自動控制全套課件電子教案板

自動控制緒論所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（簡稱控制器）使整個(gè)生產(chǎn)或工作機(jī)械（稱為被控對象）自動地按預(yù)先規(guī)定的規(guī)律運(yùn)行，或使它的某些物理量（稱為被控量）按預(yù)定的要求變化。任何技術(shù)設(shè)備、工作機(jī)械或生產(chǎn)過程都必須按某種要求運(yùn)行。例如，要想發(fā)電機(jī)正常供電，其輸出的電壓和頻率就必須基本保持恒定，盡量不受用電負(fù)荷變化的影響；要使電動機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，就得根據(jù)電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化及時(shí)控制電動機(jī)，使其轉(zhuǎn)速盡量不受干擾；要使烘烤爐提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，就必須嚴(yán)格地控制爐溫，使溫度保持恒定或按某種規(guī)律變化；要使火炮能自動跟蹤并命中飛行目標(biāo)，炮身就必須按照指揮儀的命令而做相應(yīng)的方位角和俯仰角的變動；要把數(shù)噸重的人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里高空軌道，使其所攜帶的各種儀器能長期、準(zhǔn)確地工作，就必須保持衛(wèi)星的正確姿態(tài)，使它的太陽能電池一直朝向太陽，無線電發(fā)射天線一直指向地球。所有的這一切都是以高水平的自動控制技術(shù)為前提的。第一章自動控制的基本概念§1—2開環(huán)控制§1—1人工控制與自動控制§1—3閉環(huán)控制§1—5自動控制系統(tǒng)的分類§1—4自動控制系統(tǒng)的組成§1—1人工控制與自動控制在工業(yè)生產(chǎn)過程或生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行中，為了維持正常的工作條件，往往需要對某些物理量（如溫度、壓力、流量、液位、電壓、位移、轉(zhuǎn)速等）進(jìn)行控制，使其盡量維持在某個(gè)數(shù)值附近或使其按一定規(guī)律變化。要滿足這種需要，就得對生產(chǎn)機(jī)械或設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的操作和控制，以抵消外界的擾動和影響。這種操作和控制，既可用人工操作來完成，又可用自動裝置的操作來實(shí)現(xiàn)，前者稱為人工控制或手動控制，后者稱為自動控制。一、人工控制如圖所示為一個(gè)人工控制水位保持恒定的供水系統(tǒng)。人工控制的水位系統(tǒng)操作步驟是：（1）將水位的要求值（期望水位值）牢記在操作者的大腦中。（2）通過眼睛和測量工具測量出水池的實(shí)際水位。（3）將期望水位與實(shí)際水位進(jìn)行比較、計(jì)算，從而得出誤差值。（4）按照誤差的大小和正負(fù)性質(zhì)由大腦指揮手去正確地調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門。所謂正確調(diào)節(jié)，是要按減小誤差的方向來調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度。由于圖中有人直接參與控制，故稱為人工控制。在本例中水池中的水位是被控制的物理量，簡稱被控量。水池這個(gè)設(shè)備是控制的對象，簡稱對象。人工控制的過程是測量、求誤差、控制、再測量、再求誤差、再控制這樣一種不斷循環(huán)的過程。其控制目的是要盡量減小誤差，使被控量盡可能地保持在期望值附近。二、自動控制如果找到某種裝置可以完全代替人工控制中人所完成的全部職能，人就可以不直接參與控制，這樣的控制方案就稱為自動控制。如圖所示是水池水位自動控制系統(tǒng)的一種簡單形式。圖中用浮子代替人的眼睛，作為測量水位高低之用；另用一套杠桿機(jī)構(gòu)代替人的大腦和手，作為計(jì)算誤差和執(zhí)行控制操作之用。簡單的水位自動控制系統(tǒng)自動控制的工作步驟可歸納為：（1）用連桿的長度標(biāo)定好水位的期望值。（2）當(dāng)水位超過或低于期望值時(shí)，其水位誤差被浮子檢測出來，并通過杠桿作用于進(jìn)水閥，從而產(chǎn)生控制作用。（3）按減小誤差的方向控制進(jìn)水閥門的開度。如圖所示的系統(tǒng)雖然可實(shí)現(xiàn)自動控制，但由于結(jié)構(gòu)簡單而存在較大的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在被控制的水位高度將隨著出水量的變化而變化。出水量越多，水位就越低，偏離期望值就越遠(yuǎn)，即誤差越大。也就是說，控制的結(jié)果，總存在著一定范圍的誤差值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可解釋如下：當(dāng)出水量增加時(shí)，為了使水位基本保持恒定不變，就得開大進(jìn)水閥門，使較多的水流進(jìn)水池以作補(bǔ)充。要開大進(jìn)水閥，唯一的途徑是浮子要下降得更多，這就意味著控制的結(jié)果是水位要偏離期望值而降低了。于是整個(gè)系統(tǒng)將在較低的水位建立起新的平衡狀態(tài)。為克服上述的缺點(diǎn)，可在原系統(tǒng)中增加一些設(shè)備而組成較完善的自動控制系統(tǒng)，如圖所示。這里浮子仍是測量元件，連桿起著比較作用，它將期望水位與實(shí)際水位兩者進(jìn)行比較，得出誤差，并以運(yùn)動的形式推動電位器的滑塊做上下移動。電位器輸出電壓的高低和極性充分反映出誤差的性質(zhì)（大小和方向）。電位器輸出的微弱電壓經(jīng)放大器放大后，用以控制直流伺服電動機(jī)，其轉(zhuǎn)軸經(jīng)減速器降速后拖動進(jìn)水閥門，作為施加于系統(tǒng)的控制作用。在正常情況下,實(shí)際水位等于期望值,此時(shí),電位器的滑塊居中，ue=0。當(dāng)出水量增大，浮子下降（如圖所示），它帶動電位器滑塊向上移動，輸出電壓（ue＞0）經(jīng)放大成ua后控制電動機(jī)作正向旋轉(zhuǎn)，以增大進(jìn)水閥門的開度，促使水位回升。只有當(dāng)實(shí)際水位回復(fù)到期望值時(shí)，才能使ue=0，控制作用結(jié)束。較完善的水位自動控制系統(tǒng)本控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是無論出水量多或少，自動控制的結(jié)果總是使實(shí)際水位的高度接近于期望值，不致出現(xiàn)大誤差，從而大大提高控制的精度。上述的自動控制和人工控制極為相似。自動控制系統(tǒng)只不過是把某些裝置有機(jī)地組合在一起，以代替人的職能。上圖中的浮子相當(dāng)于人的眼睛，連桿和電位器相當(dāng)于人的大腦，電動機(jī)相當(dāng)于人的手等。由于這些裝置負(fù)擔(dān)著控制的職能，通常稱之為控制器。任何一個(gè)控制系統(tǒng)，都是由被控制對象和控制器兩大部分所組成?！?—2開環(huán)控制控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。如圖所示的他勵(lì)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)就是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。它的任務(wù)是控制電動機(jī)使其以恒定的轉(zhuǎn)速帶動負(fù)載工作。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)工作原理是：調(diào)節(jié)電位器Rw的滑臂，使其給出某個(gè)給定電壓ugd。該電壓經(jīng)電壓放大和功率放大后成為ua，再送往電動機(jī)的電樞，作為控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速之用。由于他勵(lì)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電樞電壓ua成正比（對同一負(fù)載而言），因此，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩mfz不變時(shí)，只要改變給定電壓ugd，便可得到不同的電動機(jī)轉(zhuǎn)速n。換言之，ugd與n具有一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。系統(tǒng)中，只有輸入量ugd對輸出量n的單向控制作用，而輸出量n對輸入量ugd卻沒有任何影響和聯(lián)系，即系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，故稱這種系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)可用下圖所示的方塊圖來表示。圖中用方塊代表系統(tǒng)中具有相應(yīng)職能的元件；用箭頭表示元件之間信號的傳遞方向。電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩mfz的任何變動，均會構(gòu)成對輸出量n的影響。換言之對恒速控制系統(tǒng)來說，作用于電動機(jī)軸上的阻力距mfz將對系統(tǒng)的輸出起到破壞作用，這種作用稱為干擾或擾動,在圖中用一個(gè)作用在電動機(jī)上的箭頭來表示。開環(huán)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)方塊圖開環(huán)控制系統(tǒng)的精度，主要取決于ugd的標(biāo)定精度以及控制裝置參數(shù)的穩(wěn)定程度,系統(tǒng)沒有抵抗外部干擾的能力，故控制精度較低。但由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低，故在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定、沒有干擾作用或所受干擾較小的場合下，仍會大量使用?！?—3閉環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是精度不高和適應(yīng)性較差，造成這種缺點(diǎn)的主要原因是缺乏從系統(tǒng)輸出端至輸入端的反饋回路。要克服這些缺點(diǎn)，就必須引入反饋環(huán)節(jié)，測出輸出量，并經(jīng)物理量的轉(zhuǎn)換后再反饋到輸入端，使輸出量對控制作用有直接影響。引入反饋回路的目的是要實(shí)現(xiàn)自動控制，提高控制質(zhì)量。在直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)中，加入一臺測速發(fā)電機(jī)，并對電路稍作改變，便構(gòu)成圖示的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。測速發(fā)電機(jī)由電動機(jī)同軸帶動，用于測量電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n（即系統(tǒng)的輸出量），然后轉(zhuǎn)換成電壓uf，再反送到系統(tǒng)的輸入端，與給定值（即系統(tǒng)的輸入量）進(jìn)行比較，從而得出電壓ue=ugd-uf。由于該電壓能間接地反映出誤差的性質(zhì)（即大小和正負(fù)方向），通常稱之為偏差信號，簡稱為偏差。偏差ue經(jīng)放大器放大成ua后，作為電樞電壓控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速n之用。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)可用圖示的方塊圖來表示。通常將從系統(tǒng)輸入量至輸出量之間的信號傳輸通道稱為前向通道；從輸出量至反饋信號之間的信號傳輸通道稱為反饋通道。方塊圖中用符號“”表示比較環(huán)節(jié)，其輸出量等于各個(gè)輸入量的代數(shù)和。因此，各個(gè)輸入量均須用正負(fù)號表明其極性。方塊圖清楚表明：由于采用了反饋回路，致使信號的傳送路徑形成閉合環(huán)路，使輸出量反過來直接影響控制作用。