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1、第一章复习思考题,1.直流电机在稳态时的机械特性表达式，从中可以得到直流电动机的有哪几种调速方法，直流调速系统以哪种调速方法为主,根据直流电机转速方程,（1-1）,由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻 R。,自动控制的直流调速系统以调压调速为主。,2.直流调速系统用的可控直流电源有哪几种？ 其控制对象分别是什么,旋转变流机组发电机的励磁电流 静止式可控整流器可控硅的控制角 直流斩波器或脉宽调制变换器开关元件的导通比,开环调速系统原理图,控制指令及给点量,触发装置及整流,平波电抗器,直流电动机,负载（生
2、产机械）,开环调速系统及其存在的问题,开环调速系统机械特性,开环系统存在的问题:,在满足一定静差率的要求下,调速范围小,根本 原因在于额定负载时静态速降太大,2.当负载发生变化时,电枢两端电压变化,导致转速 变化的实质性原因,3.采取转速闭环控制系统,是减小或消除静态速降的一个有效途径,4. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系,重点理解： (1) D和S是相互联系的,并不彼此孤立,因此必须同时提出要求才有实际意义。 (2) 设计时必须按最低转速的静差率进行设计 (3) nN 值一定，要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。 (4) 要求 s 一定，要增加调速范围D时，必须设法减小静
3、态速降nN,例题1-1 某直流调速系统电动机额定转速为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？ 要求30%时，调速范围为,系统组成,闭环调速系统的组成及其静特性,闭环系统的稳态结构框图,图1-25 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图,开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系,如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为,(1-36),而闭环时的静特性可写成,(1-37),（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。 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,(1-38),系统特性比较,系统特性比较（续）,（2）如
4、果比较同一 n0的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。 闭环系统和开环系统的静差率分别为 和 当 n0op =n0cl 时， （1-39）,（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 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， 再考虑式（1-38），得,(1-40),系统特性比较（续）,系统特性比较（续）,（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。 上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 K 要足够大，因此必须设置放大器。,反馈控制规律,1. 被调量有静差,因为闭环系统的稳态速降为 只有 K = ，才能使 ncl =
5、 0，而这是不可能的。,2. 抵抗扰动, 服从给定,反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从。 扰动除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。,扰动作用与影响,图1-27 闭环调速系统的给定作用和扰动作用,抗扰能力,反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。 例如： 电网电压下降波动的调节过程 Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc,抗扰能力,反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。 例如： 负载增加的调节过程 Id n Un Un
6、n Ud0 Uc,抗扰能力（续）,但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。 例如： Un Un Uc Ud0 n 因此，反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。,在电机起制动过程和堵转状态必须加入,图1-31 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图,限流保护电流截止负反馈,3. 静特性方程与特性曲线,由图1-31可写出该系统两段静特性的方程式。 当 Id Idcr 时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式（1-35）相同，现重写于下 （1-35） 当 Id Idcr时，引入了
7、电流负反馈，静特性变成 （1-41）,中，令 n = 0，得 （1-43） 一般 Kp Ks Rs R，因此 （1-44）,4. 电流截止负反馈环节参数设计,Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl =（1.52） IN 从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取 Idcr （1.11.2）IN,在临界截流点的稳压管稳压值 Uw= Idcr Rs,反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,（1-59）,式（1-59）右边称作系统的临界放大系数 Kcr, 当 K Kcr 时，系统将不稳定。 对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件
