電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)

電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)2023/3/281第一頁，共六十五頁，2022年，8月28日調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng)自動(dòng)系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)又可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速兩種，稱為直流拖動(dòng)系統(tǒng)和交流拖動(dòng)系統(tǒng)。調(diào)速具有兩個(gè)方面的含義：一是能在一定范圍內(nèi)“變速調(diào)速”，電動(dòng)機(jī)負(fù)載不變時(shí)，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。二是“恒速調(diào)速”，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械在某一速度下運(yùn)行時(shí)，總要受到外界的干擾，為保證工作速度不受干擾的影響，也要進(jìn)行調(diào)速。例如負(fù)載增加，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速要降低，為維持轉(zhuǎn)速恒定，就得調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使其回升，并等于或接近于原來的轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

n=(U-IR)/(CeΦ)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法：（1）調(diào)電樞電壓（2）弱磁升速（3）變電樞回路電阻2023/3/282第二頁，共六十五頁，2022年，8月28日閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)多環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)可逆調(diào)速系統(tǒng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)位置隨動(dòng)系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)2023/3/283第三頁，共六十五頁，2022年，8月28日第一章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源V—M系統(tǒng)的特殊問題反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)無靜差調(diào)速系統(tǒng)和積分—比例積分控制規(guī)律電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)2023/3/284第四頁，共六十五頁，2022年，8月28日§5—1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源對(duì)于要求廣范圍無級(jí)調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓供電電壓方式為最好，弱磁雖然也能平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速以上作小范圍升速。在調(diào)壓調(diào)速方案中，從供電電源又分為下面兩種情況：在交流供電系統(tǒng)中，采用可控變流裝置，以獲得直流可調(diào)電源；在具有恒定直流供電電源地方，采用可控硅斬波器，實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)壓調(diào)速。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組G-M靜止變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)V-M直流斬波器和脈寬調(diào)制變換PWM2023/3/285第五頁，共六十五頁，2022年，8月28日旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組G-M調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；同時(shí)改變勵(lì)磁電流的方向，發(fā)電機(jī)輸出電壓的極性也會(huì)改變，從而使轉(zhuǎn)速的方向發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)G—M的可逆運(yùn)行。設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝及維護(hù)不方便、運(yùn)行有噪音等缺點(diǎn)。

勵(lì)磁機(jī)GM負(fù)載2023/3/286第六頁，共六十五頁，2022年，8月28日靜止變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)晶閘管—電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V—M系統(tǒng)）半控整流電路只允許單象限運(yùn)行；全控整流電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變；采用正反兩組整流電路即可實(shí)現(xiàn)中象限運(yùn)行，只是硅整流設(shè)備要增加一倍。優(yōu)點(diǎn)：1、經(jīng)濟(jì)性和可靠性都有很大提高

2、速度有很大提高，機(jī)組秒級(jí)；晶閘管整流器毫秒級(jí)

3、功率放大倍數(shù)在104以上

M2023/3/287第七頁，共六十五頁，2022年，8月28日缺點(diǎn)：1、由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕肟卣麟娐分荒軉蜗笙捱\(yùn)行；全控整流電路能二象限運(yùn)行；要可逆運(yùn)行，必須實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，只好采用正、反兩組全控整流電路，所以整流設(shè)備要增加一倍。

2、元件對(duì)過電壓、過電流及過高的電壓變化率和電流變化率都十分敏感，所以需加可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱設(shè)備。

3、系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，晶閘管的導(dǎo)通小，系統(tǒng)功率因數(shù)低，會(huì)產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，會(huì)殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。增調(diào)無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。響應(yīng)時(shí)間功率放大倍數(shù)

變流機(jī)組v-m2023/3/288第八頁，共六十五頁，2022年，8月28日直流斬波器和脈寬調(diào)制變換直流斬波器適用于地鐵、電力機(jī)車、無軌電車及電瓶車等。此時(shí)晶閘管工作在開關(guān)狀態(tài)，工作原理及電路圖所下所示：VT導(dǎo)通時(shí)，Us加到電動(dòng)機(jī)上；UT關(guān)斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流。這里VT工作在開關(guān)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為