這種通過反饋回路使系統(tǒng)形成閉合環(huán)路，并按偏差ue的性質(zhì)產(chǎn)生控制作用，以求減小或消除偏差的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱為反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)整過程：控制的結(jié)果就是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降落得到自動補(bǔ)償，使被控量n基本保持恒定。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖由于閉環(huán)控制系統(tǒng)采用了負(fù)反饋回路，故系統(tǒng)對來自外部的干擾（如電源電壓波動或變化）有自動補(bǔ)償作用，而對來自內(nèi)部的干擾（如元部件本身的參數(shù)變動）的影響不甚敏感。這樣就可以選用不太精密的元件去構(gòu)成較為精密的控制系統(tǒng)。但是，閉環(huán)控制系統(tǒng)也有它的缺點(diǎn)：由于采用反饋裝置，導(dǎo)致設(shè)備增多，線路復(fù)雜。此外，對于一些慣性較大的系統(tǒng)，若參數(shù)配合不當(dāng)，控制過程可能變得很差，甚至出現(xiàn)發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況。必須指出，對主反饋而言，只有按負(fù)反饋原理組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)自動控制的功能。若采用正反饋（ue=ugd+uf），不但無法糾正偏差，反而使偏差越來越大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)無法工作。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自動糾偏能力，且控制精度較高，因而在工程中獲得廣泛的應(yīng)用。通常所說的自動調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng)，就是指帶有反饋裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的特征有：（1）在結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)必須具有反饋裝置，并按負(fù)反饋的原則組成系統(tǒng)。采用反饋，就可不斷檢測被控制量，并將其變換成與輸入量相同的物理量，再反饋到輸入端，以便與輸入量進(jìn)行比較。采用負(fù)反饋的目的是要求得偏差信號。（2）由偏差產(chǎn)生控制作用。具體而言，系統(tǒng)必須按照偏差的性質(zhì)（大小、方向）進(jìn)行正確的控制，故系統(tǒng)中必須具有執(zhí)行糾偏任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（3）控制的目的是力圖減小或消除偏差，使被控量盡量接近期望值。自動控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確定義：是一個(gè)帶有反饋裝置的動力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)能自動而連續(xù)地測量被控制量，并求出偏差,進(jìn)而根據(jù)偏差的大小和正負(fù)極性進(jìn)行控制，而控制的目的是力圖減小或消除所存在的偏差?！?—4自動控制系統(tǒng)的組成一、自動控制系統(tǒng)的基本組成部分一個(gè)完善的自動控制系統(tǒng)通常是由測量反饋元件、比較元件、放大元件、校正元件、執(zhí)行元件以及被控對象等基本環(huán)節(jié)組成。通常還把圖中除被控對象外的所有元件合并在一起，稱為控制器。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖方塊圖中主要元件的職能如下：測量反饋元件——用以測量被控制量，并將其轉(zhuǎn)換成與輸入量同類物理量后，再反饋至輸入端以作比較。比較元件——用來比較輸入信號與反饋信號，并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。放大元件——將微弱的信號作線性放大。校正元件——按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號，以利于改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——根據(jù)偏差信號的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，以便使被控量按期望值變化?？刂茖ο蟆址Q被控對象或受控對象，通常是指生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行控制的工作機(jī)械或生產(chǎn)過程。出現(xiàn)在被控對象中需要控制的物理量稱為被控量。圖中串聯(lián)校正元件和并聯(lián)校正元件是為了改善系統(tǒng)的控制性能而引入的校正環(huán)節(jié)。二、自動控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)是由被控對象和自動控制裝置按一定方式組合而成，以完成某種自動控制任務(wù)的有機(jī)整體。輸入信號：系統(tǒng)的輸入信號又稱為參考輸入，通常是指給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號。輸出信號：系統(tǒng)的輸出信號是指被控對象中要求按某種規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號：取自系統(tǒng)（或元件）輸出端并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號稱為反饋信號。反饋有主反饋和局部反饋之分。偏差信號：它是指參考輸入與主反饋信號之差。偏差信號簡稱偏差，其實(shí)質(zhì)是從輸入端定義的誤差信號。誤差信號：它是指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差，簡稱誤差，其實(shí)質(zhì)是從輸出端定義的誤差信號。顯然，在單位反饋（反饋信號不經(jīng)放大直接送入比較元件）的情況下誤差值也就是偏差值，二者是相等的。擾動信號：簡稱擾動或干擾，它與控制作用相反，是一種不希望的、能破壞系統(tǒng)輸出規(guī)律的不利因素。擾動信號既可來自系統(tǒng)內(nèi)部，又可來自系統(tǒng)外部，前者稱內(nèi)部擾動，后者稱外部擾動?！?—5自動控制系統(tǒng)的分類按照輸入信號變化的規(guī)律，可將控制系統(tǒng)分為三類，即恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)。一、恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)又稱為自動調(diào)整系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號為某個(gè)常數(shù)，故稱為恒值。由于擾動的出現(xiàn)，將使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差，恒值系統(tǒng)能根據(jù)偏差的性質(zhì)產(chǎn)生控制作用，使被控量以一定的精度回復(fù)到期望值附近。生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用的溫度、壓力、流量等參數(shù)的控制，多半是采用恒值控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。二、程序控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)的輸入信號不是常數(shù)，而是按照一種預(yù)先知道的時(shí)間函數(shù)進(jìn)行變化。如熱處理爐溫度控制系統(tǒng)中的升溫、保溫、降溫等過程，都是按照某種預(yù)先設(shè)定的規(guī)律（程序）進(jìn)行控制的。又如機(jī)械加工中的程序控制機(jī)床，如仿型車床、仿型銑床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等，均屬典型的例子。三、隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的輸入信號是預(yù)先不知道的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)?？刂葡到y(tǒng)能使被控量以盡可能高的精度跟蹤給定值的變化。隨動系統(tǒng)也能克服擾動的影響。但一般說來，擾動的影響是次要的。許多自動化武器是由隨動系統(tǒng)裝備起來的，如魚雷的飛行、炮瞄雷達(dá)的自動跟蹤、火炮的自動瞄準(zhǔn)、導(dǎo)彈的制導(dǎo)、衛(wèi)星的發(fā)射和回收等。民用工業(yè)中的船舶隨動舵、數(shù)控切割機(jī)、軋鋼車間的飛剪機(jī)以及儀表工業(yè)中的多種自動記錄儀表等，均屬隨動系統(tǒng)之列。第二章自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例§2—2隨動系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例§2—1恒值系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例§2—3程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例§2—1恒值系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例一、蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)蒸汽機(jī)帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動的同時(shí)，通過傘形齒輪帶動一對飛錘作水平旋轉(zhuǎn)。飛錘通過鉸鏈可以帶動套筒上下滑動，套筒內(nèi)裝有平衡彈簧，套筒上下滑動時(shí)可撥動杠桿，杠桿另一端通過連桿調(diào)節(jié)供氣閥門的開度。在蒸汽機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，飛錘旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力與彈簧的反彈力相平衡，套筒保持某個(gè)高度，使閥門處于一個(gè)平衡位置（開度）。如果由于負(fù)載增大導(dǎo)致蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速n下降，則飛錘因離心力減小而使套筒向下滑動，并通過杠桿增大供氣閥門的開度，使更多的蒸汽進(jìn)入蒸汽機(jī)，促使其轉(zhuǎn)速n回升。同理，若蒸汽機(jī)因負(fù)載減小而引起轉(zhuǎn)速n增大時(shí)，則飛錘因離心力增大而使套筒上滑，并通過杠桿減小供氣閥門的開度，蒸汽流量減少，迫使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動回落。這樣離心調(diào)速器就能自動地消除負(fù)載變化對轉(zhuǎn)速的影響，使蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本保持在某個(gè)期望值附近。二、爐溫自動控制系統(tǒng)圖中的加熱爐采用電加熱的方式運(yùn)行，加熱器所產(chǎn)生的熱量與施加的電壓uc的平方成正比，uc增高，爐溫就上升。爐溫自動控制系統(tǒng)原理圖在正常情況下，爐溫等于某個(gè)期望值t，熱電偶的輸出電壓uf正好等于給定電壓ugd。此時(shí)，ue=ugd-uf=0，故ul=ua=0，可逆電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，調(diào)壓器的滑動觸點(diǎn)停留在某個(gè)合適的位置上，使uc保持著一定的數(shù)值。這時(shí)爐子散失的熱量正好等于從加熱器吸取的熱量，形成一個(gè)穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。