5.限流保护限流保护起动时：无限流措施会产生很大的冲击电流，对电机换起动时：无限流措施会产生很大的冲击电流，对电机换向不利，系统突加上给定电压，此时向不利，系统突加上给定电压，此时Un=0，Un=Un*是稳态工作的是稳态工作的（1+K1+K）倍）倍,相当于全压起动，当然是不允相当于全压起动，当然是不允许的；同时如故障，机械轴被卡住等，无限流环节，硬许的；同时如故障，机械轴被卡住等，无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值，只靠过流继电器或熔干下去，电流将远远超过允许值，只靠过流继电器或熔断器保护断器保护过载就跳闸，给正常工作带来不便过载就跳闸，给正常工作带来不便。为解决上述问题，引入电流负反馈，只在起动和堵转时为解决上述问题，引入电流负反馈，只在起动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，让电流自由地随负载增存在，在正常运行时又得取消，让电流自由地随负载增减，当电流大到一定程度时才出现电流截止负反馈叫电减，当电流大到一定程度时才出现电流截止负反馈叫电流截止负反馈，也叫截流反馈即电流截止负反馈。带电流截止负反馈，也叫截流反馈即电流截止负反馈。带电流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图如下流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图如下2022/9/2127本讲稿第二十七页，共六十五页工作原理：工作原理：I Id dR Rs sUcomUcom，时二极管，时二极管D D导通，电流反馈信号加到放大导通，电流反馈信号加到放大器上去。器上去。I Id dR Rs sUcomUcom，时二极管，时二极管D D截止，截止，UiUi消失馈信号加消失馈信号加到放大器上去。截止电流到放大器上去。截止电流Idcr=Ucom/RsIdcr=Ucom/Rs。IdIdcrIdIdcr时，反馈截止时，反馈截止IdIdcrIdIdcr时，反馈截止时，反馈截止 KpKsRRsM2022/9/2128本讲稿第二十八页，共六十五页静特性如右图：下垂特性或挖土机特性）静特性如右图：下垂特性或挖土机特性）n no oA A段，闭段，闭环系统本身的静特性；环系统本身的静特性；A AB B段电流负反馈起作用（段电流负反馈起作用（1 1）相）相当于在主回路中串入一个大电阻当于在主回路中串入一个大电阻KpKsRsKpKsRs，稳态速降增，稳态速降增大，特性急剧下降；（大，特性急剧下降；（2 2）比较电压与给定电压一致，）比较电压与给定电压一致，nono提高提高nono。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电机停下，当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电机停下，n=0n=0得堵得堵转电流转电流.通常取通常取IdcrIdcr（1.11.11.21.2）InomInom，IdblIdbl6dB 稳定裕度也能间接地反映系统动态过程的平稳性，稳定稳定裕度也能间接地反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大，意味着振荡弱，超调小。裕度大，意味着振荡弱，超调小。三频段三频段：2022/9/2136本讲稿第三十六页，共六十五页1 1中频段以中频段以-20dB/dec-20dB/dec的斜率穿越的斜率穿越0 0分贝线，且这一频率占有分贝线，且这一频率占有足够的频带宽度，则系统的稳定性好。足够的频带宽度，则系统的稳定性好。2 2截止频率（剪切频率）截止频率（剪切频率）cc越高，则系统的快速性好。越高，则系统的快速性好。3 3低频段的斜率陡，增益高，表示系统的稳态精度高。低频段的斜率陡，增益高，表示系统的稳态精度高。