T—晶閘管的開關(guān)周期

ton—VT開通時(shí)間Ρ=ton/T=tonf—占空比f—開關(guān)頻率（100~200hz）

強(qiáng)迫關(guān)斷電路MTton2023/3/289第九頁，共六十五頁，2022年，8月28日直流斬波器的幾種控制方式1脈沖寬度調(diào)制PWM：T不變，只改變ton,也就是變脈寬2脈沖頻率調(diào)制PFM：T改變，ton不變，也就是變晶閘管關(guān)斷時(shí)間。3兩點(diǎn)式控制：當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時(shí)，VT導(dǎo)通；當(dāng)負(fù)載電流或電壓達(dá)到某一最大值時(shí)，VT關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間不確定。2023/3/2810第十頁，共六十五頁，2022年，8月28日PWM調(diào)速系統(tǒng)（脈寬調(diào)速系統(tǒng)）主要是近年來研制了既能控制開通又能控制關(guān)斷的“全控式”電力電子器件，如門極可關(guān)晶閘管GTO、電力晶體管GTR、電力場效應(yīng)管P—MOSFET等，全控式器件的關(guān)斷時(shí)間短，其構(gòu)成的斬波器工作頻率可達(dá)20KHz，在其實(shí)行開關(guān)控制時(shí)，采用了脈沖寬度的調(diào)制方法，簡稱PWM調(diào)速系統(tǒng)或脈寬調(diào)速系統(tǒng)。其與V—M系統(tǒng)相比要以下優(yōu)點(diǎn)1.開關(guān)頻率高，電樞電流連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，損耗和發(fā)熱小。2.與電機(jī)配合使用時(shí)，頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。3.由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高直流PWM系統(tǒng)只適用于中、小型系統(tǒng)。2023/3/2811第十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日§5—2V—M系統(tǒng)的特殊問題觸發(fā)脈沖相位控制把整流裝置內(nèi)部壓降、器件的正向壓降、變壓器的漏抗引起的換向壓降都移到整流裝置外部。

Udo理想空載電壓；對(duì)一般全控式整流電路，當(dāng)電路波形連續(xù)時(shí)

m交流電源一周期內(nèi)整流電壓脈動(dòng)數(shù)；Udo為α=0時(shí)輸出電壓的峰值。2023/3/2812第十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日電流脈動(dòng)的影響及其抑制措施影響：

1、脈動(dòng)電流產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利。

2、脈動(dòng)電流造成較大的諧波分量，流入電源后對(duì)電網(wǎng)不利，同時(shí)也增加電機(jī)發(fā)熱。抑制電流脈動(dòng)的措施。

1、增加整流電路的相數(shù)。

2、設(shè)置平波電抗器，按低速輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件來選擇平波電抗器的電感量。電流波形的連續(xù)和斷續(xù)

V—M系統(tǒng)最主要特點(diǎn)當(dāng)電阻性負(fù)載及電感性負(fù)載電感量不是很大時(shí)都會(huì)引起波形斷續(xù)，電流波形斷續(xù)會(huì)給平均值描述帶來一種非線性因素，造成機(jī)械特性的非線性。2023/3/2813第十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日V—M系統(tǒng)的機(jī)械特性

當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，只要是電流連續(xù)就可以看成是一個(gè)線性可控電壓源。斷續(xù)時(shí)，機(jī)械特性很復(fù)雜。完整的V—M系統(tǒng)的機(jī)械特性，包含整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)、連續(xù)區(qū)和斷續(xù)區(qū)。連續(xù)時(shí)特性較硬；斷續(xù)段特性較軟呈顯著非線性，可采用直線逼近斷續(xù)特性。2023/3/2814第十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日§5—3反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)（一）控制要求：調(diào)速：在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地（無級(jí)）調(diào)節(jié)調(diào)速。穩(wěn)速：以一定的精度在所需的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種可能的干擾下，不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。加、減速：頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求盡量快地加、減速以提高生產(chǎn)率，不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。（二）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)稱作穩(wěn)態(tài)指標(biāo)調(diào)速范圍D：生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比叫調(diào)速范圍。nmax和nmin通常是指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。

