電力拖動(dòng)演示文稿

電力拖動(dòng)演示文稿當(dāng)前第1頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)優(yōu)選電力拖動(dòng)當(dāng)前第2頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)2.動(dòng)態(tài)校正的方法串聯(lián)校正并聯(lián)校正反饋校正而且對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前第3頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)串聯(lián)校正方法無源網(wǎng)絡(luò)校正——RC網(wǎng)絡(luò)；有源網(wǎng)絡(luò)校正——PID調(diào)節(jié)器。對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。當(dāng)前第4頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

PID調(diào)節(jié)器的類型比例微分（PD）比例積分（PI）比例積分微分（PID）當(dāng)前第5頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)PID調(diào)節(jié)器的功能由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響。由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對(duì)快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的。用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后—超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。當(dāng)前第6頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器；在隨動(dòng)系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用PD或PID調(diào)節(jié)器。當(dāng)前第7頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)3.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（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。正因?yàn)槿绱?，伯德圖是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方法。當(dāng)前第8頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時(shí)，通常將伯德圖分成低、中、高三個(gè)頻段，頻段的分割界限是大致的，不同文獻(xiàn)上的分割方法也不盡相同，這并不影響對(duì)系統(tǒng)性能的定性分析。下圖繪出了自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型伯德圖。當(dāng)前第9頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)典型伯德圖

從圖中三個(gè)頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個(gè)方面：OL/dBc/s-1-20dB/dec低頻段中頻段高頻段圖1-37自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型伯德圖

當(dāng)前第10頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

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）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)。當(dāng)前第11頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

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。當(dāng)前第12頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)4.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GM。一般要求：

=30°～60°GM>6dB當(dāng)前第13頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實(shí)際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動(dòng)態(tài)過程振蕩弱、超調(diào)小。當(dāng)前第14頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)5.設(shè)計(jì)步驟系統(tǒng)建模——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)。系統(tǒng)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。系統(tǒng)設(shè)計(jì)——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。當(dāng)前第15頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)6.設(shè)計(jì)方法湊試法——設(shè)計(jì)時(shí)往往須用多種手段，反復(fù)試湊。工程設(shè)計(jì)法——詳見第2章。當(dāng)前第16頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)1.5.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算（一）

穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，它決定了控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成環(huán)節(jié)，有了基本環(huán)節(jié)組成系統(tǒng)之后，再通過動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)，就可使系統(tǒng)臻于完善。近代自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器主要是模擬電子控制和數(shù)字電子控制，由于數(shù)字控制的明顯優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字控制系統(tǒng)已占主要地位，但從物理概念和設(shè)計(jì)方法上看，模擬控制仍是基礎(chǔ)。當(dāng)前第17頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算例題1-4

用線性集成電路運(yùn)算放大器作為電壓放大器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1-28所示，主電路是晶閘管可控整流器供電的V-M系統(tǒng)。已知數(shù)據(jù)如下：電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù)為10kW，220V，55A，1000r/min，電樞電阻Ra=0.5Ω晶閘管觸發(fā)整流裝置：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U2l=230V，電壓放大系數(shù)Ks=44當(dāng)前第18頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R=1.0Ω測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min直流穩(wěn)壓電源：±15V

若生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率s≤5%，試計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)（暫不考慮電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問題）。

當(dāng)前第19頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)解1）為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為

=5.26r/min≤當(dāng)前第20頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)2）求閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)

V·min/r=0.1925V·min/r當(dāng)前第21頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為

r/min=285.7r/min閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為≥當(dāng)前第22頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)3）計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù)

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)包含測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Cetg和其輸出電位器的分壓系數(shù)

2，即

=2Cetg根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)，

=0.0579V·min/r當(dāng)前第23頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

先試取

2=0.2，再檢驗(yàn)是否合適。現(xiàn)假定測(cè)速發(fā)電機(jī)與主電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接，則在電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋電壓為

V=11.58V

穩(wěn)態(tài)時(shí)ΔUn很小，U*n只要略大于Un

即可，現(xiàn)有直流穩(wěn)壓電源為±15V，完全能夠滿足給定電壓的需要。因此，取=0.2是正確的。

當(dāng)前第24頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

于是，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的計(jì)算結(jié)果是

V·min/r=0.01158V·min/r

電位器的選擇方法如下：為了使測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的線性度沒有顯著影響，取測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的20%，則