4 4高频段衰减得越快，高频特性负分贝值越低，系统抗高频高频段衰减得越快，高频特性负分贝值越低，系统抗高频噪声干扰的能力越强。噪声干扰的能力越强。（二）（二）PIPI调节器串联校正设计调节器串联校正设计PDPD：构成超前校正，可提高稳定裕度并获得足够的快速性，：构成超前校正，可提高稳定裕度并获得足够的快速性，但稳态精度受到影响。但稳态精度受到影响。PIPI：滞后校正，保持稳态精度，却以对快速性的限制来换取：滞后校正，保持稳态精度，却以对快速性的限制来换取稳定性。稳定性。PIDPID：兼二者的优点，全面提高系统的控制性能。：兼二者的优点，全面提高系统的控制性能。一般系统以稳和准为主，对快速性要求不高，用一般系统以稳和准为主，对快速性要求不高，用PIPI调节。随调节。随动系统中快速性是主要要求，常用动系统中快速性是主要要求，常用PDPD或或PIDPID调节器。调节器。2022/9/2137本讲稿第三十七页，共六十五页1 1、PIPI调节器调节器突加给定电压突加给定电压VinVin，输出电压跳变，输出电压跳变KpVinKpVin，保证快速性。但保证快速性。但KpiKpKpi4TLTm4TL，上面的二次项才能有两个负实根。，上面的二次项才能有两个负实根。如如TL=0.017sTL=0.017s；Tm=0.075s Tm=0.075s；Ts=0.00167sTs=0.00167sK=55.58 K=55.58 可求出可求出1=20.4,2=38.5,3=600 1=20.4,2=38.5,3=600 可以可以算出算出相角裕度和幅值裕度都是负值。所以系统不稳定。引相角裕度和幅值裕度都是负值。所以系统不稳定。引入入PIPI调节器校正。调节器校正。2022/9/2141本讲稿第四十一页，共六十五页55 55 无静差调速系统和积分、比例积分控制规律无静差调速系统和积分、比例积分控制规律采用比例放大器的闭环调速系统可以满足稳态指标，但在动态中可能不稳定，因而达不到稳态也谈不上稳态指标。带比例放大器的闭环控制系统本质上有静差系统（增大放大系数只减少不消除静差）。PI调节器不仅能使系统稳定，还可以进一步提高其稳态性能。从理论上能够完全消除静差，实现无静差的调速系统。2022/9/2142本讲稿第四十二页，共六十五页一、积分调节器的积分控制规律1、积分调节器当Uex的初始值为零时，在阶跃输入作用下，2022/9/2143本讲稿第四十三页，共六十五页比例调节器Uct=KpUn Un变化，只要其极性不变，积分控制使系统在偏差 有静差调调速系统。Uct便一直增长，Un=0，为零时保持恒速运行，Uct才停止上升，变负时才会下降。无静差调速 Un=0，Uct=Uctf无静差调速。2022/9/2144本讲稿第四十四页，共六十五页小结：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史，虽然现在Un=0，但历史上有过Un，则就有足够的控制电压，保证新的稳定运行。2022/9/2145本讲稿第四十五页，共六十五页二、积分控制规律快速性上，积分控制只能逐渐变化；比例调节器可立即响应。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分最终能消除稳态偏差。作为校正装置，又能提高系统的稳定性。2022/9/2146本讲稿第四十六页，共六十五页三.稳态抗扰误差分析（一）比例控制时的稳态抗扰误差Kp所以负载扰动所引起的稳态速差：比例控制的调速系统有静差。2022/9/2147本讲稿第四十七页，共六十五页（二）积分控制时的稳态抗扰误差将比例Kp换成积分调节器的所以负载扰动所引起的稳态速差：积分控制的调速系统无静差 2022/9/2148本讲稿第四十八页，共六十五页（三）比例积分控制时抗扰误差将积分调节器的 换成比例积分调节器的则稳态速差为：比例积分控制的调速系统是无静差调速系统。（四）稳态抗扰误差与系统结构关系比例控制有静差；积分控制无静差。只要在控制系统的前向通道上在扰动作用点之前含有积分环节四.