若爐膛溫度t由于某種原因（干擾）而下降（例如，爐門打開造成的熱量流失），則全系統(tǒng)將出現(xiàn)以下的控制過程：顯然，爐溫自動控制系統(tǒng)也是一個(gè)帶反饋裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)?！?—2隨動系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例一、導(dǎo)彈發(fā)射架的方位控制系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)原理圖圖中電位器RP1和RP2并聯(lián)后跨接到同一電源E0的兩端，其滑臂分別與輸入軸和輸出軸相連接，以組成方位角的給定裝置和反饋裝置。輸入軸由手輪操縱，輸出軸則由直流電動機(jī)經(jīng)減速后帶動，電動機(jī)采用電樞控制的方式工作。當(dāng)搖動手輪使電位器RP1的滑臂轉(zhuǎn)過一個(gè)輸入角θi的瞬間，由于輸出軸的轉(zhuǎn)角θo≠θi，于是出現(xiàn)一個(gè)角差θe=θi-θo該角差通過電位器RP1和RP2轉(zhuǎn)換成電壓，并以偏差電壓的形式表示出現(xiàn)，即ue=ui–uo顯然,若θi＞θo,則ui＞uo，ue=ui–uo＞0。該電壓經(jīng)放大后驅(qū)動電動機(jī)做正向轉(zhuǎn)動，帶動導(dǎo)彈發(fā)射架轉(zhuǎn)動的同時(shí)，并通過輸出軸帶動電位器RP2的滑臂轉(zhuǎn)過一定的角度θo，直至θo=θi時(shí)，θe=0，偏差電壓ue=0，電動機(jī)才停止轉(zhuǎn)動。這時(shí)，導(dǎo)彈發(fā)射架就停留在相應(yīng)的方位角上。導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)方塊圖系統(tǒng)的方塊圖如圖所示。其中，作為系統(tǒng)輸出量的方位角θo是全部（不是一部分）直接反饋到輸入端與輸入量θi進(jìn)行比較的，故稱為全反饋系統(tǒng)或單位反饋系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，只要θo≠θi，系統(tǒng)就會出現(xiàn)偏差，從而產(chǎn)生控制作用，控制的結(jié)果是消除偏差角θe，使輸出量θo嚴(yán)格地跟隨輸入量θi的變化而變化。因而隨動系統(tǒng)又稱同步跟蹤系統(tǒng)。此外，轉(zhuǎn)動手輪所需能量甚小，而導(dǎo)彈連同發(fā)射架的質(zhì)量卻很大，轉(zhuǎn)動所需能量很大，這意味著隨動系統(tǒng)是一個(gè)功率放大裝置，故常稱為伺服系統(tǒng)。二、船舶隨動舵的控制系統(tǒng)隨動舵操縱的特點(diǎn)是：操舵人員只要通過舵輪給定一個(gè)舵角信號，舵機(jī)就能把笨重的舵葉轉(zhuǎn)到給定的舵角位置，隨即自動停下來。可見，隨動舵在本質(zhì)上屬于角度跟蹤隨動系統(tǒng)，亦具有功率放大的作用。如圖所示為一種船舶隨動舵的控制系統(tǒng)原理圖。其中，駕駛盤（又稱舵輪）與電位器RP1作機(jī)械連接，作為系統(tǒng)的給定（輸入）裝置。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸經(jīng)減速箱減速后帶動舵葉旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，通過機(jī)械連接帶動電位器RP2的滑臂作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。RP2產(chǎn)生的電壓uo反饋到輸入端，與RP1的電壓ui進(jìn)行比較后得出偏差信號ue（ue=ui–uo）。系統(tǒng)按照ue的性質(zhì)（大小和正負(fù)極性）進(jìn)行控制，其控制結(jié)果是舵葉的偏轉(zhuǎn)角θo嚴(yán)格等于駕駛盤所轉(zhuǎn)過的角度θi。船舶隨動舵的控制系統(tǒng)原理圖三、火炮、雷達(dá)天線的方位控制系統(tǒng)前面介紹的隨動系統(tǒng)雖然能做角度跟蹤，但由于它們采用了電位器作為輸入裝置和反饋裝置，因而θi和θo的變化范圍一般被限制在360°以內(nèi)。若RP1和RP2電位器選用多圈式電位器，θi和θo也只能在360°的范圍內(nèi)變化。這對于要求在超過360°做大范圍跟蹤的火炮、雷達(dá)天線等系統(tǒng)而言，顯然不能滿足要求。為克服上述缺點(diǎn)，通常采用一對自整角機(jī)作為角度檢測裝置，以取代電位器，從而組成自整角機(jī)式的隨動系統(tǒng)?；鹋诜轿唤强刂葡到y(tǒng)示意圖如圖所示是采用自整角機(jī)作為角度檢測的火炮方位角控制的隨動系統(tǒng)示意圖。圖中的自整角機(jī)運(yùn)行于變壓器狀態(tài)，自整角發(fā)送機(jī)BD的轉(zhuǎn)子與輸入軸連接，轉(zhuǎn)子繞組通入單相交流電；自整角接收機(jī)BS的轉(zhuǎn)子則與輸出軸（炮架的方位角軸）相連接。當(dāng)搖動手輪輸入一個(gè)角度θi的瞬間，由于θoθi，于是出現(xiàn)角差θe（θe=θi-θo）。這時(shí)，自整角接收機(jī)BS的轉(zhuǎn)子輸出一個(gè)相應(yīng)的交流調(diào)制信號電壓ue，其幅值與角差θe的大小成正比，相位則取決于角差θe的極性。即角差θe＞0，則交流調(diào)制信號呈正相位；角差θe＜0，則交流調(diào)制信號呈反相位。該調(diào)制信號經(jīng)相敏整流器解調(diào)后，變成一個(gè)與角差θe的大小和極性有關(guān)的直流電壓，并送往校正和功率放大裝置處理成為控制電動機(jī)的電樞電壓ua，該電壓使電動機(jī)轉(zhuǎn)動以帶動炮架回轉(zhuǎn)，并同時(shí)帶動自整角接收機(jī)的轉(zhuǎn)子作反饋連接。顯然，電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向必須是朝著減小或消除角差θe的方向轉(zhuǎn)動，直到θo=θi為止。此時(shí)，ue=ua＝0，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，作為控制對象的炮身就指向并停留在相應(yīng)的方位角上，或說炮身重演了手輪的運(yùn)動。自整角變壓器可用如圖所示的方塊圖表示。自整角變壓器方塊圖§2—3程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例當(dāng)自動控制系統(tǒng)的給定信號是已知的時(shí)間函數(shù)時(shí)，稱這類系統(tǒng)為程序控制系統(tǒng)（ProgrammedControlSystem）。如圖所示是一個(gè)仿型銑床的原理示意圖。仿型銑床的原理示意圖工作原理是：刀架電動機(jī)拖動刀架前行的同時(shí)帶動靠模觸指，觸指的上下運(yùn)動使電位器滑臂移動，得到不同的電壓與誤差進(jìn)行比較，再經(jīng)過電壓和功率放大，驅(qū)動刀架電動機(jī)帶動刀架做上下運(yùn)動，最終使得加工的工件與模型一樣。但是，制做精確的立體木模是一個(gè)精細(xì)、費(fèi)時(shí)的工作，所以后來又將木模以紙帶（或磁帶）上的脈沖系列來代替，這時(shí)的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖所示。加工時(shí)由光電閱讀機(jī)把記錄在穿孔紙帶（或磁帶）上的程序指令，變成電脈沖（即指令脈沖），送入運(yùn)算控制器。運(yùn)算控制器完成對控制脈沖的寄存、交換和計(jì)算，并輸出控制脈沖給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)運(yùn)算控制器送來的電脈沖信號，控制機(jī)床的運(yùn)動，完成切削成形的要求。程序控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)程序自動控制系統(tǒng)的功能，就是按照預(yù)定的程序來控制被控制量,即自動控制系統(tǒng)控制器給出的控制指令為一個(gè)預(yù)定的程序。原則上程序控制可以是開環(huán)的，但可以用反饋來消除系統(tǒng)誤差，提高精度。由于控制對象不同，工作方式不同，系統(tǒng)要完成的任務(wù)也不同，因此對各個(gè)具體系統(tǒng)的要求自然也有較大的差異。不過，就其共性而言，所有的自動控制系統(tǒng)都希望：

c（t）=kr（t）式中

c（t）——系統(tǒng)的輸出量；

r（t）——系統(tǒng)的輸入量；k——比例系數(shù)。在理想情況下，總希望系統(tǒng)的輸出量（被控量）與輸入量（給定值）在任何時(shí)刻都保持一個(gè)固定的比例關(guān)系，完全沒有偏差，而且不受任何干擾的影響，如圖所示?？刂葡到y(tǒng)的理想階躍響應(yīng)a)階躍輸入b)系統(tǒng)輸出然而，在實(shí)際的自動控制系統(tǒng)中，運(yùn)動速度和位移不可能瞬間發(fā)生變化，而需要經(jīng)歷一段時(shí)間。通常把系統(tǒng)受到擾動或給定值變化作用后，被控量由原來的平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）過渡到新的平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）的過程稱為過渡過程或動態(tài)過程。對于給定值做階躍變化的線性系統(tǒng)，在動態(tài)過程中，被控量的變化可能有如圖所示的幾種情況。經(jīng)歷一段過度過程后，被控量達(dá)到新的動態(tài)平衡。系統(tǒng)的階躍響應(yīng)被控量的變化不收斂。工程上對自動控制系統(tǒng)的基本要求歸納為穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個(gè)方面，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)。1.穩(wěn)定性（穩(wěn)）穩(wěn)定性是評價(jià)自動控制系統(tǒng)能否正常工作的首要指標(biāo)，它是評價(jià)系統(tǒng)在過渡過程中的振蕩傾向和重新建立平衡狀態(tài)的能力。當(dāng)系統(tǒng)受到外加信號作用，例如，在輸入端輸入一個(gè)階躍函數(shù)的給定值時(shí)，如果系統(tǒng)被控量的過渡過程隨時(shí)間推移而衰減，直到最后與期望值一致（通常允許有一定的誤差），從而建立一個(gè)新的平衡狀態(tài)，稱為穩(wěn)定系統(tǒng)。反之，當(dāng)系統(tǒng)受外加作用。被控量越來越遠(yuǎn)離期望值，則稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。2.快速性（快）控制系統(tǒng)不但要求穩(wěn)定，而且要求被控量能迅速地按照輸入信號所規(guī)定的規(guī)律變化，即要求系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)速度。如前所述，控制系統(tǒng)總包含一些慣性元件，所以在輸入信號作用下，其響應(yīng)總要經(jīng)歷一個(gè)過渡過程才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。過渡過程時(shí)間長，說明系統(tǒng)的控制動作反應(yīng)遲鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的指令信號。因此，對實(shí)用系統(tǒng)來說，總是希望過渡過程時(shí)間愈短愈好。3.準(zhǔn)確性（準(zhǔn)）準(zhǔn)確性是指系統(tǒng)建立平衡狀態(tài)后，被控量偏離期望值的誤差大小。準(zhǔn)確性描述了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。一般來說，人們總是希望誤差越小越好。如果最終的誤差為零，則這種系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)，反之，稱為有差系統(tǒng)。對同一系統(tǒng)來說穩(wěn)、準(zhǔn)、快三方面的性能要求常常是相互制約的。提高了快速性，可能增大振蕩幅值，加劇系統(tǒng)的振蕩。改善了穩(wěn)定性又可能使過渡過程變得緩慢，增長過渡時(shí)間，甚至導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差增大，降低系統(tǒng)精度。對某個(gè)具體系統(tǒng)而言，三方面的要求也不一樣，一般應(yīng)根據(jù)其工作任務(wù)的要求，按照具體情況綜合考慮系統(tǒng)指標(biāo)。第三章直流調(diào)速系統(tǒng)§3—2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源§3—1直流電動機(jī)的調(diào)速原理§3—3晶閘管—直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征§3—5電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析§3—4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析§3—1直流電動機(jī)的調(diào)速原理由直流電動機(jī)的速度公式n=(U-IaRa)/KeΦ可以看出，直流電動機(jī)的調(diào)速方法有以下三種：改變電源電壓U（簡稱調(diào)壓調(diào)速）；改變電樞回路電阻Ra（簡稱串電阻調(diào)速）；改變勵(lì)磁電流以改變主磁通Φ

