配套課件-運動控制系統(tǒng)

第1章緒論1.1自動控制系統(tǒng)的基本概念1.2直流調(diào)速系統(tǒng)概況1.3交流調(diào)速系統(tǒng)概況1.4自動控制系統(tǒng)仿真基本概念1.5本課程的任務(wù)本章小結(jié)習題與思考題

1.1自動控制系統(tǒng)的基本概念

1.1.1自動控制系統(tǒng)的一般概念

所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。例如，無人駕駛飛機按照預(yù)定的飛行航線自動升降和飛行，這是典型的自動控制技術(shù)應(yīng)用的結(jié)果。

何謂自動控制系統(tǒng)，為了說明這個概念，下面先簡單介紹一下自動控制理論中常用的幾個術(shù)語。

(1)被控對象：在自動控制技術(shù)中，通常把工作的機器設(shè)備稱為被控對象，如汽車、飛機以及煉鋼和化工生產(chǎn)中使用的鍋爐等。

(2)被控量：把表征機器設(shè)備工作狀態(tài)的物理參量稱為被控量，如電壓、電流、進給量、爐溫等。

(3)給定輸入：對物理參量的要求值稱為給定值(給定輸入)或希望值(或參考輸入)；

(4)控制裝置：也稱為控制器，能起控制作用的設(shè)備裝置?？刂破靼l(fā)出的控制輸出信號稱為控制量。

(5)系統(tǒng)：為達到某一目的，由相互制約的各個部分按一定規(guī)律組成的、具有一定功能的整體。

掌握上述幾個概念后，不難理解自動控制系統(tǒng)的含義了。一般地，被控對象和控制裝置(控制器)的總體稱為自動控制系統(tǒng)?，F(xiàn)以無人駕駛飛機為例，進一步理解上述幾個概念。無人駕駛飛機按預(yù)先給定的飛行航線參數(shù)(高度、方向等)飛行，則預(yù)先給定的飛行航線參數(shù)稱為給定輸入或參考輸入；在飛行過程中受到大氣氣流的影響使飛機偏離預(yù)定的航線，大氣氣流使飛行參數(shù)改變稱為擾動；飛機的測量比較裝置測出實際飛行參數(shù)與預(yù)定飛行參數(shù)存在偏差，就會對飛機的某些設(shè)備裝置進行控制調(diào)節(jié)，這些起控制作用的設(shè)備裝置稱為控制器；飛機稱為被控對象；飛機實際飛行參數(shù)稱為被控制量；在控制器作用下使飛機回到預(yù)定的航線或偏差在允許范圍內(nèi)，這就形成了無人駕駛飛機的自動控制系統(tǒng)。1.1.2自動控制的基本方式

自動控制系統(tǒng)有兩種最基本的形式，即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。閉環(huán)自動控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng)，也是本書討論的主要內(nèi)容。

1.開環(huán)控制

開環(huán)控制是一種最簡單的控制方式，其特點是：在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用，即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒有影響。常見的開環(huán)控制系統(tǒng)有以下兩種。

1)按給定值操作的開環(huán)控制系統(tǒng)

這種控制方式的特點是：需要控制的是被控對象的被控量，而控制裝置(即控制器)只接收給定值信號。按給定值操作的開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖如圖1-1所示。系統(tǒng)中，給定值經(jīng)計算、執(zhí)行部件和被控對象轉(zhuǎn)變?yōu)楸豢亓?，這是一個單向傳遞過程，故稱為開環(huán)控制。

這種開環(huán)控制方式有明顯的缺陷，它對可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。當系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定、干擾極弱或控制精度要求不高時，可采用這種開環(huán)控制方式。圖1-1按給定值操作的開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖

2)按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)

這種控制方式的特點是：需要控制的仍是被控對象的被控量，而控制裝置(即控制器)接收的是干擾信號(破壞正常運行的干擾信號)?？垢蓴_補償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖如圖1-2所示。利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以及時補充干擾對被控量的直接影響，稱為干擾補償控制。干擾信號經(jīng)測量、計算、執(zhí)行等部件至被控對象變換為被控量，這也是一個單向傳遞過程。圖1-2按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖這種系統(tǒng)只能對可測干擾進行補償，對不可測干擾，系統(tǒng)自身無法控制，因此控制精度受到原理上的限制。在存在強干擾且變化比較劇烈的場合，可以采用這種開環(huán)控制方式。

2.閉環(huán)控制

閉環(huán)控制方式的特點是：在控制器與被控對象之間不僅存在著正向作用，而且存在著反饋作用，即系統(tǒng)的輸出量對控制量有直接影響，其原理方框圖如圖1-3所示。閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制信號經(jīng)計算比較、執(zhí)行部件至被控對象，然后又經(jīng)過測量部件反饋回來，形成一個閉路傳遞，故稱閉環(huán)控制。將檢測出來的輸出量(即被控量)送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入量(即給定值)比較的過程稱為反饋。若反饋信號與輸入信號相減，則稱為負反饋；反之，若相加，則稱為正反饋。輸入信號與反饋信號之差稱為偏差信號。偏差信號作用于控制器上，使系統(tǒng)的輸出量趨向于給定的數(shù)值。閉環(huán)控制的實質(zhì)就是利用負反饋的作用來減小系統(tǒng)的誤差，因此閉環(huán)控制又稱為反饋控制。圖1-3按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)從原理上提供了實現(xiàn)高精度控制的可能性。因為無論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會自行糾偏。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)如果匹配得不好，會造成被控量的較大擺動，甚至使系統(tǒng)無法正常工作。

例1-1一個簡單的水位控制系統(tǒng)如圖1-4所示，試分析系統(tǒng)的工作原理，并畫出系統(tǒng)的原理方框圖。

解系統(tǒng)的任務(wù)是控制水箱內(nèi)的水位高度H使其等于預(yù)先設(shè)定的水位高度H0。

因為最終需要控制的是水箱內(nèi)的水位，使其維持恒定，故首先應(yīng)明確下列問題：

(1)受控對象——水箱、供水系統(tǒng)；

(2)被控量——水箱內(nèi)水位的高度；

(3)給定量——控制器刻度盤指針標定的預(yù)定水位高度；

(4)控制裝置——啟動閥門、控制器；圖1-4水位控制系統(tǒng)原理圖

(5)測量裝置——浮子；

(6)比較裝置——控制器刻度盤；

(7)干擾——水的流出量Q2和流入量Q1的變化都將破壞水位的恒定，故Q1、Q2是干擾輸入。

由上述分析可知系統(tǒng)的工作原理如下：假定水位H恰好等于控制器刻度盤指針標定的預(yù)定水位高度，則水位偏差為零，啟動閥門保持一定開度，進水量一定，水箱處于平衡工作狀態(tài)。

如果流出量Q2突然增大，而進水啟動閥門一時沒變，則水位下降，浮子下移，使得進水閥門開度增大，水位偏差不為零，進水量增加，水位逐漸升高，直至水位H又恢復(fù)到預(yù)先設(shè)定的值，系統(tǒng)重新進入平衡狀態(tài)。

水位控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖1-5所示。圖1-5水位控制系統(tǒng)的原理方框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)是否能很好地工作，將取決于被控對象和控制裝置之間、各功能部件的特性參數(shù)之間是否匹配得當。在工程實際應(yīng)用中，控制精度是衡量自動控制系統(tǒng)技術(shù)性能的重要指標。一個高質(zhì)量的控制系統(tǒng)，在整個運行過程中，被控量對給定值的偏差應(yīng)該是很小的。一般地，考慮到自控系統(tǒng)的動態(tài)過程(控制被控量變化的全過程稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程)在不同階段中的特點，工程上常從穩(wěn)、準、快三個方面來評價總體精度。穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)動態(tài)過程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)的動態(tài)精度高。準是衡量穩(wěn)態(tài)精度的指標，反映了系統(tǒng)后期穩(wěn)態(tài)的性能。穩(wěn)、快、準三方面的性能指標往往由于被控對象的具體情況不同，各系統(tǒng)要求也有所側(cè)重，而且在同一個系統(tǒng)中，穩(wěn)、快、準的要求是相互制約的。