举例如书教材所示2022/9/2149本讲稿第四十九页，共六十五页56 56 电压反馈电流补偿控制的调速系统电压反馈电流补偿控制的调速系统 调速系统要引入转速负反馈，必须有测速机,安装麻烦，引入其它方法。一、电压负反馈调速系统AMR=Rrec+Ra U n=Ud Ud=Udo-IdRrec E=UdIdRaK=KpKs IdRa不在反馈环内，电压反馈对它的速降不起作用电动机励磁变化所造成的扰动，电压反馈也无法克服输出电压中除了直流分量外，还含有交流分量，把交流分量引到运算放大器的输入端，反而产生干扰另外使主电路和控制电路之间没有直接电联系2022/9/2150本讲稿第五十页，共六十五页.KpKsRrecRa电流正反馈和补偿控制规律AM2022/9/2151本讲稿第五十一页，共六十五页IdRs正反馈信号，极性与给定信号极性一致，电流反馈系数为 KpKsRrec+RsRaK=KpKs电压反馈属于被调量的负反馈，可以减少静差；电流正反馈属于补偿控制，用一个正项去抵消原系统中负的速降项，电流的大小又反映负载扰动，又叫扰动量的补偿控制。2022/9/2152本讲稿第五十二页，共六十五页补偿控制和反馈控制的比较补偿控制和反馈控制的比较(1)反馈控制使静差尽量小，补偿控制能消除静差(2)反馈控制无条件减小静差，补偿控制主要依赖于参数的设定(3)反馈控制对反馈的前向通道的扰动都有抑制作用，电流正反馈只补偿负载扰动全补偿1：静差为零时 令R=Ra+Rrec+Rs 全补偿的临界电流反馈系数。cr时，过补偿3；电压负反馈4；开环系统5。只有电流正反馈没有电压负反馈时 时为全补偿。2022/9/2153本讲稿第五十三页，共六十五页 电动势负反馈：欠补偿的一种，使电流正反馈恰好抵消掉电枢电阻产生的压降。KpKs=KRa 实际中：（1）通常只在电压或转速负反馈的基础上加电流正反馈的补偿作用（2）通常不会到全补偿状态（过补偿时静特性上翘，动态不稳定）如果纯电流正反馈.2022/9/2154本讲稿第五十四页，共六十五页第五章第五章 习题课主要内容1（直流调速系统用的）可控直流电源旋转变流机组（GM）静止的可控整流器（VM）优点：经济、可靠；速度快，机组是s级，晶闸管整流器ms级；功率放大倍数在104以上。缺点：需可靠的保护装置和符合要求的散热设备；（系统处于深调速状态，造成）“电力公害”。直流斩波器（主要是通过改变主开关元件的通断时间比例来调压的。）2022/9/2155本讲稿第五十五页，共六十五页2VM系统的特殊问题触发脉冲相位控制电流脉动的影响：（脉动电流产生的）脉动转矩，对生产机械不利；脉动电流造成较（大的谐波分量），流入电源后对电网不利，同时也增加电机发热。抑制电流脉动的措施：增加整流电路的相数；设置平波电抗器，完整的VM系统的机械特性，包含整流状态和逆变状态、连续区和断续区。（连续时特性较硬；断续段特性较软呈显著非线性。）2022/9/2156本讲稿第五十六页，共六十五页3反馈控制闭环调速系统的的稳态分析和设计稳态指标：调速范围D：静差率S：衡量调速系统在负载变化下的转速稳定度。（1）静差率和硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高；（2）硬度相同时，理想空载转速越低，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差；（3）一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足静差率要求的转速可调范围。当nnom一定时S越小D也越小。单闭环调速系统的稳态性能：稳态结构图；2022/9/2157本讲稿第五十七页，共六十五页（1）（2）同一n。下，（3）当S一定时，（4）如取得上述三条优越性，需设置放大器，K要足够大，转速降落的实质：（在与闭环直流调速系统的自动调节作用，）在于其随负载的变化而相应地改变整流电压。