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1、第3章 转速闭环控制的直流调速系统,第3章 目录,3.1有静差的转速闭环直流调速系统（系统结构与静特性分析，闭环直流调速系统的反馈控制规律，稳定性分析）3.2 无静差的转速闭环直流调速系统（比例积分控制规律、稳态参数计算）3.3 转速闭环直流调速系统的限流保护3.4 转速闭环控制直流调速系统的仿真,3.1.1 比例控制转速闭环直流调速系统的结构与静特性,转速开环系统控制系统存在的问题：对负载扰动没有任何抑制作用,3.1.1 比例控制转速闭环直流调速系统的结构与静特性,引入负反馈，在负反馈基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此被称作闭
2、环控制系统。在直流调速系统中，被调节量是转速，所构成的是转速反馈控制的直流调速系统。,图3-1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图,电压比较环节比例调节器测速反馈环节 电力电子变换器 直流电动机,Kp比例调节器的比例系数,转速反馈系数（Vmin/r）,静特性方程式,（3-1）,式中:闭环系统的开环放大系数 闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。,图3-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图,（a）闭环调速系统,图3-2转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图,（b）只考虑给定作用时的闭环系统,图3-2转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图,（c）只考
3、虑扰动作用时的闭环系统,3.1.2 比例控制的直流调速系统,1开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系开环机械特性为(3-2)式中，表示开环系统的理想空载转速，表示开环系统的稳态速降。比例控制闭环系统的静特性为(3-3)式中，表示闭环系统的理想空载转速，表示闭环系统的稳态速降。,转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图,（1）闭环系统静特性可以比开环系统 机械特性硬得多,在同样的负载扰动下，开环系统的转速降落 闭环系统的转速降落它们的关系是(3-4),（2）闭环系统的静差率要比开环系统 小得多,闭环系统的静差率为开环系统的静差率为当 时，（3-5）,（3）如果所要求的静差率一定，则 闭环系
4、统可以大大提高调速范围,如果电动机的最高转速都是nN，最低速静差率都是s，可得 开环时，闭环时，得到（3-6）,结论:比例控制的直流调速系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性,即负载引起的转速降落减小了,从而保证在一定静差率的要求下,能够获得更宽的调速范围.问题:电枢回路的总电阻并没变化,但是转速降落为什么减小了呢?,转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图,图3-3 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系,闭环系统如何减小加载引起的转速降落?,开环系统 Id n 例如：在图3-3中工作点从A A 闭环系统 Id n Un Un Uc n Ud0 例如：在图3-3中工作点从A B比例控制直流调速
5、系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。,例题3-1,在例题2-2中，龙门刨床要求D=20，s5%，已知 Ks=30,=0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数应该有多少？,解:,开环系统额定速降为=275 r/min，闭环系统额定速降须为 2.63 r/min，由式（3-4）可得则得即只要放大器的放大系数等于或大于46。,反馈控制规律,只有比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。只有 K=，才能使 ncl=0，而这是不可能的。过大的K
6、值也会导致系统的不稳定。,反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。一方面能够有效地抑制一切被包含在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面则能紧紧跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从。,反馈控制规律,图3-4 闭环调速系统的给定作用和扰动作用,系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。反馈控制系统无法鉴别是给定信号的正常调节还是外界的电压波动。反馈通道上有一个测速反馈系数，它同样存在着因扰动而发生的波动，由于它不是在被反馈环包围的前向通道上，因此也不能被抑制。,反馈控制规律,问题:增加比例调节器的比例系数,可以减小转速降落,从而扩大调速范围,理论上当比例系数为无穷大时,系统基本上就没
