电力拖动课件及其课后题答案.ppt

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,*,直流拖动控制系统,第,1,篇,自动控制系统,第,一,章,直流单闭环调速系统,自动控制系统,本章提要,引言,晶闸管,-,电动机系统（,V-M,系统）的特点,反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析,反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和稳定性分析,比例积分控制规律和无静差调速系统,引 言,直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。,由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。,根据直流电动机转速方程,n,U,I,R,K,e,转速（,r/min,）；,电枢电压（,V,）,电枢电流（,A,）；,电枢回路总电阻（,）,励磁磁通（,Wb,）,；,由电机结构决定的电动势常数。,由式（,1-1,）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：,（,1,）调节电枢供电电压,U,。,（,2,）,减弱励磁磁通,。,（,3,）改变电枢回路电阻,R,。,调压调速,工作条件：,保持,励磁,=,N,；,保持电阻,R=R,a,调节过程：,改变电压,U,N,U,n,，,n,0,调速特性：,转速下降，机械特性曲线平行下移。,n,n,0,O,I,I,L,U,N,U,1,U,2,U,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调压调速特性曲线,调阻调速,工作条件：,保持,励磁,=,N,；,保持电压,U=U,N,；,调节过程：,增加电阻,R,a,R,n,，,n,0,不变；,调速特性：,转速下降，机械特性曲线变软。,n,n,0,O,I,I,L,R,a,R,1,R,2,R,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调阻调速特性曲线,调磁调速,工作条件：,保持电压,U=U,N,；,保持电阻,R=R,a,；,调节过程：,减小,励磁,N,n,，,n,0,调速特性：,转速上升，机械特性曲线变软。,n,n,0,O,T,e,T,L,N,1,2,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调压调速特性曲线,三种调速方法的性能与比较,对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。,因此，自动控制的直流调速系统往往以,调压调速,为主。,第一节 晶闸管,-,电动机调速系统的特点,本节讨论,V-M,系统的几个主要特点：,（,1,）触发脉冲相位控制。,（,2,）电流脉动及其波形的连续与断续。,（,3,）,晶闸管-电动机系统的机械特性,。,在如图可控整流电路中，调节触发装置,GT,输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器,VT,输出瞬时电压,u,d,的波形，以及输出平均电压,U,d,的数值。,O,O,O,O,O,触发脉冲相位控制,U,d0,I,d,E,等效电路分析,如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值,u,d0,和平均值,U,d0,来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。,图,1-7 V-M,系统主电路的等效电路图,式中,电动机反电动势,（,V,）,；,整流电流瞬时值,（,A,）,；,主电路总电感,（,H,）,；,主电路等效电阻,（,）,，,R,=,R,rec,+,R,a,+,R,L,。,E,i,d,L,R,瞬时电压平衡方程,对,u,d0,进行积分，即得理想空载整流电压平均值,U,d0,。,用触发脉冲的相位角,控制整流电压的平均值,U,d0,是晶闸管整流器的特点。,U,d0,与触发脉冲相位角,的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，,U,d0,=,f,(,),可用下式表示,式中,从自然换相点算起的触发脉冲控制角；,=,0,时的整流电压波形峰值,（,V,）,；,交流电源一周内的整流电压脉波数。,对于不同的整流电路，它们的数值见表,1-1,。,U,m,m,表,1-1,不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电压,*,U,2,是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。,时输出理想空载电压值,电流脉动及其波形的连续与断续,由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况，这是,V-M,系统不同于,G-M,系统的又一个特点。