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1、运动控制系统期末复习课,主要内容： 速度闭环调速系统的组成及其特性分析 双闭环控制系统特性分析 可逆调速系统结构 直流脉宽调速（PWM） 交流调速系统（变压变压变频调速）,第1章 速度闭环控制的调速系统,主要内容： 速度闭环调速系统的组成及其特性分析 无静差调速系统和积分、比例控制规律 电压负反馈电流补偿控制的调速系统,速度闭环控制是直流电动机调速系统的基本控制方式。该系统以电动机转速信号或转子电压负反馈信号为基本的反馈控制量，加上一些其他的辅助信号，构成一个闭环的控制系统，以达到调节转速的目的。本章主要讨论速度闭环控制系统的组成原理与分析方法。,直流电动机稳态表达式：,式中: 转速（r/mi
2、n）； 电枢电压（V）； 电枢电流（A）； 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； 电动势常数。,根据上述电机特性公式，调节电机转速的三种方法：（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。 实际中，以调节电枢供电电压的方式为最好，改变电阻只能有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。,转速控制的要求和调速指标 对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面： （1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速； （
3、2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动； （3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。,为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。,1、调速范围 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 和 一般都指电机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。,2、静差率 负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 ，与理想空载转速 之比，称
4、作静差率s，即 ，或用百分数表示 ，静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。,3、调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系 调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义，调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。 静差率应该是最低速时的静差率，即 ，最低转速为 ,而调速范围为 . 调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系 ,一个调速系统的调速范围，是指在最
5、低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。,开环调速系统及其存在的问题 开环调速系统调节控制电压UC就可以改变电动机的转速，实现一定范围内的无级调速，但开环调速系统静差率不高，往往不能满足生产机械的要求。 在刨床中，要求保证加工的精度，但是电机转速却不容许有较大的波动，要求调速范围在20到40之间；静差率5。,第1节 速度闭环调速系统的组成及其特性分析,速度闭环调速系统的组成示意图,闭环调速系统结构,速度闭环调速系统的组成分析：,电动机回路,测速发电机回路,放大环节,Ud,转速n,Un, U,速度闭环调速系统的组成框图：,为了便于速度调节系统的分析，简化系统结构，做3点假设： 忽略系统各环节中出
6、现的非线性因素，假定各环节中的输入和输出关系是线性的； 假定系统开环机械特性是连续的； 忽略电源与调节电位器中的内阻。,列出速度调节系统各典型环节的输入输出稳态关系，参见系统结构图。,电压比较环节：, U, Un,放大器环节：,Uk Kp U,整流装置环节：,Udo Ks Uk,测速发电机环节：,Un an,电动机开环机械特性：,根据上述环节的各稳态关系式，可得到速度闭环调速系统的特性方程：,化简整理后可以得到：,式中，,，称作闭环系统的开环放大系数。,闭环系统理想空载转速,闭环系统静态转速降落,系统的开环机械特性为 ：,开环系统理想空载转速,开环系统静态转速降落,开环调速与闭环调速的特性比较
7、：,（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。,开环系统和闭环系统的转速降落分别为 , 它们的关系是 ，当K值较大时， 比 小得多，也就是说，闭环系统的特性要硬得多。,（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多。,闭环系统和开环系统的静差率分别为,按理想空载转速相同的情况比较，则,时，,有,，,（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。,开环时,，,有,，闭环时,（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器，且K足够大。 可得下述结论：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，须增设放
