1、Spring 2014Motion Control Systems電力拖動與運動控制系統電力拖動與運動控制系統 復習大綱復習大綱為什么為什么要學習運動控制系統要學習運動控制系統? ?運動控制系統的主要應用領域運動控制系統的主要應用領域機械加工，冶金，交通運輸，石油加工，機械加工，冶金，交通運輸，石油加工，航天航空、國防工業、家電生產、輕工、航天航空、國防工業、家電生產、輕工、農業等領域。農業等領域。具體應用例子：具體應用例子： 工業領域：數控機床；電梯控制等等；工業領域：數控機床；電梯控制等等； 印刷電路板生產線：表面貼焊，快速打孔，印刷電路板生產線：表面貼焊，快速打孔， 機械手放置器件；機械

2、手放置器件； 國防領域：雷達跟蹤，自動武器，飛行器控制等；國防領域：雷達跟蹤，自動武器，飛行器控制等； 家電領域：冰箱，空調，洗衣機，電腦光驅，家電領域：冰箱，空調，洗衣機，電腦光驅， 電風扇等；電風扇等； 機器人：機械手、足球機器人、搬運機器人等。機器人：機械手、足球機器人、搬運機器人等。據統計，我國電動機裝機容量約為據統計，我國電動機裝機容量約為4 4億多千瓦，億多千瓦，其用電量占當年全國發電量的其用電量占當年全國發電量的60% 70%60% 70%。當前，能源緊張！當前，能源緊張！合理、經濟、有效的利用電能，是運動控制系統合理、經濟、有效的利用電能，是運動控制系統設計者的責任。設計者的責

3、任。1 1羅飛，稀曉田，文小玲，許玉格羅飛，稀曉田，文小玲，許玉格. . 電力拖動與運動控制系統電力拖動與運動控制系統 （第（第2 2版），化學工業出版社版），化學工業出版社. .2 2陳伯時，陳伯時，電力拖動自動控制系統電力拖動自動控制系統-運動控制系統運動控制系統（第（第3 3版），版）， 機械工業出版社，機械工業出版社，20032003單項選擇題單項選擇題（約（約15%，1015小題）小題）范圍廣，注意細節區分范圍廣，注意細節區分多項選擇題多項選擇題（約（約20%，510小題，少選扣分，錯選小題，少選扣分，錯選0分）分）范范 圍廣，內容深，注意細節區分圍廣，內容深，注意細節區分填空題填空

4、題（約（約15%，510小題）小題）范圍廣，基本概念范圍廣，基本概念作圖與簡述題作圖與簡述題（約（約40%，46小題），小題），課程重點內容課程重點內容分析計算題分析計算題（10%，12題），題），課程重點內容課程重點內容判斷題？判斷題？（待定）范圍廣，基本概念，注意細節區分（待定）范圍廣，基本概念，注意細節區分說明：以上考試題型及分數分配僅供參考，考試試卷可能會做些稍微調整。說明：以上考試題型及分數分配僅供參考，考試試卷可能會做些稍微調整。(交流交流)電源電源控制器控制器電力電子變化器電力電子變化器電動機電動機機械系統機械系統反饋裝置反饋裝置PID調節器調節器數字控制器（數字控制器（PC、P

5、LC、DSP）晶閘管晶閘管PWM控制電路控制電路(他勵他勵)直流電動機直流電動機 (異步異步 )交流電動交流電動機機（籠型、繞線型）（籠型、繞線型）測速發電機（測速發電機（TG）電流互感器（電流互感器（TA）電壓互感器（電壓互感器（TU）編碼器（數控）編碼器（數控）傳動裝置傳動裝置定位平臺定位平臺旋轉平臺旋轉平臺給定給定運動控制系統的分類運動控制系統的分類按按驅動電機驅動電機分：分： 傳動系統用直流電機帶動生產機械；傳動系統用直流電機帶動生產機械； 傳動系統用交流電機帶動生產機械；傳動系統用交流電機帶動生產機械；按按被控物理量被控物理量分：分： 調速調速系統以轉速為被控量；系統以轉速為被控量；

6、 位置隨動位置隨動系統（伺服系統）系統（伺服系統） 以角位移或直線位移為被控量；以角位移或直線位移為被控量； 按按控制器的類型控制器的類型分：分：模擬模擬控制系統以模擬電路構成控制器；控制系統以模擬電路構成控制器； 數字數字控制系統以數字電路構成控制器；控制系統以數字電路構成控制器；按按閉環數閉環數分：單環，雙環，多環系統分：單環，雙環，多環系統對某一實際運動控制系統可能是這些分類的交叉：對某一實際運動控制系統可能是這些分類的交叉： 如：用單片機實現的數字式雙閉環直流調速系統；如：用單片機實現的數字式雙閉環直流調速系統；1.1.直流、交流電機的基礎（工作原理、等效電路圖、轉速公直流、交流電機的

