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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,控制系统,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,控制系统,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,1.6 百分比积分控制规律和无静差调速系统,前节主要讨论，采取百分比（P）放大器控制直流调速系统，可使系统稳定，并有一定稳定裕度，同时还能满足一定稳态精度指标。不过，带百分比放大器反馈控制闭环调速系统是有静差调速系统。,本节将讨论，采取积分（I）调整器或百分比积分（PI）调整器代替百分比放大器，组成无静差调速系统。,第1页,4/30/2025,控制系统,本节提要,问题提出,积分调整器和积分控制规律,百分比积分控制规律,无静差直流调速系统及其稳态参数计算,系统设计举例与参数计算（二）,第2页,4/30/2025,控制系统,2.6.4 无静差直流调速系统及其稳态参数计算,系统组成,工作原理,稳态结构与静特征,参数计算,第3页,4/30/2025,控制系统,1.系统组成,TA为检测电流交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。,图1-48 无静差直流调速系统,+,+,-,+,-,M,TG,+,-,RP,2,n,RP,1,U,*,n,R,0,R,0,R,bal,U,c,VBT,VS,U,i,TA,L,I,d,R,1,C,1,U,n,U,d,-,+,M,TG,UPE,当电流超出截止电流时，高于稳压管VS击穿电压，使晶体三极管VBT导通,PI调整器输出电压靠近于零,电力电子变换器UPE输出电压急剧下降,I,d急剧下降,图1-45是一个无静差直流调速系统实例，采取百分比积分调整器以实现无静差，采取电流截止负反馈来限制动态过程冲击电流。,第4页,4/30/2025,控制系统,3.稳态结构与静特征,当电动机电流低于其截止值时，上述系统稳态结构图示于下列图，其中代表PI调整器方框中无法用放大系数表示，普通画出它输出特征，以表明是百分比积分作用。,图1-49 无静差直流调速系统稳态结构图（,I,d,I,dcr,）,K,s,1,/C,e,U,*,n,U,c,U,n,I,d,R,E,n,U,d0,U,n,+,+,-,-,第5页,4/30/2025,控制系统,稳态结构与静特征（续）,无静差系统理想静特征如右图所表示。,当,I,d,I,dcr,时，电流截止负反馈起作用，静特征急剧下垂，基本上是一条垂直线。整个静特征近似呈矩形。,O,I,d,I,dcr,n,1,n,2,n,max,n,图1-50 带电流截止无静差直流调速系统静特征,第6页,4/30/2025,控制系统,必须指出,严格地说，“无静差”只是理论上，实际系统在稳态时，PI调整器积分电容两端电压不变，相当于运算放大器反馈回路开路，其放大系数等于运算放大器本身开环放大系数，数值最大，但并不是无穷大。所以其输入端仍存在很小，而不是零。这就是说，实际上仍有很小静差，只是在普通精度要求下能够忽略不计而已。,第7页,4/30/2025,控制系统,4.稳态参数计算,无静差调速系统稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时,U,n,=0，因而,U,n,=,U,n,*,，能够按式（1-67）直接计算转速反馈系数,（1-67）,电动机调压时最高转速；,对应最高给定电压。,n,max,U,*,nmax,电流截止步骤参数很轻易依据其电路和截止电流值,I,dcr,计算出。,PI调整器参数,K,pi,和,可按动态校正要求计算。,第8页,4/30/2025,控制系统,+,+,-,U,in,R,0,R,bal,R,1,C,1,R,1,A,U,ex,5.准PI调整器,在实际系统中，为了防止运算放大器长久工作时零点漂移，经常在,R,1,C,1,两端再并接一个电阻,R,1,，其值为若干M,，方便把放大系数压低一些。这么就成为一个近似PI调整器，或称“准PI调整器”（见图1-51），系统也只是一个近似无静差调速系统。,图1-51 准百分比积分调整器,第9页,4/30/2025,控制系统,假如采取准PI调整器，其稳态放大系数为,由,K,p,能够计算实际静差率。,1.6.5 系统设计举例与参数计算（二）,第10页,4/30/2025,控制系统,例题1-5,用线性集成电路运算放大器作为电压放大器转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所表示，主电路是晶闸管可控整流器供电V-M系统。已知数据以下：,电动机：额定数据为10kW，220V，55A，1000r/min，电枢电阻,R,a,=0.5,；,晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压,U,2,l,=230V，电压放大系数,K,s,=44；,R,=1.0,，,K,s,=44，,C,e,=0.1925V,min/r，系统运动部分飞轮惯量,GD,2,=10N,m,2,。