中國石油大學（華東）現代遠程教育課程教學（自學）基本要求電力拖動自控系統課程教學（自學）基本要求適用層次本科適應專業電氣工程及其自動化使用學期2008秋自學學時128面授學時32實驗學時6使用教材教材名稱電力拖動自動控制系統(第二版)編 者陳伯時出 版 社機械工業出版社參考教材課程簡介電力拖動自動控制系統是電氣工程及其自動化專業的必修課。電力拖動自動控制系統課程的內容包括閉環控制的直流調速系統、多環控制的直流調速系統、可逆調速系統、直流脈寬調速系統和位置隨動系統。使學生掌握經典直流調速系統的基本概念、基本原理和基本規律；使學生了解電力拖動自動控制系統的基本形式及其控制規律；了解經典直流調速系統的基本體系；使學生能應用已有的數學知識對電力拖動自動控制系統進行定量計算和定性分析，培養學生分析問題和解決問題的能力；電力拖動自動控制系統是培養一名高素質的電氣工程及其自動化專業技術人員的必修課程。學習建議學習本門課程應注意理論學習與實驗相結合，注意在實驗過程中以及生產實際中體會理論知識的應用， 注意培養自己初步的系統設計能力、定量計算與定性分析以及估算能力、聯系工程實際能力等；學生必須具有一定的專業基礎知識，建議在學完高等數學、電工學、電子技術、電力電子技術、電機學、自動控制原理等課程后開始開課。各章節主要學習內容及要求第一章 閉環控制的直流調速系統學時要求主要內容一、核心知識點1、直流調速的方法 2、旋轉變流機組 3、靜止可控整流器 4、直流斬波器和脈寬調制變換器5、觸發脈沖相位控制 6、電流的連續與斷續 7、機械特性 8、調速要求和穩態性能指標9、閉環系統的組成和靜特性 10、反饋控制規律 11、反饋控制閉環調速系統的動態數學模型 12、穩定條件 13、PI調節器設計 14、積分調節器和積分控制規律 15、比例積分控制規律16、電壓補償的原理二、教學基本要求【了解】1、直流調速的方法、可控直流電源的分類和優缺點。2、晶閘管-電動機調速系統的特殊問題，理解電流與機械特性的關系；3、掌握基本性能指標，了解要求與性能指標間的關系，掌握反饋控制規律，了解系統主要構成與穩態參數計算的基本方法。4、積分控制規律和使用方法。5、反饋控制的基本原理和示例分析?！菊莆铡?、直流斬波器和脈寬調制變換器的工作原理，和輸出電壓的定性計算。2、電流對電機機械特性的影響原因及解決方法。3、掌握穩態參數的計算，掌握閉環和開環控制的異同點。4、掌握反饋控制規律5、動態數學模型5、電壓負反饋調速系統的工作原理【重點掌握】1、穩態參數的計算。 2、閉環調速系統的組成及其靜特性。 3、動態校正PI調節器的設計4、比例積分調節規律。三、思考與練習【思考】【練習】見習題附錄備 注第二章 多環控制的直流調速系統學時要求主要內容一、核心知識點1、單閉環調速系統存在的問題及解決方法 2、雙閉環調速系統的構成及靜特性 3、系統穩態結構圖、動態結構圖 4、雙閉環調速系統的動態數學模型 5、起動過程，恒電流起動 6、調節器的設計 7、調節器的作用 8、典型系統9、動態性能指標 10、典型系統的動態性能指標 11、非典型系統典型化 12、電流調節器的設計 13、轉速調節器的設計 14、轉速超調的抑制。二、教學基本要求【了解】1、單閉環調速系統存在的問題及解決方法，引入反饋控制，明確解決方法。2、雙閉環調速系統的構成及靜特性；明確系統的結構圖，原理圖，了解系統的構成。3、系統個變量穩態工作點和穩態參數計算。4、動態數學模型及系統的起動過程分析，掌握系統起動的工程，了解其特點。5、工程設計的基本方法、典型系統的動態性能指標 【掌握】1、掌握雙閉換控制的原理圖和系統的穩態特性的定性分析方法。2、雙閉環控制系統的起動特點。3、典型系統及其動態性能指標、系統的簡化思路。4、工程方法設計系統的過程即參考步驟。5、轉速微分負反饋的原理【重點掌握】1、單閉環控制系統和雙閉環控制系統的性能比較2、雙閉環控制系統中兩個調節器的作用3、動態性能指標的定義及其表示。4、典型系統參數與動態性能指標的關系。5、非典型系統的典型化三、思考與練習【思考】【練習】見習題附錄備 注第三章 可逆調速系統學時要求主要內容一、核心知識點1、可逆調速系統的組成 2、電樞反接可逆線路 3、勵磁反接可逆線路 4、晶閘管的整流和逆變狀態 5、發電回饋制動 6、環流及其分類 7、直流平均環流 8、直流平均環流的配合控制 9、瞬時脈動環流及其抑制 10、有環流調速系統 11、邏輯控制無環流可逆調速系統。