7、基礎（工作原理、等效電路圖、轉速公式、開環機械特性）式、開環機械特性）2.2.閉環調速系統的組成（電路原理圖）閉環調速系統的組成（電路原理圖）3.3.閉環調速系統的工作原理閉環調速系統的工作原理4.4.閉環調速系統的靜特性（穩態結構圖、穩態參數計算）閉環調速系統的靜特性（穩態結構圖、穩態參數計算）5.5.閉環調速系統的機械特性閉環調速系統的機械特性6.6.閉環調速系統的啟動（制動）過程（轉速、電流響應過程）閉環調速系統的啟動（制動）過程（轉速、電流響應過程）7.7.閉環調速系統的動態分析（傳遞函數動態結構圖）閉環調速系統的動態分析（傳遞函數動態結構圖）8.8.閉環調速系統的動態設計閉環調速系統

8、的動態設計 根據電機的等效電路，給出電壓平衡方程式，根據電機的等效電路，給出電壓平衡方程式，導出調速方法導出調速方法，從反饋控，從反饋控制原理和靜態參數的要求導出制原理和靜態參數的要求導出單閉環控制系統單閉環控制系統；從靜態與動態性能的矛盾；從靜態與動態性能的矛盾分析了分析了P P調節器和調節器和I I調節器，發展到調節器，發展到PIPI調節器；從單閉環的調速系統無法控調節器；從單閉環的調速系統無法控制起、制動動態電流，導出了帶飽和非線性的制起、制動動態電流，導出了帶飽和非線性的PIPI調節器構成調節器構成雙閉環的系統雙閉環的系統結構結構，而雙閉環的結構可以說是交直流電動機控制的基本結構；從單

9、向開，而雙閉環的結構可以說是交直流電動機控制的基本結構；從單向開關的晶閘管不能實現反轉和回饋制動導出了關的晶閘管不能實現反轉和回饋制動導出了可逆系統結構可逆系統結構，又從可逆系統，又從可逆系統引起的環流問題引起的環流問題導出有環流和無環流控制策略。導出有環流和無環流控制策略。 問題一步一步深化，但思考問題的出發點是問題一步一步深化，但思考問題的出發點是電壓平衡方程式，轉矩平電壓平衡方程式，轉矩平衡、轉速方程式衡、轉速方程式，再加，再加半導體開關的特性半導體開關的特性導致的電力電子電路中的特殊問導致的電力電子電路中的特殊問題（也就是電力電子技術），同時分析時用到了電路和電機中的基本概念題（也就是

10、電力電子技術），同時分析時用到了電路和電機中的基本概念如如機械特性、轉差功率機械特性、轉差功率（交流）等等。（交流）等等。第一部分第一部分 直流調速系統直流調速系統1.1.第一章（轉速負反饋）單閉環直流調速系統第一章（轉速負反饋）單閉環直流調速系統2.2.第二章第二章 雙閉環（速度環雙閉環（速度環+ +電流環）直流調速系統電流環）直流調速系統 3.3.第三章第三章 直流可逆（晶閘管反并聯）調速系統直流可逆（晶閘管反并聯）調速系統4.4.第四章第四章 直流脈寬調速系統（直流脈寬調速系統（PWMPWM）第二部分第二部分 交流調速系統交流調速系統1.1.第六章第六章 交流調速系統（調壓調速、串級調速

11、）交流調速系統（調壓調速、串級調速） 2.2.第七章第七章 交流異步電動機變頻調速系統；交流異步電動機變頻調速系統；第一章（轉速負反饋）單閉環直流調速系統第一章（轉速負反饋）單閉環直流調速系統1.1 1.1 直直流調速系統的構成流調速系統的構成 1.2 1.2 單閉環調速系統的穩態分析與設計單閉環調速系統的穩態分析與設計 1.3 1.3 單閉環調速系統的動態分析與設計單閉環調速系統的動態分析與設計 1.4 1.4 無靜差調速系統無靜差調速系統1.5 1.5 電壓反饋電流補償控制的調速系統電壓反饋電流補償控制的調速系統 第一章第一章 復習要點（復習要點（1）1.1 1.1 理解直流電動機的工作原