（簡稱削弱磁場調(diào)速）。一、改變電源電壓U調(diào)速并勵(lì)直流電動機(jī)用改變電源電壓調(diào)速的機(jī)械特性如圖所示。并勵(lì)電動機(jī)改變電源電壓調(diào)速的機(jī)械特性這種調(diào)速方法的主要特點(diǎn)是:(1)調(diào)速范圍寬廣，可以從低速一直調(diào)到額定轉(zhuǎn)速，速度變化平滑，通常稱為無級調(diào)速。

(2)調(diào)速過程中沒有附加能量損耗。電壓降低后，機(jī)械特性硬度不變，故穩(wěn)定性好。(3)轉(zhuǎn)速只能調(diào)低（低于額定轉(zhuǎn)速），不能調(diào)高（因端電壓不能超過額定電壓）。(4)所需設(shè)備較復(fù)雜，成本較高。在晶閘管變流技術(shù)采用以前，直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速一般采用直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)—直流電動機(jī)組來實(shí)現(xiàn)，通稱G-M系統(tǒng)。工作原理如圖所示，三相異步電動機(jī)拖動直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)，由它產(chǎn)生直流電壓供給直流電動機(jī)，改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，則發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E隨之改變，即達(dá)到了調(diào)壓調(diào)速的目的。由于G—M系統(tǒng)所需電動機(jī)數(shù)量多、耗電大，聲音及干擾也較大，故已逐漸被淘汰。發(fā)電機(jī)—電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖二、改變電樞回路電阻調(diào)速該通過在電樞回路中串入調(diào)速電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的，其接線如圖所示。但必須注意，調(diào)速變阻器可作啟動變阻器用，而啟動變阻器不能用于調(diào)速，因?yàn)閱幼冏杵魇前炊虝r(shí)工作設(shè)計(jì)的，如將它用于調(diào)速，則很容易損壞。并勵(lì)直流電動機(jī)電路圖串勵(lì)直流電動機(jī)電路圖相應(yīng)調(diào)速方法的特性曲線如圖所示。并勵(lì)直流電動機(jī)機(jī)械特性曲線圖串勵(lì)直流電動機(jī)機(jī)械特性曲線圖該調(diào)速方法的特點(diǎn)是：（1）所需設(shè)備較簡單、成本低，因此在小功率直流電動機(jī)中用得較多。（2）電動機(jī)轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，而且為有級調(diào)速。特性曲線較軟，即負(fù)載變動時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大。（3）在調(diào)速電阻上有較大的能量損耗，即經(jīng)濟(jì)性能較差。目前，此種調(diào)速方法已逐步被晶閘管可調(diào)直流電源調(diào)速代替。三、削弱磁場調(diào)速當(dāng)直流電動機(jī)的電源電壓及負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，如使主磁通減小，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就相應(yīng)地增高，故通常稱為削弱磁場調(diào)速。對并勵(lì)電動機(jī)而言，可在勵(lì)磁回路中串聯(lián)附加電阻RPl如圖a所示。對串勵(lì)電動機(jī)而言，則可在勵(lì)磁回路中并聯(lián)磁場分路電阻RPl，如圖b所示。直流電動機(jī)削弱磁場調(diào)速圖a)并勵(lì)電動機(jī)中串電阻b)串勵(lì)電動機(jī)中并電阻這種調(diào)速方法的特點(diǎn)是：（1）由于調(diào)速是在勵(lì)磁回路中進(jìn)行，功率較小，故能量損耗小、控制方便。（2）可以得到平滑的無級調(diào)速，但轉(zhuǎn)速只能從額定轉(zhuǎn)速往上調(diào)，不能在額定轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行調(diào)速，故往往只作為輔助調(diào)速，與前面兩種調(diào)速方法一起組合使用。（3）一般來講削弱磁場調(diào)速的調(diào)速范圍較窄，而且當(dāng)磁通減少太多時(shí)，由于電樞磁場對主磁場的影響加大而使電動機(jī)換向困難，火花較大。另外還必須考慮到電樞機(jī)械強(qiáng)度的影響。因此，對一般的直流電動機(jī)而言，最高轉(zhuǎn)速控制在兩倍額定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)。§3—2直流調(diào)速系統(tǒng)

的可控直流電源變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)中使用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源包括旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止可控整流器、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。一、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組是用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成的機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。如圖所示為旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。由交流電動機(jī)M1拖動直流發(fā)電機(jī)G，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動機(jī)M2供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流if即可改變其輸出電壓Ud，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)。為了供電給直流電動機(jī)勵(lì)磁繞組，通常專門設(shè)置一臺直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)GE，可裝在變流機(jī)組同軸上，也可另外單用一臺交流電動機(jī)拖動。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）系統(tǒng)調(diào)速性能要求不高時(shí)，if可由勵(lì)磁電源供電，要求較高的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一般都應(yīng)通過放大裝置進(jìn)行控制。G-M系統(tǒng)的放大裝置多采用電機(jī)型放大器（如交磁放大機(jī)）和磁放大器。需要進(jìn)一步提高放大系數(shù)時(shí)還可增設(shè)電子放大器作為前級放大。如果改變if的方向，則U的極性和n的轉(zhuǎn)向都跟著改變，所以G-M系統(tǒng)的可逆運(yùn)動是很容易實(shí)現(xiàn)的。如圖所示為采用變流機(jī)組供電時(shí)電動機(jī)可逆運(yùn)行的機(jī)械特性。由圖可見，無論正轉(zhuǎn)減速還是反轉(zhuǎn)減速時(shí)都能夠?qū)崿F(xiàn)回饋制動，因此G-M系統(tǒng)是可以在允許轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)四象限運(yùn)行的系統(tǒng)。圖右上角是表示四象限運(yùn)行的簡單示意圖。特點(diǎn)：設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低。安裝時(shí)需打地基、運(yùn)行有噪聲、維護(hù)不方便，到了20世紀(jì)60年逐漸被更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管整流器所代替。G-M系統(tǒng)的機(jī)械特性二、靜止可控整流器靜止可控整流器是用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，來獲得可調(diào)的直流電壓。在靜止可控整流方面，離子拖動系統(tǒng)是最早應(yīng)用的靜止變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。它雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且還縮短了響應(yīng)時(shí)間，但汞弧整流器造價(jià)較高，維護(hù)麻煩，特別是水銀如果泄漏，將會污染環(huán)境，危害人體健康。晶閘管—電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。如圖所示是V-M系統(tǒng)的簡單原理圖，圖中V代表晶閘管可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）與旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。由圖可見，晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流可以直接用晶體三極管來控制，不再像直流電動機(jī)那樣需要較大功率放大裝置。在控制作用的快速性方面，變流機(jī)組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將會大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。各種變流裝置技術(shù)性能的比較晶閘管整流器的缺點(diǎn)：1.由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向供給，造成系統(tǒng)的可逆運(yùn)行困難。由半控整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)只允許單象限運(yùn)行（如圖a所示）；全控整流電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變，允許電動機(jī)工作在反轉(zhuǎn)制動狀態(tài)，因而能夠獲得二象限運(yùn)行（如圖3b所示）；需要實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行時(shí)（如圖c所示），只好用正、反兩組全控整流電路，所用變流設(shè)備要增多一倍。V—M系統(tǒng)的運(yùn)行范圍2.元件過電壓、過電流能力都很小，其中任何一項(xiàng)指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)留有足夠的余量。