2023/3/2815第十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日靜差率S：衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度。當(dāng)系統(tǒng)某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，負(fù)載由理想空載增加到滿載所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落△nnom與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比。

※靜差率和硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高；硬度相同時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍

※調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率與額定轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系在直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，常以電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速nnom為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為△nnom，則系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率。2023/3/2816第十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日而

得當(dāng)△nnom一定時(shí)S越小D也越小。例5—1龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)：Z2——93型，60KW、220V、305A、1000r/min、要求D=20、S≤5%，用V—M系統(tǒng)。已知：主電路電阻R=0.18歐，電動(dòng)機(jī)Ce=0.2Vmin/r，則當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為多少？靜差率為多少？

275r/min21.6%

系統(tǒng)要求：速降－２.63%2023/3/2817第十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能1.組成及靜特性假定：（1）忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)輸入輸出關(guān)系都是線性的（2）假定只工作在V—M系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段（3）忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻AGTMTG2023/3/2818第十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日閉環(huán)系統(tǒng)的靜特：表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。KpKsα-2023/3/2819第十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日

閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)2023/3/2820第二十頁，共六十五頁，2022年，8月28日2.開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性與閉環(huán)靜特性的比較開環(huán)機(jī)械特性

閉環(huán)靜特性

（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多（2）同一n。下，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多→當(dāng)n0op=n0cl時(shí)2023/3/2821第二十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日（3）當(dāng)S一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)提高調(diào)速范圍（4）如取得上述三條優(yōu)越性，需設(shè)置放大器，K要足夠大.也會(huì)得出如下的公式：結(jié)論：閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性比開環(huán)硬，在保證在一定靜差率要求下，能提高調(diào)速范圍，須增檢測與反饋裝置和電壓放大器?！D(zhuǎn)速降落的實(shí)質(zhì)：轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就能檢測出來，通過比較和放大，提高晶閘管輸出電壓，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性上，轉(zhuǎn)速又有所回升。系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在與它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能夠隨負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變整流電壓。

2023/3/2822第二十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日3.反饋控制規(guī)律（1）被控量有偏差,K越大，靜特性越硬，穩(wěn)態(tài)速降小，在一定的靜差率要求下的調(diào)速范圍越廣，K越大，穩(wěn)態(tài)性能越好。K→無窮△ncl→0，所以調(diào)速系統(tǒng)叫有靜差調(diào)速系統(tǒng)，依靠偏差（被調(diào)量）的變化才能實(shí)現(xiàn)控制作用（2）抵抗擾動(dòng)與服從給定.具有良好的抗擾性能，對(duì)于被負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上的一切擾動(dòng)都能有效地加以抑制，但對(duì)給定作用的變化卻惟命是從KpKsαR2023/3/2823第二十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日（3）閉環(huán)系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋檢測精度給定電源發(fā)生波動(dòng)，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別，因此需高精度的穩(wěn)壓電源，反饋檢測元件本身的誤差，測速機(jī)的誤差，需高精度的反饋檢測元件.4.反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的主要部件和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算（1）運(yùn)算放大器高放大倍數(shù)、實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算、輸入電阻大、輸入信號(hào)共地、輸出可用鉗位限幅或接地保護(hù)，使系統(tǒng)工作安全可靠。原理圖Kp2023/3/2824第二十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日（2）晶閘管觸發(fā)裝置和整流裝置在一定范圍內(nèi)近似成線性環(huán)節(jié)Ud=f(Uct)也可據(jù)電路參數(shù)估算：如Uct的范圍0~10V，Ud的范圍0~220V則：Ks=220/10=22穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算:AMTGuct2023/3/2825第二十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日例題：電動(dòng)機(jī)：10KW、220V、50A、1000r/min，Ra=0.5Ω,晶閘管三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié)，二次線電壓E2f=230V，觸發(fā)整流電路環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=44，測速機(jī)：永磁式ZYS231/110型，額定數(shù)據(jù)23.1W、110V、0.21A、1900r/min生產(chǎn)機(jī)械要求：D=10，S≤5%解：→△ncl=5.26%