二、教學基本要求【了解】1、可逆調速系統的組成，及其工作場合，目前的現狀 2、可逆線路的存在形式 3、晶閘管的整流和逆變狀態4、電動機的發電回饋制動及其在V-M系統中的實現。5、環流概念及其抑制【掌握】1、直流平均環流的定義，和存在機理2、電動機的發電回饋制動及其在V-M系統中的實現。3、瞬時脈動環流及其抑制4、邏輯控制無環流可逆調速系統的組成及其工作原理【重點掌握】1、發電回饋制動的原理2、直流平均環流的配合控制的實現方法3、有環流調速系統的制動過程分析三、思考與練習【思考】【練習】見習題附錄備 注第四章 直流脈寬調速系統學時要求主要內容一、核心知識點1、脈寬調制變換器 2、開環機械特性 3、雙極式PWM變換器 4、單極式PWM變換器5、受限單極式PWM變換器 6、脈寬調制器電流脈動與轉速脈動 7、泵升電壓二、教學基本要求【了解】1、脈寬調制變換的優缺點。2、不可逆PWM變換器和可逆PWM變換器的特點及其分類 3、開環機械特性的定義方法。【掌握】1、脈寬調制變換器的概念2、可逆PWM變換器的特點分類等。3、脈寬調速系統的控制線路的構成和工作原理【重點掌握】1、雙極式PWM變換器的構成，工作過程分析及其優點的表述等。2、晶體管脈寬調速系統的特殊問題中的泵升電壓問題。三、思考與練習【思考】【練習】見習題附錄備 注第五章 位置隨動系統學時要求主要內容一、核心知識點1、位置隨動系統的概念 2、位置隨動系統的組成及其工作原理 3、位置隨動系統與調速系統的性能比較 4、位置隨動系統的分類 5、位置信號的檢測方法 6、光電編碼盤及其工作原理。7、系統穩態誤差分析二、教學基本要求【了解】1、位置隨動系統的概念及其應用范圍。2、位置隨動系統的分類。3、位置信號的檢測方法，掌握常用的檢測方法的基本原理。【掌握】1、位置隨動系統的組成及其工作原理。2、光電編碼盤及其工作原理?！局攸c掌握】1、位置隨動系統與調速系統的性能比較，同時考慮兩者在設計方面的異同點。2、自整角機位置隨動系統的構成。三、思考與練習【思考】【練習】見習題附錄備 注第一章閉環控制的直流調速系統內容摘要：1直流電動機調壓可獲得恒轉矩調速。直流電動機調勵磁可獲得恒功率調速，用不同調速方法的直流調速系統有不同的調速特性。生產機械有不同的負載轉矩特性，采用可調速傳動裝置時需考慮使裝置的調速特性與負載的要求相匹配，以獲得良好的技術經濟效果。2供變壓調速使用的可控直流電源有：旋轉變流機組、靜止可控整流器與直流斬波器。采用旋轉變流機組的GM系統使用最早。采用靜止可控整流器的V一M系統已成為目前直流調速系統的主要形式。直流斬波器也是一種靜止變換器，它不同于通過相位控制調壓的可調整流器，它是通過主開關元件的通斷時間比例來調壓的，故而帶來一系列優點。3VM系統的幾個特殊問題可歸結為：整流電壓的相位控制、整流電流的平波與波形的連續、調速機械特性及其分區。對于一般全控整流電路，電流連續時理想空載電壓與觸發脈沖相位的關系為一般從保證輕載時電流連續角度選擇平波電抗器，對三相整流電路有式中，Idmin取電動機額定電流的5%10%，單位是A，U2的單位是V，L的單位是mH。VM系統的完整調速機械特性包含整流狀態與逆變狀態、連續區與斷續區。4調速范圍與轉差率是調速系統的兩個相互關聯的穩態性能指標。閉環控制相對于開環控制來講，可使系統穩態性能指標得到改善。加轉速負反饋和比例調節器的系統，可使穩態速降減小，但總是有靜差，不可能使速降為零。在該系統中，被反饋環所包圍的加于控制系統前向通道上的各種擾動對轉速的影響，都受到反饋控制的抑制。但反饋控制無力克服給定電阻和檢測反饋元件的誤差。調速范圍、靜差率和轉速落差之間的關系：由于開環調速系統的額定速降nnom較大，不能滿足具有一定靜差率的調速范圍的要求，此引入轉速負反饋組成閉環的反饋控制系統。閉環調速系統的靜特性有下列性質： (1)閉環系統的靜態速降減小為開環系統速降的1/(1+K)，其中K是閉環系統的開環放大系數。 (2)閉環系統的靜差率只有開環系統靜差率的l/(1+K)。 (3)在同樣的最高滿載轉速和低速靜差率的條件下，閉環系統的調速范圍可以擴大到開環調速范圍的(1+K)倍。(比例)反饋控制規律： (1)依靠反饋量和給定量之差進行控制，屬于有靜差的控制系統。 (2)具有良好的抗擾性能，對于被負反饋環包圍的在前向通道上的一切擾動作用都具有抵抗能力，都能減小被調量受擾后產生的偏差；但對于給定作用的變化則是盡快跟隨的。一方面抵抗一切擾動作用的影響，一方面盡快跟隨給定作用的變化，這就是閉環反饋控制系統的雙重特征。 (3)無力克服給定電壓和反饋檢測元件的誤差，因此高精度的反饋控制系統必須有高精度的檢測元件和給定穩壓電源作為保證。5在作閉環調速系統的穩態參數計算時，可根據穩態性能指標、電動機及其它控制部件已知參數來計算反饋檢測元件與放大器的參數，這首先需要找出系統的輸入輸出關系，然后可以根據描述各環節輸入輸出關系和算式來推導，也可以根據結構圖通過運算求出。有兩種分析閉環調速系統靜特性的方法： (1)根據各環節的輸入輸出關系求系統的靜特性方程式。(2)利用結構圖運算法，按各輸入信號(包括給定信號和擾動信號)分別作用下的輸入輸出關系疊加得到系統的靜特性。根據閉環調速系統的穩態性能指標和電動機及各控制部件的已知參數，計算并選擇所需反饋檢測元件和放大器，叫做穩態參數計算。6在具有轉速負反饋和比例調節器的直流調速系統中，可以用電流截止負反饋來抑制突加給定電壓時的電流沖擊，以保證系統有較大的比例系數來滿足穩態性能指標要求。7在具有轉速負反饋和PI調節器的直流調節系統中，比例與積分綜合控制的結果，使系統響應迅速且無靜差。它的動態校正可采用經典的頻率法。先推導原始系統的動態數學模型，畫出開環對數頻率特性，再按要求的動態性能指標選定校正后的典型開環頻率特性，然后據此計算PI調節器的參數。直流電動機本身是一個帶有電動勢（或轉速）負反饋的閉環系統。在理想空載的情況下，它的傳遞函數可寫成晶閘管與整流裝置放在一起的傳遞函數為當系統的截止頻率滿足的條件時，可近似看成因此，具有比例放大器的閉環調速系統可以看作是一個三階線性系統，系統的開環傳遞函數為式中，這個系統的穩定條件是滿足給定穩態精度要求（調速范圍和靜差率）的閉環調速系統經常不穩定，因此還需動態校正環節。經常使用的校正環節是PI調節器串聯滯后校正。校正環節的設計方法很多，而且是很靈活的。伯德圖開環對數幅頻和相頻特性是在設計中最常用使用的工具，因為它繪制方便，而且可以提供許多有關系統性能的信息，例如：中頻段有足夠寬的20db/dec斜率段，表示穩定性好；截止頻率高，表示快速性好；低頻特性陡，增益高，表示穩態精度好；高頻衰減快，說明抗干擾能力強。根據原始的帶比例放大器閉環系統和期望的校正后系統伯德圖可以設計出PI調節器。PI調節器的傳遞函數有以下幾種形式：8在帶電流正反饋的電壓負反饋調速系統中，電流正反饋的作用不同于電壓負反饋，它在系統中起補償控制作用。在全補償時，調速系統可做到無靜差，但系統已處于穩定邊緣，故不能指望用這類系統實現無靜差調速。習題1、 某直流電動機帶動一恒轉矩負載（即轉矩不變），測得始動電壓Ud0=4V，當電樞電壓UA=50V時，其轉速n=1500r/min。若要求轉速n=3000r/min，試問要加多大的電樞電壓？2、 有一個VM調速系統，電機參數為：Pn=10KW，Un=220V，In=55A，nn=1000r/min，電樞電阻。若采用開環控制系統，只考慮電樞電阻引起的轉速降。（1）要使靜差率S=0.1，求系統的調速范圍D。（2）要使調速范圍D=2，其允許的靜差率S為多少？（3）若要求調速范圍D=10，靜差率S=0.05，則允許的轉速降為多少？3、 當閉環系統的開環放大系數為10時，額定負載下的轉速降為15r/min，如果開環放大系數提高為20，系統的轉速降為多少？在同樣的靜差率要求下，調速范圍可以擴大多少倍？4、 某調速系統的調速范圍是1501500r/min，要求s=2%，系統允許的穩態速降是多少？如果開環系統的穩態速降為100r/min，則閉環系統的開環放大系數應有多大？5、 在轉速負反饋單閉環有靜差調速系統中，突減負載后又進入穩定運行狀態，此時晶閘管整流裝置的輸出電壓Ud較之負載變化前是增加、減少或不變？6、 有一個VM調速系統，電機參數為：Pn=2.8kW，Un=220V，In=15.6A，nn=1500r/min，電樞電阻Ra=1.5，電源內阻Rn=1，Ks=37。（1）開環工作時，試計算D=30時s的值。（2）當D=30、s=10%時，計算系統允許的穩態速降。