轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課件

直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第2章直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第2章12.3轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.3.1單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性2.3.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析2.3.3無靜差調(diào)速系統(tǒng)的積分控制規(guī)律2.3.4單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)2.3轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.3.1單閉環(huán)調(diào)速系22.3.1單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性控制器功率驅(qū)動(dòng)裝置生產(chǎn)機(jī)械電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定電網(wǎng)轉(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖2.3.1單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性控制器功率驅(qū)動(dòng)裝置生31.單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUdUctGT+++放大器L測(cè)速發(fā)電機(jī)1.單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+42.轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的；（2）V-M系統(tǒng)工作在開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段；（3）忽略控制電源和電位器的等效電阻。

為分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，先作如下的假定：2.轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性（1）忽略各種非線性5電壓比較環(huán)節(jié)放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性測(cè)速反饋環(huán)節(jié)各環(huán)節(jié)靜態(tài)關(guān)系電壓比較環(huán)節(jié)放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性6以上各關(guān)系式中—放大器的電壓放大系數(shù)；—電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，（V·min/r）；—UPE的理想空載輸出電壓；—電樞回路總電阻。KpKsRUd0以上各關(guān)系式中KpKsRUd07采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++LKpKs采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+ATG+Utgn?UnU*8KpKs

1/CeU*nUct?UnEnUd0Un++IdR_UnKs轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖_由上述五個(gè)關(guān)系式可以得到轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖。KpKs1/CeU*nUct?UnEnUd0Un++Id9U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-Ea）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)b）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs1/CeUc?UnnUd0Un+-+K10靜特性方程式將給定輸入和擾動(dòng)輸入下系統(tǒng)的靜態(tài)方程疊加，推導(dǎo)出整個(gè)系統(tǒng)的靜特性方程式：式中，為閉環(huán)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。靜特性方程式將給定輸入和擾動(dòng)輸入11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(dòng)機(jī)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(jī)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。注意：12

比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)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(jī)械特性為

而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成

3.開環(huán)系統(tǒng)機(jī)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(jī)械特性和閉環(huán)13在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為

和它們的關(guān)系是

(1)閉環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的硬度大大提高在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為(1)閉14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(shí)，(2)n0op=n0cl時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)靜差率小許多閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為(2)n15如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對(duì)最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， 再考慮Δnop和Δncl之間的關(guān)系，得

(3)靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍大大提高如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對(duì)最低速16如要維持系統(tǒng)運(yùn)行速度不變，需要閉環(huán)系統(tǒng)的是開環(huán)系統(tǒng)的(1+K)倍。同時(shí)，前三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，也要有足夠大的K，因此必須設(shè)置放大器。(4)給定電壓相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)空載轉(zhuǎn)速大大降低如要維持系統(tǒng)運(yùn)行速度不變，需要閉環(huán)系統(tǒng)的17

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，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器（控制器）以及檢測(cè)與反饋裝置。

結(jié)論3：

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18例2.2

對(duì)于例2.1所示的開環(huán)系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成單閉環(huán)系統(tǒng)，且已知晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)Ks=30，=0.015V·min/r，為了滿足給定的要求，計(jì)算放大器的電壓放大系數(shù)KP。KpKs

1/CeU*nUct?UnEnUd0Un++IdR_UnKs_例2.2對(duì)于例2.1所示的開環(huán)系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成單19解：在例2.1中已經(jīng)求得

Δnop=275r/min，但為了滿足D=20，s<5%的調(diào)速要求，須

Δncl=2.63r/min，由式：可得解：在例2.1中已經(jīng)求得20代入已知參數(shù)，則得即只要放大器的放大系數(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)。代入已知參數(shù)，則得21nOIdId1Id2AA’開環(huán)機(jī)械特性圖2.19閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系Ud4Ud3Ud2Ud1Kp

U*n?UnUn+_Un1/CeUctEnUd0+IdRKs_BId3Id4CD閉環(huán)靜特性nOIdId1Id2AA’開環(huán)機(jī)械特性圖2.19閉環(huán)系統(tǒng)靜22由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)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(bǔ)償電樞回路電阻壓降。由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在23轉(zhuǎn)速反饋單閉環(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(gè)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。4.單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本特征轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋24閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為

只有K=，才能使ncl

=0，而這是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的。(1)具有比例放大器的單閉環(huán)系統(tǒng)存在靜差閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為(1)具有比例放25(2)閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)源：負(fù)載變化的擾動(dòng)（使Id變化）；交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)（使Ks變化）；電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng)（造成Ce變化