→K=53.3Ro=40KΩR1=KpRo=840KΩ2023/3/2826第二十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日5.限流保護(hù)起動(dòng)時(shí)：無限流措施會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，對(duì)電機(jī)換向不利，系統(tǒng)突加上給定電壓，此時(shí)Un=0，△Un=Un*是穩(wěn)態(tài)工作的（1+K）倍,相當(dāng)于全壓起動(dòng)，當(dāng)然是不允許的；同時(shí)如故障，機(jī)械軸被卡住等，無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值，只靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)—過載就跳閘，給正常工作帶來不便。為解決上述問題，引入電流負(fù)反饋，只在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常運(yùn)行時(shí)又得取消，讓電流自由地隨負(fù)載增減，當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)電流截止負(fù)反饋叫電流截止負(fù)反饋，也叫截流反饋即電流截止負(fù)反饋。帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下2023/3/2827第二十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日工作原理：

IdRs>Ucom，時(shí)二極管D導(dǎo)通，電流反饋信號(hào)加到放大器上去。IdRs<Ucom，時(shí)二極管D截止，Ui消失饋信號(hào)加到放大器上去。截止電流Idcr=Ucom/Rs。Id≤Idcr時(shí)，反饋截止Id≤Idcr時(shí)，反饋截止

KpKsαRRsM2023/3/2828第二十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日靜特性如右圖：下垂特性或挖土機(jī)特性）no～A段，閉環(huán)系統(tǒng)本身的靜特性；A～B段電流負(fù)反饋起作用（1）相當(dāng)于在主回路中串入一個(gè)大電阻KpKsRs，穩(wěn)態(tài)速降增大，特性急劇下降；（2）比較電壓與給定電壓一致，no提高no’。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過載時(shí)，電機(jī)停下，n=0得堵轉(zhuǎn)電流.通常取Idcr≥（1.1～1.2）Inom，Idbl<（1.2～2）Inom.

2023/3/2829第二十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日小結(jié)：1.穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)及其關(guān)系2.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及靜特性方程3.反饋控制規(guī)律4.穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算5.采用電流截止負(fù)反饋限制電流沖擊2023/3/2830第三十頁，共六十五頁，2022年，8月28日§5-4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)

反饋控制系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型建立線性系統(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，列寫描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微分方程2求各環(huán)節(jié)的傳函3組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并求出該系統(tǒng)的傳函額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)

M2023/3/2831第三十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖-IdL≠0IdL=02023/3/2832第三十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日晶閘管觸發(fā)和整流裝置晶閘管觸發(fā)與整流裝置可以看成是一個(gè)具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其滯后作用是由晶閘管裝置的失控時(shí)間引起的。失控時(shí)間Ts：從Uct發(fā)生變化到Udo發(fā)生變化的時(shí)間，隨機(jī)的，隨Uct而變化，最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間。，通常取然后將數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開并略去高次項(xiàng)得到uctud2023/3/2833第三十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日比例放大器和測速發(fā)電機(jī)比例放大器：測速機(jī)：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和傳函Kpα--TL=R/LCM=30Ce/π設(shè)IdL=0IdL開環(huán)傳函：閉環(huán)傳函：2023/3/2834第三十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日穩(wěn)定條件所以既要保證穩(wěn)定和穩(wěn)定裕度又要滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)必須加校正裝置閉環(huán)特征方程：

穩(wěn)定判據(jù)：各項(xiàng)系數(shù)都大于零；于是求得：

2023/3/2835第三十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日動(dòng)態(tài)校正—PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（一）控制系統(tǒng)對(duì)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的一般要求：研究工具是伯德圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，基本邏輯部件，穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算構(gòu)成基本閉環(huán)系統(tǒng)，建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，檢查穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，設(shè)計(jì)校正裝置，使之達(dá)到要求。衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度（相對(duì)穩(wěn)定性）指標(biāo)：相角裕度和增益裕度γ=30°～60°GM>6dB

