1、www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLCwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLCwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC第一章 单闭环直流调速系统开环直流调速系统与闭环直流调速系统直流电动机调速系统 （简称一、 晶闸管系统）随着半导体变流技术和电子技术的发展，直流传动系统中的可控变流装置也随之不断地更新换代。早在世纪年代采用的是旋转变流机组，即发电机电动机系统，该系统的原理图示于图中。它由交流
2、电动机（异步电动机或同步电动机）拖动直流发电机实现旋转变流机组供电的直流调速系统系统） ， 如图所示。这种系统已成为直、正反向换向时间。调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用得最普遍的一种系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械多数均采用直流传动，简称直流调速系统。调速系统按控制方式的不同分为开环系统与闭环系统（或称反馈系统）。本章将从系统的静态指标入手，着重讨论由晶闸管供电、带转速反馈的单闭环直流调速系统，说明采用反馈控制的必要性。本章所介绍的反馈控制原理及控制规律是后续章节进一步讨论其它典型系统的基础变流， 由给需要调速的直流电动机供电，调节的励，从而调节电动机的转磁电流即可改变其输出
3、电压速电动改变发电机励磁电流的方向，可以改变发电机输出电压的极性以实现电动机的正、反转可逆运行。这种系统常用交磁放大机作为功率放大器直接对发电机励磁绕组供电，所以又称为放大机控制的发电机系统） 。机组系统 （简称世纪这种系统在年代已被广泛地使用。由图于这种系统至少应包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，因而设备多、占地大、效率低、运行费用昂世纪贵、安装需打地基、运行有噪音、维护不方便。为了克服这些缺点，年代开始采用水年代末又被相继出现的晶闸管（大功率半导体器件）变流装银整流器作为可控变流装置，用静止的变流器取代了旋转的变流机组。由于水银污染环境严重， 危害人体的健康， 因而到了电动机调速系统
4、，又称为静止的置所取代了。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管系统 （简称流调速系统的主要形式，在世界各主要工业国已得到普遍应用。的直流传动装置，并广泛应用到国民经当前，我国的实际情况是晶闸管直流调速技术通过引进技术开发，已日趋成熟，所使用的主要器件在国内都能提供，现在每年能生产年 为 太 钢、 最大直流输出直济的各个部门，为我国工业技术进步和节能事业做出了很大贡献。例如，轧机提供的大功率晶闸管直流传动装置，其最大直流输出电流、 调速范围流电压www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC系统有两种主要的调速方
5、式：可知，由式 （保持电动机磁场为额定值，改变电枢两端电压，可得到基速以下的无级调速，实现电动机恒转矩调速。保持电动机端电压为额定值，减弱电动机磁场，可得到基速以上的无级调速，实现电动机恒功率调速。在主电路中串接电阻的调速方式，由于电阻本身消耗电能，所以一般很少采用。由式（可知，在电枢电流连续的情况下，晶闸管开环直流调速系统的机械特性方程式为式中将晶闸管变流装置供电的直流调速系统，经整理后可得电动机转速表达式为理想空载整流电压的平均值；电动机反电动势，电动机电枢电流；电枢回路总电阻；整流变压器漏抗形式有关，在三相零式整流电路中整流变压器绕组折合到二次侧的等效电阻；平波电抗器电阻；包括电动机电枢
6、电阻及整流装置内阻。代入式 （由图总之，直流供电装置由于电力电子器件的出现，已经有了巨大的进步。发电机电动机组、电机放大机、磁放大器、水银整流器等直流供电装置已被淘汰，现在用得较多的则是晶闸管变流器、直流斩波器等供电电子装置。在小功率范围内，新型的电力电子器件用得越来越多 （详见第三章） 。可以看出，变流装置输出的直流脉动电压直接加到平波电抗器和电动机电枢两端。当电枢电流保持连续时，系统处于稳定运行状态，在图中所示正向下，其电压平衡方程式为系统的开环转速降。角下的开环系统理想空载转速；对应某一整流变压器相电压的有效值；，当用三相全控桥式整流电路时，当用三相零式整流电路时，式中，在三相全控桥式整