（3）如為轉速負反饋有靜差調速系統，要求D=30、s=10%，在Un*=10V時，使電動機在額定點工作，計算放大器放大系數Kp和轉速反饋系數。7、 對于電動機來說，為什么加負載后，電動機的轉速會降低？它的實質是什么？而在加入轉速負反饋后，能減小靜態轉速降落，其原因是什么？8、 對于轉速單閉環調速系統來說，改變給定電壓能否改變電動機的轉速？為什么？如果給定電壓不變，調整轉速反饋系數能否改變轉速？為什么？9、 怎樣確定調速系統反饋信號的極性？如果將轉速反饋的極性接錯會造成什么后果？10、 如果轉速閉環調速系統的轉速反饋線斷了，電動機還能否調速？在電動機運行中，若轉速反饋線突然斷了，會發生什么現象？11、 在無靜差調速系統中，突加負載后進入穩態時轉速n和整流裝置的輸出電壓Ud是增加、不變還是減少？12、 在采用PI調節器的單環調速系統中，調節對象包含有積分環節，突加給定電壓后PI調節器沒有飽和，系統到穩態前被調量會出現超調嗎？13、 為什么用積分控制的調速系統是無靜差的？在轉速單閉環調速系統中，當積分調節器的輸入偏差為零時，輸出電壓是多少？取決于哪些因素？14、 轉速負反饋調速系統中，為了解決動靜態間的矛盾，可以采用PI調節器，為什么？15、 在電壓負反饋單閉環有靜差調速系統中，當下列參數變化時系統是否有調節作用？為什么？放大器的放大系數Kp；供電電網電壓；電樞電阻Ra；電動機勵磁電流；電壓反饋系數。大作業：1、設計一個通過電阻加熱的溫控系統（即一個恒溫箱）。電阻通過晶閘管整流電源供電，采用熱電耦溫度傳感器（其輸出為電壓信號），系統通過溫度反饋來保持恒溫箱中的溫度穩定，溫度給定由電位器來給定，調節器采用模擬PI調節器。設計要求：（1）畫出系統的原理圖。（2）畫出系統的電路圖和機構圖。（3）畫出系統的穩態結構圖。（4）建立系統的數學模型，并畫出系統的動態結構圖。（5）分析可能有哪些因素是影響恒溫箱溫度的擾動量，并指出其中哪些擾動量系統是可以克服的，哪些是不能克服的。作業要求：查閱資料，深入研究，獨立完成，不要抄襲。2、有一VM調速系統，電動機參數為Pnom=2.5kw、Unom220V、Inom15A、nnom=1500rmin、Ra=2，整流裝置內阻Rrec=1，觸發整流環節的放大系數Ku=30，要求調速范圍D=20，轉差率s=10%。試：（1）計算開環系統的穩態速降和調速要求所允許的穩態速降。（2）采用轉速負反饋組成閉環系統，試畫出系統的穩態結構圖。（3）調整該系統，使時轉速n=1000r/min，此時轉速反饋系數應為多少？（可認為）（4）計算所需的放大器放大系數。（5）如果改用電壓負反饋，能否達到所提出的調速要求？若放大器的放大系數不變，最大給定電壓為30V，在靜差率為s=30時采用電壓負反饋最多能夠得到多大的調速范圍？3、如教材中圖123所示的轉速負反饋單閉環系統中，已知數據有電動機：Pnom=2.2kW，Unom=220V，Inom=12.5A，nnom=1500r/min，Ra=1。采用三相橋式整流電路，主電路總電阻R=2.9，主電路總電感L=40mH，Ks=44，GD2=1.5Nm2，。要求調速范圍D=15,s=5%。問：該系統能否穩定運行，臨界開環放大系數為多少？第二章多環控制的直流調速系統資料匯總內容摘要：1為了同時改善系統的穩態與動態性能，提出了轉速調節器ASR與電流調節器ACR串級聯接的雙閉環調速系統。根據其電原理圖畫出穩態結構圖，進而得出靜特性方程式，據此可計算系統的穩態參數，ASR和ACR通常采用PI調節器，這時穩態參數什算的變量關系有2根據雙閉環調速系統電原理圖，可得到作為其數學模型的動態結構圖。仔細分析起動過程，可總結出該系統的控制特點：利用ASR的飽和非線性實現了”準時間最優”控制，同時帶來了轉速超調。由轉速、電流雙閉環調速系統的電路原理圖可以繪出它的動態結構圖，即數學模型，其中轉速調節器ASR和電流調節器ACR都常用PI調節器。雙閉環調速系統起動過程的電流和轉速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照轉速調節器在起動過程中的飽和與不飽和狀況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段；恒流升速階段；轉速調節階段。