8、大器以及检测与反馈装置 。,闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化，如图：,闭环系统静特性和开环机械特性的关系,反馈控制规律,转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，具有以下三个基本特征： 1、只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的，叫做有静差调速系统。 闭环系统的稳态速降为 。只有 ，才能使 。 本调速系统是依靠实际转速与理想转速的偏差来保证整个运动控制系统的正常工作。,反馈控制规律,2、反馈控制系统的作用是：抵抗扰动, 服从给定 下图所示闭环调速系统的给定作用和扰动作用，反馈控制系统的规
9、律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用。,闭环调速系统的给定作用和扰动作用,反馈控制规律,3、系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 反馈控制系统对于给定电源和被调量检测装置中的扰动无能为力，因此反馈控制系统无法抑制给定和反馈检测装置的误差。,限流保护,1、问题的提出 根据电机拖动的专业基础，直流电机全电压启动时，将会产生很大的冲击电流；运行过程中若电机遇到堵转的情况，电流也会大大超过允许值。过大的电流不仅对电机不利，对变流装置也不利。 闭环系统中，由于惯性，电机转速不可能马上启动起来，导致反馈电压为0，致使偏差电压 ，差不多是其稳态
10、工作值的1K 倍，对于电机来说，相当于全压启动。,限流保护,引入电流负反馈的方法。 只有当电机启动和堵转的时候出现，在电机正常运行时消失。 这种当电流大到一定程度才出现的电流负反馈，称为电流截止负反馈，简称截流反馈。,为临界的截止电流，当电流大于 时，将电流负反馈信号加到放大器的输入端，当电流小于 时，将电流反馈切断，输入-输出特性如下图所示。,电流截止负反馈环节输入输出环节,时，电流负反馈被截止，静特性只有转速负反馈，调速系统的静特性：,带电流截止负反馈闭环调速系统的稳态结构图和静特性,后，引入了电流负反馈，静特性变成：,静特性如下图所示，电流负反馈被截止的CA段，它就是闭环调速系统本身的静
11、特性，显然是比较硬的。电流负反馈起作用后，相当于图中的AB段。,两个特点： （1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。 （2）比较电压 与给定电压 的作用一致，好象把理想空载转速提高到D点 。这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性，令 ，得,一般,，因此,应小于电机允许的最大电流，一般为（1.52）,，,。,小结： 本节主要讨论有静差的反馈控制闭环调速系统及其反馈控制的基本规律。 闭环调速系统的静特性具有如下的性质： 1）在相同的负载下，闭环系统的静态速降减小为开环速降的1/(1+K)，其中，K是开环放大倍数。 2）如果理想空载转速相同，则闭
12、环相同的静差率只有开环系统静差率的1/(1+K)。 3）在同样的最高满载转速和低速静差率的条件下，闭环系统的调速范围可以扩大到开环调速范围的1+K倍。,闭环调速系统是最基本的反馈控制系统，具有如下的反馈控制规律： 1）依靠反馈量和给定量之差进行控制，属有静差的控制系统。 2）具有良好的抗干扰性能。 3）无力克服给定电源和反馈检测元件的误差。,有两种分析闭环调速系统静特性的方法。 1）根据各环节的输入输出关系求相同的静特性方程式。 2）利用结构图运算法，按照各输入信号分别作用下的输入输出关系叠加得到系统的静特性。 采用电流负反馈来限制过大的冲击电流的基本原理。,闭环速度控制系统的动态数学模型及其
13、稳定性分析 引入了转速负反馈，且放大系数足够大时，就可以满足系统的稳态性能要求。然而放大系数太大又可能引起闭环系统不稳定，这时应再增加动态校正措施，才能保证系统的正常工作，此外，还须满足系统的各项动态指标的要求。 建立系统动态数学模型的基本步骤如下： （1）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程；（2）求出各环节的传递函数；（3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。,（一）额定激励下的直流电动机 如图所示额定激励下的直流电动机的等效电路图,电动机主电路微分方程：,忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为 ：,额定励磁下的感应电动势 ：,电磁转矩 ：,其中：,T
14、L 包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Nm GD2 系统拖动部分折算到电机轴上的飞轮转矩，单位Nm2 电动机额定励磁下的转矩电流比，单位Nm/A,时间常数：,电枢回路电磁时间常数，单位 S,电力拖动系统机电时间常数 ，单位 S,定义负载电流：,电压与电流之间的传递函数,电流与电动势之间的传递函数,直流电机有两个输入量，一个是理想空载整流电压Udo，另一个是负载电流IdL，前者是控制输入量，后者是扰动输入量。,（二）晶闸管触发与整流装置,将晶闸管整流装置与触发电路视为一个环节进行处理。则这一环节的输入量是触发电路的控制电压Uct，输出量Udo，则可以将它们之间的放大系数看作常数，那么晶闸管与触发装置就可以看作是一个具有纯滞后环节的放大器，其之后作用是由晶闸管装置的失控时间造成的。,失控时间：当某一相晶闸管触发导通后至下一相晶闸管触发导通之前的一段时间，也称滞后时间。,失控时间是随机的，它的大小随着控制电压发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是两个自然换相点之间的时间，与频率有关。,因为其比较小，并通常认为是常数，通常取其平均值：,用单位阶跃函数来表示滞后，则晶闸管整流装置的输入输出关系为：,根据拉普拉斯变换的位移定理，可得传递函数：,上