7、电流中与整流电路引起的换向压降对应的等效电阻，参数图www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC二、 调速系统的稳态指标所开环系统的机械特性曲线，如图由式 （得出， 即或用其百分数表示图给出了不变时，转速随着负载增加当保持控制角可知，示。由图是由电枢回路的电阻压降下降， 其转速降而改变控制角，可得一簇平行直线，和引起的；系统的机械特性完全相似。上述结论表明，只要电流连续，晶闸管变流装置就可看成一个线性可控电压源。图电力拖动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标。调速系统稳态性能的好坏，可用下述两个指标衡量。（一）调速范围和最低转
8、速来表示， 即生产机械要求电动机在额定负载的情况下提供的最高转速调速范围， 用字母（ 二 ） 静 差 率之比， 称作静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到满载所对应的转速降载转速系统的调速特性。其最高理想空载转速时的静差率分别为式中显然，它表明如果低速时的静差率计要求，则高速时的静差率自然就满足要求了。根据上述分析，静差率表示为小），则允许的调速范围就越小。值越一定时，若对静差率的要求越严（表明，当系统的特性硬度一定，即式 （是相互关联的，它们之间满足下列关系式系统的调速特性图以 及 稳 态转 速 降和静差率调速系统的调速范围（能满足设与最低理想空载转速与理想空之比称为开环系统的
9、机械特性电枢电流连续时，www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC转速负反馈单闭环直流调速系统一、 调速系统稳态性能，额定负载时的稳态速开环调速系统，电动机额定转速例如某一时， 允许的调速范围为当要求静差率降， 则调速范围只有如果要求由此可见，开环调速系统对静差率有一定要求时，所实现的调速范围是不大的。为了进一和电动机开环系统主回路总电阻步扩大调速范围，只有设法减小稳态速降， 而是无法减小的。根采用转速负反馈的单闭环调速系统图一般都是不变的常数，所以额定负载时的稳态速降参数所， 可将开环系统改成转速闭环系统，系统框图如图据自动控
10、制原理，为了减小示。由于只有一个转速反馈环，所以称为单闭环调速系统。下面将以此系统为例，说明反馈控制的特点，回答转速闭环能减少稳态速降的实质。稳态误差的大小是衡量系统稳态性能的重要指标。事实上，影响系统稳态误差的因素很多，如系统的结构、系统的参数以及输入量的形式。然而，这里所说的稳态误差并不考虑电子器件的不灵敏区、零点漂移、老化等原因所造成的永久性的误差。系统的稳态误差可分为扰动稳态误差和给定稳态误差。扰动稳态误差是由于外扰动引起的，常用这一误差来衡量恒值系统的稳态性能。而对于随动系统，给定量是变化的，要求输出量以一定的精度跟随给定量的变化，因此给定稳态误差就成为衡量随动系统稳态性能的指标。常
11、称 “静差” ） 来表示。自动调速系统是恒值控制系统，其给定值是恒定的（确切地说，是预选的）。所以，对自动调速系统来说，主要是扰动量产生稳态误差。其稳态误差用转速降所示速度控制系统进行稳态分析。作用于系统的扰动因素很多，但是对调速系统的最主要扰动是指负载扰动。下面将在负载扰动的作用下， 对图www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC（二） 负载扰动对系统的影响式中闭环系统的开环增益；闭环系统的理想空载转速；闭环系统的稳态速降。转速闭环系统稳态结构图（一）调速系统的静特性在调速系统中，静特性常用静差来表示。静差是指调速系统在负载扰
12、动作用下，稳态转速的变化，它表示系统稳态时的控制精度。所示闭环速度控制系统的静稳态特性可用系统静特性方程来进行分析。下面研究图特性。为了突出主要矛盾，先作如下的假定。假定只工作在忽略各种非线性因素，假定各环节的输入与输出的关系都是线性的；系统开环机械特性的连续段；忽略直流电源和电位器的等效内阻。这样，采用转速反馈的单闭环调速系统中各环节的稳态关系如下电压比较环节：放 大 器：晶闸管整流与触发装置：系统开环机械特性：测速发电机：式中放大器的电压放大系数；晶闸管整流与触发装置的电压放大系数；测速反馈系数。所示。根据以上各环节的稳态输入、输出关系，画出转速闭环系统的稳态结构图，如图图中各方块内的符号