穩(wěn)定裕度也能間接地反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著振蕩弱，超調(diào)小。三頻段：2023/3/2836第三十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日1中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0分貝線，且這一頻率占有足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。2截止頻率（剪切頻率）ωc越高，則系統(tǒng)的快速性好。3低頻段的斜率陡，增益高，表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。4高頻段衰減得越快，高頻特性負(fù)分貝值越低，系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。（二）PI調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正設(shè)計(jì)PD：構(gòu)成超前校正，可提高穩(wěn)定裕度并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度受到影響。PI：滯后校正，保持穩(wěn)態(tài)精度，卻以對(duì)快速性的限制來換取穩(wěn)定性。PID：兼二者的優(yōu)點(diǎn)，全面提高系統(tǒng)的控制性能。一般系統(tǒng)以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，對(duì)快速性要求不高，用PI調(diào)節(jié)。隨動(dòng)系統(tǒng)中快速性是主要要求，常用PD或PID調(diào)節(jié)器。2023/3/2837第三十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日1、PI調(diào)節(jié)器突加給定電壓Vin，輸出電壓跳變KpVin，保證快速性。但Kpi<Kp，所以快速性還是受到穩(wěn)定性的限制，然后C1不斷地被充電，實(shí)現(xiàn)積分作用，使Vex線性增大到放大器的飽和值。2023/3/2838第三十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日2、限幅電路外限幅電路（二極管鉗位的外限幅電路）正限幅值

負(fù)限幅值調(diào)Rp1和Rp2可以任意改變正負(fù)限幅值。缺點(diǎn)：有電容放電，會(huì)影響動(dòng)態(tài)過程。

內(nèi)限幅電路正限幅值

負(fù)限幅值只要超過限幅值，當(dāng)即擊穿該方向的穩(wěn)壓管。缺點(diǎn)：調(diào)整幅值時(shí)，需更換穩(wěn)壓管。2023/3/2839第三十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日3、引入PI調(diào)節(jié)器

注意：（1）校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率1/Kpiτ設(shè)置在遠(yuǎn)低于原始系統(tǒng)截止頻率ωC1處，令Kpiτ=T1。（2）為保證足夠的穩(wěn)定裕度對(duì)數(shù)頻率特性以-20dB/dec穿越0分貝線，使ωC2〈1/T2，L1=L2，L3=0。2023/3/2840第四十頁，共六十五頁，2022年，8月28日（三）原始系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性已知閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳函通常取Tm>4TL，上面的二次項(xiàng)才能有兩個(gè)負(fù)實(shí)根。如TL=0.017s；Tm=0.075s；Ts=0.00167sK=55.58可求出ω1=20.4,ω2=38.5,ω3=600可以算出相角裕度和幅值裕度都是負(fù)值。所以系統(tǒng)不穩(wěn)定。引入PI調(diào)節(jié)器校正。2023/3/2841第四十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日§5—5無靜差調(diào)速系統(tǒng)和積分、比例積分控制規(guī)律采用比例放大器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以滿足穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，但在動(dòng)態(tài)中可能不穩(wěn)定，因而達(dá)不到穩(wěn)態(tài)也談不上穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。帶比例放大器的閉環(huán)控制系統(tǒng)本質(zhì)上有靜差系統(tǒng)（增大放大系數(shù)只減少不消除靜差）。PI調(diào)節(jié)器不僅能使系統(tǒng)穩(wěn)定，還可以進(jìn)一步提高其穩(wěn)態(tài)性能。從理論上能夠完全消除靜差，實(shí)現(xiàn)無靜差的調(diào)速系統(tǒng)。2023/3/2842第四十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日一、積分調(diào)節(jié)器的積分控制規(guī)律1、積分調(diào)節(jié)器當(dāng)Uex的初始值為零時(shí)，在階躍輸入作用下，

2023/3/2843第四十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日比例調(diào)節(jié)器Uct=Kp△Un△Un變化，只要其極性不變，積分控制使系統(tǒng)在偏差有靜差調(diào)調(diào)速系統(tǒng)。Uct便一直增長，△Un=0，為零時(shí)保持恒速運(yùn)行，