7、有转速降落了,调速范围可以无限大,比例系数可以无限增大吗?注意:分析系统静特性的前提是系统必须是稳定的,3.1.4 比例控制转速闭环系统的稳定性,2转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型,建立系统动态数学模型的基本步骤如下：根据系统各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程。求出各环节的传递函数。组成系统的动态结构框图，并求出系统的传递函数。,比例放大器的传递函数 电力电子变换器的传递函数测速反馈的传递函数,(2-33),（2-42）,(2-43),图3-5 他励直流电动机在额定励磁下的等效电路,假定主电路电流连续，动态电压方程为(3-9)忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程
8、为(3-10),电枢电压,电枢电流,电磁转矩,机械运动,直流电动机运行原理,电压方程,运动方程,反电动势,额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为(3-11)(3-12)包括电动机空载转矩在内的负载转矩，（Nm）电力拖动装置折算到电动机轴上的飞轮惯量，(Nm2)电动机额定励磁下的转矩系数，(Nm/A)再定义下列时间常数：电枢回路电磁时间常数(s)电力拖动系统机电时间常数(s),整理后得(3-13)(3-14)式中，负载电流（A）。,在零初始条件下，取拉氏变换，得电压与电流间的传递函数(3-15)电流与电动势间的传递函数(3-16),图2-21 额定励磁下直流电动机的动态结构框图(a)电压电流间的
9、结构框图(b)电流电动势间的结构框图(c）直流电动机的动态结构框图,直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压Ud0，是控制输入量，另一个是负载电流IdL。扰动输入量。如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，得图2-22。,额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节，时间常数Tm表示机电惯性时间常数Tl表示电磁惯性。,图3-7 直流电动机动态结构框图的变换,图3-8 转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图,转速反馈控制的直流调速系统的开环传递函数,(3-19),式中,转速反馈控制直流调速系统的闭环传递函数,（3-20）,比例控制闭环直流调速系统的 动
10、态稳定性,比例控制闭环系统的特征方程为(3-21)根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是即(3-22),例题 3-2,在例题3-1中，系统采用的是三相桥式可控整流电路，已知电枢回路总电阻，电感量 3mH，系统运动部分的飞轮惯量，试判别系统的稳定性。,解：,电磁时间常数机电时间常数 晶闸管装置的滞后时间常数为 为保证系统稳定，应满足的稳定条件：闭环系统的动态稳定性和例题3-1中稳态性能要求 是矛盾的。,例题3-3,在上题的闭环直流调速系统中，若改用全控型器件的PWM调速系统，电动机不变，电枢回路参数为：，PWM开关频率为8。按同样的稳态性能指标，该系统能否稳定？如果对静差率的
11、要求不变，在保证稳定时，系统能够达到的最大调速范围有多少？,解：,按照稳态性能指标、要求 PWM调速系统能够在满足稳态性能指标要求下稳定运行。,（见例题2-2）,337.5,若系统处于临界稳定状况，,3.2 无静差的转速闭环直流调速系统,在比例控制直流调速系统中，系统转速仍是有降落的。减小稳态误差可能导致系统不稳定。能否通过改进调节器实现转速无静差控制呢？如把比例调节器换成PID调节器之后解决这个问题。,图3-9 有静差调速系统突加负载时的动态过程,3.2.1 积分调节器和积分控制规律,在输入转速误差信号Un的作用下，积分调节器的输入输出关系为（3-23）其传递函数是（3-24）其中，积分时间
12、常数。,图3-10 积分调节器的输入和输出动态过程,输入UN是阶跃信号，则输出Uc 按线性规律增长。当输出值达到积分调节器输出的饱和值Ucm时，便维持在Ucm不变。,图3-10 积分调节器的输入和输出动态过程,只要Un0，积分调节器的输出Uc便一直增长；只有达到Un=0时，Uc才停止上升；只有到Un变负，Uc才会下降。当Un=0时，Uc并不是零，而是某一个固定值Ucf,突加负载时，由于Idl的增加，转速n下降，导致Un变正，在积分调节器的作用下，Uc上升，电枢电压Ud上升，以克服Idl增加的压降，最终进入新的稳态。,图3-11积分控制无静差调速系统突加负载时的动态过程,积分控制规律和比例控制规