,依据稳态性能指标,D,=10，,s,0.5,计算，系统开环放大系数应有,K,53.3,，试判别这个系统稳定性。,第11页,4/30/2025,控制系统,解,首先应确定主电路电感值，用以计算电磁时间常数。,对于V-M系统，为了使主电路电流连续，应设置平波电抗器。例题1-4给出是三相桥式可控整流电路，为了确保最小电流时电流仍能连续，应采取式（1-8）计算电枢回路总电感量，即,第12页,4/30/2025,控制系统,现在,则,取=17mH=0.017H。,第13页,4/30/2025,控制系统,计算系统中各步骤时间常数：,电磁时间常数,机电时间常数,第14页,4/30/2025,控制系统,对于三相桥式整流电路，晶闸管装置滞后时间常数为,T,s,=0.00167 s,第15页,4/30/2025,控制系统,为确保系统稳定，开环放大系数应满足式（1-59）稳定条件,按稳态调速性能指标要求,K,53.3,，所以，,闭环系统是不稳定,。,返回目录,第16页,4/30/2025,控制系统,1.6.5 系统设计举例与参数计算（二）,系统调整器设计,例题1-8,在例题1-5中，已经判明，按照稳态调速指标设计闭环系统是不稳定。试利用伯德图设计PI调整器，使系统能在确保稳态性能要求下稳定运行。,第17页,4/30/2025,控制系统,解,（1）被控对象开环频率特征分析,式（1-56）已给出原始系统开环传递函数以下,第18页,4/30/2025,控制系统,已知,T,s,=0.00167s，,T,l,=0.017s，,T,m,=0.075s，在这里，,T,m,4,T,l,，所以分母中二次项能够分解成两个一次项之积，即,第19页,4/30/2025,控制系统,依据例题1-4稳态参数计算结果，闭环系统开环放大系数已取为,于是，原始闭环系统开环传递函数是,第20页,4/30/2025,控制系统,其中三个转折频率（或称交接频率）分别为,而,第21页,4/30/2025,控制系统,系统开环对数幅频及相频特征,相角裕度,和增益裕度,GM,都是负值，所以原始闭环系统不稳定。,第22页,4/30/2025,控制系统,（2）PI调整器设计,为了使系统稳定，设置PI调整器，设计时须绘出其对数频率特征。,考虑到原始系统中已包含了放大系数为百分比调整器，现在换成PI调整器，它在原始系统基础上新添加部分传递函数应为,第23页,4/30/2025,控制系统,PI调整器对数频率特征,对应对数频率特征绘于图1-41中。,-20,L,/dB,+,O,O,2,-,1,K,P,/s,-1,1,K,Pi,1,1,=,第24页,4/30/2025,控制系统,实际设计时，普通先依据系统要求动态性能或稳定裕度，确定校正后预期对数频率特征，与原始系统特征相减，即得校正步骤特征。详细设计方法是很灵活，有时须重复试凑，才能得到满意结果。,对于本例题闭环调速系统，能够采取比较简便方法，因为原始系统不稳定，表现为放大系数,K,过大，截止频率过高，应该设法把它们压下来。,第25页,4/30/2025,控制系统,为了方便起见，可令，,K,pi,=,T,1,使校正装置百分比微分项（,K,pi,s,+1）与原始,系统中时间常数最大惯性步骤 对消。,第26页,4/30/2025,控制系统,其次，为了使校正后系统含有足够稳定裕度，它对数幅频特征应以,20dB/dec 斜率穿越 0dB 线，必须把图1-42中原始系统特征压低，使校正后特征截止频率,c2,1/,T,2,。这么，在,c2,处，应有,第27页,4/30/2025,控制系统,O,系统校正对数频率特征,校正后系统特征,校正前系统特征,第28页,4/30/2025,控制系统,从图上能够看出，校正后系统稳定性指标,和,GM,都已变成较大正值，有足够稳定裕度，而截止频率从,c1,=208.9,s,1,降到,c2,=30,s,1,，快速性被压低了许多，显然这是一个偏于稳定方案。,第29页,4/30/2025,控制系统,由图1-40原始系统对数幅频和相频特征可知,所以,代入已知数据，得,第30页,4/30/2025,控制系统,取,K,pi,=,T,1,=,0.049s,，为了使,c2,2f,max,采样频率进行采样，取出样品序列就能够代表（或恢复）模拟信号。,在电动机调速系统中，控制对象是电动机转速和电流，是快速改变物理量，必须含有较高采样频率。,微型计算机控制直流调速系统是一个快速数字采样系统，要求微型计算机在较短采样周期之内，完成信号转换、采集，完成按某种控制规律实施控制运算，完成控制信号输出。,第40页,4/30/2025,控制系统,2.7.2转速检测数字化,图2-33 增量式旋转编码器示意图,第41页,4/30/2025,控制系统,1旋转编码器,光电式旋转编码器是检测转速或转角元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或转角信号。,旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。,绝对式编码器惯用于检测转角。