1.2直流調(diào)速系統(tǒng)概況

調(diào)速控制系統(tǒng)是通過對電動機的控制，將電能轉(zhuǎn)換成機械能，并且控制工作機械按給定的運動規(guī)律運行的裝置。用直流電動機作為原動機的傳動方式稱為直流調(diào)速。直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到

了廣泛的應(yīng)用。雖然近年來交流電動機的調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展很快，但就其閉環(huán)控制的機理來說，直流電動機的調(diào)速與控制理論和實現(xiàn)都是交流電動機調(diào)速控制的基礎(chǔ)。從根本上說，由于直流電動機電樞和磁場能獨立進行激勵，而且轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的描述是對可控電壓(或電流)激勵的線性函數(shù)，因此，容易實現(xiàn)各種直流電動機調(diào)速控制，也容易實現(xiàn)對控制目標的“最佳化”。這也是直流電動機長期主導(dǎo)調(diào)速領(lǐng)域的原因。

在生產(chǎn)過程中，控制系統(tǒng)的運行速度不可能一成不變，需要根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求或?qū)嶋H情況進行速度調(diào)節(jié)。調(diào)速的方法一般有幾種：機械調(diào)速、電氣調(diào)速和機械電氣配合調(diào)速。機械調(diào)速通過改變傳動比來實現(xiàn)調(diào)速；電氣調(diào)速則通過改變電動機的電氣參數(shù)，從而改變電動機運行的工作點來實現(xiàn)調(diào)速。采用何種方案調(diào)速，要根據(jù)實際情況，以獲得最佳性價比為目標來決定。在很多情況下，采用電氣調(diào)速在技術(shù)、經(jīng)濟等各項指標上都優(yōu)越得多。由于晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟指標，目前國內(nèi)多數(shù)調(diào)速系統(tǒng)仍然沿用晶閘管電動機傳動結(jié)構(gòu)，但是晶閘管存在著控制的非線性及較低的功率因數(shù)等缺點，難以實現(xiàn)高精度、寬范圍的速度控制。隨著GTO晶閘管、GTR、P-MOSFET、IGBT和MCT等全控型功率器件的問世，這些有自關(guān)斷能力的器件逐步取代了原來普通晶閘管系統(tǒng)所必需的換向電路，簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了效率和工作頻率，降低了噪聲，縮小了電力電子裝置的體積和重量。諧波成分大、功率因數(shù)差的相控變流器逐步被斬波器或脈沖寬度調(diào)制型(PWM)變流器所代替，明顯地擴大了電動機控制的調(diào)速范圍，提高了調(diào)速精度，改善了快速性、效率和功率因數(shù)。PWM電源終將取代晶閘管相控式可控功率電源，成為電源的主流。一種稱為軟性PWM的電源將主宰傳動控制領(lǐng)域，成為理想的功率電源。隨著信息、控制與系統(tǒng)學科以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力拖動控制系統(tǒng)獲得了迅猛發(fā)展，從旋轉(zhuǎn)交流機組(交流電動機帶動直流發(fā)電機)到水銀整流器靜止變流裝置、晶閘管整流裝置，再到眾多集成電力模塊。目前完全數(shù)字化的控制裝置已成功應(yīng)用于生產(chǎn)，以微機作為控制系統(tǒng)的核心部件，并具有控制、檢測、監(jiān)視、故障診斷及故障處理等多功能的電氣傳動系統(tǒng)正處在形成和不斷完善之中。

1.3交流調(diào)速系統(tǒng)概況

交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，但是長期以來一直沒有理想的調(diào)速方案，只能被用于恒速拖動領(lǐng)域。晶閘管等功率元件的出現(xiàn)使交流電動機調(diào)速的發(fā)展出現(xiàn)了一個飛躍，使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速得以實現(xiàn)。盡管交流電動機具有體積小、重量輕、沒有電刷和換向器、轉(zhuǎn)動慣量小、制造簡單、結(jié)構(gòu)牢固、工作可靠、易于維修等優(yōu)點，但是由于交流電動機調(diào)速系統(tǒng)具有控制比較復(fù)雜、調(diào)速性能差、裝置價格高、效率低等缺點，因而仍然未能得到推廣。自從微處理器出現(xiàn)以后，在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串級調(diào)速、無換向器電動機調(diào)速、籠型異步電動機的矢量控制以及PWM技術(shù)方面都已經(jīng)獲得了重大突破與發(fā)展，并已進入工業(yè)應(yīng)用階段。目前，以大功率半導(dǎo)體器件、大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)態(tài)精度、較快的動態(tài)響應(yīng)、較高的工作效率以及可以四象限運行等優(yōu)異性能，其靜、動態(tài)特性均可以與直流電動機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。而這時，直流電動機和交流電動機相比其缺點也日益顯露出來。例如，直流電動機存在換向問題，其最大供電電壓受到限制，機械強度也限制了轉(zhuǎn)速的進一步提高，結(jié)構(gòu)的影響使其不適于腐蝕性、易爆性和含塵氣體的特殊場合。因此，交流電動機越來越受到人們的重視，可以說，交流調(diào)速逐步取代直流調(diào)速已成為明顯的發(fā)展趨勢。特別是節(jié)能型交流調(diào)速技術(shù)，已得到很快發(fā)展。在過去大量應(yīng)用的所謂不變速拖動系統(tǒng)中，有相當一部分是風機、水泵等拖動系統(tǒng)，這類負載約占工業(yè)電力拖動總量的一半。其中有些并不是真的不需要變速，只是由于過去的交流電動機不能調(diào)速，因而不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)流量，同時也消耗掉大量的電能。如果采用交流電動機調(diào)速來改變風量或流量，則效率將會大大提高。從各方面來看，改造恒速電動機為交流調(diào)速電動機，每臺月節(jié)能20％以上，總體的節(jié)能效益是可觀的。

1.4自動控制系統(tǒng)仿真基本概念

系統(tǒng)仿真作為一種特殊的試驗技術(shù)，在20世紀30年代到90年代的半個多世紀中經(jīng)歷了飛速發(fā)展，到今天已經(jīng)發(fā)展成為一種真正的、系統(tǒng)的試驗科學。伴隨著第一臺電子管電子計算機的誕生和以相似理論為基礎(chǔ)的模擬技術(shù)的應(yīng)用，仿真作為一種研究和發(fā)展新產(chǎn)品、新技術(shù)的科學手段，在航空、航天、造船、兵器等與國防科研相關(guān)的行業(yè)中首先發(fā)展起來，并顯示了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。以武器的作戰(zhàn)使用訓(xùn)練為例，1930年左右，美國陸、海軍航空隊就使用了林克式儀表飛行模擬訓(xùn)練器。當時其經(jīng)濟效益相當于每年節(jié)約1.3億美元，而且少犧牲524名飛行員。此后，固定基座以及三自由飛行模擬座艙陸續(xù)大量投入使用。1950～1953年，美國首先利用計算機來模擬戰(zhàn)爭，防空兵力或地空作戰(zhàn)被認為是具有最大訓(xùn)練潛力的應(yīng)用范疇。20世紀60年代，目標探測、捕獲、跟蹤和電子對抗已經(jīng)進入了仿真系統(tǒng)。70年代利用放電影方式，在大球幕內(nèi)實現(xiàn)了多目標、飛機—導(dǎo)彈作戰(zhàn)演習。隨著80年代數(shù)字計算機的高速發(fā)展，訓(xùn)練仿真開始蓬勃發(fā)展，甚至呈現(xiàn)了兩個新概念，即武器系統(tǒng)研制與訓(xùn)練裝置的開發(fā)同步進行以及訓(xùn)練裝置作為武器系統(tǒng)可嵌入的組成部分而進入整個計算機軟件系統(tǒng)。至于武器的控制與制導(dǎo)(C&G)系統(tǒng)研制、試驗與定型中仿真技術(shù)的應(yīng)用則更為普遍。在20世紀80年代對于導(dǎo)彈的研制中，由于采用仿真使飛行試驗數(shù)量減少了30％～40％，節(jié)約研制經(jīng)費10％～40％，縮短周期30％～60％，這足以說明系統(tǒng)仿真在工程應(yīng)用中的重大意義。

仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學的模型來類比模仿現(xiàn)實過程，以尋求對真實過程的認識，它所遵循的基本原則是相似性原理。1.4.1計算機仿真基本概念

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)逐步發(fā)展，現(xiàn)已形成完整的學科，滲透到各個領(lǐng)域，為應(yīng)用系統(tǒng)的研究提供了強大的工具。

系統(tǒng)仿真利用系統(tǒng)模型研究一個存在的或設(shè)計中的系統(tǒng)。仿真技術(shù)以控制論、系統(tǒng)論、相似性原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，是工程技術(shù)人員進行系統(tǒng)分析、設(shè)計和評估的重要手段。根據(jù)自動控制理論，我們已經(jīng)知道，在電動機調(diào)速控制系統(tǒng)中，使用框圖組織系統(tǒng)又省時又省力，如果采用計算機仿真技術(shù)來實現(xiàn)電動機調(diào)速，則在提高調(diào)速系統(tǒng)運行精度、減少累積誤差等方面大有益處。計算機仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計算機對系統(tǒng)進行分析與研究的技術(shù)及方法。模型是對現(xiàn)實系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對系統(tǒng)特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認識事物的一種手段或工具。一般來說，模型可以分為以下三類：

(1)物理模型，是指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實體，例如飛行器研制中的飛行模型、船舶制造中的船舶模型等。

(2)數(shù)學模型，是指在一定的功能或結(jié)構(gòu)上相似，可用數(shù)學的方法來再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征的模型。

(3)仿真模型，是指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化而成的計算機可以實現(xiàn)的模型。

1.仿真分類

可以從模型角度和計算機類型角度對不同的仿真系統(tǒng)進行分類。

1)按模型分類

(1)物理仿真：采用物理模型，有實物介入，具有效果逼真、精度高等優(yōu)點，但造價高或耗時長，大多在一些特殊場合下采用(如導(dǎo)彈、衛(wèi)星一類飛行器的動態(tài)仿真，發(fā)電站綜合調(diào)度仿真與培訓(xùn)系統(tǒng)等)，具有實時、在線的特點。

(2)數(shù)學仿真：采用數(shù)學模型。它在計算機上進行，具有非實時、離線的特點，經(jīng)濟、快速、實用。

2)按計算機類型分類

(1)模擬仿真：采用數(shù)學模型，在模擬計算機上進行的仿真實驗。這是一種早期的仿真手段，現(xiàn)在基本被淘汰。它的特點是描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動態(tài)過程比較自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、結(jié)果可靠的優(yōu)點，但是受元器件性能影響較大，仿真精度較低，對計算機控制系統(tǒng)的仿真比較困難，自動化程度低。模擬計算機的核心是運算部分，它由我們熟知的“模擬運算放大器”為主要構(gòu)成部件。

(2)數(shù)字仿真：采用數(shù)學模型，在數(shù)字計算機上借助數(shù)值計算方法所進行的仿真實驗。它是在20世紀60年代隨著計算機的發(fā)展而發(fā)展起來的，其特點是計算與仿真的精度較高。理論上計算機的字長可以根據(jù)精度要求來“隨意”設(shè)計，因此其仿真精度可以是無限的，但是由于受到誤差積累、仿真時間等因素的影響，其精度也不易定得太高。數(shù)字仿真方法對計算機控制系統(tǒng)的仿真比較方便，仿真實驗的自動化程度較高，可以方便地實現(xiàn)顯示、打印等功能，但計算速度比較低，在一定程度上影響到仿真結(jié)果的可信度。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，速度問題會在不同程度上有所改進與提高。數(shù)字仿真沒有專用的仿真軟件支持，需要設(shè)計人員用高級程序語言編寫求解系統(tǒng)模型及結(jié)果輸出程序。

(3)混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真的技術(shù)與特點。

(4)現(xiàn)代計算機仿真：采用先進的微型計算機，基于專用的仿真軟件、仿真語言來實現(xiàn)，其數(shù)值計算功能強大，易學易用。它是在20世紀80年代發(fā)展起來的，是當前主流的仿真技術(shù)與方法。

2.仿真應(yīng)用

仿真技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，而且應(yīng)用的深度和廣度也越來越大，其目前主要應(yīng)用在以下方面：

(1)航空航天業(yè)，包括飛行器設(shè)計中的三級仿真體系(即數(shù)學仿真)、半實物仿真、實物仿真或模擬飛行實驗，飛行員及宇航員訓(xùn)練用飛行仿真模擬器等。

(2)電力工業(yè)，包括電力系統(tǒng)動態(tài)模型實驗，電力系統(tǒng)負荷分配、瞬態(tài)穩(wěn)定性以及最優(yōu)潮流控制，電站操作人員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)等。

(3)原子能工業(yè)，包括模擬核反應(yīng)堆，核電站仿真器，用來訓(xùn)練操作人員以及研究異常故障的排除處理等。

(4)石油、化工以及冶金工業(yè)。

(5)非工程領(lǐng)域，如醫(yī)學、社會學、宏觀經(jīng)濟和商業(yè)策略的研究等。

3.仿真技術(shù)應(yīng)用的意義

仿真技術(shù)的應(yīng)用具有重要的意義，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)經(jīng)濟。大型、復(fù)雜系統(tǒng)直接實驗是十分昂貴的，如空間飛行器一次飛行實驗的成本約在一億美元，而采用仿真實驗僅需其成本的1/10~1/5，而且設(shè)備可以重復(fù)使用。

(2)安全。某些系統(tǒng)，如載人飛行器、核電裝置等，直接實驗往往會有很大的危險，甚至是不允許的，而采用仿真實驗可以有效降低危險程度，對系統(tǒng)的研究起到保障作用。

(3)快捷。應(yīng)用仿真技術(shù)可以提高設(shè)計效率，如在進行電路設(shè)計、服裝設(shè)計時進行仿真等。

(4)具有優(yōu)化設(shè)計和預(yù)測的特殊功能。對一些真實系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計是非常困難的，這時仿真可以發(fā)揮它特殊的優(yōu)化設(shè)計功能。再如對于非工程系統(tǒng)，如社會、管理、經(jīng)濟等系統(tǒng)，由于其規(guī)模及復(fù)雜程度巨大，直接實驗幾乎是不可能的，這時通過仿真技術(shù)與方法的應(yīng)用可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認識。

4.自動控制系統(tǒng)仿真

自動控制系統(tǒng)仿真是系統(tǒng)仿真的一個重要分支，它是一門涉及自動控制理論、計算數(shù)學、計算機技術(shù)、系統(tǒng)辨識、控制工程以及系統(tǒng)科學的綜合性新型學科。它為控制系統(tǒng)的分析、計算、研究、綜合設(shè)計以及自動控制系統(tǒng)的計算機輔助教學等提供了快速、經(jīng)濟、科學及有效的手段。自動控制系統(tǒng)仿真就是以自動控制系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學模型替代實際控制系統(tǒng)，以計算機為工具，對自動控制系統(tǒng)進行實驗、分析、評估以及預(yù)測研究的一種技術(shù)與方法。

