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1、一 、教学目的与教学要求,2.2.2 反馈控制闭环调速系统的动态分析,三 、教学时间 1-2学时,二、 教学内容,1、掌握反馈控制闭环调速系统的动态分析方法 2、能够列写出反馈控制闭环调速系统中典型环节的微分方程 3、能够列写出反馈控制闭环调速系统中典型环节的传递函数 4、能够画出反馈控制闭环调速系统的动态结构图 5、能够应用自控理论知识判定调速系统的稳定性问题 6、具备分析具体反馈控制调速系统稳定与否的能力 7、掌握稳态精度与动态稳定性的关系,第二章 闭环控制的直流调速系统,四 、教学思路流程,调速系统的动态特性问题与动态指标的分析 ；,五、 教学过程,闭环调速系统中典型环节的解析表达式微分
2、方程与传递函数；,闭环调速系统的动态结构图分析；,应用自控理论知识判定调速系统的稳定性问题；,稳态精度与动态稳定性的关系；,（一）研究动态特性的基本思路是：,数学模型是基础、 控制理论稳定判椐是依据,2.2.2.1 单闭环系统中各环节的动态数学模型分析,一、相关问题说明,（二）单闭环系统的动态特性问题的引出,闭环系统的稳态特性分析研究的是调速系统的稳态指标D、S,通过闭环系统的稳态特性分析，可知：放大倍数A足够大即可满足调速系统的稳态指标D、S；,因而，调速系统既要考虑稳态指标，又要兼顾动态指标。,稳态指标要求：放大倍数A 越大越好 动态指标要求：放大倍数A 不宜过大,那么如何确定放大倍数A的
3、上限呢？,动态特性的研究目就在于回答这个问题！,但是，由自控理论可知：放大倍数过大回引起系统的动态稳定性。,二、 单闭环系统中各环节的动态数学模型分析,为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示。,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； 求出各环节的传递函数； 组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。,建立系统动态数学模型的基本步骤如下：,（一）电动机环节的动态数学模型分析,假定主电路电流连续，则动态电压方程为：,1 电动机电路模型与回路方程
4、分析,如果，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 和电磁转矩分别为：,其中式中：,定义下列时间常数：, 电枢回路电磁时间常数，s；, 电力拖动系统机电时间常数，s。,进一步可导出电动机电路的数学模型。,整合上述相关方程后得：,式中 I dL 为负载电流，且知：,2、 电动机电路模型的微分方程分析,在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数：,3、 电动机电路模型的传递函数,电流与电动势间的传递函数：,4、电动机电路模型的动态结构图,问题：,由传递函数导出额定励磁下电动机局部环节动态结构图如下所示：,额定励磁下直流电动机“整体”动态结构图
5、如何求取呢？,问题：额定励磁下直流电动机整体动态结构图如何求取呢？,将各个环节先后连接，并引入速度与反电势E的关系1/Ce，则得如下电动机动态结构图：,由图可知： 直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。,动态结构图的变换和简化,如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，得右图所示。,如果是理想空载，则 IdL = 0，结构图即简化成右图所示（其转速为空载同步转速）。,电动机电路模型的动态结构图,问题：若忽略时间常数部分，结构图又是如何变化呢？,n = ( Ud0 - IdR) / Ce,这又
6、是什么问题呢？,直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即,放大器,测速反馈,（二）控制与检测环节的数学模型分析,（三）晶闸管触发和整流装置的传递函数分析,在进行调速系统的分析和设计时，晶闸管触发和整流装置，当作系统中的一个环节来看待。,在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节。,为什么呢？,滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。,当晶闸管一旦导通后，其控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。,晶闸管
7、的失控时间分析：,1、晶闸管触发与整流失控时间原因具体分析,如图所示，失控制时间是随机的，它的大小随发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定：,2、最大失控时间计算,3、Ts 值的选取,相对于整个系统的响应时间来说，Ts 是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2，并认为是常数。下表列出了不同整流电路的失控时间。,各种整流电路的失控时间（f =50Hz）,用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为：,4、传递函数的求取,按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为：,由
8、于右式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则变成：,若忽略高次项，传递函数可以进一步简化处理！,(最小相位系统指传递函数中没有右极点, 右零点的环节(或系统)。只有最小相位系统的开环对数幅频特性和系统的开环传递函数是唯一确定的关系 )，,5、近似传递函数,考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节,6、晶闸管触发与整流装置动态结构,晶闸管触发与整流装置动态结构图,各环节的传递函数与动态结构图求出后，即可按输入输出关系，组成调速系统的传递函数和动态结构图。,请识别各主要环节传递函数！,知道了各环节的传递函
9、数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来，就可以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。,由图可见，将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。,二 、单闭环系统中的动态数学模型与传递函数分析,（一）系统动态结构图的组成,（二）单闭环系统传递函数分析,1、开环系统传递函数,由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是：,式中 K = Kp Ks / Ce,2、 调速系统的闭环传递函数,设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是 ：,可见系统是个三阶系统！,系统的稳定问题能否借助传递函数判定解决呢？,1.5.