）；放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng)（使Kp變化）；溫升引起主電路電阻增大的擾動(dòng)（使R變化）；檢測(cè)誤差的擾動(dòng)（使變化）。

(2)閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)源：26擾動(dòng)作用的位置圖2.20閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用勵(lì)磁變化Id變化電源波動(dòng)Kp變化電阻變化檢測(cè)誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

擾動(dòng)作用的位置圖2.20閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作27反饋控制系統(tǒng)對(duì)被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)都有抑制功能。但是，如果在反饋通道上的測(cè)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(huì)增大被調(diào)量的誤差。擾動(dòng)帶來的影響反饋控制系統(tǒng)對(duì)被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)都有抑制功能。28

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)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從的。結(jié)論4：

反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效29給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng)，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動(dòng)。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。檢測(cè)精度——反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測(cè)精度決定了系統(tǒng)輸出精度。(3)系統(tǒng)的精度依賴于給定和檢測(cè)元件的精度給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度302.3.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析通過穩(wěn)態(tài)性能的研究可知：引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋并使放大倍數(shù)K足夠大，就可以減少穩(wěn)態(tài)速降，滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)要求。但是放大系數(shù)過大，會(huì)使閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差，甚至造成不穩(wěn)定，因此有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能的分析。2.3.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析通過穩(wěn)態(tài)31為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。1.單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先32

建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟：（1）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微分方程；（2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3）組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟：33+A+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++L(1)額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)+A+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+34TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流電動(dòng)機(jī)等效電路

假定主電路電流連續(xù)，則電壓平衡方程為：

電壓平衡方程(1)額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流35TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流電動(dòng)機(jī)等效電路

忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為：

轉(zhuǎn)矩平衡方程(1)額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)—飛輪慣量TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流36結(jié)合，

并定義下列時(shí)間常數(shù)—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，s；—電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，s。結(jié)合，并定義下列時(shí)間常數(shù)37式中為負(fù)載電流。

將上述各式進(jìn)行整理，得到微分方程組微分方程式中為負(fù)載電流38

在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)

電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電39動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsE(s)Ud0+-1/RTls+1Id

(s)++動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖Id(s)IdL(s)+-E(s)R40n(s)圖2.22電流連續(xù)時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1/CeUd0(s)IdL

(s)

E(s)Id(s)++--1/RTls+1RTmsn(s)圖2.22電流連續(xù)時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1/C41

由上圖可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，另一個(gè)是負(fù)載電流IdL。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換。由上圖可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入42n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)帶載時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化a.IdL≠

0n(s)Ud0(s)+-1/CeTmTls2+Tms43n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0

(s)空載時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化b.IdL=0n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0(s)44+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++L(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctG45(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)由于晶閘管整流裝置總離不開觸發(fā)電路，因此在進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)，往往把它們看作一個(gè)整體，作為一個(gè)環(huán)節(jié)處理。+Ud0UctGT(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)由于46

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測(cè)定

放大系數(shù)Ks的求取

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍47如果不能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

Uc=0~10V相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V可取Ks

=220/10=22如果不能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。48晶閘管觸發(fā)與整流裝置的滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。滯后時(shí)間Ts的求取

晶閘管觸發(fā)與整流裝置的滯后效應(yīng)是由晶閘管的失49u2udUctta1OUc1Uc2a1ttOOOa2a2Ud01Ud02Ts圖2.23晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間失控時(shí)間Ts的分析

u2udUctta1OUc1Uc2a1ttOOOa2a2Ud50顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定式中

—交流電流頻率；—一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm最大失控時(shí)間Tsmax的計(jì)算

顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化51

相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來說，Ts是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值Ts

=Tsmax/2，并認(rèn)為是常數(shù)。也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts=Tsmax。下表列出了不同整流電路的失控時(shí)間。表2.2不同整流電路的失控時(shí)間（f=50Hz）

Ts值的選取

相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來說，Ts是不大52

由于Ts

很小，為了分析和設(shè)計(jì)的方便，當(dāng)系統(tǒng)的截止頻率滿足時(shí)，可將晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)近似成一階慣性環(huán)節(jié)，即傳遞函數(shù)的近似處理由于Ts很小，為了分析和設(shè)計(jì)的方便，當(dāng)系統(tǒng)53Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)準(zhǔn)確的(b)近似的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)準(zhǔn)確的(54

直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)和反饋系數(shù)，即

放大器測(cè)速反饋(3)控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器55

知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來，就可以得到閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中56圖2.24單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)(4)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)?Un(s)圖2.24單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n(s)57