2022/9/2158本讲稿第五十八页，共六十五页反馈控制规律（1）被控量有偏差，（依靠偏差（被调量）的变化才能实现控制作用）（2）抵抗扰动与服从给定（对于被负反馈环包围的前向通道上的一切扰动都能有效地加以抑制，但跟随给定）（3）闭环系统精度依赖于给定和反馈检测精度。反馈控制调速系统的主要部件和稳态参数计算 由电动机参数可求得开环速降，通过对系统稳态指标可以求出闭环速降，然后可以求出K然后KP。为防止起动和堵转时电流过大，引入电流截止负反馈，（下垂特性或挖土机特性）：noA段，闭环系统本身的静特性；AB段电流负反馈起作用。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电机停下，n=0得堵转电流2022/9/2159本讲稿第五十九页，共六十五页4反馈控制闭环调速系统的的动态分析和设计闭环调速系统的数学模型和传函稳定条件 闭环特征方程 ；稳定判据：各项系数都大于零；求得：K的取值范围，系统不稳定。引入PI调节器校正。动态校正PI调节器的设计：研究工具是伯德图 设计系统时，先进行总体设计，基本逻辑部件，稳态参数计算，构成基本闭环系统，建立系统的动态数学模型，检查稳定性和动态性能，设计校正装置，使之达到要求。最小相位系统稳定程度指标：相角裕度和增益裕度=3060 GM6dB；PI调节器串联校正设计2022/9/2160本讲稿第六十页，共六十五页 PD：超前校正，可提高稳定裕度并获得足够的快速性，但稳态精度受到影响。PI：滞后校正，保持稳态精度，却以对快速性的限制来换取稳定性。PID：兼二者的优点，全面提高系统的控制性能。一般系统以稳和准为主，对快速性要求不高，用PI调节；随动系统中快速性是主要要求，常用PD或PID调节器。PI调节器引入PI调节器 2022/9/2161本讲稿第六十一页，共六十五页5无静差调速系统和积分、比例积分控制规律 （带比例放大器的闭环控制系统本质上有静差系统（增大放大系数只减少不消除静差）。PI调节器不仅能使系统稳定，还可以进一步提高其稳态性能。从理论上能够完全消除静差，实现无静差的调速系统。（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。）比例积分控制规律：比例部分能迅速响应控制作用，积分部分最终能消除稳态偏差。作为校正装置，又能提高系统的稳定性。稳态抗扰误差分析：比例控制有静差；积分控制无静差（只要在控制系统的前向通道上在扰动作用点之前含有积分环节，扰动都不会引起误差）。2022/9/2162本讲稿第六十二页，共六十五页6电压反馈电流补偿控制的调速系统 电压反馈属于被调量的负反馈，可以减少静差；电流正反馈属于补偿控制，用一个正项去抵消原系统中负的速降项，电流的大小又反映负载扰动，又叫扰动量的补偿控制。补偿控制和反馈控制的比较 (1)反馈控制无条件减小静差，补偿控制依赖于参数的设定能消除静差。(2)反馈控制对反馈的前向通道的扰动都有抑制作用，电流正反馈只补偿负载扰动 全补偿：静差为零时。在全补偿时，调速系统可以做到无静差，但系统已处于稳定边缘，所以不能采用此系统实现无静差。2022/9/2163本讲稿第六十三页，共六十五页例题例题:例例1 1、某一某一V-MV-M系统，已经电动机参数如下：系统，已经电动机参数如下：2.8Kw2.8Kw、220V220V、15.6A15.6A、1500r/min 1500r/min、Ra=1.5Ra=1.5、Rrec=1Rrec=1、Ks=37Ks=37。试求：试求：（1 1）系统开环工作时，）系统开环工作时，D=30D=30时的时的S S值；值；（2 2）D=30D=30、S=10%S=10%时系统的稳态速降；时系统的稳态速降；（3 3）如转速负反馈有静差调速系统，要求）如转速负反馈有静差调速系统，要求D=30D=30、S=10%S=10%在在U U*=10V=10V时使电动时使电动机在额定点工作，试计算放大器放大系数机在额定点工作，试计算放大器放大系数KpKp和转速反馈系数和转速反馈系数。解(1)(2)(3)，s=0.86 2022/9/2164本讲稿第六十四页，共六十五页例例2:2:一一V