Uct才停止上升，變負(fù)時(shí)才會(huì)下降。無靜差調(diào)速△Un=0，Uct=Uctf無靜差調(diào)速。2023/3/2844第四十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日小結(jié)：比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史，雖然現(xiàn)在△Un=0，但歷史上有過△Un，則就有足夠的控制電壓，保證新的穩(wěn)定運(yùn)行。2023/3/2845第四十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日二、積分控制規(guī)律快速性上，積分控制只能逐漸變化；比例調(diào)節(jié)器可立即響應(yīng)。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分最終能消除穩(wěn)態(tài)偏差。作為校正裝置，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2023/3/2846第四十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日三.穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析（一）比例控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差αKp所以負(fù)載擾動(dòng)所引起的穩(wěn)態(tài)速差：比例控制的調(diào)速系統(tǒng)有靜差。2023/3/2847第四十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日（二）積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差將比例Kp換成積分調(diào)節(jié)器的所以負(fù)載擾動(dòng)所引起的穩(wěn)態(tài)速差：

積分控制的調(diào)速系統(tǒng)無靜差2023/3/2848第四十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日（三）比例積分控制時(shí)抗擾誤差將積分調(diào)節(jié)器的換成比例積分調(diào)節(jié)器的則穩(wěn)態(tài)速差為：比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。

（四）穩(wěn)態(tài)抗擾誤差與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系比例控制有靜差；積分控制無靜差。只要在控制系統(tǒng)的前向通道上在擾動(dòng)作用點(diǎn)之前含有積分環(huán)節(jié)四.舉例如書教材所示2023/3/2849第四十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日§5—6電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)

調(diào)速系統(tǒng)要引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，必須有測速機(jī),安裝麻煩，引入其它方法。一、電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)AMR=Rrec+RaUn=γUdUd=Udo-IdRrecE=Ud－IdRaK=KpKsγ

IdRa不在反饋環(huán)內(nèi)，電壓反饋對(duì)它的速降不起作用電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁變化所造成的擾動(dòng)，電壓反饋也無法克服輸出電壓中除了直流分量外，還含有交流分量，把交流分量引到運(yùn)算放大器的輸入端，反而產(chǎn)生干擾另外使主電路和控制電路之間沒有直接電聯(lián)系2023/3/2850第五十頁，共六十五頁，2022年，8月28日.KpKsRrecRaγ電流正反饋和補(bǔ)償控制規(guī)律AM2023/3/2851第五十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日IdRs正反饋信號(hào)，極性與給定信號(hào)極性一致，電流反饋系數(shù)為

KpKsRrec+RsRaγβK=KpKsγ電壓反饋屬于被調(diào)量的負(fù)反饋，可以減少靜差；電流正反饋屬于補(bǔ)償控制，用一個(gè)正項(xiàng)去抵消原系統(tǒng)中負(fù)的速降項(xiàng)，電流的大小又反映負(fù)載擾動(dòng)，又叫擾動(dòng)量的補(bǔ)償控制。2023/3/2852第五十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日補(bǔ)償控制和反饋控制的比較(1)反饋控制使靜差盡量小，補(bǔ)償控制能消除靜差(2)反饋控制無條件減小靜差，補(bǔ)償控制主要依賴于參數(shù)的設(shè)定(3)反饋控制對(duì)反饋的前向通道的擾動(dòng)都有抑制作用，電流正反饋只補(bǔ)償負(fù)載擾動(dòng)全補(bǔ)償1：靜差為零時(shí)

令R=Ra+Rrec+Rs

全補(bǔ)償?shù)呐R界電流反饋系數(shù)。Β<Βcr時(shí)，欠補(bǔ)償2；Β>Βcr時(shí)，過補(bǔ)償3；電壓負(fù)反饋4；開環(huán)系統(tǒng)5。只有電流正反饋沒有電壓負(fù)反饋時(shí)

時(shí)為全補(bǔ)償。2023/3/2853第五十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日