設(shè)Idl=0，在給定輸入下，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是設(shè)Idl=0，在給定輸入下，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉58

上式表明，將晶閘管觸發(fā)和整流裝置按一階慣性環(huán)節(jié)近似處理后，帶比例放大器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)三階線性系統(tǒng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)電樞的供電電源采用直流PWM變換器時(shí)，也可以得到完全相似的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。上式表明，將晶閘管觸發(fā)和整流裝置按一階慣性環(huán)59下面以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和閉環(huán)傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究其穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)校正問題。2.單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)校正下面以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和60由閉環(huán)傳遞函數(shù)得到反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為

它的一般表達(dá)式為(1)穩(wěn)定條件由閉環(huán)傳遞函數(shù)得到反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的61

根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是

閉環(huán)特征方程的各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有或根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定62整理后得

上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)Kcr，當(dāng)K

≥Kcr時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。整理后得上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)63例2.3

對(duì)于例2.1的V-M系統(tǒng)，按例2.2要求構(gòu)成轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，除了前述所有已知條件和性能要求外，又知道晶閘管整流裝置采用三相橋式全控整流電路，電樞回路總電感L=2.16mH，整個(gè)系統(tǒng)的飛輪慣量GD2=78N·m2，試分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例2.3對(duì)于例2.1的V-M系統(tǒng)，按例2.2要求構(gòu)成轉(zhuǎn)速64解計(jì)算系統(tǒng)各時(shí)間常數(shù)為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)應(yīng)為解計(jì)算系統(tǒng)各時(shí)間常數(shù)為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)應(yīng)65由例2.3可知，為使系統(tǒng)穩(wěn)定，希望K<67；而由例2.2可知，為使系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)要求，應(yīng)使K>103.6。可見，穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求是矛盾的，而且一般的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)大都如此。

怎么辦？由例2.3可知，為使系統(tǒng)穩(wěn)定，希望K<67；66為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定并具有一定的穩(wěn)定裕量，同時(shí)滿足穩(wěn)態(tài)性能的要求，必須采用動(dòng)態(tài)校正措施以改造系統(tǒng)，即設(shè)計(jì)合適的校正裝置，才能圓滿地達(dá)到要求。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定并具有一定的穩(wěn)定裕量，同時(shí)滿67(2)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)基本部件選擇穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)定性分析動(dòng)態(tài)性能分析引入校正裝置(2)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟：系統(tǒng)68靜態(tài)設(shè)計(jì)——首先應(yīng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，選擇基本部件，按穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算參數(shù)，形成基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱原始系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)分析——建立原始系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，畫出其伯德圖，檢查它的穩(wěn)定性和其他動(dòng)態(tài)性能。動(dòng)態(tài)校正——如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，或動(dòng)態(tài)性能不好，就必須配置合適的動(dòng)態(tài)校正裝置，使校正后的系統(tǒng)全面滿足性能要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟靜態(tài)設(shè)計(jì)——首先應(yīng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，選擇基本部件，按穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)69串聯(lián)校正并聯(lián)校正串聯(lián)校正結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，而且只要?jiǎng)討B(tài)要求不是很高，一般都能達(dá)到。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的校正方式：動(dòng)態(tài)校正方式串聯(lián)校正運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的校正方式：動(dòng)態(tài)校正方式70

在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是伯德圖（BodeDiagram），即開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡(jiǎn)便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是伯德圖（B71在實(shí)際系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還要有一定的裕度，以防參數(shù)變化和一些未計(jì)入因素的影響。在伯德圖上，用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：相角裕度

和以分貝表示的增益裕度Lh。一般要求：

=45°~70°

Lh>6dB

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在實(shí)際系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還72從圖中三個(gè)頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括四個(gè)方面：0L/dBc/s-1-20dB/dec低頻段中頻段高頻段圖2.25典型的控制系統(tǒng)伯德圖典型控制系統(tǒng)伯德圖從圖中三個(gè)頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些73中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；截止頻率（或稱剪切頻率）c越高，則系統(tǒng)的快速性越好；低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高；高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋74以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。

設(shè)計(jì)時(shí)往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個(gè)矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結(jié)果。以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求75舉例說明——利用Bode圖分析系統(tǒng)穩(wěn)定性n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

(s)Un(s)+-KsTss+1Kp1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)?Un(s)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：舉例說明——利用Bode圖分析系統(tǒng)穩(wěn)定性n(s)U*n76