当,V-M,系统主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形。当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便造成电流波形断续的情况。,V-M,系统主电路,的输出,图,1-9 V-M,系统的电流波形,a,）,电流连续,b,）,电流断续,O,u,a,u,b,u,c,a,u,d,O,i,a,i,b,i,c,i,c,t,E,U,d,t,O,u,a,u,b,u,c,a,u,d,O,i,a,i,b,i,c,i,c,E,U,d,u,d,t,t,u,d,i,d,i,d,抑制电流脉动的措施,在,V-M,系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：,设置平波电抗器；,增加整流电路相数；,采用多重化技术。,平波电抗器,多重化整流电路,如图电路为由2,个三相桥并联而成的,12,脉波整流电路，使用了平衡电抗器来平衡,2,组整流器的电流。,并联多重联结的,12,脉波整流电路,M,晶闸管,-,电动机系统的机械特性,当电流连续时，,V-M,系统的机械特性方程式为,式中,C,e,电机在额定磁通下的电动势系数,C,e,=,K,e,N,。,电流连续情况,改变控制角,，得一族平行直线，这和,G-M,系统的特性很相似，如图所示。,图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，上式已经不适用了。,图,1-6,电流连续时,V-M,系统的机械特性,n,=,I,d,R,/,C,e,n,I,d,I,L,O,上述分析说明：只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个,线性的可控电压源。,晶闸管可控硅供电的直流调速系统,电流断续情况,当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的,V-M,系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示,式中 ；,一个电流脉波的导通角,。,当阻抗角,值已知时，对于不同的控制角,，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。,对于每一条特性，求解过程都计算到,=2/3,为止，因为,角再大时，电流便连续了。对应于,=2/3,的曲线是电流断续区与连续区的分界线,。,图,1-11,完整的,V-M,系统机械特性,V-M,系统机械特性,V-M,系统机械特性的特点,当电流连续时，特性还比较硬；,断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。,所以，对于一个直流拖动系统而言，如果电流不连续，将会给用平均值描述的该类系统带来一系列非线性因素，因此应尽量避免电流的断续，并尽可能的使电流平滑，减小电流脉动率，从而获得较理想的转矩控制效果。,第二节 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析,本节提要,开环调速系统及其存在的问题,闭环调速系统的组成及其静特性,开环系统特性和闭环系统特性的关系,反馈控制规律,限流保护,电流截止负反馈,一、调速性能指标：,2.,静差率,:,n,0b,1.,调速范围,T,n,0a,a,b,O,调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义,电机机械特性,调速范围、静差率和额定速降之间的关系,对于同一个调速系统，如果对静差率要求越严，即要求,s,值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。,对许多无级调速的生产机械为了保证精度,对静差率,s,提出了一定的要求。,某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：,60kW,，,220V,，,305A,，,1000r/min,，,采用,V-M,系统，主电路总电阻,R,=0.18,电动机电动势系数,C,e,=0.2V,min/r,。如果要求调速范围,D,=20,，,静差率,s,5%,，,采用开环调速能否满足？,若要满足这个要求，系统的额定速降 最多能有多少？,实例：,解题思路,:,先求出速度降落,再根据,求在最高转速时的静差率,s,解 当电流连续时，,V-M,系统的额定速降为,开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为,这已大大超过了,5%,的要求，更不必谈调到最低速。,如果要求,D,=20,，,s,5%,开环调速已不能满足要求，原因所在：,负载电流在回路电阻上的压降太大，电流的稍微变化将引起很大的电压变化，从而转速改变。,如何控制转速量的变化,呢？