只要元件質(zhì)量過關(guān)，裝置設(shè)計(jì)合理，保護(hù)設(shè)施齊備，晶閘管裝置的運(yùn)行就十分可靠。3.當(dāng)系統(tǒng)處在深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管調(diào)速的設(shè)備在電網(wǎng)中所占的容量比重較大，就會造成所謂的“電力公害”。在這種情況下，必須增設(shè)無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器是用恒定直流電源或可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。采用晶閘管來控制直流電壓，這就是直流斬波器，或稱直流調(diào)壓器。采用晶閘管的直流斬波器基本原理如圖a所示。晶閘管VT不是受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)VT被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓Us加到電動機(jī)上；當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動機(jī)斷開，電動機(jī)經(jīng)二極管VD續(xù)流，如此反復(fù)。電樞端電壓波形u=f（t）如圖b所示，如同是電源電壓Us在一段時(shí)間（T-ton）內(nèi)被斬?cái)嗪笮纬傻摹ｋ妱訖C(jī)得到的平均電壓為：Ud=tonUs/T=ρUs式中T——晶閘管的開關(guān)周期；ton——VT開通時(shí)間；ρ——占空比。斬波器—電動機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形a）原理圖b）電壓波形晶閘管一旦導(dǎo)通，就不能再用門極觸發(fā)信號來使它關(guān)斷。若要關(guān)斷，必須在陽、陰極間施加反向電壓，這就需要一種附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路。直流斬波器的平均輸出電壓Ud可以通過改變主晶閘管的導(dǎo)通和（或）關(guān)斷時(shí)間來調(diào)節(jié)。脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation），簡稱PWM，其脈沖周期T不變，只改變主晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間ton，亦即改變脈沖的寬度（如圖a所示）。直流斬波器的控制方式a）脈沖寬度調(diào)制脈沖頻率調(diào)制（PulseFrequencyModulation），簡稱PFM,其導(dǎo)通時(shí)間不變，只改變開關(guān)頻率f或開關(guān)周期T，也就是只改變晶閘管關(guān)斷的時(shí)間（如圖b所示）。兩點(diǎn)式控制是當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時(shí)，使VT觸發(fā)導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓達(dá)到某一最大值時(shí)，使VT關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間都是不確定的。直流斬波器的控制方式b）脈沖頻率調(diào)制用全控式器件實(shí)行開關(guān)控制時(shí)，多用脈沖寬度調(diào)制的控制方式，形成近年來應(yīng)用日益廣泛的PWM裝置—電動機(jī)系統(tǒng)，簡稱PWM調(diào)速系統(tǒng)或脈寬調(diào)速系統(tǒng)。直流斬波器的控制方式c）兩點(diǎn)式控制與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就足以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容量連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1∶10000左右。又由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流即相同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。（2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電動機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好。動態(tài)抗干擾能力強(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。因受到器件容量的限制，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)目前只用于中、小功率的系統(tǒng)。§3—3晶閘管—直流電

動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征一、觸發(fā)脈沖相位控制在V-M系統(tǒng)中，如果把整流裝置內(nèi)部的電阻壓降、器件正向壓降和變壓器漏抗引起的換相壓降都移到整流裝置外面，當(dāng)作負(fù)載電路壓降的一部分，那么整流電壓便可用其理想空載值udo或Udo來代替，如圖所示。V—M系統(tǒng)主電路的等效電路圖瞬時(shí)電壓平衡方程式可寫作：式中L——主電路總電感；R——主電路總的等效電阻，包括整流裝置內(nèi)阻、電動機(jī)電樞電阻和平波電抗器電阻；E——電動機(jī)反電動勢；id——整流電流瞬時(shí)值。對udo進(jìn)行積分即得理想空載整流電壓的平均值Udo。用觸發(fā)脈沖的相位控制整流電壓平均值是晶閘管整流器的主要特點(diǎn)。Udo與觸發(fā)脈沖相位α的關(guān)系因整流電路的形式而異。對于一般全控式整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，Udo＝f（α）可用下式表示:Udo=（Umm/π）sin（π/m）cosα式中α——從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；Um——α＝0時(shí)的整流電壓波形的峰值；m——交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。對于不同的整流電路，它們的數(shù)值見表。不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈波數(shù)及平均整流電壓在1000kW以上的大功率調(diào)速系統(tǒng)中常采用雙三相橋構(gòu)成的十二相整流電路，兩組橋交流電源分別由整流變壓器的兩套二次繞組提供，一套接成Δ形，另一套接成Y形，使輸出相電壓相位錯(cuò)開30°，共同構(gòu)成m＝12的整流電路如圖所示，以進(jìn)一步減少輸出電流的脈動分量。雙三相橋組成的十二相整流電路a)雙橋并聯(lián)帶平衡電抗器Ld

b)雙橋串聯(lián)二、電流脈動的影響及其抑制措施整流電路的脈波數(shù)m＝2，3，6，12，…，其數(shù)目總是有限的，比直流電動機(jī)每對極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此，除非主電路電感L=∞，否則V-M系統(tǒng)的電流脈動總比G-M系統(tǒng)更為嚴(yán)重。這樣一來，會產(chǎn)生兩個(gè)方面的問題：一是脈動電流產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機(jī)械不利；二是脈動電流造成較大的諧波分量，流入電源后對電網(wǎng)不利，同時(shí)也增加電動機(jī)發(fā)熱量。在應(yīng)用V-M系統(tǒng)時(shí)，首先要考慮抑制電流脈動的問題，其主要措施是：首先，增加整流電壓的相數(shù)；其次，設(shè)置平波電抗器。平波電抗器的電感量一般按低速輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件來選擇，通常給定最小電流Idmin（以A為單位），再利用它計(jì)算所需的總電感量（以mH為單位）。對于單相橋式全控整流電路：L=2.87U2/Idmin對于三相半波整流電路：L=1.46U2/Idmin對于三相橋式整流電路：L=0.693U2/Idmin式中，Idmin一般可取電動機(jī)額定電流的5％～10％。三、電流波形的連續(xù)和斷續(xù)當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路串接的電抗器有足夠大的電感量，而且電動機(jī)的負(fù)載電流也足夠大時(shí)，整流電流的波形便可能是連續(xù)的，如圖a所示。當(dāng)電感較小而且負(fù)載較輕時(shí)，一相導(dǎo)通電流上升時(shí)電感中的儲能較少，在電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已衰減到零，便產(chǎn)生波形斷續(xù)的現(xiàn)象，如圖b所示。電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)方程帶來一種非線性的因素，造成機(jī)械特性的非線性，一般應(yīng)盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)。四、V—M系統(tǒng)的機(jī)械特性當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為：n=（Udo-IdR）/Ce=［（mUm/π）sin（π/m）cosα-IdR］/Ce式中Ce=KeΦ——電動機(jī)在額定磁通下的電動勢轉(zhuǎn)速比。改變控制角α可得一族平行直線，如圖所示，與G-M系統(tǒng)的特性很相似。上述結(jié)論表明，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。V-M系統(tǒng)的電流波形a)電流連續(xù)b)電流斷續(xù)V-M系統(tǒng)電流連續(xù)時(shí)的機(jī)械特性V-M系統(tǒng)完整的機(jī)械特性，其中包含了整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)、連續(xù)區(qū)和斷續(xù)區(qū)。由圖a可見，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速較高。一般分析調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只要主電路電感足夠大，可以近似地只考慮連續(xù)段，即用連續(xù)段特性及其延伸的虛線作為系統(tǒng)的特性。對于斷續(xù)特性比較顯著的情況，這樣近似偏離實(shí)際較遠(yuǎn)，可以改為另一段較陡的直線來逼近斷續(xù)段特性，如圖所示，這相當(dāng)于把總電阻R換成一個(gè)更大的等效電阻R′，其數(shù)值可以從實(shí)測的斷續(xù)段特性上計(jì)算出來。嚴(yán)重時(shí)R′可達(dá)實(shí)際電阻R的幾十倍。a）V-M系統(tǒng)的完整機(jī)械特性b）斷續(xù)段特性的近似計(jì)算§3—4反饋控制閉環(huán)調(diào)速