13、律的根本区别：,比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。积分调节器到稳态时Un=0，只要历史上有过Un，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压。,3.2.2 比例积分控制规律,比例积分调节器（PI调节器）的输入输出关系为（3-25）式中，UinPI调节器的输入，UexPI调节器的输出。其传递函数为（3-26）式中，Kp、PI调节器的比例放大系数、积分系数令1=Kp，则PI调节器的传递函数也可写成如下形式（3-27）表明，PI调节器也可用积分和比例微分两个环节表示，式中，1微分项中的超前时间常数。,用运算放大器来实现PI调节器的输入
14、极性和输出极性是反相的；(3-28)式中 Rbal为运算放大器同相输入端的平衡电阻。,图3-12 比例积分（PI）调节器线路图,PI控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。,在t=0时就有Uex(t)=KpUin，实现了快速控制；随后Uex(t)按积分规律增长，。在t=t1时，Uin=0，。,图3-13 PI调节器的输入输出特性,在闭环调速系统中，采用PI调节器输出部分Uc由两部分组成，比例部分和Un成正比，积分部分表示了从t=0到此时刻对Un(t)的积分值，Uc是这两部分之和。,图3-14 闭环系统中PI调节器的
15、输入和输出动态过程,无静差的转速单闭环直流调速系统稳态参数设计,(3-29),(3-30),输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节为了保证输入为零的需要决定的。,3.3 转速反馈控制直流调速系统的 限流保护,3.3.1转速反馈控制直流调速系统的过流问题在转速反馈控制直流调速系统上突加给定电压时，电枢电压立即达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，会造成电动机过流。当直流电动机被堵转时，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器来保护，过载时就跳闸。,系统中必须有自动限制电枢电流的环节。引入电流负反馈，可以使它不超过允许值。但这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常的稳速运行时又得
16、取消。当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截止负反馈。,3.3.2 带电流截止负反馈环节的 直流调速系统,图3-16 电流截止负反馈环节（a）利用独立直流电源作比较电压（b）利用稳压管产生比较电压,1电流截止负反馈环节,电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻Rs，IdRc正比于电流。图3-16(a)中用独立的直流电源作为比较电压Ucom，其大小可用电位器调节，在IdRc与Ucom之间串接一个二极管VD，当IdRc Ucom时，二极管导通，电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去；当IdRc Ucom时，二极管截止，Ui消失。图3-16(b)中利用稳压管VST的击穿电压Ubr作
17、为比较电压Ucom。截止电流 Idcr=Ucom/Rs,当输入信号IdRc-Ucom0时，输出Ui=IdRc-Ucom，当IdRc-Ucom 0时，输出Ui=0。,图3-17电流截止负反馈环节的输入输出特性,图3-18 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图,2带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性,当IdIdcr时，电流负反馈被截止，静特性与只有转速负反馈调速系统的静特性相同，（3-32）当IdIdcr后，引入了电流负反馈，静特性变成（3-33）,图3-19带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性,CA段:电流负反馈被截止 AB段:电流负反馈起作用,电
18、流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻。比较电压与给定电压的作用一致，好象把理想空载转速提高到,（3-34）,令n=0，得到堵转电流Iabl，（3-35）一般KpKsRsR，因此（3-36）Iabl应小于电动机允许的最大电流，一般为 Iabl=（1.52）IN截止电流应大于电动机的额定电流，取 Idcr=（1.11.2）IN,3带电流截止的无静差直流调速系统,图3-20 无静差直流调速系统,TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui。当电流达到截止电流Idcr时，Ui高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管VBT导通，忽略晶体三极管VBT导通压降，则PI调节器的输出电压Uc为