從起動時間上看，第段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環系統基本上實現了在電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優控制”。帶PI調節器的雙閉環調速系統還有一個特點，就是起動過程中轉速一定有超調。由于主電路的不可逆性質，簡單的雙閉環調速系統不能實現快速回饋制動。3雙閉環調速系統在跟隨和抗擾方面表現出良好的動態性能。兩個調節器ASR和ACR在其中所起的作用是不同的。在設計串級系統的調節器時，先設計內環的ACR，然后主設計外環的ASR。在雙閉環調速系統中，轉速調節器的作用是對轉速的抗擾調節并使之在穩態時無靜差，其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流調節器的作用是電流跟隨，過流自動保護和及時抑制電壓擾動。系統設計的順序是先內環后外環，調節器的結構和參數取決于穩態精度和動態校正的要求。4在用工程設計方法設計調節器時，需要先對控制對象傳遞函數作近似處理，以便選擇調節器結構，將閉環系統校正為典型型或典型型系統。在分析典型型或典型型系統的參數與性能指標關系的基礎上給出的調節器工程設計方法，優于西門子方法，因為它綜合考慮了各項性能指標，使之均在合理范圍內。5ACR設計步驟與計算公式如下：（1）確定時問常數1）按整流電路型式確定整流裝置滯后時間常數Ts。2）按整流電路型式確定電流濾波時間常數Toi。3）按小時間常數近似處理，確定電流環小時間常數Ti。（2）選擇ACR結構一般按典型型系統設計電流環，ACR選用PI型，其傳遞函數為（3）選擇ACR的參數按要求查表22得KITi，計算出KI，得（4）校驗近似條件（5）計算ACR的電阻電容值6ASR的設計步驟與計算公式如下：（1）確定時間常數1）電流環等效時間常數為2Ti。2）轉速濾波時間常數Ton按所用測速機紋波大小決定，一般取Ton=0.01s。3）轉速環小時間常數Tn=2Ti+Ton。（2）選擇ASR結構一般按典型II型系統設計轉速環，ASR選用PI型，其傳遞函數為（3）選擇ASR的參數，對于一般系統，通常取h=5。（4）校驗近似條件（5）計算ASR的電阻電容值（6）校核轉速超調量7在雙閉環系統中，轉速微分負反饋是為抑制轉速超調量而提出的。在轉速微分負反饋作用下，由于退飽和時間和退飽和轉速均獲得了提前，而抑制了轉速超調。同時又增添了系統抗擾能力，使負載在擾動下的速降減小，但恢復時間延長。有關計算公式如下：退飽和時間退飽和轉速微分反饋時間常數無超調時 1)直流雙閉環調速系統引入轉速微分負反饋后，可使突加給定起動時轉速調節器提前退飽和，從而有效地抑制以至消除轉速超調。同時也增強了調速系統的抗擾能力，在負載擾動下的動態速降大大減低，但恢復時間有所延長。 2)微分反饋必須帶濾波電阻，否則將引入新的干擾。 3)求帶微分反饋雙環系統的退飽和過渡過程不能象普通雙環系統那樣借助于系統的抗擾性能曲線，因為初始條件不一致。只能以退飽和點為初始條件求解帶微分負反饋系統的微分方程。 4)作為調節器工程設計方法的延伸，本節中給出了微分反饋時間常數的近似計算公式式。表2-11給出了在指定條件下不同dn值所對應的抗擾性能指標。8分析設計雙閉環調速系統的方法可推廣應用到更多調節器串級聯接的多環系統中去。如為了在起動或制動過程中保持電動機容許的最大電流變化率，可設置電流變化率內環以構成帶電流變化率內環的三環調速系統。為了提高抗電網電壓擾動的能力，可設置電壓內環構成帶電壓內環的三環調速系統。9在有弱磁控制的直流調速系統中，電樞電壓與弱磁的控制需要互相配合，以保證電動機在額定磁通下起動，在額定轉速以上才減弱磁通升速。常用的是非獨立控制勵磁的調速系統，在該系統中，電樞電壓控制仍采用ASR串級ACR的雙閉環結構，調磁部分可以電動勢調節器AER串級勵磁電流調節器AFR的雙閉環結構，也可采用一個調節器，勵磁電流反饋和電動勢反饋都作用在這個調節器上，同時用一個二極管最大值選擇電路使它們不同時起作用。電動勢信號難于直接測量，可由容易檢測到的Ud、Id經運算器運算得到。習題1、 雙閉環調速系統中，給定電壓Un*不變，增加轉速反饋系數，系統穩定后轉速反饋電壓Un是增加、減小還是不變？ 2、 ASR、ACR均為PI調節器的雙閉環調速系統，在帶額定負載運行時，轉速反饋線突然斷線，當系統重新進入穩定運行時，電流調節器的輸入信號Ui是否為零？ 