一般情況下，Tm≥4Tl，因此分母中的二次項(xiàng)可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即這樣，開環(huán)傳遞函數(shù)變成一般情況下，Tm≥4Tl，因此分母中77

研究例2.3中的系統(tǒng)，已知Ts=0.00167s，Tl=0.012s，Tm

=0.098s，在這里，Tm≥4Tl，因此分母中的二次項(xiàng)可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即

研究例2.3中的系統(tǒng)，已知Ts=0.00178

滿足穩(wěn)態(tài)性能要求的閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)已取為于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是

滿足穩(wěn)態(tài)性能要求的閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)已79其中三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為

其中三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為80

系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻及相頻特性系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻及相頻特性81由圖可見，相角裕度和增益裕度Lh都是負(fù)值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。這和例2.3中用勞斯判據(jù)得到的結(jié)論是一致的。由圖可見，相角裕度和增益裕度Lh都是負(fù)82

在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)串聯(lián)校正，常用運(yùn)算放大器組成PI（滯后）、PD（超前）、PID（超前—滯后）三種校正裝置。串聯(lián)校正的實(shí)現(xiàn)在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)串聯(lián)校正，常用運(yùn)算放大83串聯(lián)校正的實(shí)現(xiàn)——PI調(diào)節(jié)器圖2.27比例積分（PI）調(diào)節(jié)器Uex++CRbUinR0+AR1-i1i0-串聯(lián)校正的實(shí)現(xiàn)——PI調(diào)節(jié)器圖2.27比例積分（PI）84串聯(lián)校正的工程實(shí)現(xiàn)方法Step1對(duì)消時(shí)間常數(shù)最大的環(huán)節(jié)串聯(lián)校正的工程實(shí)現(xiàn)方法Step1對(duì)消時(shí)間常數(shù)最大的環(huán)節(jié)85串聯(lián)校正的工程實(shí)現(xiàn)方法Step2按照的要求，求得相應(yīng)的截止頻率，滿足繼而推導(dǎo)出KPI的值。串聯(lián)校正的工程實(shí)現(xiàn)方法Step2按照862.3.3無靜差調(diào)速系統(tǒng)和積分控制規(guī)律本節(jié)將討論，采用積分（I）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器代替比例放大器，構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。

為什么要討論無靜差調(diào)速系統(tǒng)？2.3.3無靜差調(diào)速系統(tǒng)和積分控制規(guī)律本節(jié)87如前所述，采用P放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，Kp

越大，系統(tǒng)精度越高；但Kp

過大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。進(jìn)一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為Uct=KpUnUct0，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，即Un

0；Uct

=0，電動(dòng)機(jī)停止，即Un

=0。

問題的提出如前所述，采用P放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，88+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++L①②不可能無窮大不能為零+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctG89

因此，在采用比例調(diào)節(jié)器的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，輸入偏差是維系系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，必然要產(chǎn)生靜差，因此是有靜差系統(tǒng)。如果要消除系統(tǒng)誤差，必須尋找其他控制方法，比如：采用積分（Integration）調(diào)節(jié)器或比例積分（ProportionalIntegration）調(diào)節(jié)器來代替比例放大器。因此，在采用比例調(diào)節(jié)器的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，輸入901.積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律圖2.28積分調(diào)節(jié)器Uex++CRbUinR0+-ii0-

UexUintUinUexO圖2.29階躍輸入時(shí)的輸出特性Uexm1.積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律圖2.28積分調(diào)節(jié)器U91

積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為只要在調(diào)節(jié)器輸入端有Uin作用，電流i不為零，電容C就不斷積分，輸出Uex不斷增加，直到運(yùn)算放大器達(dá)到飽和。積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為只要92積分調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)累積作用——只要輸入端有信號(hào)，哪怕是微小信號(hào)，積分就會(huì)進(jìn)行，直到輸出達(dá)到飽和。記憶作用——積分過程中，如果輸入信號(hào)突變?yōu)榱?，積分器的輸出將保持在當(dāng)前值。延緩作用——即使輸入信號(hào)突變，積分器輸出也不能躍變，只能以固定的斜率線性增長(zhǎng)。積分調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)累積作用——只要輸入端有信號(hào)，哪怕是微小93轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課件94比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。