系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求，歸納起來，有以下三個(gè)方面：調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，分擋地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(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，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。加、減速——頻繁起、制動的設(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、制動盡量平穩(wěn)。這兩項(xiàng)指標(biāo)合在一起又稱為調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。1．調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即：D=nmax/nmin其中nmax和nmin一般都指電動機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速要求，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如，精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。2．靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Δnnom，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率S，即：S=Δnnom/n0或用百分?jǐn)?shù)表示為：S=（Δnnom/n0）×100%顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)。特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。靜差率和機(jī)械特性硬度是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的，如圖中的特性a和b，兩者的硬度相同，額定速降相等；但它們的靜差率卻不同，因?yàn)槔硐肟蛰d轉(zhuǎn)速不一樣。由于n0a＞n0b，所以Sa＜Sb。這就是說，對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。在1000r／min時(shí)降落10r／min，只占1％；在100r／min時(shí)降落10r／min，卻占10％；如果n0只有10r／min，降落10r／min時(shí)，電動機(jī)就會停止轉(zhuǎn)動。調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)考慮才有意義。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。不同轉(zhuǎn)速下的靜差率3．調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系D=Snnom/［Δnnom（1-S）］對于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或Δnnom值是一定的。因此，如果對靜差率的要求越嚴(yán)，也就是說，要求S越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。例如，某調(diào)速系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速nnom=1430r／min，額定速降Δnnom=115r／min，當(dāng)要求靜差率S≤30％時(shí)，允許的調(diào)速范圍是：D=1430×0.3/［115×（1-0.3）］=5.3如果要求S≤20％，則調(diào)速范圍只有：D=1430×0.2/［115×（1-0.2）］=3.1二、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題開環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，如果對靜差率要求不高的話，它也能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速。但是，許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率提出一定的要求。例如，龍門刨床，由于毛坯表面不平，加工時(shí)負(fù)載常有波動，但為了保證加工精度，速度卻不容許有較大的變化，一般要求調(diào)速范圍D為20～40，靜差率S＜5％。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是不能滿足要求的，現(xiàn)舉一例說明。某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機(jī)Z2—93型（額定功率60kW、額定電壓220V、額定電流305A、額定轉(zhuǎn)速1000r/min），要求D=20，S≤5％。如果使用V-M系統(tǒng)，已知主回路總電阻R＝0.18Ω，電動機(jī)Ce＝0.2V·min／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：Δnnom=IdnomR/Ce=305×0.18/0.2=275r/min開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為：Snom=Δnnom/(nnom+Δnnom)=275/(1000+275)=0.216=21.6%這已大大超過了5％的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速時(shí)的情況了。如果要滿足D=20，S≤5％的要求：Δnnom=Snnom/［D（1-S）］≤0.05×1000/［20×(1-0.05)］=2.63r/min將額定速降從275r/min降低到2.63r/min以下，開環(huán)系統(tǒng)本身是無能為力的，但可通過采用反饋閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)。三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性在電動機(jī)軸上安裝一臺測速發(fā)電機(jī)TG，從而引出被調(diào)量（與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un）與對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的給定電壓Un*相比較后，得到偏差電壓ΔUn，經(jīng)過放大器Kp，產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uct，用以控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這就組成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理框圖如圖所示。根據(jù)自動控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了突出主要矛盾，先作如下的假定：(1)忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(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。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)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)：放大器：晶閘管整流器與觸發(fā)裝置：V-M系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性：測速發(fā)電機(jī)：以上各關(guān)系式中：Kp——放大器的電壓放大系數(shù)；Ks——晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)；

α——測速反饋系數(shù)，單位為V·min／r。整理后，即得轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：n=（KpKsU*n-RId）/［Ce（1+K）］式中，K=KpKsα／Ce為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，它相當(dāng)于在測速發(fā)電機(jī)輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速發(fā)電機(jī)輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各個(gè)環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。須注意，這里是以1／Ce=n／Udo作為電動機(jī)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)的。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）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。四、開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較如果斷開反饋回路，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：式中，n0op和n0cl分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；Δnop和Δncl分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)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：它們的關(guān)系是：顯然，當(dāng)K值較大時(shí)，Δncl比Δnop小得多，也就是說，閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。(2)n0相同的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，后者的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜率差分別為：當(dāng)n0op=n0cl時(shí)，有：(3)當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nnom，而對最低速靜差率的要求相同，那么，由D=Snnom/［Δnnom（1-S）］有：開環(huán)時(shí)：閉環(huán)時(shí)：再考慮式，得：Dcl=（1＋K）Dop（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)越性，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。在閉環(huán)系統(tǒng)中，引入轉(zhuǎn)速反饋電壓Un后，若要使轉(zhuǎn)速偏差小，ΔUn=U*n-Un就必須控制得很低，所以必須設(shè)置放大器，才能獲得足夠的控制電壓Uct。在開環(huán)系統(tǒng)中，由于U*n和Uct是屬于同一數(shù)量級的電壓，可以把U*n直接當(dāng)作Uct來控制，放大器便是多余的了?，F(xiàn)在再對前面引用的龍門刨床的例子進(jìn)行計(jì)算。已知Δnop=275r／min，要滿足D=20，S≤5％的要求，須有Δncl≤2.63r／min，由式