13、代表该环节的放大系数或称传递系数。运用结构图运算的方法可导出静特性方程为为转速闭环系统的静特性方程，它式 （的稳态关系。它与表示系统闭环后电动机转速与负载电流（转矩）开环系统的机械特性图方程虽然在形式上相同，但两者的含义却有着本质的不同。比较一下所示的转速闭环的反馈回路断开，就变成了闭环系统的静特性方程与开环系统的机械特性方程就能看出闭环控制的突出优点。如果把图开环系统，其机械特性方程式为，在负载相等时，则转速闭环系统的稳态速降可以表示为二完全相等， 即与开环系统的理想空载转速如果使闭环系统的理想空载转速www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.P
14、LCwww.PLC变化而自动变化， 故当枢电流闭环系统静特性与开环图系统机械特性图闭环系统静特性和的比较开环机械特性的关系对同样一台电动机，开环与闭环稳态速降为什么不一样呢？显然闭环系统能减少稳态速降，决不是闭环后电枢回路电阻能自动减小，而是在于它的自动调节作用。开环机械特性上各点 （见图所对应的晶闸管提供给直流电动机的整流电压为一恒值，即不能随着电动机电增大时，电枢压降也增大，转速只能降下来，而闭环静特性（见图增加上的各点所对应的晶闸管提供给直流电动机的整流电压不为一恒值，是随（或减少） 而相应地提高 （或降低） 的， 补偿了电枢压降的增加 （或减小） 。 由于闭环系统具有随着负载的变化而供
15、给电动机的整流电压也自动变化的特点，故该类系统相对于开环系统具有较强的抗扰能力。中，将所有扰动作用都在稳态结构图上表示上面我们只讨论了负载变化引起的转速变化，实际上除了负载以外，还有许多因素会引起电动机转速的变化，其中包括交流电源电压的波动、电动机励磁的变化、放大器放大系数的漂移、由温升引起主电路电阻的增大等等。在图的箭头表示之外，其它指向不同方块上的箭头，分别表示引起出来，其中除负载扰动用代表该环节放大系数变化的扰动作用。由图可知，在转速闭环系统中，环内（前向通道）的扰动作用与负载扰动一样最终都要影响转速变化而被测速装置检测出来，再通过反馈控制来减少它们自动调速系统的给定作用和扰动作用图特性
16、硬， 见图的倍 （是足够大的数值），即意味着转速闭环系统的静特性比开环调速系统的机械式 （表明，在同样的负载扰动下，转速闭环稳态速降减小到原来开环系统的稳态速降www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC值不能随意增大，即在闭环图对转速的影响。但是对于转速给定环节及转速检测环节本身的误差引起转速偏差，反馈调节则无能为力。因此，高精度的调速系统需要有更高精度的给定稳压电源，高精度的控制系统还必须有高精度的检测元件作为保证。因此，调速系统增设了负反馈环节后，将使转速降减为开环时的闭环调速系统对包围在负反馈环内的一切前向通道上的扰动作用
17、都能有效地加以控制。倍。闭环调速系统的开环放大系数值越大， 稳态速降也就越小， 静特性就越硬， 在保证所要求的静差率下， 其系统的调速范围就越大，从而大大提高了系统的稳态精度。当差系统（或称有静差系统）。当为一有限值时， 稳态误差 （稳态速降） 不等于零， 这种系统称为有无穷大时，稳态误差等于零，所这种系统称为无差系统（无静差系统），其静特性如图示。度来看，本节讨论了单闭环调速系统的稳态性能。显然，从稳态精值越大越好，然而，从下面对调速系统稳定性分析中却会看到，为了保证动态稳定性，系统中稳与准是互为矛盾而存在的。二 、 闭 环 调 速 系 统 的 动 态 数 学 模 型 及 稳 定 性 分 析
18、（一）系统的动态数学模型为了对调速系统进行稳定性能的动态分析，必须首先建立起系统的动态数学模型，即推导出单闭环调速系统各环节的微分方程和传递函数。下面先推导出系统中各环节的传递函数。额定励磁下的直流电动机的传递函数图给出了额定励磁下他励直流电动机的等值电路。假定主电路电流连续，由图可得基本微分方程式为忽略粘性摩擦得无静差调速系统的静特性电力拖动系统的机电时间常数，单位为电枢回路电磁时间常数，单位为定义下列时间常数为电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为飞轮惯量， 单位为图直流电动机等值电路电力拖动系统运动部分折算到电动机轴上的包括电动机空载转矩在内的负载转矩，单位为额定励磁下的电磁转矩，单位为式