5.自動控制系統(tǒng)計算機仿真基本過程

自動控制系統(tǒng)仿真包括以下幾個基本步驟：問題描述、模型建立、仿真實驗、結(jié)果分析，具體流程如圖1-6所示。

1)建立數(shù)學模型

控制系統(tǒng)模型是指描述控制系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學表達式。控制系統(tǒng)模型可分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型。靜態(tài)模型描述的是自動控制系統(tǒng)變量之間的靜態(tài)關(guān)系，動態(tài)模型描述的是自動控制系統(tǒng)變量之間的動態(tài)關(guān)系。最常用、基本的數(shù)學模型是微分方程與差分方程。圖1-6自動控制系統(tǒng)計算機仿真流程圖

2)建立仿真模型

由于計算機數(shù)值計算方法的限制，有些數(shù)學模型是不能直接用于數(shù)值計算的，如微分方程，因此，原始的數(shù)學模型必須轉(zhuǎn)換為能夠進行系統(tǒng)仿真的仿真模型。例如，在進行連續(xù)系統(tǒng)仿真時，就需要將微分方程這樣的數(shù)學模型通過拉普拉斯變換轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)的仿真模型。

3)編寫仿真程序

控制系統(tǒng)的仿真涉及很多相關(guān)聯(lián)的量，這些量之間的聯(lián)系要通過編制程序來實現(xiàn)。常用的數(shù)值仿真編程語言有C、FORTRAN等，近年來發(fā)展迅速的綜合計算仿真軟件如MATLAB也可以用來編寫仿真程序，而且運行速度快，界面友好，因此得到廣泛應(yīng)用。本書中就是采用MATLAB環(huán)

境下的Simulink、SimPowerSystem工具箱對自動控制系統(tǒng)進行仿真分析的。

4)進行仿真實驗并分析實驗結(jié)果

在完成以上工作后，就可以進行仿真實驗了。通過對仿真結(jié)果的分析來對仿真模型與仿真程序進行檢驗和修改，如此反復(fù)，直至達到滿意的實驗效果為止。

6.計算機仿真技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與進步，與之緊密結(jié)合的計算機仿真技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)硬件方面，基于多CPU并行處理技術(shù)的全數(shù)字仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強數(shù)字仿真的實時性。

(2)應(yīng)用軟件方面，直接面向用戶的數(shù)字仿真軟件不斷推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能化技術(shù)將更深入地應(yīng)用于仿真軟件開發(fā)中，使之在人機界面、結(jié)果輸出、綜合評判等方面達到更理想的境界。

(3)分布式數(shù)字仿真，充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行分布式仿真，投資少，效果好。

(4)虛擬現(xiàn)實技術(shù)，綜合了計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等諸多學科，使人仿佛置身于真實環(huán)境之中，這就是“仿真”追求的最終目標。1.4.2

MATLAB與控制系統(tǒng)仿真

MATLAB是一種科學計算軟件。MATLAB是MatrixLaboratory(矩陣實驗室)的縮寫，這是一種以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序計算語言。早期的MATLAB主要用于解決科學和工程的復(fù)雜數(shù)學計算問題。由于它使用方便，輸入便捷，運算效率高，適應(yīng)科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶自行擴展的空間，因此，自MATLAB面世以來，其應(yīng)用范圍越來越廣，軟件工具越來越完善，集科學計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理等于一體，具有極高的編程效率。特別是MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱及Simulink的問世，給控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計帶來了極大的方便，受到用戶的歡迎，現(xiàn)已成為風行國際的、有力的控制系統(tǒng)計算機輔助分析工具。近十年來，隨著MATLAB語言和Simulink仿真環(huán)境在控制系統(tǒng)研究與教學中日益廣泛的應(yīng)用，在系統(tǒng)仿真、自動控制等領(lǐng)域，國內(nèi)外很多高校的教學與研究工作都將MATLAB/Simulink語言作為首選的計算機工具。MATLAB語言是一種十分有效的工具，能容易地解決在系統(tǒng)仿真及控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計領(lǐng)域的教學與研究中遇到的問題，它可以將使用者從繁瑣的底層編程中解放出來，把有限的寶貴時間更多地花在解決科學問題上。

MATLAB具有以下主要特點，非常適合于控制系統(tǒng)的仿真：

(1)強大的運算功能。MATLAB提供了向量、數(shù)組、矩陣、復(fù)數(shù)運算，高次微分方程求解，常微分方程的數(shù)值積分等強大的運算功能，這些運算功能使控制理論及控制系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的計算問題得以順利解決。

(2)特殊功能的TOOLBOX工具箱。MATLAB的TOOLBOX工具箱包括控制領(lǐng)域里常用的算法包，如模糊控制工具箱、魯棒控制工具箱等，這些工具箱使得控制系統(tǒng)的計算與仿真變得方便。

(3)高效的編程效率。MATLAB提供了豐富的庫函數(shù)，這些庫函數(shù)都可以直接調(diào)用，而不必將其子程序的命令或語句逐一列出，大大提高了編程效率。在科學與工程應(yīng)用的數(shù)值計算領(lǐng)域里，MATLAB與傳統(tǒng)使用BASIC、FORTRAN和C語言等設(shè)計程序相比，編程效率提高了好幾倍。

(4)簡單易學的編程語言。MATLAB的編程語言是腳本語言，這種解釋性的語言簡單易學。

(5)方便友好的編程環(huán)境。MATLAB提供了友好的用戶界面和方便的幫助系統(tǒng)，十分方便操作者使用。

隨著MATLAB軟件的不斷升級以及功能強大的TOOLBOX的出現(xiàn)，MATLAB將成為自動控制系統(tǒng)計算與仿真中一個越來越強有力的工具，使控制系統(tǒng)的計算和仿真與傳統(tǒng)的仿真方法相比發(fā)生了革命性的變化。MATLAB正成為國內(nèi)外控制領(lǐng)域中最流行的計算和仿真軟件。

1.5本課程的任務(wù)

本課程的任務(wù)是使讀者在掌握交直流調(diào)速控制系統(tǒng)基本組成原理的同時，能夠結(jié)合工程實際情況，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備所提出的技術(shù)指標組成，選擇合理的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；另外，在掌握反饋閉環(huán)控制原理的基礎(chǔ)上，能夠正確地選擇和整定調(diào)速控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)參數(shù)，使系統(tǒng)的調(diào)速性能達到最佳狀態(tài)；在功率可控電源和控制電路的實現(xiàn)上，既要掌握目前普及應(yīng)用的技術(shù)和正在發(fā)展的新技術(shù)，也要掌握模擬電路、微處理器、智能功率集成電路以及目前應(yīng)用廣泛的各類器件和由這些器件組成的系統(tǒng)；能從工程實用的角度提出問題、分析問題和解決問題。特別是對高職院校的學生來說，通過本課程的學習，應(yīng)該使其獨立思考能力和動手能力得到較大的提高，將來能夠勝任電氣傳動控制系統(tǒng)的操作、維護和管理工作。本章小結(jié)

(1)自動控制原理研究的對象是自動控制系統(tǒng)，主要是反饋系統(tǒng)，研究的中心問題是動態(tài)過程的穩(wěn)、快、準。

(2)控制即主動干預(yù)、管理、操縱之意。

(3)受控對象指具體的生產(chǎn)設(shè)備或工作機械，是自控系統(tǒng)的主體，其主要工況參數(shù)就是被控量。系統(tǒng)性能好壞，歸根結(jié)底就是看這些工況參數(shù)在運行中是否符合要求。受控對象可以是很復(fù)雜、龐大的設(shè)備，如軋鋼機、電冶爐、發(fā)電機組、化工反應(yīng)塔、船閘、發(fā)動機、機床、天文望遠鏡、雷達、

巨輪、飛機等；也可以是很小的機構(gòu)，如記錄筆、錄像機磁頭、指針等。

(4)控制裝置指除了受控對象之外自動控制系統(tǒng)中的其它部分，一般具有信號的測量、計算、放大和執(zhí)行等功能。

(5)自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱受控對象，使其被控量按給定值運行。

(6)自動控制系統(tǒng)是承擔自動控制任務(wù)的受控對象和控制裝置的總體。

(7)開環(huán)控制是指在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋作用，即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒有影響。