,二、开环系统存在的问题,开环系统只适用用于对调速精度要求不高的场合，但许多需要无级调速的生产机械为了保证加工精度，常常对调速精度提出一定的要求，这时，开环调速已不能满足要求。,解决思路：,引入反馈控制思想（提出闭环的必要性）,反馈的手段,开环调速系统存在的问题,闭环调速系统提出的必要性,闭环调速系统的组成及其静特性,反馈控制规律,本次课主要解决的问题,闭环系统的设计思路,开环系统结构框图,闭环系统结构框图,FLASH,（一）系统组成,三、闭环调速系统的组成及其静特性,（二）闭环系统的静特性方程,假定：,1,）忽略各种非线性因素，假定系统中各环,节的输入输出关系都是线性的，或者只,取其线性工作段。,2,）忽略控制电源和电位器的内阻,开环机械特性：,开环,机械,特性,曲线,闭环静特性方程：,转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下,：,比较环节,放大器,触发和整流装置,电机端电压方程,测速反馈环节,电动机环节,从上述六个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式,静特性方程,式中,K,为闭环系统的开环放大系数（增益）,闭环系统的稳态结构框图,只考虑给定作用 时的闭环系统,只考虑扰动作用,-,I,d,R,时的闭环系统,U,*,n,K,p,K,s,1,/C,e,U,c,U,n,n,U,d0,U,n,+,-,+,K,p,K,s,1,/C,e,-,I,d,R,n,U,d0,+,-,E,利用叠加原理得,注意,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，它在形式上与开环机械特性相似，但,本质上（？）,却有很大不同，故定名为“,静特性,”，以示区别,。,对于闭环系统静特性特性较硬这一问题，我们可以从闭环系统静特性曲线，自动调节过程，转速公式，能量损耗四个角度进行阐述。,I,d,闭环静特性,n,开环机械特性,0,I,d1,I,d3,I,d2,I,d4,O,A,B,C,A,D,U,d4,U,d3,U,d2,U,d1,闭环加载,开环加载,四、开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系,系统的开环机械特性为,而闭环时的静特性可写成,（,1,）闭环系统速降小,静特性硬,它们的关系是,在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为,（,2,）系统的静差率小,稳速精度高,开环和闭环系统的静差率分别为,（,3,）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。,则得,（,4,）,要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。,上述三项优点若要有效，都取决于一点，即,K,要足够大，因此必须设置放大器。,如果电动机的最高转速都是 ，而对最低速静差率的要求相同，那么：,结论：,闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。,降低速降的实质是什么,?,转速单闭环调速系统结构图,系统调节过程,0,闭环静特性,开环机械特性,0,I,d1,I,d3,I,d2,I,d4,O,A,B,C,A,D,U,d4,U,d3,U,d2,U,d1,n,闭环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,。,闭环系统减小速降的物理意义,在上例中，龙门刨床要求,D,=20,，,s,5%,，,已知,K,s,=30,，,=0.015V,min/r,，,C,e,=0.2V,min/r,采用闭环系统,如何设计放大器以满足此要求？,例题,思路,:,根据,解 在上例中已经求得,n,op,=275 r/min,但为了满足调速要求，,须有,n,cl,=2.63 r/min,根据,可得,即只要放大器的放大系数等于或大于,46,，闭环系统就能满足所需的稳态性指标。,又根据,（,1,）具有比例调节器的闭环系统是有静差,有静差与无静差的概念,因为闭环系统的稳态速降为,五、单闭环调速系统基本性质,（,2,）抵抗扰动,服从给定,扰动,除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。,只有,K=,，才能使,ncl,=0,，无静差。,而,K,有静差调速系统。,扰动作用与影响,闭环调速系统的给定作用和扰动作用,励磁变化,I,d,变化,电源波动,K,p,变化,电阻变化,检测误差,K,p,K,s,1,/C,e,U,*,n,U,c,U,n,E,n,U,d0,U,n,+,+,-,-,R,U,s,U,d0,n,U,n Un ,Uc,Ud0 n,给定作用,与众不同的是，在反馈环外的给定作用，图中的转速给定信号，它的细微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。