可知：若已知V-M系統(tǒng)的參數(shù)為：Ce=0.2V·min／r，Ks=30，α=0.015V·min／r，則：即只要放大器的放大系數(shù)大于或等于46，閉環(huán)系統(tǒng)即能滿足所要求的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。在開環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，電樞壓降也增大，轉(zhuǎn)速就會下降。閉環(huán)系統(tǒng)裝有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有下降，反饋電壓就反映出來。通過比較和放大，提高晶閘管裝置的輸出電壓Ud，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性上，使得轉(zhuǎn)速又有所回升。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)地改變整流電壓。閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系五、反饋控制規(guī)律1．被調(diào)量有靜差具有比例放大器的反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是有靜差的。然而，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個(gè)比例放大器（Ks=常數(shù)），穩(wěn)態(tài)速差只能減小，但不可能消除，因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為：只有K=∞才能使Δncl=0，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)稱為有靜差調(diào)速系統(tǒng)。2.抵抗擾動與服從給定反饋控制系統(tǒng)一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定信號，對給定信號的任何變化都將完全響應(yīng)。自動調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用3．系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋檢測精度反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)對給定電源和被調(diào)量檢測裝置中的擾動無能為力。因此，控制系統(tǒng)精度依賴于給定穩(wěn)壓電源和反饋量檢測元件的精度。如果給定電源發(fā)生了不應(yīng)有的波動，則被調(diào)量也要跟著變化。反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是正常的調(diào)節(jié)給定電壓還是給定電源的變化。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)需要有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。§3—5電壓反饋電流補(bǔ)

償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析一、電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)采用電壓負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖如圖a所示。在這里作為反饋檢測元件的只是一個(gè)起分壓作用的電位器，它比測速發(fā)電機(jī)要簡單得多。電壓反饋信號Uu=γUd，γ稱作電壓反饋系數(shù)。電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖a)原理圖如圖所示為電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。電壓負(fù)反饋取自電樞端電壓Ud，為了在結(jié)構(gòu)圖上把Ud顯示出來，應(yīng)把電阻R分成兩個(gè)部分，即：R=Rrec＋Ra式中Rrec——晶閘管整流裝置的內(nèi)阻（含平波電抗器電阻）；Ra——電樞電阻。因而Udo-IdRrec=UdUd-IdRa=E電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖b)結(jié)構(gòu)圖利用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算規(guī)則，可將結(jié)構(gòu)圖分解為三個(gè)部分，先分別求出每部分的輸入輸出關(guān)系，再疊加起來，即得電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：因此，電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)速降比同等放大系數(shù)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)要大一些，穩(wěn)態(tài)性能要差一些。在實(shí)際系統(tǒng)中，為了盡可能減小靜態(tài)速降，電壓負(fù)反饋的兩根引出線應(yīng)該盡量靠近電動機(jī)電樞兩端。電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖c),d),e)拆分的結(jié)構(gòu)圖二、電流正反饋和補(bǔ)償控制規(guī)律如圖所示為附加電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖。帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖電流反饋系數(shù)當(dāng)負(fù)載增大使靜態(tài)速降增加時(shí)，電流正反饋信號也增大，通過運(yùn)算放大器使晶閘管整流裝置控制電壓隨之增加，從而補(bǔ)償了轉(zhuǎn)速的降落。因此，電流正反饋的作用又稱作電流補(bǔ)償控制。具體的補(bǔ)償作用有多少，由系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的參數(shù)決定。根據(jù)原理圖可以繪出帶電流正反饋和電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖所示。再利用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算規(guī)則，可以直接寫出系統(tǒng)的靜特性方程式：帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖式中，K=γKpKs。由靜特性方程式可見，表示電流正反饋?zhàn)饔玫囊豁?xiàng)能夠補(bǔ)償另兩項(xiàng)靜態(tài)速降，當(dāng)然就可以減少靜差。只要加大電流反饋系數(shù)β就能夠減少靜差，但電流正反饋控制與電壓或轉(zhuǎn)速反饋控制仍有所區(qū)別。電流正反饋和電壓負(fù)反饋（或轉(zhuǎn)速負(fù)反饋）是性質(zhì)完全不同的兩種控制作用。電壓（轉(zhuǎn)速）負(fù)反饋屬于被調(diào)量的負(fù)反饋，“反饋控制”具有反饋控制規(guī)律，在采用比例放大器時(shí)總是有靜差的。電流正反饋在調(diào)速系統(tǒng)中的作用不是用（1＋K）去除Δn項(xiàng)以減小靜差，而是用一個(gè)正項(xiàng)去抵消原系統(tǒng)中負(fù)的速降項(xiàng)。從這個(gè)特點(diǎn)上看，電流正反饋不屬于“反饋控制”，而稱作“補(bǔ)償控制”。由于電流的大小反映了負(fù)載擾動，又稱為擾動量的補(bǔ)償控制。補(bǔ)償控制的參數(shù)配合得恰到好處時(shí)，可使靜差為零，稱為全補(bǔ)償。由靜特性方程式可以求出全補(bǔ)償?shù)臈l件。令：代入靜特性方程式，整理后可得：因此全補(bǔ)償?shù)臈l件是：或其中βcr稱為全補(bǔ)償?shù)呐R界電流反饋系數(shù)。如果β＜βcr，則仍舊有一些靜差，稱為欠補(bǔ)償；如果β＞βcr，則靜特性上翹，稱為過補(bǔ)償。不同補(bǔ)償條件下的靜特性如圖所示，其中直線1，2，3分別代表電壓負(fù)反饋加電流正反饋時(shí)的全補(bǔ)償、欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償。圖中還繪出了電壓負(fù)反饋系統(tǒng)的靜特性（直線4）和開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性（直線5）以示比較，所有特性都是以同樣的理想空載轉(zhuǎn)速n0為基點(diǎn)的。補(bǔ)償控制和反饋控制的靜特性如果取消電壓負(fù)反饋，單純采用電流正反饋的補(bǔ)償控制，則靜特性方程式變成：這時(shí)，全補(bǔ)償?shù)臈l件是：可見，無論有沒有其他負(fù)反饋，只用電流正反饋就足以把靜差補(bǔ)償?shù)搅?。反饋控制只能使靜差盡量減小，補(bǔ)償控制卻能把靜差完全消除，這似乎是補(bǔ)償控制的優(yōu)點(diǎn)。但是，反饋控制無論環(huán)境怎么變化都能可靠地減小靜差，而補(bǔ)償控制則完全依賴于參數(shù)的配合。當(dāng)參數(shù)受溫度等因素的影響而發(fā)生變化時(shí)，全補(bǔ)償?shù)臈l件就不可能永遠(yuǎn)保持不變了。再進(jìn)一步看，反饋控制對一切包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動都起抑制作用，而補(bǔ)償控制只是針對一種擾動而言。電流正反饋只能補(bǔ)償負(fù)載擾動，對于電網(wǎng)電壓波動那樣的擾動，它所起的反而是壞作用。因此全面地看，補(bǔ)償控制是不及反饋控制的。在實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)中，很少單獨(dú)使用電流正反饋補(bǔ)償控制，只是在電壓（或轉(zhuǎn)速）負(fù)反饋系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上電流正反饋的補(bǔ)償作用，作為進(jìn)一步減少靜態(tài)速降的補(bǔ)充措施。此外，決不會用到全補(bǔ)償這種臨界狀態(tài)，因?yàn)槿绻麉?shù)變化，偏到過補(bǔ)償情況，不僅靜特性會發(fā)生變化，還會出現(xiàn)動態(tài)不穩(wěn)定。當(dāng)參數(shù)配合適當(dāng)，使電流正反饋?zhàn)饔们『玫窒綦姌须娮璁a(chǎn)生的一部分速降，即KpKsβ=KRa時(shí)，這時(shí)的電壓負(fù)反饋加電流正反饋與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋完全相當(dāng)，是一種特殊的欠補(bǔ)償狀態(tài)。一般把這樣的電壓負(fù)反饋加電流正反饋稱為電動勢負(fù)反饋。但是，這只是參數(shù)的一種巧妙的配合，系統(tǒng)的本質(zhì)并未改變。雖然可以認(rèn)為電動勢是正比于轉(zhuǎn)速的，但是，這樣的“電動勢負(fù)反饋”調(diào)速系統(tǒng)絕不是真正的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。第四章直流可逆調(diào)速系統(tǒng)§4—2勵(lì)磁反接可逆線路§4—1電樞反接可逆線路§4—3電樞可逆邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析在直流電力拖動系統(tǒng)中，無論是正、反轉(zhuǎn)還是制動,均要求改變直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的方向。由直流他勵(lì)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩T=KmΦId可知，要改變電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的方向，有兩種方法：一是改變電樞電流Id的方向，即改變電樞電壓Ud極性；二是改變電動機(jī)勵(lì)磁磁通Φ的方向，即改變勵(lì)磁電流的方向。通過改變電樞電壓極性實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，稱為電樞可逆系統(tǒng)；通過改變勵(lì)磁電流方向?qū)崿F(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，稱為磁場可逆系統(tǒng)。§4—1電樞反接可逆線路一、接觸器反接的可逆線路對于經(jīng)常處于單方向運(yùn)行，偶爾才需要反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，可以只用一組晶閘管整流裝置給電動機(jī)電樞供電，再用接觸器切換加在電動機(jī)上整流電壓的極性即可。晶閘管整流裝置的輸出電壓Ud極性不變，總是上“+”下“-”。當(dāng)正向接觸器KMF吸合時(shí)，電動機(jī)端電壓為A（＋），B（-），電動機(jī)正轉(zhuǎn)；如果反向接觸器KMR吸合，電動機(jī)端電壓變成A（-），B（+），則電動機(jī)反轉(zhuǎn)。這種方案比較簡單、經(jīng)濟(jì)。但是，接觸器頻繁切換時(shí)，其動作噪聲較大，壽命較低，動作時(shí)間長，所以只適用于不經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。用接觸器切換電樞極性的可逆電路二、晶閘管切換的可逆線路為了避免有觸點(diǎn)器件的缺點(diǎn)，可以采用無觸點(diǎn)的晶閘管開關(guān)代替接觸器，如圖所示。