電動(dòng)勢負(fù)反饋：欠補(bǔ)償?shù)囊环N，使電流正反饋恰好抵消掉電樞電阻產(chǎn)生的壓降。

KpKsβ=KRa實(shí)際中：（1）通常只在電壓或轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的基礎(chǔ)上加電流正反饋的補(bǔ)償作用（2）通常不會(huì)到全補(bǔ)償狀態(tài)（過補(bǔ)償時(shí)靜特性上翹，動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定）如果純電流正反饋.2023/3/2854第五十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日第五章

習(xí)題課主要內(nèi)容1．（直流調(diào)速系統(tǒng)用的）可控直流電源旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（G—M）靜止的可控整流器（V—M）優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)、可靠；速度快，機(jī)組是s級(jí)，晶閘管整流器ms級(jí)；功率放大倍數(shù)在104以上。缺點(diǎn)：需可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱設(shè)備；（系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，造成）“電力公害”。直流斬波器（主要是通過改變主開關(guān)元件的通斷時(shí)間比例來調(diào)壓的。）2023/3/2855第五十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日2．V—M系統(tǒng)的特殊問題觸發(fā)脈沖相位控制電流脈動(dòng)的影響：（脈動(dòng)電流產(chǎn)生的）脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利；脈動(dòng)電流造成較（大的諧波分量），流入電源后對(duì)電網(wǎng)不利，同時(shí)也增加電機(jī)發(fā)熱。抑制電流脈動(dòng)的措施：增加整流電路的相數(shù)；設(shè)置平波電抗器，完整的V—M系統(tǒng)的機(jī)械特性，包含整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)、連續(xù)區(qū)和斷續(xù)區(qū)。（連續(xù)時(shí)特性較硬；斷續(xù)段特性較軟呈顯著非線性。）2023/3/2856第五十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日3．反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：調(diào)速范圍D：靜差率S：衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度。（1）靜差率和硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高；（2）硬度相同時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差；（3）一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。當(dāng)△nnom一定時(shí)S越小D也越小。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能：穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖；2023/3/2857第五十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日（1）（2）同一n。下，（3）當(dāng)S一定時(shí)，（4）如取得上述三條優(yōu)越性，需設(shè)置放大器，K要足夠大，，轉(zhuǎn)速降落的實(shí)質(zhì)：（在與閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，）在于其隨負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變整流電壓。2023/3/2858第五十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日反饋控制規(guī)律（1）被控量有偏差，（依靠偏差（被調(diào)量）的變化才能實(shí)現(xiàn)控制作用）（2）抵抗擾動(dòng)與服從給定（對(duì)于被負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上的一切擾動(dòng)都能有效地加以抑制，但跟隨給定）（3）閉環(huán)系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋檢測精度。反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的主要部件和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算由電動(dòng)機(jī)參數(shù)可求得開環(huán)速降，通過對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)可以求出閉環(huán)速降，然后可以求出K然后KP。為防止起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大，引入電流截止負(fù)反饋，（下垂特性或挖土機(jī)特性）：no~A段，閉環(huán)系統(tǒng)本身的靜特性；A~B段電流負(fù)反饋起作用。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過載時(shí)，電機(jī)停下，n=0得堵轉(zhuǎn)電流2023/3/2859第五十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日4．反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和傳函穩(wěn)定條件閉環(huán)特征方程；穩(wěn)定判據(jù)：各項(xiàng)系數(shù)都大于零；求得：

K的取值范圍，系統(tǒng)不穩(wěn)定。引入PI調(diào)節(jié)器校正。動(dòng)態(tài)校正—PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)：研究工具是伯德圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，基本邏輯部件，穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算，構(gòu)成基本閉環(huán)系統(tǒng)，建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，檢查穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，設(shè)計(jì)校正裝置，使之達(dá)到要求。最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度指標(biāo)：相角裕度和增益裕度γ=30°～60°GM>6dB；PI調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正設(shè)計(jì)2023/3/2860第六十頁，共六十五頁，2022年，8月28日PD：超前校正，可提高穩(wěn)定裕度并獲得足