3、 如果反饋信號的極性接反了，會產生什么后果？4、 某雙閉環調速系統，ASR、ACR均采用近似PI調節器，試問調試中怎么才能做到Uim*=6V時，Idm=20A；如欲使Unm*=10V時，n=1000r/min，應調什么參數？如發現下垂特性不夠陡或工作段特性不夠硬，應調什么參數？5、 在轉速、電流雙閉環調速系統中，出現電網電壓波動與負載擾動時，哪個調節器起主要作用？6、 有一系統，已知，要求將系統校正成典型I型系統，試選擇調節器類型并計算調節器參數。7、 有一系統，已知其前向通道傳遞函數為，反饋通道傳遞函數為，將該系統校正為典型型系統，畫出校正后系統的動態結構圖。大作業1、被控對象的傳遞函數為式中，K12；T10.4s；T20.08s；T30.015s；T40.005s。要求階躍輸入時系統的超調量%5%。試分別用I、PI和PID調節器校正成典型系統，并設計各調節器參數并計算調節時間ts。試分別用PI和PID調節器校正成典型系統，并設計各調節器參數并計算調節時間ts。2、某晶閘管供電的雙閉環直流調速系統，整流裝置采用三相橋式電路，基本數據如下：直流電動機：晶閘管裝置放大系數：電樞回路總電阻：。時間常數：電流反饋系數：轉速反饋系數： 設計要求：穩態指標：無靜差；動態指標：電流超調量5；空載起動到額定轉速時的轉速超調量10。3、教材中圖22所示雙閉環調速系統中，已知電機參數為：，電樞繞組電阻，。采用三相橋式整流電路，整流裝置內阻。平波電抗器電阻。整流回路總電感。ASR限幅輸出，ACR限幅輸出Uctm=8V，最大給定，堵轉電流。要求試用工程設計法設計相關系統。設計指標為：電流超調量，空載起動到額定轉速時的轉速超調量，空載起動到額定轉速的過渡時間。4、（實驗）教材中圖22所示雙閉環調速系統中，具體參數如下：直流電動機220V1.16A，1500r/min，Ce=0.129，=1.3；晶閘管裝置放大倍數：Ks=61.6；電樞回路總電阻R=40；時間常數TL=30ms，Tm=56ms；電流反饋系數；轉速反饋系數；調節器，。設計要求：穩態指標：無靜差動態指標：電流超調量，空載起動到額定轉速時的轉速超調量。解：（1）電流環設計1）確定時間常數整流裝置滯后時間常數Ts三相橋式晶閘管整流電路的平均滯后時間；電流濾波時間常數Toi電流環小時間常數按小時間常數近似處理2）選擇電流調節器結構電流超調量要求，雖然，但由于對電流超調量有較嚴格要求，而抗擾指標卻沒有具體要求，因此電流環仍按典型I型系統設計。電流調節器選用PI調節器，其傳遞函數為3）選擇電流調節器參數積分時間常數為滿足要求，取電流環開環增益KI為電流調節器比例系數Ki為4）計算調節器參數取調節器的輸出電阻，則電流調節器的各參數為；。5）校驗近似條件電流環截止頻率，晶閘管裝置傳遞函數近似條件為，現，故該近似條件滿足。忽略反電勢影響的近似條件為，現，故近似條件滿足。小時間常數近似處理條件為現故該近似條件滿足。（2）轉速環設計1）確定時間常數電流環等效時間常數：轉速濾波時間常數Ton轉速環小時間常數：2）選擇轉速調節器結構考慮到系統系統的性能，按典型II型系統設計，故ASR選用PI調節器，其傳遞函數為： 3）選擇轉速調節器參數按跟隨性能和抗擾性能較好的原則選擇h=5。ASR的時間常數為轉速開環增益為ASR比例系數為4）計算調節器參數如取調節器的輸入電阻，則；。5）校驗近似條件轉速環截止頻率為電流閉環傳遞函數簡化條件為，現，故滿足該條件。小時間常數近似處理條件為，現，故滿足該條件。6）校核轉速超調量式中，為電動機允許過載倍數。按題意；z為負載系數，設為理想空載起動，則z=0；為調速系統開環系統機械特性的額定穩態速降，；是基準值為Cb時的超調量相對值，而。當h=5時，故起動到額定轉速，即時，退飽和超調量為滿足設計要求。第三章可逆調速系統資料匯總內容摘要： 1從直流電動機轉矩公式可得出改變Te方向的兩種基本方法：改變Id方向或改變方向，由此引出如何實現電樞電流反向和勵磁反向的問題。采用接觸器切換、晶閘管開關切換與反并聯或交叉連接線路等任一方案，都能實現Id與的反向。由于勵磁繞組電感量大，換向的方法只適用于對快速性要求不高、正反轉不頻繁的大容量可逆系統。 2即使電動機不需要正、反轉，但只要它需要快速回饋制動，就必須由正、反兩組晶閘管裝置供電。