8、，是必须保证的。,说明比例控制（P）和积分控制（I）的根本区别是什么？,P调节器的对应输入输出成比例比例关系，输出只取决于输入偏差量的现状，所以P调节器具有快速跟随性，但有静差； 积分调节器的输出包含了输入偏差量的全部历史，为输入全过程的积分，只要输入历史上有过偏差量，输出就会发生变化，所以I调节器能消除稳态误差，且有一定的滞后。,当负载转矩由 TL1 突增到 TL2 时，有静差调速系统的转速 n 、偏差电压 Un 和控制电压 Uc 的变化过程示于右图。,图1-44 有静差调速系统突加负载过程,突加负载时的动态过程,无静差调速系统,图1-46 积分控制无静差调速系统 突加负载时的动态过程,虽然
9、现在Un = 0，只要历史上有过 Un ，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压 Uc。积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。,图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构,转速、电流双闭环直流调速系统的组成,ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器,内环,外 环,1. 系统稳态结构图,各变量的稳态工作点和稳态参数计算,双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系,(2-3),(2-5),(2-4),在稳态工作点上， 转速 n 是由给定电压U*n决定的； ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决
10、定的； 控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。,反馈系数计算,转速反馈系数,电流反馈系数,(2-6),(2-7),系统静特性,在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 双闭环直流调速系统的静特性如图所示，,图2-5 双闭环直流调速系统的静特性,n0,Id,Idm,Idnom,O,n,A,B,C,双闭环的 系统动态结构,起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。,起动过程分析,1. 第I阶段（0t1）电流上升阶
11、段,1.突加入Un*后，两个调节器作用，使Uct 、 Ud0 、Id都上升。 2.Id IdL时，电机开始起动。 3.因为电机的机电惯性的作用，转速变化不大。所以Un数值较大，ASR很快达到限幅值，强迫电流以最大给定值跟随。 ASR饱和、ACR不饱和。,2.第II阶段（t1t2）是恒流升速阶段,转速调节器饱和，转速环相当于开环 开始：电流升到最大值 结束：转速达到额定值 由于反电势的影响， Uct 、Ud0 必须按比例增长。 Uim* - Ui 必须维持恒值 Ui0，ACR及时进行调节 N E Idm Ui Ui Uct Ud0 Id 直到Id恢复Idm为止，在n不断上升至n*过程中，这种调节
12、过程也不断进行。 ASR饱和、ACR不饱和,3.第阶段（t2以后）是转速调节阶段,转速调节器退饱和，转速环闭环 开始：转速达到额定值 结束：转速达到额定值 要经过若干阶段的调节。 ASR不饱和、ACR不饱和。,1. 抗负载扰动,直流调速系统的动态抗负载扰作用,双闭环动态抗扰性能的分析,抗扰能力,例如： 负载增加的调节过程 Id （T-Tl0） n Un Un Ui n Ia Ud0 Uc,抗电网电压扰动（续）,-IdL,Ud,b)双闭环系统 Ud电网电压波动在整流电压上的反映,抗扰能力,双闭环系统中，由于增设了电流环，电压波动可以通过电流得到比较及时的调节。 例如： 电网电压突增波动的调节过程
13、 Us Ud0 Ia Ui Ui Ia Ud0 Uc ,转速调节器的作用 (1) 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化,稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 (2) 对负载变化起抗扰作用。 (3) 其输出限幅值决定电机允许的最大电流。,电流调节器的作用 (1) 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 (2) 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 (3) 在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 (4) 当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的
14、自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。,设计分为以下几个步骤： 1.电流环结构图的简化 2.电流调节器结构的选择 3.电流调节器的参数计算 4.电流环近似条件的校验 5.电流调节器的实现,2.4.1 电流调节器的设计,1. 典型I型系统,式中 T 系统的惯性时间常数； K 系统的开环增益。,（2-9）,电流调节器选择 图2-23c表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成,（2-57）,式中 Ki 电流调节器的比例系数； i 电流调节器的超前时间常数。,校正后电流环的结构和
15、特性,i 5%,KI Ti =0.5,校验近似条件 电流环截止频率：,晶闸管整流装置传递函数的近似条件为：,忽略反电动势变换对电流环动态影响的条件为：,小时间常数近似处理条件为,2. 典型型系统,结构图和传递函数,（2-10）,设计分为以下几个步骤： 1.电流环的等效闭环传递函数 2.转速调节器结构的选择 3.转速调节器参数的选择 4.转速近似条件的校验 5.转速调节器的实现,2.4.2 转速调节器的设计,转速环结构,3. 转速调节器的参数计算,（2-74）,再由式（2-39）,（2-75）,（2-76）,因此,校验近似条件 转速环截止频率：,电流闭环传递函数简化条件为：,小时间常数近似处理条件为,斩波电路的有几种控制方式,根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，斩波电路有三种控制方式： T 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）； ton不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）； ton和 T 都可调，改变占空比混合型。,泵升电压 的产生，对系统的影响及其抑制相应电路,在脉宽调速变换器中，当直流电源采用半导体整流装置时，在