,因此，反馈控制系统对前向通道上的所有扰动都能起抑制作用。,（,3,）系统的精度依赖于给定和反馈检测精度,给定精度,由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。,因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。,检测精度,反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此,检测精度决定了系统,输出精度。,检测装置好似我们的眼睛，测量的尺子,结论,反馈控制系统的规律是：,一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。,开环调速系统存在的问题,闭环调速系统提出的必要性,闭环调速系统的组成及其静特性,反馈控制规律,本节课主要解决的问题,你是否掌握,闭环直流调速系统的稳态参数的计算见教材例,1-4,的分析。,五 单闭环调速系统的限流保护,电流截止负反馈,问题的提出,起动的冲击电流,直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。当然如果电动机的功率较大，也会对电网及附近的用电设备产生较大的影响。,闭环调速系统突加给定起动的冲击电流,采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压为给定电压，差不多是其稳态工作值的,1+,K,倍（,推导,）。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。,堵转电流,有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值（这时电流的增加是由于闭环的自动调节所引的整流电压的升高所引起，而开环在此情况下电流也会增加，但是由于转速的降落而引起，内部机理不同）。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。,电枢串电阻,起动,引入电流,截止负反馈,加积分给定环节,解决办法,电流负反馈作用机理,为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有,自动限制电枢电流的环节,。,根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入,电流负反馈,，,应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。,M,+,-,U,d,I,d,R,c,U,i,接,放大器,（,1,）,电枢回路,串检测电阻。,（,2,）,电枢回路,接直流互感器。,（,3,）交流电路接交流互感器。,（,4,）采用霍尔传感器。,电流检测与反馈电路,电流负反馈引入方法,仅采用电流负反馈，不要转速负反馈的系统的静特性如图中,B,线，特性很陡。显然仅对起动有利，对稳态运行不利。实际的系统既要采用转速负反馈又要采用电流负反馈。,I,dbl,n,0,I,d,O,n,0,A,转速负反馈特性,B,电流负反馈特性,调速系统静特性,转速和电流负反馈系统稳态结构框图,K,p,K,s,1,/C,e,U,*,n,U,c,U,n,I,d,E,n,U,d0,U,n,+,+,-,-,R,-,系统稳态结构框图（该图后面分析）,R,c,U,i,静特性方程（也放到后面分析）,与转速闭环控制调速系统特性方程相比，上式多了一项由电流反馈引起的转速降落。,稳态特性,I,dbl,0,n,0,A,转速负反馈特性,B,电流负反馈特性,C,转速电流负反馈特性,采用转速电流调速系统静特性,I,d,n,0,电流截止负反馈,考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。,如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。（分析教材,P28,页叙述，引入下面两个典型的电流截至负反馈环节）,利用独立直流电源作比较电压,M,+,+,-,-,U,d,I,d,R,c,VD,U,i,U,com,接,放大器,利用稳压管产生比较电压,U,br,M,+,-,U,d,I,d,R,c,VS,U,i,接,放大器,电流截止负反馈环节实例,封锁运算放大器的,电流截止负反馈环节,U,br,M,+,-,U,d,I,d,R,c,VS,U,i,+,+,R,1,U,ex,U,in,R,0,+,VT,在上面电路中，如果电流截至负反馈环节没有起作用，则运放正常工作，若电流超过了设定值，则电流截至负反馈环节一旦起作用，则开关管导通，放大器输出被嵌位。,该运放环节就是前面介绍的偏差放大环节。,系统稳态结构图,O,U,i,I,d,R,c,-,U,com,电流截止负反馈环节,的,I/O,特性,（,分析该特性）,带电流截止负反馈的,闭环直流调速稳态结构框图,n,K,p,K,s,1,/C,e,U,*,n,U,c,U,i,I,d,E,U,d0,U,n,+,+,-,-,R,R,C,-,U,com,I,d,R,s,-,U,com,-,+,+,静特性方程与特性曲线,由上图可写出该系统两段静特性的方程式。