第二章 闭环控制的直流调速系统,一 、教学目的与教学要求,三 、教学时间 4学时,1、掌握反馈控制闭环调速系统的稳态分析方法 2、定性掌握转速控制要求、定量掌握调速指标计算（静、动态） 3、了解开环调速系统的性能和存在的问题 4、对比开环调速系统掌握闭环调速系统的组成及其静特性 5、掌握反馈控制规律的应用 6、能够进行反馈控制调速系统的主要部件和稳态参数的定量计算 7、定性掌握限流保护——电流截止负反馈 8、按课堂小结要求掌握相应要点问题,二、 教学内容,2.1、2.2.1,四 、教学思路流程,五、 教学过程,各类不同的生产机械，由于其具体的生产工艺过程不同，对控制系统的性能指标要求也是不同的但归纳起来有以下三个方面：,一、调速控制系统的技术要求与静态指标,（一）调速控制系统的技术要求,调速、,稳速、,加减速！！,1 调速： 在一定的范围内实现有级或无级地调节转速调速系统的转向若要求正、反转，则为可逆调速系统，若只要求单向运转，则为不可逆调速系统2 稳速： 以一定的精度在要求的转速上稳定运行，在各种可能的扰动下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。
3 加、减速： 对于频繁启、制动的设备要求尽可能快地加、减速，以提高生产效率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求启、制动尽可能地平稳调速技术要求简言之：,调速范围要宽！ 稳速要精！ 加、减速要快！！,（二）调速控制系统的稳（静）态指标,1、调速范围( D ),电气传动的调速范围是指电动机在额定负载下运行的最高转速nmax与最低转速nmin的比值（D）D = nma x / nmin,D越大，调速范围越宽通常电动机的最高转速nmax一般取额定转速nnom，,2、静差率（s）,当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定负载时所对应的转速降落Δnnom与空载转速n0之比称为静差率（s）×100%,* 静差率（s）的物理意义：,静差率大小表示了负载转矩变化时，转速变化的程度!,S =(Δnnom / n0),或者说静差率大小用来衡量调速系统在负载转矩变化时转速的稳定性!,* 静差率与机械特性硬度的关系：,静差率与机械特性硬度相关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定性越高！,如右图中机械特性a与机械特性b相比，哪个机械特性硬？哪个机械特性软？,机械特性a比机械特性b硬，或者说机械特性b软！,显然，二者由于有相同的同步转速，所以，Sa Sb,如右图中机械特性a与机械特性b有相同的硬度，但静差率S相同么？,静差率与机械特性硬度又有区别，相同硬度的机械特性，静差率不一定相同！,由于二者的同步转速不同，虽然硬度相同（有相等的速度降落），但静差率S不相同！,Sa Sb,* 调速系统的静差率：一般取最低速的静差率作为调速系统的静差率。
Sa =(Δnnom / n0a) ×100%,n,事例分析：图中对应调速范围D = na / nb而言，静差率S是哪一个呢？,Sb =(Δnnom / n0b) ×100%,3、调速范围D、静差率s之间的关系,D = nmax / nmin,s = (n0 - nnom) / n0,D = nnom / nmin,S =Δnnom / n0min,nmin = n0min - Δnnom,= Δnnom / s - Δnnom,= Δnnom ( 1 - s ) / s,,,,= nnom / D,D = nnom s / Δnnom ( 1 - s ),事实上存在约束关系: D = nnom s / Δnnom ( 1 - s ),理论上调速范围D越大越好、静差率s越小越好,说明：,注意，静差率是确定调速范围内D的静差率，脱离调速范围的 s 意义不大当Δnnom一定时，若要求静差率 s 越小（负载变化时转速相对变化小），则由上述约束关系得出：调速范围D变窄；,当调速范围 D 一定时，若要减小 s ，只能设法降低Δnnom,如何设法降低Δnnom是我们调速系统需要解决的问题！！！！