19、中www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC直流电动机动态结构图的变换和简化。前者是给定输入量，后者是扰动输入量。如果不的结构图可以看出，直流电动机有两个输入由图，另一个是负载电流量，一个是理想空载整流电压需要在结构图中表示、 电动机以电枢， 则可将扰动量的综合点移。若负载为零，则结。当前， 再进行等效变换， 得图构图可简化成图电压为输入量、转速为输出量时，电动机可能为一振荡环节，它包含电磁惯性和转子的机械惯性，这两种能量可以互相转换则使电动机带有振荡的性质。晶闸管触发和整流装置的传递函数输出量是理想空晶闸管变流装置的控制总离不
20、开触发电路，在分析系统时往往把它们当作一个环节来看待，这一环节的输入量是触发电路的控制电压图式 （直流电动机的动态结构图的结构图 （式 （的结构图图额定励磁下直流电动机的动态结构图虑到， 即得额定励磁下直流电动机的动态结构图， 如图式 （与式 （的结构图分别画在图与 （之中。若再将两式联立起来，并考电流与电势间的传递函数为若将等式两侧取拉普拉斯变换，得电压与电流间的传递函数为式中为负载电流。将上面两式代入微分方程并整理后得www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC。如果把它们之间的放大系数载整流电压较制角由变到闸管整流电路的输出
21、平均电压的改变就较控制电压滞后为单相全波纯电阻负载时时间的示意图。这段滞后时间和晶闸管整流器的类型有关联，其最大滞后时间式 中 交流电源频率；整流电路在一个周期内的整流电压的波头数。在实际计算中，一般采用平均滞后时间，即取比例放大器的响应可以认为是瞬时的，因此，它的放大系数也就是它的传递函数，即比例放大器的传递函数统剪切频率），可将晶体管装置看成为一阶惯性环节来处理，其传递函数可表示为为校正系的条件下，（依据工程近似处理的原则 （详见第二章调节器设计） ， 在按泰勒级数展开， 可得将式 （晶闸管整流器的滞后时间表时间的示意图滞后较图根据拉普拉斯变换的滞后定理，晶闸管触发电路和整流装置的传递函数
22、可表示为不同类型整流器的延迟时间见表的改变延迟了一段时间。 图时，若晶闸管已导通，则应等到下一个自然换向点以后才起作用。这样，晶以看成是一个纯滞后的放大环节，其滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。当控看成常数，则晶体管触发电路与整流装置可www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC。只要掌握的电路示于图图在电力拖动系统中，放大器多采用线性集成运算放大器，用图所示的符号表示它。调节器） 时运算放大器用作比例放大器（也称比例调节器或运算放大器符号点为虚地点以及放大器的输入电阻非常大这两个特点，不难求出比例运算放大器的传递函数为
23、比例放大器图原 理 电路 （输入、 输出关系测速发电机传递函数测速发电机是测量转速的装置，它与直流电动机同轴安装，它的输出是与电动机转速成比例的电压。通常其输入与输出关系为单闭环调速系统的动态结构图所 示 。 由 图 可将上述四个环节连在一起便得到转速闭环系统的动态结构图，如图见，将晶闸管装置按一阶惯性环节近似处理后，单闭环调速系统可以看作是一个三阶线性系统。若不考虑负载扰动作用，则系统的闭环传递函数是式中单闭环调速系统的开环传递函数是单闭环调速系统的动态结构图图www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC） 调节器的单闭环无静差
24、调速系统（二） 单闭环调速系统的稳定条件可知， 系统的特征方程为由式 （调节器 （相位滞后 超前校的一般表达式为式古尔维茨稳定判据，系统稳定的充分必要条件是根据劳斯及的各项系数显然都是大于零的，因此，稳定条件就只有式即右边之值称为系统的临界放大系数，式超出此值，系统将不稳定，以致无法工作。值， 往往无法的选取满足式为了改善系统的稳定性，显然，最简便的方法是调整系统的参数（通常是改变增益），使闭环调。但从稳定条件着眼而求出的速系统的开环放大系数调节器（相位超满足系统稳态精度的要求。为了解决系统稳定性与稳态精度之间的矛盾，可采用控制理论中的校正方法，即在原有的系统中有目的地增添一些装置和元件，人为
25、地改变系统的结构。校正方法有多种，而且对于一个系统来说，能够满足性能指标的校正方案也不是唯一的。在电力拖动调速系统中，最常用的方案有串联校正和反馈校正两种，其中串联校正最简单，而且可以很容易地利用原始系统中已有的运算放大器构成有源校正网络来实现，故在调速系统设计中常优先考虑串联校正方案。用运算放大器实现的串联校正装置有比例微分（调节器 （相位滞后校正） 、 比例微分积分 （调节器组成的无静差调速系统为例分析其具体的应用。前校正） 、 比例积分正） 。 下面以由三 、 无 静 差 调 速 系 统（一）系统无静差的实现带比例调节器的闭环控制系统本质上是一个有静差系统。当负载扰动为阶跃信号时，上述系