,当,I,d,I,dcr,时（横轴小于零），电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式相同，现重写于下,当,I,d,I,dcr,时，引入了电流负反馈，静特性变成,I,dbl,I,dcr,n,0,I,d,O,n,0,A,B,带电流截止负反馈单闭环调速系统的静特性,D,C,电流负反馈被截至时相当于上图中的,CA,段，它是闭环系统本身的静特性，显然是比较硬的。电流负反馈起作用后，相当于图中的,AB,段，从引入电流负反馈之后的静特性方程可以看出，,AB,和,CA,两段具有如下特性。,静特性的两个特点,（,1,）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻,K,p,K,s,R,s,，,因而稳态速降极大，特性急剧下垂。,（,2,）比较电压,U,com,与给定电压,U,n,*,的作用一致，好象把理想空载转速提高了。,这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，在静特性方程式中，令,n,=0,，,得,一般,K,p,K,s,R,s,R,，,因此,至于上值取多大，则要视电动机的过载能力而定。一般为额定电流的,1.5-2.0,。所以电机的实际过载能力是设计截至负反馈参数的主要依据。,以上是从电动机的稳态静特性角度来讨论电流截至负反馈的作用，在电动机启动的动态过程中，怎么样来限流以及电流的动态波形如何还要取决于系统的动态结构和参数，这是第二章双闭环调速系统的内容。,电流截止负反馈环节参数设计,I,dbl,应小于电机允许的最大电流，一般取,I,dbl,=,（,1.52,）,I,N,从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取,I,dcr,（,1.11.2,）,I,N,第三节反馈控制闭环调速系统的动态分析及稳定性分析,1,、额定励磁下直流他励电动机的数学模型及动态结构图,电枢回路传函,电枢回路电压平衡方程为,一 闭环调速系统动态数学模型,进行拉氏变换得,电动机传动系统传函,电动机传动系统运动方程式为,对上式两端取拉氏变换得,I,d,(s,),I,L,(s,),E(s,),n(s,),U,d0,(s),-,-,将上面两环节输入输出量连接起来。并考虑,即可得到额定励磁下他励直流电动机动态结构图,干扰量 的综合点前移，化简得,I,L,(s,),n(s,),U,d0,(s),-,2,、触发器和晶闸管整流装置数学模型及动态结构图,晶闸管触发导通后，在尚未关断之前，改变控制电压,U,ct,的值，但整流电压的瞬时波形和 角并不能立即跟随,U,ct,的变化，通常把这个滞后时间称作整流装置的失控时间，用,T,s,来表示。,u,2,u,d,U,c,t,t,a,1,0,U,c1,U,c2,a,1,t,t,0,0,0,a,2,a,2,U,d01,U,d02,T,S,O,O,O,O,晶闸管触发与整流失控时间分析,晶闸管触发与整流装置的失控时间,FLASH,晶闸管触发器和整流装置输入输出关系为,两端进行拉氏变换得（见教材,P11,）,晶闸管触发器和整流装置动态结构图为,U,ct,U,d0,3,、比例放大器传函（输出响应可认为是瞬时变化的）,4,、测速发电机传函（输出响应可认为是瞬时变化的）,将上述四个环节按系统中的相互关系连接在一起，便得到单闭环调速系统动态结构图。,I,L,(s,),n(s,),U,d0,(s),-,U,ct,单闭环调速系统动态结构图,令 得闭环系统传函为：,二 闭环调速系统稳定性分析,系统闭环传函特征方程为,由劳斯判据，得系统的稳定条件为,上式表明：在系统参数,T,m,、,T,L,、,T,s,确定的前提下，从动态稳定性考虑，闭环系统的开环放大系数,K,必须满足上式，,K,超过此值，系统将不稳定。按静态调速指标确定的,K,值还必须按动态稳定性进行验算。当二者发生矛盾时，还要采取动态校正措施加以改造。,第四节 比例积分控制规律和无静差调速系统,前节主要讨论，采用比例（,P,）,放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。,本节将讨论，采用积分（,I,）,调节器或比例积分（,PI,）,调节器代替比例放大器，构成无静差调速系统。,本节提要,问题的提出,积分调节器和积分控制规律,比例积分控制规律,无静差直流调速系统及其稳态参数计算,问题的提出,如前，采用,P,放大器控制的有静差的调速系统，,K,p,越大，系统精度越高；但,K,p,过大，将降低系统稳定性，使系统动态不稳定。,进一步分析静差产生的原因，由于采用比例调节器，转速调节器的输出为,U,c,=,K,p,U,n,U,c,0,，,电动机运行，即,U,n,0,；,U,c,=0,，,电动机停止。,因此，在采用,比例调节器控制的自动,系统中，输入偏差是维系系统运行的基础，必然要产生静差，因此是,有静差系统,。