19、零，电力电子变换器UPE的输出电压Ud=0，达到限制电流的目的。,3.4 转速反馈控制直流调速系统的仿真,MATLAB/SIMULINK仿真平台下构建转速闭环控制的调速系统仿真平台简单介绍如何借助仿真分析系统工作过程。,3.4.1 转速闭环直流调速系统仿真平台,直流电动机：型号为Z4-132-1，额定电压400 V，额定电流 52.2A，额定转速为2610 r/min，反电动势系数=0.1459 V min/r，允许过载倍数=1.5；PWM变换器开关频率：8KHz，放大系数：=107.5；(538/5=107.5)电枢回路总电阻：；时间常数：电枢回路电磁时间常数=0.0144s，电力拖动系统机
20、电时间常数=0.18s；转速反馈系数；对应额定转速时的给定电压。,图3-21 比例积分控制的直流调速系统的仿真框图,3.4.2 仿真模型的建立,图3-22 SIMULINK模块浏览器窗口,进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中的SIMULINK图标，或直接键入SIMULINK命令，打开SIMULINK模块浏览器窗口，,(1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择FileNewModel菜单项实现。(2)复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可打开它，以鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。在本例中拖入模型编辑窗口的为：把Source组中的Step
21、模块拖入模型编辑窗口；把Math Operations组中的Sum模块和Gain模块分别拖入模型编辑窗口；把Continuous组中的Transfer Fcn模块和Integrator模块拖入模型编辑窗口；把Sinks组中的Scope模块拖入模型编辑窗口；把discontinuous组中的relay模块和saturation模块拖入编辑窗口；把source 组中的repeating sequence模块拖入编辑窗口；把Logic and bit Operations中的Logical Operator模块拖入编辑窗口；把simulink Powersystem 模块库中universal br
22、idge拖入编辑窗口。,(3)修改模块参数：双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。,图3-23加法器模块对话框,描述加法器三路输入的符号，|表示该路没有信号，用|+-取代原来的符号。得到减法器。,图3-24传递函数模块对话框,例如，0.002s+1是用向量0.002 1来表示的。,分子多项式系数,分母多项式系数,图3-25阶跃输入模块对话框,阶跃时刻，可改到0。,阶跃值，可改到10。,图3-26增益模块对话框,填写所需要的放大系数,图3-27 Integrator模块对话框,积分饱和值,可改为5。,积分饱和值,可改为-5。,为了得到周期为8KHz的锯齿波,
23、把Time value设置为0 0.125e-3,把output values设置为-5 5,点击history按钮，取消对点数限制。,设置坐标轴数为2,(4)模块连接,以鼠标左键点击起点模块输出端，拖动鼠标至终点模块输入端处，则在两模块间产生“”线。单击某模块，选取FormatRotate Block菜单项可使模块旋转90；选取FormatFlip Block菜单项可使模块翻转。把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标的右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分支线的绘制。,仿真启动按钮,图3-21 比例积分控制的直流调速系统的仿真框图,3.4.3 仿真模
24、型的运行,(1)仿真过程的启动：单击启动仿真工具条的按钮 或选择SimulationStart菜单项，则可启动仿真过程，再双击示波器模块就可以显示仿真结果。(2)仿真参数的设置：为了清晰地观测仿真结果，需要对示波器显示格式作一个修改，对示波器的默认值逐一改动。改动的方法有多种，其中一种方法是选中SIMULINK模型窗口的SimulationConfiguration Parameters菜单项，打开仿真控制参数对话框，对仿真控制参数进行设置。,图3-30 SIMULINK仿真控制参数对话框,仿真的起始时间,结束时间修改为0.6秒,最大仿真步长设为1e-5s,图2-55 修改控制参数后的仿真结果,启动Scope工具条中的“自动刻度”按钮。把当前窗中信号的最大最小值为纵坐标的上下限，得到清晰的图形。,自动刻度,2.6.4 调节器参数的调整,图2-56 无超调的仿真结果,系统转速的响应是无超调、但调节时间很长；,图2-57 超调量较大的仿真结果,系统转速的响应的超调较大、但快速性较好。,SIMULINK软件的仿真方法为系统设计提供了仿真平台，可以选择合适的PI参数，满足系统的跟随性能指标。在自动控制理论课程中讨论了多种PI调节器的设计方法，MATLAB也为它们的实现提供了模块。关于直流电动机调速系统的PI设计，将在第3章中作详细的论述。,