(8)閉環(huán)控制的特點是在控制器與被控對象之間不僅存在著正向控制作用，而且存在著反饋作用，即系統(tǒng)的輸出量對控制量有直接影響。

(9)隨著MATLAB軟件的不斷升級以及功能強大的TOOLBOX的出現(xiàn)，MATLAB將成為自動控制系統(tǒng)計算與仿真中一個越來越強有力的工具。習題與思考題

1-1試列舉日常生活中的控制系統(tǒng)，如電冰箱、空調(diào)、電熨斗等，說明控制系統(tǒng)的工作原理，并畫出控制系統(tǒng)的原理方框圖。

1-2水箱液位控制系統(tǒng)的方案如題圖1-1所示。試分析系統(tǒng)的工作原理，并畫出系統(tǒng)的原理方框圖。題1-1圖液位控制系統(tǒng)

1-3簡述交、直流調(diào)速系統(tǒng)的特點，并比較二者的優(yōu)缺點。

1-4簡述數(shù)字控制系統(tǒng)的特點。

1-5簡述計算機仿真的基本概念。

1-6簡述自動控制系統(tǒng)仿真的特點。

1-7仿真的分類有哪幾種？第2章單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.1概述2.2有靜差轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.3無靜差轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.4單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真本章小結(jié)習題與思考題

2.1概述

2.1.1調(diào)速的定義

直流電動機具有良好的起動、制動和調(diào)速性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反轉(zhuǎn)的電力拖動領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而且，直流調(diào)速控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，從控制的角度來看，它也是交流調(diào)速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所謂調(diào)速，是指在某一具體負載情況下，通過改變電動機或供電電源參數(shù)的方法，使電動機機械特性曲線得以改變，從而使電動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或保持不變。也就是說，調(diào)速包含兩個方面：其一，在一定范圍內(nèi)“變速”，如圖2-1所示，當電動機負載不變時，轉(zhuǎn)速可以由na變到nb或nc；其二，保持“穩(wěn)速”。在某一速度下運行的生產(chǎn)機械受到外界干擾，例如負載增加時，為了保證電動機工作速度不受干擾的影響而下降，需要進行調(diào)速，使速度接近或等于原來的轉(zhuǎn)速，如圖2-1中轉(zhuǎn)速nd就是負載由T1增加到T2后的速度，它基本上與轉(zhuǎn)速na保持一致。圖2-1調(diào)速與n=f(t)的關(guān)系2.1.2直流電動機的調(diào)速方法

本節(jié)只討論他勵直流電動機的調(diào)速方法及其特點。

根據(jù)電動機拖動理論知道，他勵直流電動機的機械特性方程為

(2-1)

式中：n為轉(zhuǎn)速(r/min)；U為電樞電壓(V)；I為電樞電流(A)；R為電樞回路總電阻(Ω)；Φ為勵磁磁通(Wb)；Ke為由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。根據(jù)式(2-1)可知他勵直流電動機的調(diào)速方法有三種：

(1)調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。

(2)減弱勵磁磁通Φ。

(3)改變電樞回路總電阻R。

三種調(diào)速方法的機械特性分別如圖2-2所示，其中nN為額定轉(zhuǎn)速，UN為額定電壓，Ra為電樞回路電阻。在每一種調(diào)速方法中，只調(diào)整一個參數(shù)，其他參數(shù)維持其在固有特性額定點的數(shù)值不變。圖2-2直流電動機在調(diào)壓調(diào)速、調(diào)阻調(diào)速和弱磁調(diào)速三種調(diào)速方法下的機械特性曲線改變電樞電壓U所得的機械特性是一組平行變化的曲線(即機械特性曲線的斜率為常數(shù))，如圖2-2(a)所示。電動機電樞電壓越小，電動機轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)速降落Δn不變，如圖2-2(a)中，電壓之間的關(guān)系為U3<U2<U1<UN，則對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n3<n2<n1<nN。通常，采用調(diào)壓調(diào)速方案時，一般在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)速，最低轉(zhuǎn)速取決于電動機低速時的穩(wěn)定性。這種調(diào)速方法具有調(diào)速范圍寬、機械特性硬、動態(tài)性能好的特點，在連續(xù)改變電樞電壓時能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，是目前主要采用的調(diào)速方法。改變電樞電阻即在電樞回路中串接不同的附加電阻，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。觀察圖2-2(b)可以發(fā)現(xiàn)，電阻Ra<R1<R2<R3，對應(yīng)轉(zhuǎn)速n3<n2<n1<nN，即外接電阻越大，電阻功耗越大，轉(zhuǎn)速降落越大，電動機轉(zhuǎn)速越低，機械特性曲線越向右下方傾斜，機械特性越軟，穩(wěn)定性越差。這種調(diào)速方案不能滿足一般生產(chǎn)機械的要求，調(diào)速范圍較小，是有級調(diào)速，平滑性不高；其優(yōu)點是設(shè)計、安裝、調(diào)整方便，設(shè)備簡單，投資小，適用于一些對調(diào)速要求不高的中、小電機。直流電動機在額定磁通下運行時，磁路已接近飽和，若降低勵磁回路供電電壓(或電流)，可減弱磁通實現(xiàn)升速，特性曲線如圖2-2(c)所示。由圖2-2(c)可知，磁通Φ3<Φ2<Φ1

<ΦN，對應(yīng)轉(zhuǎn)速n3>n2>n1>nN，即磁通越弱，轉(zhuǎn)速越大。采用此種調(diào)速方法，一般以額定轉(zhuǎn)速為最低轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速受電動機換向條件和電樞機械強度的限制，所以調(diào)速范圍不大。該方法往往和調(diào)壓調(diào)速相配合，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的弱磁升速，以利于擴大調(diào)速范圍?？傊鲜鋈N調(diào)速方法中，對于要求在一定范圍內(nèi)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速，調(diào)速范圍小，平滑性不高，穩(wěn)定性差；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小，需要與調(diào)壓調(diào)速方法結(jié)合。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)以變壓調(diào)速為主。2.1.3可控直流電源

在直流調(diào)速系統(tǒng)中，主要采用變壓調(diào)速，而調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專用的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止式可控整流器和直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。

下面分別對各種可控直流電源以及由其供電的直流調(diào)速系統(tǒng)作簡要的介紹。

1.旋轉(zhuǎn)變流機組

旋轉(zhuǎn)變流機組利用交流電動機(異步機或同步機)和直流發(fā)電機組成機組，獲得可調(diào)的直流電壓。圖2-3是旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。這種系統(tǒng)的工作原理簡述如下：由異步電動機作為原動機拖動直流發(fā)電機G實現(xiàn)變流，發(fā)出的直流電供直流電動機M作電源。通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流if，從而改變發(fā)電機G的輸出電壓，即改變直流電動機電樞電壓，達到調(diào)速的目的。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱Ward-Leonard系統(tǒng)。調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流，可以用晶閘管調(diào)節(jié)裝置，或者專門設(shè)置一臺直流勵磁發(fā)電機GE。GE既可與變流機組同軸安裝，也可另外用一臺異步電動機拖動。該系統(tǒng)的機械特性具有平滑、調(diào)速范圍大、特性硬等優(yōu)點。但是，這種系統(tǒng)也有一些明顯的缺點，例如，它需要的設(shè)備多，投資大，至少需要兩臺與調(diào)速電機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，能量經(jīng)過交流電動機、直流發(fā)電機G以及直流電動機M三個環(huán)節(jié)，系統(tǒng)總的效率不高；此外，該系統(tǒng)體積大，占地面積大，費用高，安裝時必須打地基，運行噪音大，難于管理和維護。這類調(diào)速系統(tǒng)在20世紀50年代曾廣泛使用，為了克服上述缺點，在20世紀60年代以后開始采用各種靜止式的變壓或變流裝置來替代旋轉(zhuǎn)變流機組。圖2-3旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)(G-M系統(tǒng))原理圖