10、2 单闭环系统稳定判椐或条件,根据自动控制原理知识及闭环传递函数，反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为：,它的一般表达式为:,由自动控制原理知识可知:根据特征方程的系数关系可以间接获取“系统动态是否稳定”的判椐！,根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是：,由于各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就是：,整理后得：,式中，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，是必须保证的。,只有满足了动态稳定性的放大倍数K，对于闭环稳态指标计算才是有意义！,如果动、静态要求出现矛盾，如稳态要求：
11、K100、动态要求：K80 ，怎么办？,利用自控原理知识进行校正！,系统稳态参数计算,例题1-4 用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，主电路是晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知数据如下： 电动机：额定数据为10kW，220V，55A，1000r/min，电枢电阻 Ra = 0.5； 晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压 U2l = 230V，电压放大系数 Ks = 44； V-M系统电枢回路总电阻：R = 1.0； 测速发电机：永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min； 直流
12、稳压电源：15V。,若生产机械要求调速范围D=10，静差率5%，试计算调速系统的稳态参数（暂不考虑电动机的起动问题）。,（1）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为：,解：,（2）求闭环系统应有的开环放大系数,先计算电动机的电动势系数：,（3）计算转速反馈环节的反馈系数和参数, = 2 Cetg,转速反馈系数包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器的分压系数 2，即,先试取 2 =0.2，再检验是否合适。 现假定测速发电机与主电动机直接联接，则在电动机最高转速1000r/min时，转速反馈电压为：,= 11.58V,稳态时Un很小， U*n只要略大于 Un 即可，现有直
13、流稳压电源为15V，完全能够满足给定电压的需要。因此，取=0.2是正确的。,于是，转速反馈系数的计算结果是,= 0.01158Vmin/r,电位器的选择方法如下：为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，则：,=1379,此时所消耗的功率为：,为了使电位器温度不致很高，实选瓦数应为所消耗功率的一倍以上，故可为选用10W，1.5k的可调电位器。,根据调速指标要求，前已求出，闭环系统的开环放大系数应为 K 53.3，则运算放大器的放大系数 Kp 应为：,（4）计算运算放大器的放大系数和参数,实取Kp =21。,运算放大器的参
14、数计算如下，根据所用运算放大器的型号，取 R0 = 40k，则：,系统稳定性分析举例,根据稳态性能指标 D =10，s 0.5计算，系统的开环放大系数应有K 53.3 ，试判别这个系统的稳定性。,例题1-5,在上述例题1-4中，已知 R = 1.0 ， Ks = 44， Ce = 0.1925Vmin/r，系统运动部分的飞轮惯量GD2 = 10Nm2 。,对于V-M系统，为了使主电路电流连续，应设置平波电抗器。例题1-4给出的是三相桥式可控整流电路，为了保证最小电流时电流仍能连续，应采用三相桥式可控整流电路平波电抗器计算公式计算电枢回路总电感量，即：,解：,首先应确定主电路的电感值，用以计算电
15、磁时间常数。,计算系统中各环节的时间常数：,电磁时间常数：,机电时间常数：,对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为 Ts = 0.00167 s,为保证系统稳定，开环放大系数应满足的稳定条件：,即动态稳定要求:K49.4；而稳态调速性能指标要求：K 53.3,因此，满足稳态要求，则动态不稳定；满足动态要求，则稳态精度达不到要求，故而，闭环系统是不稳定的。,怎么办呢？,动态校正！,知识要点：,1、调速系统的静动态指标 2、反馈控制闭环调速系统中典型环节的微分方程（电动机、晶闸管系统、反馈环节、放大器环节） 3、反馈控制闭环调速系统中典型环节的传递函数 4、反馈控制闭环调速系统的动态结构图 5、利用稳定判据判定系统的动态稳定性问题,