,D = nnom s / Δnnom ( 1 - s ),4 稳态调速指标计算事例：,某调速系统额定转速nnom=1430r/min,额定速降△nnon=115r/min，若要求静差率S≤30%,调速范围D 是多少？若要求静差率S≤20%,调速范围D 是多少？,D = nnom s / Δnnom ( 1 - s ),根据公式,D = 1430* 0.3/ 115 *( 1 - 0.3 )=5.3,D = 1430* 0.2/ 115 *( 1 - 0.2 )=3.1,计算结果说明了什么问题？,D和S存在一定的相关性！！！,D = nnom s / Δnnom ( 1 - s ),D = nmax / nmin,s = (n0 - nnom) / n0,静态指标计算公式汇总,（三）调速的动态指标分析,调速的动态指标包括跟随性指标和抗扰性指标,1、调速跟随性指标和抗扰性指标(Page 62),（1）上升时间 tr,（2）调节时间 ts,（3）超调量δ%,2、调速抗扰性指标,（1）动态速降ΔCmax %,（2）恢复时间tv,二、开环调速系统的性能和存在的问题,（一）开环系统组成,系统环节包括给定环节、触发环节、整流环节、电动机环节等,（二）开环系统工作原理分析,调节给定电压，得到不同的输出电压，对应不同的机械特性（速度）。
机械特性方程为： n = ( Ud - IdR) / Ce,= Ud / Ce - IdR / Ce,= n0 - Δnnom,（三）开环系统存在问题分析,举例计算说明：,在某些控制系统中，开环调速系统往往满足不了系统的控制要求已知：某直流拖动系统，电动机参数分别为60KW、220V、305A、1000r/min，且知主回路总电阻R = 0.18欧，电动机Ce = 0.2 Vmin/r，（1）问开环控制时，能否保证静差率 5%的要求？（2）若满足D=20、S5%的要求，速度降落应为多少？又如何满足呢？,解（1）：在额定负载(电流连续）下的转速降落为:,Δnnom = IdR / Ce,= 305*0.18/0.2,= 275r/min,开环系统电流连续条件下，在额定的转速下的静差率为:,S=Δnnom / n0 = Δnnom /(nnom+ Δnnom),=275/(1000+275)=0.216=21.6% 5%,？？,解（2）：若满足D=20、S5%的要求，速度降落应为多少？又如何满足呢？,D = nnom s / Δnnom ( 1 - s ),根据公式：,可求出 Δnnom = nnom s / D ( 1 - s ),=1000*0.05/20(1-0.05),=2.63r/min,但又如何将Δnnom减小到2.63r/min？,,,2.63r/min,开环是“黔驴技穷”了，怎么办？引入闭环系统！！！,三、闭环系统组成及其特性分析,（一）闭环系统组成（红色部分为增加环节）,（二）闭环系统工作原理分析（稳态特性分析）,1、闭环系统各环节稳态方程分析,（5）测速发电机环节,（4）电动机环节（V-M开环特性）,ΔUn = U*n - Un,（2）放大环节,（3）触发环节与晶闸管环节,Uct = Kp ΔUn,Udo = Ks Uct,n = ( Ud 0 - IdR) / Ce,Un= αn,（1）电压比较环节,n = f(Id),2、转速负反馈单闭环系统的静特性方程分析,从上述五个环节特性方程中，消去中间变量得出转速负反馈单闭环系统的静特性（稳态）方程：,闭环系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流的稳态关系！