26、统要实现无静差，则必须在扰动作用点前含有积分环节，即用积分调节器去代替比例调节器，而积分环节的引入将使系统稳定性进一步变差（单闭环有静差调速系统固有部分由三个惯性环节组成） 。 为此， 将采取调节器后，不仅很好地解调节器校正方式。系统中引入了决了动、静态对放大系数要求的矛盾，同时又使系统控制性能兼顾比例和积分的特征。因此，调节器在自动控制系统中获得了广泛的应用。） 调节器（二）采用比例积分（比例积分 （www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC既有输出量能立即响应输入量变化的在比例积分调节器的输出特性中图调节器原理图由 图可 见
27、比例部分放大系数；式中调节器的时间常数。调节器的图阶跃输入时输出特性比例部分，又有能随时间对输入信号不断积累的积分部分由于它含有积分环节，所以， 当输入等于零时， 输出不等于零时，积分过程将不断地继续下去，输出量将继续变化着；当输入将稳定在此时刻的数值上，这就是积分调节器的记忆作用与保持作用。调节器电路， 如图所示。如果设反实际应用的调速系统，多采用比例系数可调的馈分压系数那么对上式取拉普拉斯变换，则有图调节器的传递函数为放大系数可调的比例放大器时当初始条件为零时， 取式即得两侧的拉普拉斯变换，调节器的传递函数调节器原理电路如图所示， 其输出表达式为www.PLCwww.91HMI.comww
28、w.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC在时刻负载转矩阶跃增到的数值上，转速误差电压分两部分。将分成比例和积调节器输出电压增量不等于零， 此时，不能稳定在， 在负载扰动作用下， 由于转速必为零， 则稳定转速为稳定运行时，转速误差电压。设系统原负载转矩为当负载突增时，无静差调速系统的动态过程曲线示于图的大小， 且出的整流电压，它控制晶闸管变流装置输为转速误差电压），其输出是晶闸管变流装置的控制电压调节器是作为转速调节器使用的，其调节器的输入信号为在本系统中，无静差调速系统稳态结构图图调节器的方框中用它的输出特性表示。其中， 代表所示。图为应用比例积分调节器的无静差直流调速
29、系统，其系统静态结构如图系统的调节过程漂移的抑制图无静差调速系统图调节器零点了近似的调节器。馈回路两端再并联一个反馈电阻， 如图所示，一般取为， 这样， 就形成另外， 采用调节器后，稳态时反馈回路相当于断路，运算放大器零点漂移很大，故在反增大而又不影响调节器时间常数数值的变化，且调整方便。这种调节器电路可以通过电位器调节反馈量大小，使调节器比例系数的调节范围www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC经过一段时间的积累逐渐增高，它将使转速进一步回升，直到转速恢复原相似） ， 直到一样，等于零，但在一段时间内也较大，本身， 而是依靠
30、的积累来实现的；虽然新的稳定状态的情况，其积， 但只要历扰动调节过程无静差调速系统突加分就有一定数值，就能产生足够的控制电压，保证新的稳压运行。由上述可知，系统通过积分调节作用才可以消除转速稳态误差。图较大，也较大，它使在调节过程的初、 中期， 速降成正比的有较大的增长，比较小。由此可见，在调节过程初、中期，比例部分起主导作用，保证了系统的快从而立即阻止转速继续下降，并继而使转速回升。而此时由于经历的时间还比较短，所以，积分部分速响应。减小。这时，也减小，比例部分已不起在调节过程后期，转速已逐渐回升，速降主要作用， 而调节器，稳态时，反馈电容相当于断路，其放大系数即为运算放大值。由此可见，在调
31、节过程后期，积分部分起主导作用，并依靠它最终消除稳态误差。此外， 在系统中采用以上） ， 这时， 系统的稳态误差大大减小。 而在动态时， 反馈器开环放大系数， 数值很大 （在负载时的调节过程与中曲线。这样，当负载增加而使转速降低见图时，通过转速负反馈和的波形与成正比关系，可求出相应的曲线， 如曲线所示。调节器输出电压调节器， 其波形将升高，使电动机电枢电压不断增加（晶闸管整流器输出电压时为止。这时系统稳态误差为零，系统为无静差已从上升到， 这 里又恢复到零值，转速恢复到原值（理论上而言）。原来的稳定状态与新的稳定状态虽转速的改变并非仅靠史上有过比例部分：中曲线。积分部分：间的积分， 按照与图调