2.靜止式可控整流器

晶閘管-電動機系統(tǒng)又稱為V-M系統(tǒng)，其原理圖如圖2-4所示。圖中VT是晶閘管可控整流器，它可以為單相、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Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，從而提供可調(diào)的直流電壓Ud給直流電動機M，實現(xiàn)平滑調(diào)速的目的。圖2-4晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))原理圖晶閘管整流裝置與旋轉(zhuǎn)變流機組相比，不僅在經(jīng)濟上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。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流直接用電子控制，不再需要較大功率的放大裝置，體積小，占地少。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘可控管整流器是毫秒級，大大提高了V-M系統(tǒng)的動態(tài)性能。晶閘管裝置也有缺點。首先，由于晶閘管的單向?qū)щ娦允顾辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難；其次，晶閘管對過電壓、過電流和過高的dU/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件；最后，系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)時，轉(zhuǎn)速較低，晶閘管導(dǎo)通角很小，系統(tǒng)功率因數(shù)低，產(chǎn)生較大的諧波電流，由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。對于上述問題，必須采取相應(yīng)的措施，例如采取可靠的保護裝置，選擇元件時留有足夠的裕量。只要元件質(zhì)量過關(guān)，裝置設(shè)計合理，保護措施齊備，晶閘管的運行就十分可靠。對于電力公害，必須增設(shè)無功補償和諧波濾波裝置。

目前，晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，日益廣泛地應(yīng)用于電力拖動自動控制領(lǐng)域中。

3.直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器

這種直流可控電源利用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。

直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖如圖2-5(a)所示。圖中VT是用開關(guān)符號表示的任何一種電力電子器件；VD表示續(xù)流二極管。斬波器的基本控制原理為：當VT導(dǎo)通時，直流電源電壓Us加到電動機上；當VT關(guān)斷時，直流電源與電動機脫開，電動機電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形圖如圖2-5(b)所示，好像是電源電壓Us在ton時間內(nèi)被接上，又在T-ton時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。圖2-5直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖根據(jù)圖2-5(b)，可以得到電動機的平均電壓為

(2-2)

式中:T為晶閘管的開關(guān)周期；ton為晶閘管的開通時間；

ρ為占空比，ρ=ton/T=ton·f，其中f為開關(guān)頻率。根據(jù)公式(2-2)可知，對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式有以下三種：

(1)脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式：保持周期T不變，改變導(dǎo)通時間ton。

(2)脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式：保持導(dǎo)通時間ton不變，改變周期T。

(3)混合調(diào)制方式：導(dǎo)通時間ton和周期T都可調(diào)，從而改變占空比。

直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。與V-M系統(tǒng)相比，直流PWM調(diào)速的主要優(yōu)點如下：

(1)主電路線路簡單，需用的功率器件少。

(2)開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。

(3)低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達

1∶10000左右。

(4)若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強。

(5)功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而調(diào)速裝置的效率較高。

(6)直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流高。2.1.4調(diào)速指標

不同的生產(chǎn)機械，其電氣控制系統(tǒng)具有不同的調(diào)速性能指標，分為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標。靜態(tài)指標用來衡量調(diào)速的上、下限以及在不同轉(zhuǎn)速下運行時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性；動態(tài)指標要求拖動系統(tǒng)起動、制動快而平穩(wěn)，穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速下運行時，應(yīng)盡量使轉(zhuǎn)速受各種干擾(如負載變化、電源電壓波動、勵磁電流變化、環(huán)境溫度變化等)的影響較小。

1)調(diào)速范圍

電動機在額定負載下，生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即

(2-3)

不同的生產(chǎn)機械要求的調(diào)速范圍是不同的，一般總希望D越大越好。根據(jù)式(2-3)，要想使D值較大，則必須提高nmax、降低nmin。對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，一般用實際負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。對非弱磁的調(diào)速系統(tǒng)，電動機的最高轉(zhuǎn)速nmax即為額定轉(zhuǎn)速nN。

2)靜差率

電動機的nmax受機械強度及換向等條件的限制，基本上比額定轉(zhuǎn)速高不了多少。而降低nmin也受到低速運行時的相對穩(wěn)定性(即靜差率)的影響。

所謂靜差率，是指電動機穩(wěn)定運行過程中，當負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落ΔnN與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，即

(2-4)或用百分數(shù)表示為

(2-5)

式中:ΔnN=n0-nN。靜差率反映了電動機轉(zhuǎn)速受負載變化的影響程度，它與機械特性有關(guān)。在理想空載轉(zhuǎn)速一定時，電動機的機械特性越硬(即轉(zhuǎn)速降落ΔnN越小)，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性就越好；或者說，在機械特性硬度一定時，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性越差。例如，假設(shè)轉(zhuǎn)速降落為ΔnN=10r/min，當電動機理想空載轉(zhuǎn)速n0=1000r/min時，靜差率s=1%；當n0=100r/min時，靜差率s=10%；當n0=10r/min時，靜差率s=100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速降至零。為擴大調(diào)速范圍D而降低nmin，會降低機械特性的硬度或降低理想空載轉(zhuǎn)速，這就使得靜差率變大，相對穩(wěn)定性變差，這時如果負載或系統(tǒng)受到擾動，則電動機的轉(zhuǎn)速會降得非常低，甚至停轉(zhuǎn)，如圖2-6所示。因此，系統(tǒng)可能達到的最低轉(zhuǎn)速受低速特性的靜差率制約，即調(diào)速范圍受低速特性的靜差率制約。圖2-6不同機械特性下的靜差率由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩個指標并不是彼此孤立的，必須同時考慮才有意義。在調(diào)速過程中，如果額定轉(zhuǎn)速降落相同，則轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大。如果低速時的靜差率滿足設(shè)計要求，則高速時的靜差率就更滿足要求了。常用的生產(chǎn)機械對調(diào)速范圍D和靜差率s的要求如表2-1所示。

3)調(diào)速范圍D與靜差率s的關(guān)系

在直流電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動機的額定轉(zhuǎn)速nN作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負載下的轉(zhuǎn)速降落為ΔnN，靜差率為最低轉(zhuǎn)速時的靜差率，則最低轉(zhuǎn)速為

(2-6)調(diào)速范圍D為

(2-7)

代入nmin，則

(2-8)

由式(2-8)可見，對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，ΔnN值一定，如果對靜差率要求越嚴，即要求s值越小，則系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。

例2-1某臺他勵直流電動機有關(guān)數(shù)據(jù)為PN=60kW,UN=220V,IN=305A,nN=1000r/min,電樞回路電阻

Ra=0.04Ω，求下列各種情況下電動機的調(diào)速范圍D。

(1)靜差率s≤30%，電樞串電阻調(diào)速時；

(2)靜差率s≤20%，電樞串電阻調(diào)速時；

(3)靜差率s≤20%，降低電源電壓調(diào)速時。

解

(1)靜差率s≤30%，電樞串電阻調(diào)速時的調(diào)速范圍計算。

由電動機機械特性方程(即公式(2-1))，求電動機的電動勢系數(shù)Ce=KeΦ：

理想空載轉(zhuǎn)速n0為則靜差率s=30%時，最低轉(zhuǎn)速nmin1為

調(diào)速范圍D1為

(2)靜差率s≤20%，電樞串電阻調(diào)速時的調(diào)速范圍計算。

利用步驟(1)中求得的理想空載轉(zhuǎn)速n0=1058.7r/min，計算靜差率s=20%時，最低轉(zhuǎn)速nmin2為

調(diào)速范圍D2為

(3)靜差率s≤20%，降低電源電壓調(diào)速時的調(diào)速范圍

計算。

額定轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速降落ΔnN為

最低轉(zhuǎn)速點所在機械特性的理想空載轉(zhuǎn)速為則最低轉(zhuǎn)速

調(diào)速范圍D3為

例2-2一個直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的有關(guān)數(shù)據(jù)：額定轉(zhuǎn)速nN=1430r/min，額定速降ΔnN=115r/min。求：