當(dāng)VT1和VT2晶閘管開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)VT3和VT4晶閘管開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。這種方案除原有的一套晶閘管裝置外，還需多用四個(gè)晶閘管作開關(guān)，對其耐壓電流容量的要求比較高，經(jīng)濟(jì)上無明顯優(yōu)點(diǎn)，一般只適用于中小容量的系統(tǒng)。用晶閘管切換的可逆電路對于要求頻繁正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械,經(jīng)常采用的是兩組晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線路，如圖a所示。電動機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時(shí)，由反組晶閘管裝置VR供電。正、反向運(yùn)行時(shí)拖動系統(tǒng)工作在Ⅰ、Ⅲ兩個(gè)象限中，如圖b所示。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活地控制電動機(jī)的起、制動，正、反轉(zhuǎn)和升、降速。但在一般情況下不允許兩組晶閘管同時(shí)處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路。因此，對控制電路提出了嚴(yán)格要求，這是反并聯(lián)可逆線路的一個(gè)重要問題。兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路a)可逆線路b）機(jī)械特性如果有兩臺獨(dú)立的整流變壓器，或者一臺整流變壓器有兩套二次繞組，還可以組成交叉連接的可逆線路。如圖所示為三相橋式反并聯(lián)線路（圖a）和交叉連接線路（圖b和圖c）。在反并聯(lián)連接的可逆電路中，有兩條環(huán)流回路，需四個(gè)限制環(huán)流的電抗器；交叉連接的可逆電路只有一條環(huán)流回路，所以，只需兩只限制環(huán)流的電抗器。三相橋式可逆線路a）反并聯(lián)連接線路b），c）交叉連接線路三、晶閘管—電動機(jī)可逆系統(tǒng)的工作狀態(tài)1．晶閘管裝置的整流和逆變狀態(tài)如圖所示為開卷機(jī)V-M系統(tǒng)整流和逆變狀態(tài)。開卷機(jī)V-M系統(tǒng)整流和逆變狀態(tài)a）整流狀態(tài)b）逆變狀態(tài)同一套晶閘管裝置可以工作在整流狀態(tài),也可以工作在逆變狀態(tài)。由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕瑑煞N狀態(tài)中電流方向不變，而電動機(jī)的端電壓的極性相反。因此在整流狀態(tài)時(shí)向電動機(jī)輸出電能，而在逆變狀態(tài)時(shí)向電網(wǎng)回饋電能。實(shí)現(xiàn)逆變要有二個(gè)條件：（1）內(nèi)部條件控制角α＞90°，使晶閘管整流裝置輸出負(fù)的平均電壓-Ud（稱逆變電壓）。（2）外部條件外電路必須有一個(gè)直流電源，其極性與-Ud的極性相同，數(shù)值應(yīng)比Ud的絕對值稍大，以產(chǎn)生和維持逆變電流。晶閘管裝置在上述條件下產(chǎn)生的逆變狀態(tài)稱作有源逆變。2．V—M系統(tǒng)發(fā)電回饋制動在單組晶閘管—電動機(jī)系統(tǒng)中，電動機(jī)只能工作在第Ⅰ和第Ⅳ象限。然而有不少生產(chǎn)機(jī)械在運(yùn)行過程中需要快速地減速或停車，最經(jīng)濟(jì)的辦法就是回饋制動，使之工作在第Ⅱ象限。這樣一來，就要求電流能反向。因此，只有一組晶閘管顯然是不行的，因?yàn)樵跍p速時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)向不變，即反電動勢E方向不變，而電流又不能反向，所以這組晶閘管裝置就不可能實(shí)現(xiàn)逆變，電動機(jī)也不能實(shí)現(xiàn)發(fā)電回饋制動。為此必須采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路。3．兩組反并聯(lián)晶閘管—電動機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)兩組反并聯(lián)晶閘管—電動機(jī)系統(tǒng)如圖a所示。它能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，是一種常用的可逆線路。兩組反并聯(lián)晶閘管—電動機(jī)系統(tǒng)a）反并聯(lián)線路b）機(jī)械特性兩組反并聯(lián)晶閘管—電動機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)（1）正向運(yùn)行這時(shí)正組處于整流狀態(tài)，VF給電動機(jī)供電，電動機(jī)為電動狀態(tài)，從電網(wǎng)吸取電能，Ud＞E，其電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)運(yùn)行在第Ⅰ象限。（2）正向制動利用控制電路切換到反組晶閘管VR，反組處于逆變狀態(tài)，反電動勢E大于反組逆變電壓Ud，電動機(jī)成為發(fā)電機(jī)，電能經(jīng)晶閘管回饋電網(wǎng)。這時(shí)電動機(jī)仍在正轉(zhuǎn)，但電流反向，電磁轉(zhuǎn)矩T反向，成為制動轉(zhuǎn)矩。這種情況稱為回饋制動，系統(tǒng)運(yùn)行在第Ⅱ象限。依此類推，當(dāng)電動機(jī)反向運(yùn)行和反向回饋制動時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在第Ⅲ和第Ⅳ象限。總結(jié)：即便是不可逆系統(tǒng)，電動機(jī)并不要求反轉(zhuǎn)，但只需要快速回饋制動，就應(yīng)有兩組反并聯(lián)的晶閘管裝置。正組作為整流供電，反組提供逆變制動。由于反組晶閘管只在短時(shí)間內(nèi)供給制動電流，并不提供穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流，因而實(shí)際容量可以小一些。對于可逆系統(tǒng)來說，在正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)可利用反組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動，反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)同樣可利用正組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動，正反轉(zhuǎn)和制動的裝置合二為一，兩組晶閘管的容量自然就沒有區(qū)別了。§4—2勵(lì)磁反接可逆線路在磁場可逆線路中，電動機(jī)電樞只需要一組晶閘管整流裝置供電，而勵(lì)磁繞組則由另外的晶閘管裝置供電，像電樞反接可逆線路一樣，可以采用接觸器切換、晶閘管開關(guān)切換、反并聯(lián)或交叉連接線路中任意一種方案來改變勵(lì)磁電流的方向。接觸器切換的勵(lì)磁可逆電路,對于經(jīng)常處于單方向運(yùn)行偶爾才需要反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，可以只用一組晶閘管整流裝置給電動機(jī)勵(lì)磁供電，再用接觸器切換加在電動機(jī)上整流電壓的極性如圖所示。晶閘管整流裝置的輸出電壓Ud極性不變，總是上“+”下“-”。當(dāng)正向接觸器KMF吸合時(shí)，電動機(jī)勵(lì)磁端電壓為A（＋），B（-），電動機(jī)正轉(zhuǎn)；如果反向接觸器KMR吸合，電動機(jī)勵(lì)磁端電壓變成A（-），B（+），則電動機(jī)反轉(zhuǎn)。這種方案比較簡單、經(jīng)濟(jì)。但是，接觸器頻繁切換時(shí)，其動作噪聲較大，壽命較低，動作時(shí)間長，所以經(jīng)常采用晶閘管開關(guān)切換需要正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。用接觸器切換勵(lì)磁極性的可逆電路由于勵(lì)磁功率只占電動機(jī)額定功率的1%～5%，顯然反接勵(lì)磁所需的晶閘管裝置容量要小得多。對于大容量電動機(jī)，勵(lì)磁反接的方案投資較少，在經(jīng)濟(jì)上是比較便宜的。但是，由于勵(lì)磁回路電感量大，時(shí)間常數(shù)較大，因此這種系統(tǒng)反向過程較慢，大一些的電動機(jī)，電流反向可能需要10s以上的時(shí)間。為了盡可能快地反向，常采用“強(qiáng)迫勵(lì)磁”的方法（加2～5倍反向勵(lì)磁電壓），迫使勵(lì)磁電流迅速改變方向。當(dāng)達(dá)到所需數(shù)值時(shí)立即將勵(lì)磁電壓降到正常值。在反向過程中，當(dāng)勵(lì)磁電流由額定值下降到零這段時(shí)間里，如電樞電流依然存在，電動機(jī)將會產(chǎn)生超速（或稱飛車）現(xiàn)象。為了避免出現(xiàn)這種情況，應(yīng)在磁通減弱時(shí)保證電樞電流為零。這無疑增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，勵(lì)磁反接的方案只適用于對快速性要求不高，正反轉(zhuǎn)不太頻繁的大容量可逆系統(tǒng)，例如，卷揚(yáng)機(jī)、礦井提升機(jī)、電力機(jī)車等?！?—3電樞可逆邏輯無

環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的分析按實(shí)現(xiàn)無環(huán)流原理的不同可分為兩大類：邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)和錯(cuò)位控制無環(huán)流系統(tǒng)。本節(jié)只討論邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)一組晶閘管工作時(shí)，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，確保兩組晶閘管不同時(shí)工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路。這就是邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。一、系統(tǒng)的組成和工作原理主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)連接，由于沒有環(huán)流，不用再設(shè)置環(huán)流電抗器。但為了保證穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波形的連續(xù)，仍應(yīng)保留平波電抗器Ld?？刂凭€路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，只是電流環(huán)分設(shè)了兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器（并非必須如此）。1ACR用來控制正組觸發(fā)裝置GTF，2ACR控制反組觸發(fā)裝置GTR。1ACR的給定信號為U*i，這樣可以使電流反饋信號Ui的極性在正、反轉(zhuǎn)時(shí)都不必改變，從而可采用不反映極性的交流電流互感器。由于主電路不設(shè)均衡電抗器，一旦出現(xiàn)環(huán)流將造成嚴(yán)重的短路事故，所以對工作時(shí)的可靠性要求特別高。為此在邏輯無環(huán)流系統(tǒng)中設(shè)置了無環(huán)流邏輯控制DLC。它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)指揮系統(tǒng)進(jìn)行自動切換，或者允許正組發(fā)出觸發(fā)脈沖而封鎖反組，或者允許反組發(fā)出觸發(fā)脈沖而封鎖正組。在任何情況下，決不容許兩組晶閘管同時(shí)開放，確保主電路沒有產(chǎn)生環(huán)流的可能。觸發(fā)脈沖的零位整定為αf0=αr0=90°，工作時(shí)移相方法仍和α=β工作制一樣，只是用DLC來控制兩