=1379

當(dāng)前第25頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

此時(shí)所消耗的功率為

為了使電位器溫度不致很高，實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上，故可為選用10W，1.5kΩ的可調(diào)電位器。當(dāng)前第26頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)4）計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求，前已求出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為K

≥53.3，則運(yùn)算放大器的放大系數(shù)Kp

應(yīng)為實(shí)取=21。當(dāng)前第27頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

圖1-28中運(yùn)算放大器的參數(shù)計(jì)算如下：根據(jù)所用運(yùn)算放大器的型號(hào)，取R0=40kΩ，則當(dāng)前第28頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

系統(tǒng)穩(wěn)定性分析例題1-5

在例題1-4中，已知R=1.0

，Ks=44，

Ce=0.1925V·min/r，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量GD2=10N·m2。根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)D=10，s≤0.5計(jì)算，系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)有K

≥53.3

，試判別這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

當(dāng)前第29頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)解首先應(yīng)確定主電路的電感值，用以計(jì)算電磁時(shí)間常數(shù)。對(duì)于V-M系統(tǒng)，為了使主電路電流連續(xù)，應(yīng)設(shè)置平波電抗器。例題1-4給出的是三相橋式可控整流電路，為了保證最小電流時(shí)電流仍能連續(xù)，應(yīng)采用式（1-8）計(jì)算電樞回路總電感量，即當(dāng)前第30頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)現(xiàn)在

則 取=17mH=0.017H。

當(dāng)前第31頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)計(jì)算系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)

機(jī)電時(shí)間常數(shù)

當(dāng)前第32頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)對(duì)于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為

Ts=0.00167s

當(dāng)前第33頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足式（1-59）的穩(wěn)定條件按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求K

≥53.3

，因此，閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。返回目錄當(dāng)前第34頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)1.6比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)

前節(jié)主要討論，采用比例（P）放大器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有一定的穩(wěn)定裕度，同時(shí)還能滿足一定的穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)。但是，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng)。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)。

當(dāng)前第35頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)本節(jié)提要問題的提出積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算（二）當(dāng)前第36頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)1.6.1問題的提出

如前，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

Uc=KpUnUc0，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，即Un

0；Uc

=0，電動(dòng)機(jī)停止。

當(dāng)前第37頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

因此，在采用比例調(diào)節(jié)器控制的自動(dòng)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（PI）調(diào)節(jié)器來代替比例放大器。當(dāng)前第38頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)1.6.2積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律

1.積分調(diào)節(jié)器如圖，由運(yùn)算放大器可構(gòu)成一個(gè)積分電路。根據(jù)電路分析，其電路方程++CUexRbalUinR0+A圖1-43積分調(diào)節(jié)器a)原理圖ii當(dāng)前第39頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)方程兩邊取積分，得

(1-64)

式中—積分時(shí)間常數(shù)。當(dāng)初始值為零時(shí)，在階躍輸入作用下，對(duì)式（1-64）進(jìn)行積分運(yùn)算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出(1-65)

當(dāng)前第40頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

UexUinUexmtUinUexOb)階躍輸入時(shí)的輸出特性Φ(ω)ωL/dBOL(ω)-20dB1/ωΦO-π/2c)Bode圖圖1-43積分調(diào)節(jié)器2.積分調(diào)節(jié)器的特性當(dāng)前第41頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)3.積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

(1-66)

當(dāng)前第42頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)4.轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差電壓Un的積分，按照式（1-64），應(yīng)有如果是Un

階躍函數(shù)，則Uc按線性規(guī)律增長(zhǎng)，每一時(shí)刻Uc

的大小和Un

與橫軸所包圍的面積成正比，如下圖a所示。當(dāng)前第43頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)圖1-45積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程a)階躍輸入b)一般輸入

輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程當(dāng)前第44頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

圖b繪出的Un

是負(fù)載變化時(shí)的偏差電壓波形，按照Un與橫軸所包圍面積的正比關(guān)系，可得相應(yīng)的Uc

曲線，圖中Un的最大值對(duì)應(yīng)于Uc

的拐點(diǎn)。若初值不是零，還應(yīng)加上初始電壓Uc0

，則積分式變成

當(dāng)前第45頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

由上圖b可見，在動(dòng)態(tài)過程中，當(dāng)Un

變化時(shí)，只要其極性不變，即只要仍是Un*Un

，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc

便一直增長(zhǎng)；只有達(dá)到Un*=Un

，Un

=0時(shí)，Uc

才停止上升；不到Un

變負(fù)，Uc

不會(huì)下降。在這里，值得特別強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)Un

=0時(shí)，Uc并不是零，而是一個(gè)終值Ucf

；如果Un

不再變化，此終值便保持恒定不變，這是積分控制的特點(diǎn)。當(dāng)前第46頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)分析結(jié)果采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號(hào)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。當(dāng)前第47頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)5.比例與積分控制的比較