12、理；理解與掌握理解直流電動機的工作原理；理解與掌握等效電路、電磁轉矩方程、運動平衡方程、等效電路、電磁轉矩方程、運動平衡方程、轉速方程，調速方法轉速方程，調速方法等等。直流電機的工作原理和主要結構直流電機的工作原理和主要結構15直流電動機的等效電路圖直流電動機的等效電路圖dTdTeICIKTM+ +_ _dUdIRL+ +_ _E En nLTeT瞬時電壓平衡方程式：瞬時電壓平衡方程式：電磁轉矩方程式：電磁轉矩方程式：nCnKEeeEtiLRiuddddd：工作機械系統折算到電動機軸上的總轉動慣量工作機械系統折算到電動機軸上的總轉動慣量：電動機的角速度：電動機的角速度：電動機提供的電磁轉矩（動

13、力轉矩）：電動機提供的電磁轉矩（動力轉矩）：負載對運動力的反抗作用表現為負載轉矩（阻力轉：負載對運動力的反抗作用表現為負載轉矩（阻力轉 矩）（矩）（補充負載轉矩的相關知識補充負載轉矩的相關知識）運動平衡方程：運動平衡方程：電動機工作機械eTnLTeTLTeLdTTJdt J系統加速系統加速系統減速系統減速系統恒速或靜止系統恒速或靜止000,eLeLeLdTTdtdTTdtdTTdt 18機械特性：機械特性：直流直流電動機的機械特性電動機的機械特性: :在電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為在電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值恒值的條件的條件下，即電動機處于下，即電動機處于穩態

14、運行穩態運行時，時，電動機的轉速與電磁轉矩之間電動機的轉速與電磁轉矩之間的關系。的關系。n0nNTLTn n斜率大，特性軟斜率大，特性軟斜率小，特性硬斜率小，特性硬eddeddCRIUKRIUn19直流調速方法：直流調速方法：根據直流電動機轉速方程：根據直流電動機轉速方程：式中式中 轉速（轉速（r/minr/min）；）； 電機電樞電壓（電機電樞電壓（V V）；）； 電樞電流（電樞電流（A A）；）； 電機電樞電阻（電機電樞電阻（ ）；）； 勵磁磁通（勵磁磁通（WbWb）；）； 由電機結構決定的電動勢常數；由電機結構決定的電動勢常數； 電機在恒定磁通下的電動勢轉速比電機在恒定磁通下的電動勢轉速

15、比RnUdIdKeCeeddeddCRIUKRIUn20有三種方法可以調節電動機的轉速：有三種方法可以調節電動機的轉速： （1）調節電樞供電電壓）調節電樞供電電壓 Ud； （2）減弱勵磁磁通）減弱勵磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R ；（1 1）調壓調速）調壓調速 工作條件：工作條件： 保持勵磁保持勵磁 = N ； 保持電阻保持電阻 R = Ra 調節過程：調節過程： 改變電壓改變電壓 UN U U n ， n0 調速特性：調速特性： 轉速下降，機械特性曲線平行轉速下降，機械特性曲線平行 下移。下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調壓調速特性曲線調壓

16、調速特性曲線（2 2）調阻調速）調阻調速工作條件：工作條件： 保持勵磁保持勵磁 = N ； 保持電壓保持電壓 U = UN ；調節過程：調節過程： 增加電阻增加電阻 Ra R R n ，n0不變；不變；調速特性：調速特性： 轉速下降，機械特性曲線變軟。轉速下降，機械特性曲線變軟。OIILnn0R aR 1R 2R 3nNn1n2n3調阻調速特性曲線調阻調速特性曲線（3 3）調磁調速）調磁調速工作條件：工作條件： 保持電壓保持電壓 U =UN ； 保持電阻保持電阻 R = Ra ；調節過程：調節過程： 減小勵磁減小勵磁 N n ， n0 調速特性：調速特性： 轉速上升，機械特性曲線變軟。轉速上升

17、，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調磁調速特性曲線調磁調速特性曲線三種調速方法的性能與比較：三種調速方法的性能與比較：對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調調節電樞供電電壓的方式為最好節電樞供電電壓的方式為最好。改變。改變電阻只能有級調速電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（額定轉速）以上作小范圍的是配合調壓方案，在基速（額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。弱磁升速。因此，因此，自動控制的直流調速系統往往以自