,增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量光栅，在接收装置输出端便得到频率与转速成正比方波脉冲序列，从而能够计算转速。,第42页,4/30/2025,控制系统,增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距1/4。,正转时A相超前B相；反转时B相超前A相。,采取简单鉴相电路能够分辨出转向。,图2-34 区分旋转方向A、B两组脉冲序列,第43页,4/30/2025,控制系统,2数字测速方法精度指标,（1）分辨率,用改变一个计数值所对应转速改变量来表示分辨率，用符号,Q,表示。,当被测转速由,n,1,变为,n,2,时，引发记数值增量为1，则该测速方法分辨率是,（2-75）,分辨率,Q,越小，说明测速装置对转速改变检测越敏感，从而测速精度也越高。,第44页,4/30/2025,控制系统,（2）测速误差率,转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测速误差率，记作,（2-76）,测速误差率反应了测速方法准确性，,越小，准确度越高。,第45页,4/30/2025,控制系统,3M法测速,记取一个采样周期内旋转编码器发出脉冲个数来算出转速方法称为M法测速，又称,频率法,测速。,(2-77),式中:,n,转速，单位为r/min；,M,1,时间,T,c,内脉冲个数；,z,旋转编码器每转输出脉冲个数;,T,c,采样周期，单位为s。,第46页,4/30/2025,控制系统,由系统定时器按采样周期时间定时地发出一个采样脉冲信号，,计数器统计下在两个采样脉冲信号之间旋转编码器脉冲个数。,图235 M法测速原理示意图,第47页,4/30/2025,控制系统,M法测速分辨率为,（2-78）,M法测速分辨率与实际转速大小无关。,M法测速误差率最大值为,（2-79）,max,与,M,1,成反比。转速愈低，,M,1,愈小，误差率愈大。,第48页,4/30/2025,控制系统,4T法测速,T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间间隔时间来计算转速，又被称为周期法测速。,与M法测速不一样是，T法测速所计是计算机发出高频时钟脉冲个数，以旋转编码器输出相邻两个脉冲一样改变沿作为计数器起始点和终止点。,第49页,4/30/2025,控制系统,图2-36T法测速原理示意图,准确测速时间是用所得高频时钟脉冲个数M,2,计算出来，即 ，,电动机转速为,（2-80）,第50页,4/30/2025,控制系统,T法测速分辨率定义为时钟脉冲个数由,M,2,变成(,M,2,-1)时转速改变量，,（2-81）,综合式（2-80）和式（2-81），可得,(2-82),T法测速分辨率与转速高低相关，转速越低，,Q,值越小，分辨能力越强。,第51页,4/30/2025,控制系统,T法测速误差率最大值为,（2-83）,低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得高频时钟脉冲,M,2,个数多，误差率小，测速精度高。,T法测速更适合用于低速段。,第52页,4/30/2025,控制系统,5M/T法测速,在M法测速中，伴随电动机转速降低，计数值降低，测速装置分辨能力变差，测速误差增大。,T法测速恰好相反，伴随电动机转速增加，计数值减小，测速装置分辨能力越来越差。,综合这两种测速方法特点，产生了M/T测速法，它不论在高速还是在低速时都含有较高分辨能力和检测精度。,第53页,4/30/2025,控制系统,图2-37 M/T法测速原理示意图,第54页,4/30/2025,控制系统,关键是和计数同时开始和关闭，实际检测时间与旋转编码器输出脉冲一致，能有效减小测速误差。,采样时钟,T,c,由系统定时器产生，其数值一直不变。,检测周期由采样脉冲,T,c,边缘之后第一个脉冲编码器输出脉冲边缘来决定，即,T,=,T,c,T,1,+,T,2,。,第55页,4/30/2025,控制系统,检测周期,T,内被测转轴转角为,(2-84),旋转编码器每转发出,Z,个脉冲，在检测周期,T,内旋转编码器发出脉冲数是,M,1,，则,(2-85),若时钟脉冲频率是,f,0,，在检测周期,T,内时钟脉冲计数值为,M,2,，则,(2-86),综合式(2-74)、式(2-75)和式(2-76)便可求出被测转速为：,(2-87),第56页,4/30/2025,控制系统,在高速段,，,T,c,T,1,，,T,c,T,2,，可看成,T,T,c,：,(2-88),M,2,f,0,T,f,0,T,c,，,代入式（2-78)可得：,(2-89),在高速段，与,M,法测速分辨率完全相同。,在低速段，,M,1,1，,M,2,随转速改变，分辨率与,T,法测速完全相同。,M/T,法测速不论是在高速还是在低速都有较强分辨能力。,第57页,4/30/2025,控制系统,在,M/T,法测速中，检测时间是以脉冲编码器输出脉冲边缘为基准，计数值,M,2,最多产生一个时钟脉冲误差。,M,2,数值在中、高速时，基本上是一个常数,M,2,Tf,0,T,c,f,0,，其测速误差率为,，,在低速时，,M,2,Tf,0,T,c,f,0,，,M/T法测速含有较高测量精度。