32、节器。或调节器。在随动系统中快速性是主要的要求，故常用制来换取系统稳定。由于一般调速系统要求以稳和准为主，对快速性要求不高，所以常用需要指出的是调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，但是，它是以对快速性的限系统，动、静态放大系数为不同数值，从而解决了系统稳定性与稳态误差的矛盾。数值不大，保证了系统的稳定性。这样一来，对同一电容则相当于短路，其放大系数的特性曲线与横轴所包围的面积其波形为。 对 时， 其波形与相似，见图www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC， 那么允许的静态速降是， 要求响 ？某调速系统的稳定后， 调节器的输
33、由于稳压电源性能不好而不稳定；呈非线性关系；测速发电机电压反馈电容有漏电流。在单闭环转速负反馈系统中，若引人电流负反馈环节，对调速系统的静特性有什么影多少 ？单闭环调速系统中用积分控制的调速系统是无静差的，当积分调节器输人偏差电压时，其输出电压决定于哪些因素？； 触发器晶闸管环节的放大倍数加到额定电流的在单闭环无静差调速系统中，电枢回路总电阻， 系统突加负载 （由额定电流的出值增加了，求系统在突加负载前后的负载电流值。在图所示的转速负反馈单闭环系统中，已知数据如下：电动机：， 主电路总电感， 问该。采用三相桥式整流电路，主要电路总电阻。要求调速范围系统能否稳定运行？将下降，系统静特性变硬；你认
34、为以上叙述对吗？电动机转速日常生活中有许多闭环和开环控制系统，试举几个具体例子并说明它们的工作原理。增大， 则不变时，如转速反馈系数在单闭环转速负反馈系统中，当转速给定电压如果转速负反馈系统的反馈信号线断线（或者负反馈信号线极性接反了），会产生怎样的后果？某系统对跟随信号为无静差，则对扰动信号是否也是无静差？在什么条件下，直流电动机传递函数可以近似化简为两个惯性环节？图所示无静差调速系统，如果系统发生下述变化，能保证具有无静差性能吗？给定电压运算放大器产生零漂；与转速陈伯时陈伯时主编胡寿松主编谢宗安主编自动控制系统自动控制系统自动控制原理自动控制系统北京：机械工业出版社，电力拖动控制北京：国防
35、工业出版社，重庆：重庆大学出版社，北京：中央广播电视大学出版社，参 考 文 献思考题与习题www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC双闭环直流调速系统带转速反馈的单闭环调速系统是转速控制系统的最基本的形式，但它并无实用价值，因为转速偏差只能控制电动机的端电压，无法对电枢电流进行控制，这样，当系统处于启动或输入电压处于大幅度变化时，将导致电动机电枢电流的明显突变，但衰减又很慢。因此，在实用上，除了对电动机的转速进行控制外，还应对电枢电流的状态进行控制。理想性能是要求在过渡过程中一直保持电流为允许最大值。显然，采用电流负反馈便可得到
36、近似的恒流值。然而，如果在同一个调节器的输入端引入转速负反馈和电流负电馈，则双方将互相牵制，非但得不到理想的过渡过程的波形，稳速时的静特性反而被破坏。为了进一步改善系统的性能，人们提出了将转速与电流两种负反馈的作用分开，两者之间实行串级连接，从而构成电流和速度两个负反馈环节，称之为双闭环调速系统。， 其表达式为的偏差信号与的输入量为为电流调节器的给定量。其输出量， 其表达式为的偏差信号与转速反馈电压的输入量为速度给定电压转速、电流双闭环调速系统图器。去 “驱动” 触发， 再由去“驱动”和组成的两个闭环实行串级连接，先用示之 。由示之；另一个用来调节转速，称为速度调节器，以流， 称为电流调节器，
37、 以为双闭环调速系统的原理电路图，它是由两个调节器组成的，一个用来调节电枢电图一、 双闭环直流调速系统的组成第二章 双闭环直流调速系统与调节器的工程设计www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC，主要用于限制最大电流值。的输出限幅值为的为电流反馈系数。即为触发器的控制电压。其输出量均有输入与输出限幅电路。输入限幅电与电流调节器 （在系统中， 速度调节器挖土机特性从上述讨论中可以看到，系统应具有限制最大电流的能力。在双闭环调速系统中，当速度环处于“开环”状态即速度调节器输出值、电流环处于闭环状态时，双闭环系统实际上为电流恒值调节系