,如果要消除系统误差，必须寻找其他控制方法，比如：,采用积分,（,Integration,）,调节器或比例积分（,PI,）,调节器来代替比例放大器,。,一 积分调节器和积分控制规律,1.,积分调节器,如图，由运算放大器可构成一个积分电路。根据电路分析，其电路方程,+,+,C,U,ex,R,bal,U,in,R,0,+,A,图,1-43,积分调节器,a),原理图,i,i,方程两边取积分，得,(1-32),式中,积分时间常数。,当初始值为零时，在阶跃输入作用下，对式（,1-32,）进行积分运算，得积分调节器的输出,(1-33),U,ex,U,in,U,exm,t,U,in,U,ex,O,b),阶跃输入时的输出特性,(,),L/dB,O,L(,),-20dB,1/,O,-/2,c)Bode图,积分调节器,2.,积分调节器的特性,3.,积分调节器的传递函数,积分调节器的传递函数为,(1-34),4.,转速的积分控制规律,如果采用积分调节器，则控制电压,U,c,是转速偏差电压,U,n,的积分，应有,如果是,U,n,阶跃函数，则,U,c,按线性规律增长，每一时刻,U,c,的大小和,U,n,与横轴所包围的面积成正比，,如下图,a,所示。,积分调节器的输入和输出动态过程,a),阶跃输入,b),一般输入,输入和输出动态过程,图,b,绘出的,U,n,是负载变化时的偏差电压波形，按照,U,n,与横轴所包围面积的正比关系，可得相应的,U,c,曲线，图中,U,n,的最大值对应于,U,c,的拐点。,若初值不是零，还应加上初始电压,U,c0,，,则积分式变成,由上图,b,可见，在动态过程中，当,U,n,变化时，只要其极性不变，即只要仍是,U,n,*,U,n,，,积分调节器的输出,U,c,便一直增长；只有达到,U,n,*=,U,n,，,U,n,=0,时，,U,c,才停止上升；不到,U,n,变负，,U,c,不会下降。在这里，值得特别强调的是，当,U,n,=0,时，,U,c,并不是零，而是一个终值,U,cf,；如果,U,n,不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点。,积分器的三个重要特性,1,）,延缓性,积分调节器输入阶跃信号时，输出按积分线性增长。,2,）,积累性,只要积分调节器输入信号存在，不论信号大小如何变化，积分的积累作用就持续下去，只不过输出值上升速率不同而已。,3,）,记忆性,在积分过程中，如果输入信号变为零，输出电压能保持在输入信号改变前的瞬时值，该电压值就是充电电容,C,两端的电压值，若要使输出值下降，必须改变输入信号的极性，其变化过程如图所示。,分析结果,采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。,5.,比例与积分控制的比较,有静差调速系统,当负载转矩由,T,L1,突增到,T,L2,时，有静差调速系统的转速,n,、,偏差电压,U,n,和控制电压,U,c,的变化过程示于下图。,突加负载时 的动态过程,无静差调速系统,当负载突增时，积分控制的无静差调速系统动态过程曲线示于下图。在稳态运行时，转速偏差电压,U,n,必为零。如果,U,n,不为零，则,U,c,继续变化，就不是稳态了。在突加负载引起动态速降时产生,U,n,，,达到新的稳态时，,U,n,又恢复为零，但,U,c,已从,U,c1,上升到,U,c2,，,使电枢电压由,U,d1,上升到,U,d2,，,以克服负载电流增加的压降。,在这里，,U,c,的改变并非仅仅依靠,U,n,本身，而是依靠,U,n,在一段时间内的积累。,积分控制无静差调速系统,突加负载时的动态过程,虽然现在,U,n,=0,，,只要历史上有过,U,n,，,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,U,c,。,积分控制规律和比例控制规律的,根本区别,就在于此。,将以上的分析归纳起来，可得下述论断：,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。,二 比例积分控制规律,上一小节从无静差的角度突出地表明了积分控制优于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。,如图所示，在同样的阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变。,两种调节器特性比较,U,ex,U,in,U,exm,t,U,in,U,ex,O,b)P,调节器,a)I,调节器,U,ex,U,in,t,U,in,U,ex,O,两种调节器,I/O,特性曲线,那么，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，该怎么办呢？只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例积分控制。,（一）,PI,调节器,在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现,PI,调节器，其线路如图所示。