,第58页,4/30/2025,控制系统,2.8转速反馈控制直流调速系统仿真,MATLAB下SIMULINK软件进行系统仿真是十分简单和直观，,用户能够用图形化方法直接建立起仿真系统模型，并经过SIMULINK环境中菜单直接开启系统仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来，,第59页,4/30/2025,控制系统,2.8.1 转速负反馈闭环调速系统 仿真框图及参数,直流电动机：额定电压 ，,额定电流 ,额定转速 ，,电动机电势系数,晶闸管整流装置输出电流可逆，装置放大系数 ，滞后时间常数 ，,电枢回路总电阻 ，电枢回路电磁时间常数 ，电力拖动系统机电时间常数 ，,转速反馈系数 ，,对应额定转速时给定电压 。,第60页,4/30/2025,控制系统,图2-45 百分比积分控制直流调速系统仿真框图,第61页,4/30/2025,控制系统,2.8.2 仿真模型建立,图2-46 SIMULINK模块浏览器窗口,进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中SIMULINK图标，,或直接键入SIMULINK命令，打开SIMULINK模块浏览器窗口，,第62页,4/30/2025,控制系统,(1)打开模型编辑窗口：经过单击SIMULINK工具栏中新模型图标或选择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子模块，拖入模型编辑窗口。,在本例中拖入模型编辑窗口为：Source组中Step模块；Math Operations组中Sum模块和Gain模块；Continuous组中Transfer Fcn模块和Integrator模块；Sinks组中Scope模块；,第63页,4/30/2025,控制系统,图2-47 模型编辑窗口,第64页,4/30/2025,控制系统,(3)修改模块参数：,双击模块图案，则出现关于该图案对话框，,经过修改对话框内容来设定模块参数。,第65页,4/30/2025,控制系统,图2-48加法器模块对话框,描述加法器三路输入符号，|表示该路没有信号，用|+-取代原来符号。得到减法器。,第66页,4/30/2025,控制系统,图2-49传递函数模块对话框,比如，0.002s+1是用向量0.002 1来表示。,分子多项式系数,分母多项式系数,第67页,4/30/2025,控制系统,图2-50阶跃输入模块对话框,阶跃时刻，可改到0 。,阶跃值，可改到10 。,第68页,4/30/2025,控制系统,图2-51增益模块对话框,填写所需要放大系数,第69页,4/30/2025,控制系统,图2-52 Integrator模块对话框,积分饱和值,可改为10。,积分饱和值,可改为-10。,第70页,4/30/2025,控制系统,(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。,把鼠标移到期望分支线起点处，按下鼠标右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线终点处，释放鼠标按钮，就完成了分支线绘制。,第71页,4/30/2025,控制系统,图2-53百分比积分控制无静差直流调速系统仿真模型,仿真开启按钮,第72页,4/30/2025,控制系统,2.8.3 仿真模型运行,(1)仿真过程开启：单击开启仿真工具条按钮 或选择SimulationStart菜单项，则可开启仿真过程，再双击示波器模块就能够显示仿真结果。,(2)仿真参数设置：为了清楚地观察仿真结果，需要对示波器显示格式作一个修改，对示波器默认值逐一改动。改动方法有各种，其中一个方法是选中SIMULINK模型窗口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。,第73页,4/30/2025,控制系统,图2-54 SIMULINK仿真控制参数对话框,仿真起始时间,结束时间修改为0.6秒,第74页,4/30/2025,控制系统,图2-55 修改控制参数后仿真结果,开启Scope工具条中“自动刻度”按钮。把当前窗中信号最大最小值为纵坐标上下限，得到清楚图形。,自动刻度,第75页,4/30/2025,控制系统,2.6.4 调整器参数调整,图2-56 无超调仿真结果,系统转速响应是无超调、但调整时间很长；,第76页,4/30/2025,控制系统,图2-57 超调量较大仿真结果,系统转速响应超调较大、但快速性很好。,第77页,4/30/2025,控制系统,SIMULINK软件仿真方法为系统设计提供了仿真平台，能够选择适当PI参数，满足系统跟随性能指标。,在自动控制理论课程中讨论了各种PI调整器设计方法，MATLAB也为它们实现提供了模块。,关于直流电动机调速系统PI设计，将在第3章中作详细叙述。,第78页,4/30/2025,控制系统,
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