自動控制系統(tǒng)課件第一章1-3

1、2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)11.3 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負(fù)反饋，與恒定給定值相比較，以構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，故引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。 調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。 2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)2圖 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+Un

2、Un U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctUnntg1)單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)組成及其工作原理系統(tǒng)組成2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)3 調(diào)節(jié)原理 在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機 TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un ，與給定電壓 U*n 相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un ，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uct ，用以控制電動機轉(zhuǎn)速 n。2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)4 穩(wěn)態(tài)分析條件 下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各種

3、非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段；（2）假定系統(tǒng)只工作在V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段；（3）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)5轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU放大器 npcUKUt電力電子變換器 ctsdUKU 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性 eddKRIUn測速反饋環(huán)節(jié) nUnn 穩(wěn)態(tài)關(guān)系2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)6以上各關(guān)系式中 比例調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)； 電力電子變換器的電壓放大系數(shù)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，（Vmin/r）；KpKsn2022-5-2第1章 單

4、閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)7 閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖KpKsn U*nUctUnEnUdUn+- IdR-Ks圖 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖eK12022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)8 從上述五個關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式靜特性方程式)1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKKRIKKUKKKKKKRIUKKnn 靜特性方程2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)9 式中 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為 它相當(dāng)于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單

5、獨的放大系數(shù)的乘積。 espKKKKn2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)10 注意：注意： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)11 對于靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖中各方塊內(nèi)的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運用結(jié)構(gòu)圖運算法同樣可以推出式所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動量看成兩個獨立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)求出各自的輸出與輸入關(guān)系式，2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)121）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)U

6、*nKpKsn UctUn n UdUn+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-EeK1e*ne*psne*psnpsneee( )1(1)(1)KpKsCnsKpKsUCK K UnCKpKsK K UK K UKpKsCKCCnneCeCnKeKeKeKeKeKe2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)132）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKsn 1/Ce-IdR nUd+-Eedeede11( )(1)1(1)CnsKpKsRICKCRInCK eK1eK1eKeKeKn2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)14

7、由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式)1()1(ede*nspKKRIKKUKKn2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)15開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系 比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為 opop0ede*nsped0dnnKRIKUKKKRIUn(1-a) 而閉環(huán)時的靜特性可寫成 llnnKKRIKKUKKncc0ede*nsp)1 ()1 (1-b) 2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)16比較式（1-

8、a）和式（1-b）不難得出以下的論斷：（1）閉環(huán)系統(tǒng)特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。 在同樣的負(fù)載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 和它們的關(guān)系是 Knnl1opcedopKRIn)1 (edcKKRInl 系統(tǒng)特性比較2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)17 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。 閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 和 當(dāng) n0op =n0cl 時，lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)18（3）當(dāng)要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。 如果電動機的

9、最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對最低速靜差率的要求相同，那么： 開環(huán)時， 閉環(huán)時，得 opopc)1 ()1 (1DKSKnSnDNl)1 (opNopsnsnD)1 (cNcsnsnDll 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)19 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。 上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即 K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)20 把以上四點概括起來，可得下述結(jié)論：結(jié)論結(jié)論： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜

10、差硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。檢測與反饋裝置。 2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)21 例題例題2-1 某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻0.18，電動機電動勢系數(shù)0.2。如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控

11、制系統(tǒng)22 解解 當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為 這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào) 到最低速了。min/275min/2 . 018. 0305edNNrrKRIn%6 .21216. 02751000275NNNNnnns2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)23如果要求D = 20，s 5%由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275 r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。min/63. 2min/)05. 01 (20

12、05. 01000)1 (NNrrsDsnn2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)24 例題例題2-2 在例題2-1中，龍門刨床要求 D = 20， s 5%， 已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r， Ke = 0.2Vmin/r， 如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？ 2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)25解解 在上例中已經(jīng)求得 nop = 275 r/min，但為了滿足調(diào)速要求，須有 ncl = 2.63 r/min，由式可得6 .103163. 22751coplnnKKnnl1opc2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)26代入已知參數(shù)，則得 即只要放

13、大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。462 . 0/015. 0306 .103/espKKKK2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)27n 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程 開環(huán)系統(tǒng) Id n 例如：在下圖中工作點從A A 閉環(huán)系統(tǒng) Id n Un Un n Ud Uct例如：在下圖中工作點從A Bede*nspKRIKUKKn)1 ()1 (ede*nspKKRIKKUKKn2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)28n0 OIdId1Id3Id2Id4ABCAD閉環(huán)靜特性開環(huán)機械特性圖 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關(guān)系Ud4Ud3Ud2Ud12022-5-2第1

14、章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)29 由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)30 反饋控制規(guī)律反饋控制規(guī)律 轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。 2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)311. 被調(diào)量有靜差 從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。然而，Kp =常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小

15、，卻不可能消除。因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 只有 K ，才能使 ncl = 0，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進行控制的。)(edcKIKRInl2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)322. 抵抗擾動, 服從給定 反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從。 擾動除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。 2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)33n 調(diào)速系統(tǒng)的擾動源 負(fù)載變化的擾動（使Id變化）；

16、交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）； 電動機勵磁變化的擾動（造成Ke 變化 ）； 放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）； 溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）； 檢測誤差的擾動（使n變化） 。 在下圖中，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)34n 擾動作用與影響圖 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用 勵磁變化勵磁變化Id變化變化電源波動電源波動Kp變化變化電阻變化電阻變化檢測誤差檢測誤差KpKs n 1/KeU*nUctUnEnUdUn+- R 2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)35n 抗擾能

17、力 反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。 例如：Uct Ud n Un Un n Ud Uct 2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)36n 抗擾能力（續(xù)） 但是，如果在反饋通道上的測速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會增大被調(diào)量的誤差。 例如： Un Un Uc Ud0 n 因此，反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)37n 給定作用 與眾不同的是在反饋環(huán)外的給定作用，如圖中的給定信號，它的細(xì)微變化都會使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋作用的抑制。 2022-5-2第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)38n 結(jié)論： 反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；