18、動控制的直流調速系統往往以調壓調速調壓調速為主。為主。251.2 1.2 理解理解調速范圍與靜差率調速范圍與靜差率是調速系統的是調速系統的兩個相互關聯的穩兩個相互關聯的穩態性能指標態性能指標。閉環控制相對于開環控制來講，可使系統穩。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。正確理解調速范圍的靜差率中的理態性能指標得到改善。正確理解調速范圍的靜差率中的理想空載轉速指的是穩定運轉的想空載轉速指的是穩定運轉的最低轉速最低轉速對應的理想空載轉對應的理想空載轉速，這就將調速范圍和靜差率聯系起來了。速，這就將調速范圍和靜差率聯系起來了。閉環后，由于閉環后，由于反饋作用降低了靜差率，提高了調

19、速范圍。反饋作用降低了靜差率，提高了調速范圍。 第一章第一章 復習要點（復習要點（2）（2）靜差率（轉速變化率）靜差率（轉速變化率） 電動機在一條機械特性上的額定負載時的轉速降與該機械特性的理電動機在一條機械特性上的額定負載時的轉速降與該機械特性的理想空載轉速之比想空載轉速之比000nnnsnn00nssn相同時，機械特性越硬， 越小與 成反比maxminnDnn（1）調速范圍）調速范圍 電動機在額定負載下調速時，其最高轉速與最低轉速之比電動機在額定負載下調速時，其最高轉速與最低轉速之比(3) D、s、 之間的關系之間的關系nnnnnnNNNssD)1 (minminmaxNn（1-7）281

20、.3 1.3 理解理解單閉環系統的組成單閉環系統的組成、靜態結構圖靜態結構圖、靜特性方程靜特性方程。（說明靜態結構圖以及靜特性方程不在此一一列舉）（說明靜態結構圖以及靜特性方程不在此一一列舉） 自行分析開環系統到達穩態、單閉環系統剛接入、單自行分析開環系統到達穩態、單閉環系統剛接入、單閉環系統到達穩態（閉環系統到達穩態（P控制或控制或PI控制）時，系統中各變量控制）時，系統中各變量的取值和變化情況。的取值和變化情況。第一章第一章 復習要點（復習要點（3）系統的組成系統的組成 圖圖5 5轉速負反饋單閉環調速系統轉速負反饋單閉環調速系統 AGT UnUnUcMTGUt Ufn閉環系統能夠減少穩態速

21、降的實質閉環系統能夠減少穩態速降的實質: :根據自動控制原理，反饋控制的閉環系統是按被調量的偏差進行控制的根據自動控制原理，反饋控制的閉環系統是按被調量的偏差進行控制的系統，只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。系統，只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。調速系統的調速系統的轉速降落轉速降落正是正是由負載引起的轉速偏差由負載引起的轉速偏差，顯然，顯然，引入轉速閉環引入轉速閉環將使調速系統應該將使調速系統應該能夠大大減少轉速降落能夠大大減少轉速降落。1.41.4 理解理解閉環調速系統的基本性質閉環調速系統的基本性質（反饋控制的規律）（反饋控制的規律）（P9-P10）:1.

22、應用比例調節器的閉環系統是應用比例調節器的閉環系統是有靜差的有靜差的：加轉速負反饋和比例調節器的：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。系統，可使穩態速降減小，但總是有靜差，不可能使速降為零。2.閉環系統系統中，被反饋環所包圍的加于閉環系統系統中，被反饋環所包圍的加于控制系統前向通道上的各種擾控制系統前向通道上的各種擾動動對轉速的影響，都受到反饋控制的對轉速的影響，都受到反饋控制的有效地加以抑制有效地加以抑制。但反饋控制無力但反饋控制無力克服給定電源和檢測反饋元件的誤差。克服給定電源和檢測反饋元件的誤差。3.閉環系統絕對服從于給定輸入反饋控制系統：一

23、方面能夠有效地抑制一閉環系統絕對服從于給定輸入反饋控制系統：一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環內前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨切被包在負反饋環內前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。4.按照反饋控制的原理，即要控制什么物理量，就必須檢測或間接檢測這按照反饋控制的原理，即要控制什么物理量，就必須檢測或間接檢測這個物理量并變成電信號，組成閉環控制系統。個物理量并變成電信號，組成閉環控制系統。第一章第一章 復習要點（復習要點（4）1.5 1.5 理解和掌握理解和掌握轉速反饋控制閉環

24、直流調速系統的穩態參數轉速反饋控制閉環直流調速系統的穩態參數計算計算（P10及及P33: 習題習題1-9）: 在作閉環調速系統的穩態參數計算時，可根據穩態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的已知參數來計算反性能指標、電動機及其它控制部件的已知參數來計算反饋檢測元件與放大器的參數，這首先需找出系統的輸入饋檢測元件與放大器的參數，這首先需找出系統的輸入輸出關系，畫出系統的輸出關系，畫出系統的靜態結構圖靜態結構圖，然后，然后根據各環節輸根據各環節輸入輸出關系的算式來推導入輸出關系的算式來推導，并利用，并利用調速范圍、靜差率和調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系