(1)當靜差率s≤30%時，調(diào)速范圍是多少？

(2)如果要求靜差率s≤20%，則調(diào)速范圍是多少？

(3)如果希望調(diào)速范圍達到D=10，所能滿足的靜差率s是多少？

解

(1)要求s=30%時，調(diào)速范圍為

(2)若要求s=20%，則調(diào)速范圍只有

(3)若調(diào)速范圍達到10，則靜差率s只能是

4)平滑性

在調(diào)速范圍內(nèi)，相鄰的兩級轉(zhuǎn)速相差越小，則調(diào)速越平滑。平滑的程度用平滑系數(shù)φ來表征。

(2-9)

上式中，ni，ni-1，vi，vi-1分別是相鄰的兩級轉(zhuǎn)速或線速度。φ越接近于1，則平滑性越好。φ=1時稱為無級調(diào)速，此時，轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，級數(shù)為無窮多，調(diào)速的平滑性最好。2.1.5直流電動機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其特性

1.V-M直流開環(huán)控制系統(tǒng)

改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速的主要方法，而采用晶閘管變流器組成的V-M直流調(diào)速系統(tǒng)又是目前廣泛應(yīng)用的方式，其主要包括電力主電路和控制電路兩部分。由晶閘管供電的直流開環(huán)控制系統(tǒng)如圖2-7所示?？梢钥闯?，V-M直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的主電路由晶閘管變流器VT、電抗器L以及直流電動機M組成，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可以改變變流器輸出電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。其開環(huán)控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖2-8所示。圖2-7中，Ug為輸入電壓信號，為一給定值。圖2-7晶閘管供電的直流開環(huán)控制系統(tǒng)圖2-8開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低。在對靜差率要求不高的場合，它也能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速。但是，許多生產(chǎn)機械常對靜差率有一定的要求，以滿足工藝需要。在這些情況下，開環(huán)控制系統(tǒng)便不能滿足要求。

*2.V-M系統(tǒng)主電路的等效電路

在圖2-7中，假設(shè)電動機電樞電阻是Ra，電抗器電阻為RL，如果把整流裝置內(nèi)阻Rrec移到裝置外邊，看做是負載電路電阻的一部分，則主電路的總等效電阻R為

R=Ra+RL+Rrec

(2-10)

整流電壓可以用其理想空載瞬時值ud0和平均值Ud0來表示，則V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖如圖2-9所示。圖2-9

V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖瞬時電壓平衡方程可以寫為

(2-11)

式中:ud0為整流電壓瞬時值；id為整流電流瞬時值；E為電動機反電動勢；L為主電路總電感；R為主電路等效電阻。

對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0。用觸發(fā)脈沖的相位角α控制Ud0是晶閘管整流器的特點。Ud0與α

的關(guān)系因整流電路的形式而異。對于一般的全控整流電路，當電流波形連續(xù)時，Ud0=f(α)可用下式表示：

(2-12)

式中:α為從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；Um為α=0時的整流電壓波峰值；m為交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。

對于不同的整流電路，Um、m和Ud0的數(shù)值如表2-2所示。

3.V-M系統(tǒng)的開環(huán)機械特性

由于晶閘管整流裝置相位控制的特點，當V-M系統(tǒng)主回路串接足夠大電感量的電抗器L，而且電動機的負載電流也足夠大時，整流電流Id波形是連續(xù)的，如圖2-10(a)所示。當電感較小而且負載較輕時，一相晶閘管導(dǎo)通時的電感儲能較少，在下一相未被觸發(fā)前，電流已經(jīng)衰減到零，電流出現(xiàn)斷續(xù)情況，如圖2-10(b)所示。圖2-10中，Ud表示整流電壓的平均值；ua、ub、uc為三相整流電壓瞬時分量；ia、ib、ic為三相整流電流瞬時分量。圖2-10

V-M系統(tǒng)電流波形

1)電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性

當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程為

(2-13)考慮主電路采用全控整流電路形式，則電樞兩端平均整流電壓Ud0用式(2-12)可以計算出來，把Ud0代入V-M系統(tǒng)機械特性方程(即式(2-13))，可以推導(dǎo)出電動機轉(zhuǎn)速n與平均整流電流Id的關(guān)系式：

(2-14)

式中:Ce=KeΦN，為電機在額定磁通下的電動勢系數(shù)。改變控制角α，得到一組平行直線，如圖2-11所示,這和G-M系統(tǒng)的特性很相似。圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，公式(2-14)已經(jīng)不適用了。

上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。圖2-11電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性

例2-3某龍門刨床工作臺采用直流電動機拖動，其額定數(shù)據(jù)如下：PW=60kW，UN=220V,IN=305A，n=1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18Ω，電動機電動勢系數(shù)Ce=0.2V·min/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率為5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)速降最多能有多少？

解當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)速降為

開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為

這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。如果要求D=20，s≤5%，則有：

由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)速降是

275r/min，而生產(chǎn)工藝要求的卻只有2.63r/min，相差

百倍！開環(huán)系統(tǒng)的機械特性為一組平行直線，特性較軟，靜差率較大，此時無論怎樣調(diào)節(jié)輸入電壓信號Ug，都不能改變機械特性的斜率，達到降低靜差率的目的。因此，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。*2)電流斷續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性

當電流不連續(xù)時，變流電路不存在換相，由于非線性因素，V-M系統(tǒng)的機械特性方程要比電流連續(xù)時復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機械特性必須用下列方程組表示：

(2-15)

(2-16)

式中:，是阻抗角；θ是一個電流脈波的導(dǎo)通角。當阻抗角φ值已知時，對于不同的控制角α，可用數(shù)值解法求出一組電流斷續(xù)時的機械特性。而且，對于每一條特性，求解過程都計算到θ=2π/3為止，因為θ角再大電流便連續(xù)了，也就是說，θ=2π/3是電流連續(xù)的最小導(dǎo)通角，對應(yīng)于θ=2π/3的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。

圖2-12繪出了完整的V-M系統(tǒng)機械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。

(1)當電流連續(xù)時，系統(tǒng)的機械特性還比較硬。

(2)斷續(xù)區(qū)的機械特性很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速值很大。圖2-12完整的V-M系統(tǒng)機械特性綜上所述，V-M系統(tǒng)的機械特性可分為線性和非線性兩段。為改善電動機運行特性，常在主電路中串聯(lián)較大的平波電抗器或避免其在輕載下運行，以保證晶閘管電流連續(xù)，使V-M系統(tǒng)工作在線性機械特性段。

2.2有靜差轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)

直流調(diào)速系統(tǒng)

在直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，輸入電壓信號(也稱轉(zhuǎn)速給定信號)記做U*n。直流電動機是被控對象，直流電動機轉(zhuǎn)速n是被調(diào)量。如果被控量n與輸入電壓信號U*n之間通過反饋環(huán)節(jié)(如測速發(fā)電機)聯(lián)系在一起形成閉合回路，則構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如果只有一個反饋環(huán)節(jié)，稱為單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；如果有兩個或兩個以上的反饋環(huán)節(jié)，則稱為多閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2.2.1單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其工作原理

根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。

調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)大大減少轉(zhuǎn)速降落，從而大大降低系統(tǒng)的靜差率，提高直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.系統(tǒng)組成

帶轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖2-13所示。

圖2-13中，A是調(diào)節(jié)器，當其選用比例放大器時，就是一個有靜差的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；GT是觸發(fā)器裝置；UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相(或單相)交流電，輸出為可控的直流電壓Ud；TG是測速發(fā)電機，它與電動機同軸安裝；給定電位器Rp1通常由一個穩(wěn)壓電源供電，