,U,ex,+,+,C,1,R,bal,U,in,R,0,+,A,R,1,比例积分（,PI,）,调节器,i,0,i,1,PI,输入输出关系,按照运算放大器的输入输出关系，可得,式中,PI,调节器比例部分的放大系数；,PI,调节器的积分时间常数。,由此可见，,PI,调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。,PI,调节器的传递函数,当初始条件为零时，取上式两侧的拉氏变换，移项后，得,PI,调节器的传递函数。,PI,调节器输出时间特性,U,ex,U,in,U,exm,t,U,in,U,ex,O,K,pi,U,in,O,t,O,t,U,c,U,c,U,n,1,2,1+2,图,b PI,调节器的输入输出动态过程,图,a,PI,调节器输出电压,的时间特性,分析结果,由此可见，比例积分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，扬长避短，互相补充。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。,（二）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,稳态结构与静特性,参数计算,1.,系统组成,+,+,-,+,-,M,TG,+,-,RP,2,n,RP,1,U,*,n,R,0,R,0,R,bal,U,c,VBT,VS,U,i,TA,I,d,R,1,C,1,U,n,U,d,无静差直流调速系统示例,-,+,M,TG,+,+,+,-,UPE,FLASH,2.,工作原理,上图所示是一个无静差直流调速系统的实例，采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。,TA,为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。当电流超过截止电流时，高于稳压管,VS,的击穿电压，使晶体三极管,VBT,导通，则,PI,调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器,UPE,的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的。,3.,稳态结构与静特性,当电动机电流低于其截止值时，上述系统的稳态结构图示于下图，其中代表,PI,调节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用。,图,1-35,无静差直流调速系统稳态结构框图（,I,d,I,dcr,时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。整个静特性近似呈矩形。,O,I,d,I,dcr,n,1,n,2,n,max,n,图,1-37,带电流截止的无静差直流调速系统的静特性,必须指出,严格地说，,“,无静差,”,只是理论上的，实际系统在稳态时，,PI,调节器积分电容两端电压不变，相当于运算放大器的反馈回路开路，其放大系数等于运算放大器本身的开环放大系数，数值最大，但并不是无穷大。因此其输入端仍存在很小的，而不是零。这就是说，实际上仍有很小的静差，只是在一般精度要求下可以忽略不计而已。,4.,稳态参数计算,无静差调速系统的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,*,，,可以直接计算转速反馈系数,（,1-36,）,电动机调压时的最高转速,(r/min),；,相应的最高给定电压,(V),。,n,max,U,*,nmax,电流截止环节的参数很容易根据其电路和截止电流值,I,dcr,计算出。,PI,调节器的参数,K,pi,和,可按动态校正的要求计算。,三、,PI,调节器的实用电路,（一）,PI,调节器零漂的抑制,抑制零点漂移的措施：组成近似的,PI,调节器，或称“准,PI,调节器”。,系统也只是一个近似的无静差调速系统。,+,+,-,U,in,R,0,R,bal,R,1,C,1,R,1,A,U,ex,图,1-38,准比例积分调节器,如果采用准,PI,调节器，其稳态放大系数为,由,K,p,可以计算实际的静差率。,（,二）调节器输入限幅与输入滤波,调节器的输入信号过大时，将造成运算放大器发生“堵塞现象”，,措施,：在调节器的输入端反并联两只二极管,VD1,、,VD2,，起到输入限幅作用。,输入限幅电路,输入限幅和输入滤波电路,（三）调节器输出限幅,在调速系统中，为了限制电动机的最高电压和最大电流，通过限制调节器的输出电压的,大小来达到保护电器设备的目的。,输出电压限幅电路有,外限幅,和,内限幅,两类。,二极管钳位的外限幅电路,C,1,R,1,R,0,R,lim,VD,1,VD,2,本章小结,学习和掌握直流调速方法,学习和掌握直流调速电源特点,学习和掌握直流调速系统工作原理,系统组成,系统分析（静态性能、动态性能）,系统设计（调节器的结构和参数设计）,