25、額定速降之間的關系運算求出。運算求出。第一章第一章 復習要點（復習要點（5） 1.6 1.6 理解理解截流反饋的概念截流反饋的概念，電流截止負反饋環節的特點，電流截止負反饋環節的特點: 在有靜差單轉速閉環系統中，可以用電流截止負反饋來抑制在有靜差單轉速閉環系統中，可以用電流截止負反饋來抑制突加給定電壓的電流沖擊（防止電流過大，保護電動機），突加給定電壓的電流沖擊（防止電流過大，保護電動機），以保證系統有較大的比例系數來滿足穩態性能指標。以保證系統有較大的比例系數來滿足穩態性能指標。第一章第一章 復習要點（復習要點（6）1.7 1.7 理解反饋控制閉環調速系統的理解反饋控制閉環調速系統的動態數學

26、模型的建立動態數學模型的建立、動動態結構圖態結構圖、傳遞函數傳遞函數、以及穩定條件以及穩定條件。 根據直流電動機的電壓平衡方程式，轉矩平衡方程式，根據直流電動機的電壓平衡方程式，轉矩平衡方程式，可以得到電機的動態模型。根據整流器的輸出與輸入關可以得到電機的動態模型。根據整流器的輸出與輸入關系，可將其視為一個慣性環節。系，可將其視為一個慣性環節。 采用比例放大器控制的有靜差的調速系統，采用比例放大器控制的有靜差的調速系統，比例放大系比例放大系數數K K 越大，系統精度越高越大，系統精度越高；但；但 K K 過大過大，將降低系統穩，將降低系統穩定性，使定性，使系統動態不穩定系統動態不穩定。 第一章

27、第一章 復習要點（復習要點（7）1.8 1.8 理解理解無靜差調速系統的含義無靜差調速系統的含義，積分控制規律的含義積分控制規律的含義、結構。結構。積分調節器與比例調節器的區別積分調節器與比例調節器的區別。 P P調節器動態響應快但靜態有誤差，且為保證較小的靜調節器動態響應快但靜態有誤差，且為保證較小的靜差需要較大的放大系數，這就可能使得系統出現動態不差需要較大的放大系數，這就可能使得系統出現動態不穩定。穩定。I I調節器靜態無差但動態響應慢也會使系統不穩調節器靜態無差但動態響應慢也會使系統不穩定。定。PIPI調節器調節器綜合了綜合了P P和和I I調節器的優點，可使得調節器的優點，可使得系統

28、響系統響應較快且無靜差應較快且無靜差。第一章第一章 復習要點（復習要點（8）1.9 1.9 理解理解電壓負反饋代替轉速負反饋電壓負反饋代替轉速負反饋的思想，其優點與不足的思想，其優點與不足（P28P28）。）。 電壓負反饋代替轉速負反饋電壓負反饋代替轉速負反饋省去了測速裝置、電路簡單、省去了測速裝置、電路簡單、易實現、可靠性高易實現、可靠性高(優點優點)，但其調速精度低些但其調速精度低些（與轉速負（與轉速負反饋相比）反饋相比）且不能抗電機內阻干擾且不能抗電機內阻干擾（取反饋電壓盡量靠（取反饋電壓盡量靠近電動機電樞兩端）。在帶電流正反饋的電壓負反饋調近電動機電樞兩端）。在帶電流正反饋的電壓負反饋

29、調速系統中，可以采用速系統中，可以采用電流正反饋補償電流正反饋補償電樞電阻引起的穩電樞電阻引起的穩態速降。態速降。全補償可做到無靜差，全補償可做到無靜差，但系統已處于穩定邊但系統已處于穩定邊緣，故不能指望單獨采用電流正反饋補償控制這類系統緣，故不能指望單獨采用電流正反饋補償控制這類系統實現無靜差調速。實現無靜差調速。第一章第一章 復習要點（復習要點（9）采用采用P調節器的調節器的速度閉環調速系統速度閉環調速系統直流電動機直流電動機帶電流截至負反饋帶電流截至負反饋閉環調速系統閉環調速系統采用采用PI調節器的無靜差調節器的無靜差閉環調速系統閉環調速系統電壓負反饋電壓負反饋閉環調速系統閉環調速系統帶