有靜差調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時(shí)，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓Un

和控制電壓Uc

的變化過程示于下圖。

當(dāng)前第48頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時(shí)，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓Un

和控制電壓Uc

的變化過程示于右圖。

圖1-44有靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載過程

突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程當(dāng)前第49頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

無靜差調(diào)速系統(tǒng)

當(dāng)負(fù)載突增時(shí)，積分控制的無靜差調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程曲線示于下圖。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速偏差電壓Un

必為零。如果Un

不為零，則Uc

繼續(xù)變化，就不是穩(wěn)態(tài)了。在突加負(fù)載引起動(dòng)態(tài)速降時(shí)產(chǎn)生Un，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，Un

又恢復(fù)為零，但Uc

已從Uc1上升到Uc2

，使電樞電壓由Ud1上升到Ud2，以克服負(fù)載電流增加的壓降。在這里，Uc

的改變并非僅僅依靠Un

本身，而是依靠

Un

在一段時(shí)間內(nèi)的積累。

當(dāng)前第50頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

無靜差調(diào)速系統(tǒng)圖1-46積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程

雖然現(xiàn)在Un=0，只要?dú)v史上有過Un

，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓Uc。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此。

當(dāng)前第51頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

將以上的分析歸納起來，可得下述論斷：

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。

當(dāng)前第52頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)1.6.3比例積分控制規(guī)律

上一小節(jié)從無靜差的角度突出地表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。如圖所示，在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。當(dāng)前第53頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

兩種調(diào)節(jié)器特性比較τ

UexUinUexmtUinUexOb)P調(diào)節(jié)器a)I調(diào)節(jié)器UexUintUinUexO兩種調(diào)節(jié)器I/O特性曲線當(dāng)前第54頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

那么，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。當(dāng)前第55頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)1.PI調(diào)節(jié)器

在模擬電子控制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路如圖所示。Uex++C1RbalUinR0+AR1圖1-38

比例積分（PI）調(diào)節(jié)器

i0i1當(dāng)前第56頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)2.PI輸入輸出關(guān)系

按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得(1-60)式中

—PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；

—PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。

由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成。當(dāng)前第57頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)3.PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

當(dāng)初始條件為零時(shí)，取式（1-60）兩側(cè)的拉氏變換，移項(xiàng)后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

(1-61)令，則傳遞函數(shù)也可以寫成如下形式

(1-62)當(dāng)前第58頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)注意式（1-61）表明，PI調(diào)節(jié)器也可以用一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)來表示，1是微分項(xiàng)中的超前時(shí)間常數(shù)，它和積分時(shí)間常數(shù)的物理意義是不同的。

當(dāng)前第59頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)4.PI調(diào)節(jié)器輸出時(shí)間特性

UexUinUexmtUinUexOKpiUinOtOt

UcUc?Un121+2圖1-47PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出動(dòng)態(tài)過程圖1-39

PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性當(dāng)前第60頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

階躍輸入情況

在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性示于圖1-39，從這個(gè)特性上可以看出比例積分作用的物理意義。突加輸入信號(hào)時(shí)，由于電容C1兩端電壓不能突變，相當(dāng)于兩端瞬間短路，在運(yùn)算放大器反饋回路中只剩下電阻R1，電路等效于一個(gè)放大系數(shù)為Kpi

的比例調(diào)節(jié)器，在輸出端立即呈現(xiàn)電壓KpiUin，實(shí)現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長(zhǎng)處。當(dāng)前第61頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)此后，隨著電容C1被充電，輸出電壓Uex

開始積分，其數(shù)值不斷增長(zhǎng)，直到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，C1兩端電壓等于Uex，R1已不起作用，又和積分調(diào)節(jié)器一樣了，這時(shí)又能發(fā)揮積分控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無靜差。因此，PI調(diào)節(jié)器輸出是由比例和積分兩部分相加而成的。當(dāng)前第62頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

一般輸入情況

圖1-47繪出了比例積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程。假設(shè)輸入偏差電壓Un的波形如圖所示，則輸出波形中比例部分1和Un