因為電動機回饋制動需使反組晶閘管裝置工作在有源逆變狀態才能實現。實現有源逆變的條件是；90，外電路必須有一個直流電源（可以是電動機的反電動勢或電感的感應電動勢），且其極性與的極性相同，其數值應稍大于。 3環流是采用正、反兩組晶閘管裝置供電后帶來的新問題。區分在穩態工作中出現還是在動態過程中存在，可將環流分為穩態環流與動態環流兩類。而穩態環流又可分為直流平均環流與瞬時脈動環流兩種。采網工作制配合控制可以消除直流平均環流，但不能抑制瞬時脈動環流。為抑制脈動環流，必須在環流回路中串入環流電抗器。 4實際的配合控制有環流可逆調速系統，為避兔由各種原因造成的危險，零位整定時，令，從而使整流電壓始終小于逆變電壓，保證不出現直流平均環流，同時也降低了瞬時脈動環流。但是，也帶來了縮小移相范圍與造成控制死區的缺點。 5仔細分析配合控制有環流可逆調速系統的正向制動過程，可以看到，過渡過程包含本組逆變、它組制動兩個階段，而它組制動又可分角成建流、逆變和減流三個子階段，其中最主要的是它組逆變電動機回饋制動階段。該系統的突出優點是電動機從正轉至反轉時制動與起動過程完全銜接而無死區，故對于快速正反轉系統特別合適。但需要用環流電抗器，且晶閘管等元件都因通過環流而增加負擔，因此只適用于中、小容量系統。采用可控環流系統，既能保持有環流系統正、反向過渡快速平滑的優點，又能減少環流損耗，克服其不利方面，故而在快速性要求較高的可逆系統中得到日益廣泛的應用。6邏輯無環流系統中，無環流邏輯控制器是保證系統可靠工作的關鍵部件。對它的要求可歸納為：當電流給定信號改變極性且檢測到零電流信號時，發出正、反組切換指令；在發出切換指令后，延遲tdbl封鎖導通組脈沖，再延遲td后開放另一組脈沖；保證在任何情況下不同時發兩組脈沖。歸根結底，是要保證任一時刻只可能有一組晶閘管導通，以徹底杜絕環流的產生。該系統的最大優點是無環流，這不僅省去了環流電抗器及無環流損耗，也避免了有環流系統因換流失敗而造成的事故。缺點是有換向死區，影響過渡過程的快速性。至于反向時的推信號，是為了避開反接制動以免出現反向沖擊電流。還可采用“有切換準備”的邏輯控制，以縮小電流換向的死區。 7錯位無環流系統，采用了與邏輯無環流系統完全不同的方法來實現無環流控制。系統不設置復雜的邏輯控制器，而是象有環流系統一樣兩組同時施加脈沖，但巧妙地將其相位錯開來實現無環流控制。在分析正、反組控制角配合特性與無環流區的基礎上，可以得出按整定時，零位定在180的配合控制錯位無環流系統能實現無環流控制的結論。在錯位無環流系統中，采用電壓內環是必不可少的，因為需要利用它縮小電壓死區來加快切換過程，控制非線性因素影響來提高靜動態性能，以及防止動態環流來保證安全換向。 8無論是邏輯無環流系統，還是錯位無環流系統，都可以采用電子模擬開關實現選觸，前者可節省一套電流調節器與觸發裝置，后者也可節省一套觸發裝置。習題1、 一組晶閘管供電的直流調速系統需要快速回饋制動時，為什么必須采用可逆線路？它有哪幾種型式？ 2、 兩組晶閘管供電的可逆線路中有哪幾種環流？是如何產生和？環流對系統有何利弊？ 3、 可逆系統中環流的基本控制方法是什么？觸發脈沖的零位控制與環流是什么關系？4、 試分析自然環流系統正向制動過程中各階段的能量轉換關系，以及正、反組晶閘管所處的狀態。5、 自然環流可逆系統為什么要嚴格控制最小逆變角min和最小整流角min?系統中如何實現？6、 試分別說明待逆變，本組逆變和它組逆變的原理，它們常出現在什么場合？7、 在可控環流系統中，試述可逆環流系統控制環流的原理。8、 無環流可逆系統有幾種？它們消除環流的出發點是什么？9、 根據無環流邏輯控制器原理圖，分析系統在正向起動時，邏輯控制器中各點的狀態；若系統進行正向制動時，邏輯控制器中各點的狀態又如何變化？試分析邏輯無環流系統的正向制動過程。10、 為什么邏輯無環流系統的切換過程比有環流系統的切換過程長？這是由哪些因素造成的？11、 無環流邏輯控制器中為什么必須設置封鎖延時和開放延時？延時過大或過小對系統運行有何影響？第四章直流脈寬調速系統資料匯總內容摘要： 1采用電力晶體管等全控式電力電子器件構成的直流PWM調速系統，由于其具有線路簡單、調速范圍寬、動態性能好、功耗低、效率高和功率因數高等一系列優點，因此隨著全控式電力電子器件的不斷發民，這種系統有著日益廣泛的應用前景。