有偏差就調(diào)節(jié)、控制輸出保持等特性使得積分調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)無差調(diào)節(jié)。分析結(jié)果比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而95積分控制器的輸出響應(yīng)比較緩慢，為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，需要對(duì)積分控制器進(jìn)行改進(jìn)。存在問題積分控制器的輸出響應(yīng)比較緩慢，為了提高系統(tǒng)的96如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，該怎么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，這便是比例積分控制。解決辦法如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，該怎么辦97UexUinUexmtUinUexO比例積分（PI）調(diào)節(jié)器Uex++CRbUinR0+AR1-i1i0-階躍輸入時(shí)的輸出特性KPIUin2.比例積分調(diào)節(jié)器和比例積分控制規(guī)律UexUinUexmtUinUexO比例積分（PI）調(diào)節(jié)器98

OtOtUex?Uin121+2PI調(diào)節(jié)器輸出特性曲線2：積分作用1：比例作用1+2：比例積分作用OtOtUex?Uin121+2PI調(diào)節(jié)器輸出特性曲線299分析結(jié)果

由此可見，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。

分析結(jié)果由此可見，比例積分控制綜合了比100圖2.31無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)++-+-M+-nU*nR0R0RbUctLIdR1C1UnUdMTG3采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)+-~圖2.31無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)++-+-M+-nU*nR0101（1）穩(wěn)態(tài)抗擾性能分析n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

(s)Un(s)+-KsTss+1A1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)?Un(s)只考慮擾動(dòng)作用的影響，即令U*n(s)=0，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可變換為下面的形式：（1）穩(wěn)態(tài)抗擾性能分析n(s)U*n(s)IdL(s)102Δn(s)-IdL

(s)

A1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)KsTss+1采用不同調(diào)節(jié)器時(shí)，輸出量Δn(s)與擾動(dòng)量IdL

(s)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系如下：Δn(s)-IdL(s)A1/CeTmTls2+T103①采用P調(diào)節(jié)器不同調(diào)節(jié)器作用時(shí)，擾動(dòng)對(duì)輸出的影響②采用I調(diào)節(jié)器③采用PI調(diào)節(jié)器①采用P調(diào)節(jié)器不同調(diào)節(jié)器作用時(shí)，擾動(dòng)對(duì)輸出的影響②采用I104①采用P調(diào)節(jié)器利用終值定理求擾動(dòng)輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差②采用I調(diào)節(jié)器③采用PI調(diào)節(jié)器①采用P調(diào)節(jié)器利用終值定理求擾動(dòng)輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差②采用I105分析結(jié)果

只要在控制系統(tǒng)的前項(xiàng)通道上的擾動(dòng)作用點(diǎn)以前含有積分環(huán)節(jié)，當(dāng)這個(gè)擾動(dòng)為突加階躍擾動(dòng)時(shí)，它便不會(huì)引起穩(wěn)態(tài)誤差。如果積分環(huán)節(jié)出現(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)以后，它對(duì)消除靜差是無能為力的。分析結(jié)果只要在控制系統(tǒng)的前項(xiàng)通道上的擾106

由于無靜差調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)沒有速度偏差，即Un=0，因此可以得到|Un|

=|Un*|=αn，則在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可直接計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

—電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)的最高轉(zhuǎn)速；—相應(yīng)的給定電壓的最大值。

nmaxU*nmax轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的求取由于無靜差調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)沒有速度偏差，即107（2）動(dòng)態(tài)抗擾性能分析

這里對(duì)單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能進(jìn)行定性的分析。

比較下面的兩組動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線：（2）動(dòng)態(tài)抗擾性能分析這里對(duì)單閉環(huán)無靜差調(diào)108給定值不變突加負(fù)載擾動(dòng)動(dòng)態(tài)速降轉(zhuǎn)速偏差控制電壓給定值不變突加負(fù)載擾動(dòng)動(dòng)態(tài)速降轉(zhuǎn)速偏差控制電壓給定值不變突加負(fù)載擾動(dòng)動(dòng)態(tài)速降轉(zhuǎn)速偏差控制電壓給定值不變突加1092.3.4限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋的應(yīng)用要明確三個(gè)問題：1.為什么要加入電流負(fù)反饋？2.什么是電流截止負(fù)反饋？3.如何實(shí)現(xiàn)電流截止負(fù)反饋？2.3.4限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋的應(yīng)用要明確三1101問題的提出

為了解決轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題。系統(tǒng)中必須設(shè)有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。1問題的提出為了解決轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)111起動(dòng)的沖擊電流——直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，如果沒有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對(duì)電機(jī)換向不利，對(duì)過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。堵轉(zhuǎn)電流——有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。

啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)電流起動(dòng)的沖擊電流——直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，如果沒有限流措施，112解決辦法為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。解決辦法為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和113帶電流負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖KpKs

1/CeU*nUc?UnIdEnUd0Un++--

R

-

Rs

Ui系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖帶電流負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖KpKs1/C114靜特性方程帶電流負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程為：與轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程相比，多了一項(xiàng)由電流反饋引起的轉(zhuǎn)速降落。靜特性方程帶電流負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程為：115Idbl0n0A—轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性B—轉(zhuǎn)速電流負(fù)反饋特性IdO加電流負(fù)反饋后系統(tǒng)的靜特性曲線電流負(fù)反饋的引入使系統(tǒng)的靜特性變的很軟。Idbl0n0A—轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性B—轉(zhuǎn)速電流負(fù)反饋特性I116IdOn堵轉(zhuǎn)時(shí)期望的系統(tǒng)靜特性曲線期望的靜特性曲線IdOn

正常運(yùn)行時(shí)期望的系統(tǒng)靜特性曲線特點(diǎn)：“軟”轉(zhuǎn)速變化對(duì)電流影響小特點(diǎn)：“硬”電流變化對(duì)轉(zhuǎn)速影響小IdOn堵轉(zhuǎn)時(shí)期望的系統(tǒng)靜特性曲線期望的靜特性曲線IdO117進(jìn)一步的問題綜上所述，電流負(fù)反饋的作用只應(yīng)在啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)的時(shí)候存在，在正常運(yùn)行時(shí)必須去掉。這種當(dāng)電流大到一定程度才起作用的電流負(fù)反饋稱作電流截止負(fù)反饋（截流反饋）。

這樣的系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)？進(jìn)一步的問題綜上所述，電流負(fù)反饋的作用只1182電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)基本思想：將電流反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再與比較電壓信號(hào)進(jìn)行比較?！隼锚?dú)立電源作比較電壓■利用穩(wěn)壓管獲得比較電壓

2電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)基本思想：將電流反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信119圖2.34電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)a）利用獨(dú)立電源作比較電壓M++--UdId

RsVDUi

Ucom接放大器Mb)利用穩(wěn)壓管獲得比較電壓

UbrM+-UdId

RsVSTUi接放大器M2電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)+-+-圖2.34電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)a）利用獨(dú)立電源作比較電壓M120圖2.35系統(tǒng)原理圖++-+-MnRP1U*nR0R0RbalUcVSTUiTALIdR1C1UdM2帶電流截止負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)+-UnTGR0交流電流檢測(cè)裝置+-圖2.35系統(tǒng)原理圖++-+-MnRP1U*nR0R0121Ubr電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)VSTUi1.電流反饋信號(hào)來自交流電流檢測(cè)裝置；2.該檢測(cè)裝置測(cè)得的信號(hào)與電機(jī)電流Id成正比；3.穩(wěn)壓管的擊穿電壓為Ubr；4.擊穿電壓對(duì)應(yīng)臨界截止電流Idcr及反饋系數(shù)βUbr電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)VSTUi1.電流反饋信號(hào)來自122Ubr電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸出特性VSTUi1.當(dāng)輸入信號(hào)(βId

-

Ubr)>0時(shí)，輸入輸出為線性關(guān)系；2.當(dāng)輸入信號(hào)(βId

-

Ubr)

≤0時(shí)，輸出恒為零。0Ui(βId

-

Ubr)+-Ubr電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸出特性VSTUi1.當(dāng)輸入123圖2.37帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖nKs

1/CeU*nUct?UnIdEUd0Un++--Rβ-UbrβId

-

Ubr-加電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)后系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖Ui圖2.37帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖nKs124當(dāng)Id

≤

Idcr

時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性相同

當(dāng)Id

Idcr時(shí)，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成

靜特性方程——分兩段描述當(dāng)Id≤Idcr時(shí)，電流負(fù)反饋被截125IdblIdcrn0IdOnAB圖2.38帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

靜特性曲線——分兩段描述IdblIdcrn0IdOnAB圖2.38帶電流截止負(fù)反饋126

A-B段靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過載時(shí)，電動(dòng)機(jī)停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流Idbl。令n=0，得A-B段靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)127堵轉(zhuǎn)應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取

Idbl=（1.5~2.5）Inom從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取Idcr

≥（1.1~1.2）Inom電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)堵轉(zhuǎn)應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取電流截止負(fù)反饋環(huán)128參考示例P188例2.7