38、统，系统呈现恒流特性。用限幅的转速偏差值作为电流的给定值，以实现最大电流限制。由图可知，当电流处于恒流状态时，拖动系统的加速度恒定，转速是线，即要求速度调节器应摆路主要用于保护运算放大器。，主要用于限制晶闸管变流装置的最大输出电压输出限幅值为（在可逆系统中， 则主要用于限制最小逆变角二 、 双 闭 环 直 流 调 速 系 统 的 基 本 特 性（一）具有自动控制最大电流的能力基于 “时间最优控制” 的思想， 在过渡过程中， 如果能保证他励直流电动机电枢电流在最大允许约束条件下运行，则系统将在最大允许的动态转矩下加速或减速，从而使电动机在最短时间内达到所需要的转速，以实现时间最短的控制。遵照这种
39、控制原则，电动机转速所示。电流的变化规律如图所示的挖土机特性，理想下垂特性通常希望调速系统的静特性具有图得，要求系统具有最大限流能力。图图时间最短控制中的变化规律性增长，电动机的反电势也按线性增长。对电流调节系统来说，反电势是一个线性渐增的扰动和电动机端电压必须基本上按流调节器不应设计在限幅状态下运行，电流调节应具有量， 为了克服这种扰动， 保持电流恒定， 电流调节器输出线性增长。 因此， 要实现恒流控制， 电积分功能，晶闸管整流装置也不应处于限幅状态。输入端的给定信号为三阶段或五阶段，如图上述讨论的系统是按过载能力确定加速度的快速系统所要求的，但是，并非所有的生产模式都按上述原则确定加速度。
40、例如开船机、电梯、冷热连轨机等要求根据工艺过程对最大加速度加以限制， 对这类控制系统， 实际加到的斜率确定，在过渡过程中速度环处于闭环状态，相应的电不为最大值。所示。相应电动机的加速度由枢电流（二）与单闭环调速系统相比具有更强的稳速能力必须不等于由上述的分析可知，在双闭环系统中电动机的电枢电流为最大值时，电动机转速处于一个不稳定状态。为了对转速实现控制，电流给定值和电枢段的获www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC的作用是使电流跟随图和。一直处于限幅状态，不再起调调节器时，退出限幅，脱限幅状态，速度环由开环进入闭环。这时，稳速
41、调节过程与差时， 靠单闭环系统调节过程相似，当负载发生变化而使转速出现偏的调节作用来消除速度偏差，以保证转速恒定。双闭环调速系统与单闭环调速系统不同之处在于前者的速度环内含有电流闭环。从稳速观点来看，电流环似乎是多余的。实际上，在仅有速度环的情况下，电网电压的波动，可通过转速的变化进而由速度环来加以调节。在双闭环调速系统中，变化，当电网电压波动而引过起电流波时，由于电流环具有维持电流不变的特性，因此，通的调节作用，电流很快恢复原值，使电网电压的波动给定信号波形几乎不对转速产生影响。当双闭环调速系统呈现自动限制最大电流的能力时，速度调节器的输出将处于限幅状态，系统处于恒流调节状态；当双闭环调速系
42、统呈现稳速状态时，速度调节器的输出未达到限幅状态，系统为一转速恒值调节系统。由此看来，当系统由一种状态向另一种状态转化时，将以输出限幅与否为转机。那么，所示。整个启动过程可分为三个阶段，分别标以是如何自动地由限幅状态转为非限幅状态的呢？下面以双闭环调速系统突如阶跃给定电压为例来分析启动过程中转速调节器限幅的非线性的特殊作用。其动态响应波形如图示之。第一阶段为强迫建流阶段，以示之。此时，第二阶段为保持最大电流的升速阶段，即恒流升速阶段， 以的调节作用，保持电流接近最大值节作用，系统主要靠， 转速迅速直线上升， 接近于理想启动过程。和第三阶段为转速调节阶段 （趋于稳定阶段） ， 以下面仅讨论在时，
43、由限幅向非限幅状态转化？当转速上升到给定电压应的稳态值图值为零。然而，必上。 这样， 电流入口出现负的偏差电压，然继续上升， 从而， 使转速出现超调， 由于转速超调， 使， 则仍大于负载电流的一段时间内，转，电动机才开始在负载阻力下减速，然后出现一些小的振荡并趋电流给定值减少，主回路电流随之迅速减小。但是在速仍会继续上升， 直到的调节作用来消除静差，使于稳定。最后依靠的数值。由此可见，借助于转保持在的限幅与非限幅的转换。因此，当双闭环系速偏差的控制作用，双闭环调速系统可实现仍不能不要。统处在恒流调节状态时， 尽管速度环处于 “开环” 状态， 速度调节器调节器限幅值来建立最大电流的约束条件，可灵
44、活地实现电流恒值调节与由上述分析可知，速度电流双闭环调速系统是采用两个调节器按串级方式组成的串级调速系统。利用转速恒值调节相互转换控制。若调速系统除需控制转速和电流之外，还需控制其它辅助被调量时，则可附加新的调节器，按照串级方式来组成多环调速系统。这种多环调速系统，仍可利， 则均为示之。如何所对入口偏差电压的输出值由于积分作用还维持在限幅值仍将保持在最大值，电动机转速双闭环调速系统启动时的转速和电流波形www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.91HMI.comwww.PLCwww.PLC统 （下称典和式中系统的开环增益；系统的惯性时间常数；中频宽。尽管这种简化方法还存在不