,K= Kp Ksα/ Ce,（三）闭环系统稳态结构图分析,1、系统各环节稳态结构图（传递函数）,利用自控原理知识，将系统各环节连接，画出系统的稳态结构图：,2、系统稳态结构图,ΔUn = U*n - Un,Uct = Kp ΔUn,Udo = Ks Uct,n = ( Ud 0 - IdR) / Ce,Un= αn,四、开环系统与闭环系统比较分析,令 α= 0，则开环特性如下：,对比闭环特性如下：,开环系统与闭环系统静态指标比较分析,,开环系统与闭环系统的分析比较——结论：,1、闭环系统静特性比开环系统机械特性硬的多,2、如果比较同一n0的开环和闭环系统，则闭环系统静差率要小的多,3、当要求的静差率一定（且最高转速相同）时，闭环系统可以提高调速范围,4、闭环系统与开环系统相比，必须设置放大器！,五、闭环系统的基本性质分析,1、采用比例（P）放大器的单闭环调速系统是有静差调速系统,有静差调速系统是指稳态速度降落Δn不等于零的系统。
采用比例（P）放大器的单闭环调速系统可以降低稳态速度降落Δn，但不能消灭速度降落（除非放大倍数为无穷大！！！）,2、单闭环调速系统具有服从给定、抑制扰动的作用,3、单闭环调速系统对给定电源、检测环节的误差扰动量无能为力动的作用,（1）单闭环调速系统服从给定，改变给定就是改变速度设定值,（2）单闭环系统对闭环系统中前向通道的扰动量具有抑制作用,图示中粉色扰动可以抑制图示中红色扰动不可以抑制Te = f (Id)增加,* 开环、闭环系统转速自动调节过程分析,* 开环系统转速自动调节过程分析,我们知道：当电动机运行中，若负载转矩增加，则转速将沿着机械特性下移变小如图中所示）,为什么呢？,若TL增加,,根据运动方程，n减小,,反电势E 减小,,Id = ( Ud 0 - E) / R,,直到Te = TL,,,Udo=C,* 开环、闭环系统转速自动调节过程分析,转速闭环系统转速自动调节过程分析,,,,闭环静特性是靠改变Udo的变化获得的，可以说闭环静特性是一族机械特性的集合！！！,,,,,,,,,六、单闭环稳态参数计算分析,（一）稳态参数计算相关物理量分析,1、开、闭环的稳态速度降落Δnop 和Δncl,2、系统的调速范围（D）与静差率(s),4、运算放大器的放大倍数，Kp =R1/R0,3、系统的开环放大倍数，K= Kp Ksα/ Ce,5、整流环节的放大倍数，KS=Udo/Uct,6、电动机环节的放大倍数，Ce =n/E,7、反馈环节放大倍数α（含测速环节其他参数）,* 运算放大器放大倍数Kp的说明(P30例2）：,R0：输入电阻,R1：反馈电阻,Rbal：同相输入端的平衡电阻，数值上等于R0 、R1的并联,Uin、 Uex ：输入、输出电压,Kp = Uex / Uin = R1 / R0,根据运算放大器的特性，此种接法的电路输入/输出关系为：,Uex = （R1 / R0） Uin,多输入信号的比例放大器输入/输出特性,Uex = Kp [U*n -（R01 / R02 ）Un ],Uex = Kp（U*n - Un ）,,若 R01 = R02 则，,* 整流环节的放大倍数KS说明：,此段为线性段,定义：Ks =ΔUd/ΔUct,,,ΔUd,ΔUct,* 反馈环节放大倍数α及相关计算参数说明的说明,基本关系：α= Un / n,又依据，测速发电机技术参数：Cetg = Utg/ ntg,得出：α = α2 Cetg,其中，α2是分压系数，其取值依据是：使Un与给定电源数值上基本匹配！,如图所示：Un = α2 Utg,分压电阻按公式选取，,RP2 =,2、单闭环（比例调节器系统）稳态参数计算示例分析,例一、某直流电动机速度单闭环调速系统，系统采用V-M系统，已知主回路总电阻R=1Ω，晶闸管整流装置放大倍数Ks= 44，电动机参数为额定功率P=10kW，额定电压U=220V，额定电流I=55A，额定转速n=1000r/min， Ra=0.18Ω；直流稳压电源15V； 测速发电机参数P= 23.1W， U= 110V， I= 0.21A，额定转速n= 1900r/min，若要求D=10，s=5%，计算系统的稳态参数。
1）在满足D、S前提下，额定负载下的转速降落为多少？,解：,。