P194例2.9參考示例P188例2.7129思考題2-3：P209習(xí)題2.12習(xí)題2.13思考題2-3：P209習(xí)題2.12130直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第2章直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第2章1312.3轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.3.1單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性2.3.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析2.3.3無靜差調(diào)速系統(tǒng)的積分控制規(guī)律2.3.4單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)2.3轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.3.1單閉環(huán)調(diào)速系1322.3.1單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性控制器功率驅(qū)動(dòng)裝置生產(chǎn)機(jī)械電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定電網(wǎng)轉(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖2.3.1單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性控制器功率驅(qū)動(dòng)裝置生1331.單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUdUctGT+++放大器L測(cè)速發(fā)電機(jī)1.單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+1342.轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的；（2）V-M系統(tǒng)工作在開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段；（3）忽略控制電源和電位器的等效電阻。

為分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，先作如下的假定：2.轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性（1）忽略各種非線性135電壓比較環(huán)節(jié)放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性測(cè)速反饋環(huán)節(jié)各環(huán)節(jié)靜態(tài)關(guān)系電壓比較環(huán)節(jié)放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性136以上各關(guān)系式中—放大器的電壓放大系數(shù)；—電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，（V·min/r）；—UPE的理想空載輸出電壓；—電樞回路總電阻。KpKsRUd0以上各關(guān)系式中KpKsRUd0137采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++LKpKs采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+ATG+Utgn?UnU*138KpKs

1/CeU*nUct?UnEnUd0Un++IdR_UnKs轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖_由上述五個(gè)關(guān)系式可以得到轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖。KpKs1/CeU*nUct?UnEnUd0Un++Id139U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-Ea）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)b）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs1/CeUc?UnnUd0Un+-+K140靜特性方程式將給定輸入和擾動(dòng)輸入下系統(tǒng)的靜態(tài)方程疊加，推導(dǎo)出整個(gè)系統(tǒng)的靜特性方程式：式中，為閉環(huán)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。靜特性方程式將給定輸入和擾動(dòng)輸入141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(dòng)機(jī)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(jī)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。注意：142

比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)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(jī)械特性為

而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成

3.開環(huán)系統(tǒng)機(jī)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(jī)械特性和閉環(huán)143在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為

和它們的關(guān)系是

(1)閉環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的硬度大大提高在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為(1)閉144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(shí)，(2)n0op=n0cl時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)靜差率小許多閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為(2)n145如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對(duì)最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， 再考慮Δnop和Δncl之間的關(guān)系，得

(3)靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍大大提高如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對(duì)最低速146如要維持系統(tǒng)運(yùn)行速度不變，需要閉環(huán)系統(tǒng)的是開環(huán)系統(tǒng)的(1+K)倍。同時(shí)，前三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，也要有足夠大的K，因此必須設(shè)置放大器。(4)給定電壓相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)空載轉(zhuǎn)速大大降低如要維持系統(tǒng)運(yùn)行速度不變，需要閉環(huán)系統(tǒng)的147

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，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器（控制器）以及檢測(cè)與反饋裝置。

結(jié)論3：

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148例2.2

對(duì)于例2.1所示的開環(huán)系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成單閉環(huán)系統(tǒng)，且已知晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)Ks=30，=0.015V·min/r，為了滿足給定的要求，計(jì)算放大器的電壓放大系數(shù)KP。KpKs

1/CeU*nUct?UnEnUd0Un++IdR_UnKs_例2.2對(duì)于例2.1所示的開環(huán)系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成單149解：在例2.1中已經(jīng)求得

Δnop=275r/min，但為了滿足D=20，s<5%的調(diào)速要求，須

Δncl=2.63r/min，由式：可得解：在例2.1中已經(jīng)求得150代入已知參數(shù)，則得即只要放大器的放大系數(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)。代入已知參數(shù)，則得151nOIdId1Id2AA’開環(huán)機(jī)械特性圖2.19閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系Ud4Ud3Ud2Ud1Kp

U*n?UnUn+_Un1/CeUctEnUd0+IdRKs_BId3Id4CD閉環(huán)靜特性nOIdId1Id2AA’開環(huán)機(jī)械特性圖2.19閉環(huán)系統(tǒng)靜152由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)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(bǔ)償電樞回路電阻壓降。由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在153轉(zhuǎn)速反饋單閉環(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(gè)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。4.單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本特征轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋154閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為

只有K=，才能使ncl

=0，而這是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的。(1)具有比例放大器的單閉環(huán)系統(tǒng)存在靜差閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為(1)具有比例放155(2)閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)源：負(fù)載變化的擾動(dòng)（使Id變化）；交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)（使Ks變化）；電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng)（造成Ce變化

）；放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng)（使Kp變化）；溫升引起主電路電阻增大的擾動(dòng)（使R變化）；檢測(cè)誤差的擾動(dòng)（使變化）。