以保證轉(zhuǎn)速給定信號U*n的精度；Rp2是為獲得調(diào)速負反饋系數(shù)而設(shè)置的一個電位器。圖2-13帶轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖已知測速發(fā)電機輸出電壓Utg與電動機M的轉(zhuǎn)速n成正比，即有

Utg=Cnn

(2-17)

式中:Cn為直流永磁式發(fā)電機的電動勢常數(shù)。

假設(shè)電位器Rp2的分壓系數(shù)為Kf，則反饋電壓Un為

Un=KfUtg=KfCnn=αn

(2-18)

式中:α=KfCn，稱為轉(zhuǎn)速負反饋系數(shù)。注意，反饋信號Un與給定信號U*n極性相反，以滿足負反饋關(guān)系。對于電力電子變換器UPE的選擇，應(yīng)注意以下幾點：

(1)對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；

(2)對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等；

(3)對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。

2.調(diào)節(jié)原理

在圖2-13中，通過測速發(fā)電機TG引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速n成正比的負反饋電壓Un，與給定電壓U*n相減后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓ΔUn=U*n-Un，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生UPE所需要的控制電壓Uc，UPE的輸出則為可控的直流電壓Ud，該電壓即是直流電動機等效電路的主回路電壓，用以控制直流電動機

的轉(zhuǎn)速n，從而構(gòu)成轉(zhuǎn)速負反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)自動控制原理中按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制規(guī)律，如果負載RL增加，則轉(zhuǎn)速n降低，反饋電壓Un的值將減小，偏差ΔUn=U*n-Un將增大，控制電壓Uc增大，UPE輸出直流電壓Ud增大，則電動機的轉(zhuǎn)速將上升，最終又回到原來運行的轉(zhuǎn)速上，維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。為了便于理解，上述負載RL增

加時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過程可以簡單表示如下：

2.2.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性

1.穩(wěn)態(tài)方程式和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

本小節(jié)主要分析轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性以及系統(tǒng)開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性之間的關(guān)系。為了分析系統(tǒng)的靜特性，突出主要矛盾，首先作以下的假設(shè)：

(1)忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各典型環(huán)節(jié)的輸入輸出呈線性關(guān)系。

(2)系統(tǒng)工作在電流連續(xù)段，即只取線性工作段。

(3)忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。這樣，圖2-13中所示的轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：

電壓比較環(huán)節(jié) ΔUn=U*n-Un

比例放大器 Uc=KpΔUn

觸發(fā)裝置和電力電子變換器 Ud0=KsUc

測速反饋環(huán)節(jié) Un=αn

調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性以上各關(guān)系式中，Kp為放大器的電壓放大系數(shù)；Ks為電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)(V·min/r)；Ud0為UPE的理想空載輸出電壓；R=Ra+Rrec+RL為電樞回路總電阻，Ra為電動機電樞電阻，RL為電動機回路中電抗器電阻，Rrec為整流器裝置內(nèi)阻。

根據(jù)上述關(guān)系式，推導(dǎo)出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-14

所示。圖2-14有靜差轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖對上述各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系進行數(shù)學化簡，消去中間變量并整理后，得到轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方

程式：

(2-19)式中，K=KpKsα/Ce稱為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)。它相當于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。注意，這里電動機環(huán)節(jié)的放大系數(shù)Ce=E/n。

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流(或轉(zhuǎn)矩)間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。

2.開環(huán)系統(tǒng)機械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系

圖2-14中，斷開測速反饋回路，可得到系統(tǒng)的開環(huán)機械特性方程式：

(2-20)

式中:n0op為開環(huán)理想空載轉(zhuǎn)速；Δnop為開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)

速降。閉環(huán)靜特性方程式可以寫成

(2-21)

式中:n0cl稱為閉環(huán)理想空載轉(zhuǎn)速；Δncl稱為閉環(huán)穩(wěn)態(tài)速降。式(2-20)和(2-21)形式上非常相似，但二者本質(zhì)上卻有很大不同。將二者進行比較，不難得出下述結(jié)論：

(1)在同樣的負載擾動下，閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性比開環(huán)系統(tǒng)的機械特性硬。開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落分別為二者的關(guān)系為

(2-22)

顯然，當比例放大倍數(shù)K較大時，Δncl比Δnop小得多，即閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。

(2)在同樣的理想空載轉(zhuǎn)速n0下，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率較小。開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為

在n0cl=n0op時，

(2-23)

(3)當兩者的靜差率要求一定時，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍大大高于開環(huán)系統(tǒng)。如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nN，而對最低速靜差率的要求相同，則由調(diào)速范圍的計算式(2-8)得

開環(huán)時：閉環(huán)時:

再考慮Δncl和Δnop的關(guān)系式(2-22)，則得到開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍的關(guān)系為

Dcl=(1+K)Dop

(2-24)

(4)閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器，以確保放大倍數(shù)K足夠大，實現(xiàn)上述三項優(yōu)點。因為圖2-13是按偏差調(diào)節(jié)的負反饋控制系統(tǒng)，如果沒有放大裝置或放大倍數(shù)K不夠大，當電壓偏差ΔUn=U*n-Un很小時，觸發(fā)裝置和UPE的控制電壓Uc=KΔUn就非常小，電動機兩端的電樞電壓就非常低，使電動機不能工作，所以必須設(shè)置K足夠大的放大器。

把以上四點概括起來，可得下述結(jié)論：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)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是須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。

例2-4在例2-3中，龍門刨床要求D=20，s≤5%。已知Ks=30，α=0.015V·min/r，Ce=0.2V·min/r，如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？

解在上例中已經(jīng)求得

Δnop=275r/min

但為了滿足調(diào)速要求，須有

Δncl=2.63r/min由式(2-22)可得

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)就能滿足所要求的穩(wěn)態(tài)性能指標。閉環(huán)系統(tǒng)中，當轉(zhuǎn)速n稍微有降落時，反饋電壓Un就會降低，電壓偏差ΔUn=U*n-Un會增大，通過比較和放大裝置，整流裝置的輸出電壓Ud增大，使系統(tǒng)工作在新的機械特性上，使得轉(zhuǎn)速回升直至接近原來的轉(zhuǎn)速值。

因此，閉環(huán)系統(tǒng)能降低穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降(或靜差率)的實質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，即隨著負載的變化相應(yīng)地改變電樞電壓，以補償電樞回路的電阻壓降。

3.單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本特征

轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有三個基本的特征，也稱為基本的反饋控制規(guī)律，表述如下：

(1)被調(diào)量有靜差。從靜特性分析中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。但是，只要調(diào)節(jié)器僅僅選用比例放大器，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降就只能減小，不能消除。因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降為只有當K→∞時，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降Δncl=0才成立，而事實上K值是一個有限值，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降不可能為零。同時，具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)主要依靠偏差電壓ΔU來調(diào)節(jié)輸出電壓Ud0。如果ΔU=0，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，則知控制電壓Uct=0，從而Ud0=0，電動機停轉(zhuǎn)。因此，偏差電壓ΔU≠0是有靜差系統(tǒng)的一大特點。

(2)抵抗擾動，服從給定。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從，即服從給定。

除了給定信號作用以外，作用在閉環(huán)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。上面僅提到負載變化這一擾動，實際上除了負載之外還有許多因素會引起轉(zhuǎn)速的變化，這些因素統(tǒng)稱為“擾動源”。常見的擾動源有以下幾種：①負載變化的擾動(使Id變化)；

②交流電源電壓波動的擾動(使Ks變化)；

③電動機勵磁變化的擾動(造成Ce變化)；

④放大器輸出電壓漂移的擾動(使Kp變化)；

⑤溫升引起主電路電阻增大的擾動(使R變化)；

⑥檢測誤差的擾動(使α變化)。所有這些擾動對轉(zhuǎn)速的影響都會被測速裝置檢測出來，再通過反饋控制作用減小它們對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響。擾動輸入的作用點不同，它對系統(tǒng)的影響