30、電流正反饋的電壓帶電流正反饋的電壓負反饋閉環調速系統負反饋閉環調速系統三種調速方法三種調速方法反饋控制規律反饋控制規律解決啟動和堵轉時解決啟動和堵轉時電流過大的問題電流過大的問題消除靜差消除靜差簡化結構簡化結構彌補電樞壓降彌補電樞壓降第一章第一章 小結小結第二章第二章 雙閉環（速度環雙閉環（速度環+電流環）直流調速系統電流環）直流調速系統 2.1 2.1 雙閉環調速系統的構成雙閉環調速系統的構成2.2 2.2 雙閉環調速系統的穩態結構及其靜特性雙閉環調速系統的穩態結構及其靜特性2.3 2.3 雙閉環調速系統的動態分析與設計雙閉環調速系統的動態分析與設計2.1 2.1 理解本章的基本思路。理解本

31、章的基本思路。第二章第二章 復習要點（復習要點（1）轉速電流雙閉環調速系統克服了單閉環調速動態電流無法控制的缺點?？梢赞D速電流雙閉環調速系統克服了單閉環調速動態電流無法控制的缺點。可以根據原理圖畫出穩態結構圖，進而得出靜特性方程式。對于根據原理圖畫出穩態結構圖，進而得出靜特性方程式。對于PIPI調節器組成的調節器組成的雙閉環系統，其雙閉環系統，其穩態參數計算比較簡單穩態參數計算比較簡單。轉速反饋系數轉速反饋系數和和電流反饋系數電流反饋系數可按可按照照最高電壓最高電壓和和最大電流最大電流及及調節器的線性工作電壓調節器的線性工作電壓來選擇。帶飽和非線性的來選擇。帶飽和非線性的PIPI調節器組成的雙

32、閉環調速系統是本次課程的重點內容。利用飽和來實現調節器組成的雙閉環調速系統是本次課程的重點內容。利用飽和來實現準最準最優時間控制。優時間控制。掌握雙閉環調速系統的動態分析，重點掌握掌握雙閉環調速系統的動態分析，重點掌握轉速調節器轉速調節器ASRASR、電流調節器電流調節器ACRACR的作用的作用，以及系統突加給定時，以及系統突加給定時電流、轉速的變化過程電流、轉速的變化過程（要求（要求會畫出波形圖）。會畫出波形圖）。2.2 2.2 理解單閉環調速系統理解單閉環調速系統存在的問題存在的問題、理想起動過程理想起動過程以及雙閉以及雙閉環調速系統環調速系統提出的思路提出的思路。第二章第二章 復習要點（

33、復習要點（2）2.2.1 2.2.1 采用采用帶帶PIPI調節器的轉速負反饋調節器的轉速負反饋單閉環直流調速系統可以單閉環直流調速系統可以在保證系統穩定的前提下實現轉速無靜差。但是，如果對系統在保證系統穩定的前提下實現轉速無靜差。但是，如果對系統的動態性能要求較高，例如：要求的動態性能要求較高，例如：要求快速起動、制動，突加負載快速起動、制動，突加負載動態速降小動態速降小等等時，由轉速負反饋構成的單閉環系統已不能滿等等時，由轉速負反饋構成的單閉環系統已不能滿足上述要求。足上述要求。2.2.2 2.2.2 單閉環調速系統存在的問題單閉環調速系統存在的問題（1 1）不能完全按照需要來控制動態過程的

34、）不能完全按照需要來控制動態過程的電流和轉矩的動態過程。電流和轉矩的動態過程。（2 2）在單閉環直流調速系統中，電流截止負反饋環節是專門用來控）在單閉環直流調速系統中，電流截止負反饋環節是專門用來控制電流的，但它也制電流的，但它也只是當電樞電流超過截止電流值只是當電樞電流超過截止電流值I Idcrdcr以后以后，靠強烈靠強烈的負反饋作用來限制電流的沖擊，也并不能很理想地控制電流的動態的負反饋作用來限制電流的沖擊，也并不能很理想地控制電流的動態波形；起動過程電流不是最大，起動時間長。波形；起動過程電流不是最大，起動時間長。（3 3）所有的反饋都到一個調節器上，參數整定困難）所有的反饋都到一個調節

35、器上，參數整定困難。2.2.3 2.2.3 理想起動過程理想起動過程 理想起動過程波形如圖理想起動過程波形如圖2.22.2所示，這所示，這時，起動電流呈方形波，轉速按線時，起動電流呈方形波，轉速按線性增長。這是在最大電流（轉矩）性增長。這是在最大電流（轉矩）受限制時調速系統所能獲得的最快受限制時調速系統所能獲得的最快的起動過程。的起動過程。IdLntIdOIdmn理想的快速起動過程理想的快速起動過程為了實現在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使為了實現在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為電流保持為最大值最大值 Idm Idm 的恒流過程。的恒流過程。按照按照反饋控制規律反饋