(2)閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)源：156擾動(dòng)作用的位置圖2.20閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用勵(lì)磁變化Id變化電源波動(dòng)Kp變化電阻變化檢測(cè)誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

擾動(dòng)作用的位置圖2.20閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作157反饋控制系統(tǒng)對(duì)被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)都有抑制功能。但是，如果在反饋通道上的測(cè)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(huì)增大被調(diào)量的誤差。擾動(dòng)帶來的影響反饋控制系統(tǒng)對(duì)被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)都有抑制功能。158

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)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從的。結(jié)論4：

反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效159給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng)，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動(dòng)。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。檢測(cè)精度——反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測(cè)精度決定了系統(tǒng)輸出精度。(3)系統(tǒng)的精度依賴于給定和檢測(cè)元件的精度給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度1602.3.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析通過穩(wěn)態(tài)性能的研究可知：引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋并使放大倍數(shù)K足夠大，就可以減少穩(wěn)態(tài)速降，滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)要求。但是放大系數(shù)過大，會(huì)使閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差，甚至造成不穩(wěn)定，因此有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能的分析。2.3.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析通過穩(wěn)態(tài)161為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。1.單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先162

建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟：（1）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微分方程；（2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3）組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟：163+A+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++L(1)額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)+A+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+164TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流電動(dòng)機(jī)等效電路

假定主電路電流連續(xù)，則電壓平衡方程為：

電壓平衡方程(1)額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流165TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流電動(dòng)機(jī)等效電路

忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為：

轉(zhuǎn)矩平衡方程(1)額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)—飛輪慣量TL+MUd0+ERLn,TeidM圖2.21直流166結(jié)合，

并定義下列時(shí)間常數(shù)—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，s；—電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，s。結(jié)合，并定義下列時(shí)間常數(shù)167式中為負(fù)載電流。

將上述各式進(jìn)行整理，得到微分方程組微分方程式中為負(fù)載電流168

在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)

電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電169動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsE(s)Ud0+-1/RTls+1Id

(s)++動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖Id(s)IdL(s)+-E(s)R170n(s)圖2.22電流連續(xù)時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1/CeUd0(s)IdL

(s)

E(s)Id(s)++--1/RTls+1RTmsn(s)圖2.22電流連續(xù)時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1/C171

由上圖可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，另一個(gè)是負(fù)載電流IdL。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換。由上圖可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入172n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)帶載時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化a.IdL≠

0n(s)Ud0(s)+-1/CeTmTls2+Tms173n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0

(s)空載時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化b.IdL=0n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0(s)174+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctGT+++L(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)+ATG+Utgn?UnU*nMTGIdUnUd0UctG175(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)由于晶閘管整流裝置總離不開觸發(fā)電路，因此在進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)，往往把它們看作一個(gè)整體，作為一個(gè)環(huán)節(jié)處理。+Ud0UctGT(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)由于176

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測(cè)定

放大系數(shù)Ks的求取

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍177如果不能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

Uc=0~10V相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V可取Ks

=220/10=22如果不能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。178晶閘管觸發(fā)與整流裝置的滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。滯后時(shí)間Ts的求取

晶閘管觸發(fā)與整流裝置的滯后效應(yīng)是由晶閘管的失179u2udUctta1OUc1Uc2a1ttOOOa2a2Ud01Ud02Ts圖2.23晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間失控時(shí)間Ts的分析

u2udUctta1OUc1Uc2a1ttOOOa2a2Ud180顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定式中

—交流電流頻率；—一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm最大失控時(shí)間Tsmax的計(jì)算

顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化181

相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來說，Ts是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值Ts

=Tsmax/2，并認(rèn)為是常數(shù)。也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts=Tsmax。下表列出了不同整流電路的失控時(shí)間。表2.2不同整流電路的失控時(shí)間（f=50Hz）

Ts值的選取

相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來說，Ts是不大182

由于Ts

很小，為了分析和設(shè)計(jì)的方便，當(dāng)系統(tǒng)的截止頻率滿足時(shí)，可將晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)近似成一階慣性環(huán)節(jié)，即傳遞函數(shù)的近似處理由于Ts很小，為了分析和設(shè)計(jì)的方便，當(dāng)系統(tǒng)183Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)準(zhǔn)確的(b)近似的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)準(zhǔn)確的(184

直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)和反饋系數(shù)，即

放大器測(cè)速反饋(3)控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器185

知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來，就可以得到閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中186圖2.24單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1