45、完善的地方，但毕竟给出了系统的预期开环频率特性，而且其预期特性与参数之间的关系比较简单明确，至今仍为工程技术界所采用，故本章将以这两种类型的预期特性作为校正的依据。双闭环直流调速系统中调节器的工程设计方法一、 调节器校正的含义用调速器限幅值以建立系统所要求的各种约束条件，如最大电流变化率与最大电压的约束条件等等。这种利用调节器的限幅特性来实现非线性控制的方式，可使多环串级调节系统像双环系统一样，灵活地实现变结构的控制。在工业自动化的控制过程中，经常应用自动控制原理来研究自动控制系统。简单而直观地按反馈控制基本原理所构成的系统不一定能达到预期的效果。因为任何一个自动控制系统都有其自身的特点和规律
46、，其主要问题是：系统稳定性；系统稳态误差；系统过渡过程的品质。调节器的工程设计方法。当人们希望建立一个自动控制系统或改造一个性能不符合要求的系统时，通常既要分析和研究上述三个问题，更重要的是在经典控制理论的基础上，提出工程实用设计方法。这些方法的共同特点是无需做过多的计算就能将自动控制系统的主要性能与系统的结构及参数间的关系直接地表达出来。本节将着重介绍其中的一种方法的全部频带内满足从频率法的观点来看，若认为一个系统的性能不好，就需校正其频率特性，而要想成功地校正一个系统的频率特性，首先应有一个性能符合要求的频率特性作为依据，即确定一个预期开环频率特性。然而，要想非常准确地确定一个系统的预期开
47、环频率特性可不是一件容易的事情。为此，人们在这方面作了大量的工作。譬如，在控制理论中，通常直接由单位过渡函数的超调量及过渡过程时间常数去确定系统的预期开环频率特性。在“电子最佳调节器”的工程设计方法中，根据闭环幅频特性在的条件，从而找出预期开环频率特性。系统）或三阶典型系在现代电力拖动系统中，人们已广泛采用晶闸管、大功率晶体管、集成运算放大器等电子器件，其特点是惯性很小。这样，就可为采用低阶系统来描述一个系统提供实现的条件。在工程设计中，为了简化计算方法，通常将系统校正成二阶典型系统（下称典系统），二阶和三阶典型系统的开环传递函数分别是www.PLCwww.91HMI.comwww.PLCww
48、w.91HMI.comwww.PLCwww.PLC二、典型系统参数与性能指标之间的关系图表示最大动态有了预期的系统开环频率特性，就可将待调节的系统开环频率特性与之比较，若不同，就需进行校正。通常，对系统进行校正时，将系统分为两部分，一部分是不可变动的称为固有部分，另一部分是可变动的或可人为地增添某些环节的称为调节器部分。工程设计的目的，就是使调节器和固有部分串联后构成的系统的开环频率特性，能与预期开环频率特性相一致。这样，就可把调节器部分所应具有的频率特性求出来，最后按调节器应具有的频率特性来构成调节器。但是实际系统的固有部分往往是比较复杂的，当将它们校正成二阶或三阶预期特性时，调节器的形式会
49、显得相当复杂，实现起来显得十分困难。为了简化，往往需对系统的固有部分进行若干近似处理（详见后面选择调节器部分）。上面介绍的调节器的工程设计方法，它只告诉我们按照规定的两种典型的开环频率特性去设计调节器，并非对任何系统都是适用的。每一个控制系统都是为某一个具体应用目的而设计的，因此，该系统必须满足某一组性能指标，以便适应于实际需要。控制系统的性能指标通常是以输入典型的信号来进行分析的，其技术指标可分为稳态性能和动态性能两部分。来表示。下面着重从时域方面来讨论在第一章中，已对调速系统的稳态性能作了讨论，指出了调速系统是一个恒值控制系统，主要是扰动量产生稳态误差，其稳态误差用转速降系统动态性能指标。
50、与系统的稳态性能指标一样，系统的动态性能指标也可分为跟随和抗扰动态性能指标两部分。（一）给定输入时的跟随性能指标时的系统响应特性确系统的稳态性能指标是由所示。定的，并用单位阶跃输入函数或斜坡输入函数来加以定义。而动态性能指标则是由刚刚加入输入时的响应特性来确定的，并用阶跃输入函数来加以定义。下面研究单位阶跃函数输入时的输出响应，并给出在给定输入时的上升时间、调节时间与百分比超调量三个跟随性能指标，如图暂态响应与跟随性能指标所需所谓上升时间或称响应速度，它有许多定义方法，这里我们把上升时间定义为响应曲线从零上升到稳态值的示之。显然，上升时间越小，响应速度越要的时间， 并以快。调节时间用如， 稳压