成正比，積分部分2是Un

的積分曲線，而PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uc

是這兩部分之和1+2。可見，Uc既具有快速響應(yīng)性能，又足以消除調(diào)速系統(tǒng)的靜差。除此以外，比例積分調(diào)節(jié)器還是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的校正裝置，因此，它在調(diào)速系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前第63頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

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)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。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。

當(dāng)前第64頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)1.6.4無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)組成工作原理穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性參數(shù)計(jì)算當(dāng)前第65頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)1.系統(tǒng)組成++-+-MTG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVBTVSUiTAIdR1C1UnUd圖1-48無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)示例

-+MTG+++-UPE～·當(dāng)前第66頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)2.工作原理

圖1-48所示是一個(gè)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)例，采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無靜差，采用電流截止負(fù)反饋來限制動(dòng)態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測(cè)電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號(hào)。當(dāng)電流超過截止電流時(shí)，高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電子變換器UPE的輸出電壓急劇下降，達(dá)到限制電流的目的。當(dāng)前第67頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)3.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性

當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流低于其截止值時(shí)，上述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于下圖，其中代表PI調(diào)節(jié)器的方框中無法用放大系數(shù)表示，一般畫出它的輸出特性，以表明是比例積分作用。

圖1-49無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（Id

<

Idcr

）

Ks

1/CeU*nUc?UnIdREnUd0Un++--當(dāng)前第68頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性（續(xù)）

無靜差系統(tǒng)的理想靜特性如右圖所示。當(dāng)Id

<

Idcr

時(shí)，系統(tǒng)無靜差，靜特性是不同轉(zhuǎn)速時(shí)的一族水平線。當(dāng)Id

<

Idcr

時(shí)，電流截止負(fù)反饋起作用，靜特性急劇下垂，基本上是一條垂直線。整個(gè)靜特性近似呈矩形。

OIdIdcrn1n2nmaxn圖1-50帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

當(dāng)前第69頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

必須指出

嚴(yán)格地說，“無靜差”只是理論上的，實(shí)際系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，PI調(diào)節(jié)器積分電容兩端電壓不變，相當(dāng)于運(yùn)算放大器的反饋回路開路，其放大系數(shù)等于運(yùn)算放大器本身的開環(huán)放大系數(shù)，數(shù)值最大，但并不是無窮大。因此其輸入端仍存在很小的，而不是零。這就是說，實(shí)際上仍有很小的靜差，只是在一般精度要求下可以忽略不計(jì)而已。當(dāng)前第70頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)4.穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

無靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算很簡(jiǎn)單，在理想情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)Un=0，因而Un=Un*

，可以按式（1-67）直接計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

（1-67）—電動(dòng)機(jī)調(diào)壓時(shí)的最高轉(zhuǎn)速(r/min)；

—相應(yīng)的最高給定電壓(V)。

nmaxU*nmax當(dāng)前第71頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

電流截止環(huán)節(jié)的參數(shù)很容易根據(jù)其電路和截止電流值Idcr計(jì)算出。

PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kpi和τ可按動(dòng)態(tài)校正的要求計(jì)算。

當(dāng)前第72頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)++-UinR0RbalR1C1R’1AUex5.準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器

在實(shí)際系統(tǒng)中，為了避免運(yùn)算放大器長(zhǎng)期工作時(shí)的零點(diǎn)漂移，常常在R1C1兩端再并接一個(gè)電阻R’1

，其值為若干M

，以便把放大系數(shù)壓低一些。這樣就成為一個(gè)近似的PI調(diào)節(jié)器，或稱“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”（見圖1-51），系統(tǒng)也只是一個(gè)近似的無靜差調(diào)速系統(tǒng)。圖1-51準(zhǔn)比例積分調(diào)節(jié)器

當(dāng)前第73頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

如果采用準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器，其穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)為由K'p

可以計(jì)算實(shí)際的靜差率。當(dāng)前第74頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)*1.6.5系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算（二）系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)例題1-8

在例題1-5中，已經(jīng)判明，按照穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)設(shè)計(jì)的閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。試?yán)貌聢D設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)能在保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)前第75頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)解

（1）被控對(duì)象的開環(huán)頻率特性分析式（1-56）已給出原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下當(dāng)前第76頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

已知Ts=0.00167s，Tl=0.017s，Tm

=0.075s，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

當(dāng)前第77頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

根據(jù)例題1-4的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，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

當(dāng)前第78頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)

系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻及相頻特性圖1-40原始閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的伯德圖當(dāng)前第79頁\共有89頁\編于星期六\8點(diǎn)