閉環PWM調速系統的靜、動態分析和以前討論的直流調速系統基本上一樣，只需對有所不同的主電路、PWM控制電路以及其它特殊問題進行討論。 2PWM的主電路即PWM變換器，是一種采用脈沖寬度調制的直流斬波器。從是否可逆角度可將PWM變換器分成可逆和不可逆兩類。從一個電力晶體管構成的簡單不可逆變換器可推導出在VT導通與關斷時的電路電壓平衡方程式 它們是用于計算分析的基本關系。在簡單不可逆PWM變換器中，id不能反向，故不能產生制動轉矩、增加一個GTR構成VT1與VT2交替開關電路，可產生制動電流，故其運行象限可擴展至一、二兩個象限。從線路結構上看，可逆PWM變抉器叉可分為H型、T型和M型。在4個電力晶體管（VT1一VT4）組成的可逆PWM變換器中，由于電力晶體管驅動脈沖的不同，又可分為雙極式、單極式和受限單極式。其中雙極式調速系統的動、靜態性能最好，但由于上、下兩管易發主直通可靠性最低。單極式在提高可靠性和降低開關損耗方面都優于雙極式，而受限單極式則徹底避免了上、下兩管直通的可能性，可靠性最高，但由于輕載時會引起電流斷續，故使調速系統動、靜態性能變差。下面列出幾種PWM變換器的關系：不可逆： 可逆：雙極式 單極式 受限單極式 3在PWM直流調速系統中，電樞電流與轉速均在脈動，所謂機械特性，實際上是準穩態下的平均轉速與平均轉矩的關系。帶制動電流通路的不可逆PWM與雙極式、單極式PWM的準穩態電壓、電流波形相似，故機械特性類似，只不過前者在一、二象限，后者擴展至三、四象限。電流邊續情況下機械特性方程式為定性分析受限單極式PWM調速系統的機械特性，可知其輕載時電流斷續而使特性呈現非線性。 4屬于PWM調速系統特有的控制電路是脈寬調制器UPW、調制波發生器GM、邏輯延時環節DLD以及電力晶體管的基極驅動電路GD。其中最關鍵的是UPW，常用的UPW有用鋸齒波或三角波作調制信號的，有用多諧振蕩器加單穩態組成的，也有數字式的，基本原理相仿，都通過改變控制電壓Uc來調節輸出脈沖電壓寬度。DLD的主要作用是避免電力晶體管在交替工作時造成上下兩管直通使電源短路。而電力晶體管的基極驅動器則用于產生所需的基極電流波形，以保證GTR可靠工作。 5采用電力晶體管的PWM調速系統下同于其它直流調速系統的特殊問題主要有：電流與轉速的脈動量計算；UPW和PWM變換器的傳遞函數；電力晶體管的安全工作區與緩沖電路；電力晶體管的開關過程、開關損耗及最佳開關頻率；泵升電壓限制等。 6對不可逆和單極式可逆PWM調速系統在電流連續情況下的電流脈動與轉速脈動進行分析，得到當時，脈動量達最大 7脈寬調制器和PWM變換器合起來可以看成是一個滯后環節，其傳遞函數在滿足時，可近似為 8找出PWM變換鍋中電力晶體管的安全工作區，分析它的工作點在不同負載下的移動軌跡后提出了設置緩沖電路以保證晶體管安全工作的方法。 9分析PWM變換器中電力晶體管的開關過程，并對各種負載下的開關損耗進行計算，從而得出總損耗最小的最佳開關頻率。對單極式變換器有對雙極式變換器有兩式中 10必須注意到：在PWM調速系統中，直流電源采用不可控整流時，在回饋制動時，無論是可逆還是不可逆，電動機能量不可能送回電網。這樣，在電動機減速或停車時，貯存的動能將回饋至直流電源，使濾波電容器電壓升高，成為“泵升電壓”。為避免因此而損壞元器件，必須限制泵升電壓。為不增加電容，可采用分流方法限制泵升電壓，更進一步可在分流回路中接入逆變器，以將部分能量回饋電網。習題1、 什么樣的波形稱為PWM波形？怎樣產生這種波形？ 2、 簡述典型PWM變換電路的基本結構。 3、 雙極性工作方式系統中電樞電流id會不會產生斷續情況？4、 雙極性H型變換器是如何實現系統可逆的？并畫出相應的電壓、電流波形。5、 可逆和不可逆PWM變換器在結構形式和工作原理上有什么特點？6、 PWM放大器中是否必須設置續流二極管？為什么？7、 說明脈寬調制器在PWM放大器中的作用。8、 晶體管PWM變換器驅動電路的特點是什么？9、 在直流脈寬調速系統中，當電動機停止不動時，電樞兩端是否還有電壓，電路中是否還有電流？為什么？第五章位置隨動系統資料匯總內容摘要： 1隨動系統是應用領域很廣泛的一類閉環系統，用于實現輸出量對給定量的準確跟蹤。與調速系統相比，雖同樣是閉環控制系統，但性能指標要求不同。對調速系統而言，給定量通常為恒值，要求