36、控制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用變，那么，采用電流負反饋電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。應該能夠得到近似的恒流過程。2.2.4 2.2.4 提出增加電流環的思路提出增加電流環的思路2.3 2.3 理解轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成，主要包理解轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成，主要包括：雙閉環直流調速系統的括：雙閉環直流調速系統的原理框圖原理框圖和和穩態結構圖穩態結構圖以以及及穩態參數的計算穩態參數的計算。 自行分析雙閉環直流調速系統靜特性曲線上自行分析雙閉環直流調速系統靜特性曲線上A、B點的含義和系統中各

37、變量的取值情況。點的含義和系統中各變量的取值情況。第二章第二章 復習要點（復習要點（3）MdUdInUTGTAiUnACRASRnU iU GTV外 環外 環內環內環ni圖圖2-2(a) 2-2(a) 轉速、電流雙閉環直流調速系統結構轉速、電流雙閉環直流調速系統結構 轉速調節器的轉速調節器的輸出當作電流輸出當作電流調節器的輸入調節器的輸入電流調節器的輸電流調節器的輸出去控制電力電出去控制電力電子變換器子變換器ASRASR轉速調節器轉速調節器 ACRACR電流調節器電流調節器 TGTG測速發電機測速發電機 TATA電流互感器電流互感器 GTGT觸發裝置觸發裝置 V V 整流裝置整流裝置 、 -轉

38、速給定電壓和轉速反饋電壓；轉速給定電壓和轉速反饋電壓； 、 -電流給定電壓和電流反饋電壓電流給定電壓和電流反饋電壓nUnUiUiUctU系統原理圖系統原理圖雙閉環直流調速系統電路原理圖雙閉環直流調速系統電路原理圖 MdUdInU0R0RnRbalRnU nUTG2RPnCGTVTAiUn0R0RiRbalRiCiU ctUASRACR穩態結構圖穩態結構圖圖圖2-4 2-4 雙閉環直流調速系統的穩態結構框圖雙閉環直流調速系統的穩態結構框圖 轉速反饋系數轉速反饋系數 電流反饋系數電流反饋系數 注意：用帶限幅的輸出特性表示注意：用帶限幅的輸出特性表示PIPI調節器調節器1eC nU iUctUdIn

39、 sK0dUEnU R iU *imctmPIAASRUACRUCR調節器采用調節器，而且兩個調節器的輸出都限幅決定的給定的輸電壓最大值決定觸發出限幅電壓的輸出限晶閘管輸出電壓幅電壓的最大值PI帶有輸出限幅的調節器存在兩種狀態：輸出達到限幅值，在調節器退飽和之前輸出為恒值輸出未達到限幅值，調節器進行無飽和：不飽和：穩態誤差調節 正常運行時，電流不會達到最大值，因此正常運行時，電流不會達到最大值，因此ACRACR始終不會飽始終不會飽和，只有和，只有ASRASR涉及是否飽和問題涉及是否飽和問題理解理解PIPI調節器存在的兩種狀況：調節器存在的兩種狀況：穩態參數的計算穩態參數的計算 根據原理圖畫出穩

40、態結構圖，進而得出靜特性方程式。對于根據原理圖畫出穩態結構圖，進而得出靜特性方程式。對于PIPI調節器組成的雙閉環系統，其調節器組成的雙閉環系統，其穩態參數計算比較簡單穩態參數計算比較簡單。轉轉速反饋系數速反饋系數和和電流反饋系數電流反饋系數可按照可按照最高電壓最高電壓和和最大電流最大電流及及調調節器的線性工作電壓節器的線性工作電壓來選擇來選擇。穩態參數計算穩態參數計算 雙閉環調速系統在穩態工作中，當兩個雙閉環調速系統在穩態工作中，當兩個調節器都不飽和時，各變量之間有下列關系調節器都不飽和時，各變量之間有下列關系 0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRI

41、nCKUU2.3 2.3 理解雙閉環直流調速系統突加給定時的啟動過程中，理解雙閉環直流調速系統突加給定時的啟動過程中，電流、轉速的變化過程電流、轉速的變化過程（要求會（要求會畫出波形圖并簡單敘畫出波形圖并簡單敘述啟動過程的三個階段、三個特點述啟動過程的三個階段、三個特點）。）。第二章第二章 復習要點（復習要點（3）啟動過程的啟動過程的3個階段：個階段：I.電流上升階段電流上升階段II. 恒流升速階段恒流升速階段III.轉速調節階段轉速調節階段啟動過程分析啟動過程分析設置雙閉環的重要目的設置雙閉環的重要目的是獲得接近理想啟動特性的是獲得接近理想啟動特性的啟動過程，啟動過程，整個啟動過程按整個啟動

42、過程按照照ASR處于處于不飽和、飽和、退飽和不飽和、飽和、退飽和的不同狀態分為三個階段的不同狀態分為三個階段雙閉環調速系統的啟動過程分析雙閉環調速系統的啟動過程分析啟動過程的三個階段啟動過程的三個階段n 電流上升階段電流上升階段IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt恒流升速階段恒流升速階段轉速調節階段轉速調節階段圖圖2-10 2-10 雙閉環直流調速系統起動時的轉速和電流波形雙閉環直流調速系統起動時的轉速和電流波形ASRASR一直飽和，轉速環相當于一直飽和，轉速環相當于開環狀態，系統表現為在恒值開環狀態，系統表現為在恒值電流給定電流給定 作用下的電流調作用下的

43、電流調節系統。節系統。 恒定，加速度恒定，恒定，加速度恒定，轉速呈線性增長。轉速呈線性增長。imUdI在此階段開始時，轉速基在此階段開始時，轉速基本達到給定值，由于轉速本達到給定值，由于轉速調節器的積分作用，電動調節器的積分作用，電動機將經過一段調整最終達機將經過一段調整最終達到穩定。最后階段，由于到穩定。最后階段，由于轉速調節器在外環，轉速調節器在外環，ASRASR處于主導地位。處于主導地位。突加電流以后，突加電流以后，因為因為UUU Un n* *-U-Un n 較大，較大，ASRASR由不由不飽和很快達到飽飽和很快達到飽和，而和，而ACRACR一般一般應該不飽和。應該不飽和。啟動過程特點

44、：啟動過程特點：（）飽和非線性控制（）飽和非線性控制ASR飽和：恒值電流調節飽和：恒值電流調節ASR不飽和：電流隨動，無靜差調速不飽和：電流隨動，無靜差調速（）準時間最優控制（）準時間最優控制（）退飽和轉速超調（）退飽和轉速超調啟動過程特點啟動過程特點2.4 2.4 理解理解轉速調節器轉速調節器ASR和和電流調節器電流調節器ACR在在雙閉環調速雙閉環調速系統中的作用系統中的作用。第二章第二章 復習要點（復習要點（4） 轉速調節器的作用轉速調節器的作用 實現轉速調節無靜差，使轉速實現轉速調節無靜差，使轉速 n n 跟隨給定電壓跟隨給定電壓 UnUn* * 變化；變化； 對負載變化起抗擾作用；對負

45、載變化起抗擾作用； 能對電流環進行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決能對電流環進行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決 定允許的最大電流。定允許的最大電流。 電流調節器的作用電流調節器的作用 對電網電壓波動起及時抗擾作用；對電網電壓波動起及時抗擾作用； 起動時保證獲得允許的最大電流，實現最佳起動過程；起動時保證獲得允許的最大電流，實現最佳起動過程； 在轉速調節過程中，能使電流跟隨其給定電壓在轉速調節過程中，能使電流跟隨其給定電壓UnUn* *變化；變化； 靜態時依靠靜態時依靠ACRACR的恒流調節作用可獲得理想的下垂特性；的恒流調節作用可獲得理想的下垂特性； 當電動機過載甚至堵轉時，可限制最大電樞電

46、流，起到當電動機過載甚至堵轉時，可限制最大電樞電流，起到快速的安全保護作用，一旦故障消失，系統能自動恢復快速的安全保護作用，一旦故障消失，系統能自動恢復正常。正常。 2.5 2.5 理解控制系統的理解控制系統的動態性能指標動態性能指標，包括：，包括：跟隨性能指標跟隨性能指標、 抗擾性能指標抗擾性能指標第二章第二章 復習要點（復習要點（5） 典型階躍響應曲線和跟隨性解指標典型階躍響應曲線和跟隨性解指標跟隨性能指標：跟隨性能指標： 上升時間上升時間tr;tr; 超調量；超調量； 調整（調節）時間調整（調節）時間tsts第二章第二章 復習要點（復習要點（5）2.5 2.5 理解控制系統的理解控制系統

47、的動態性能指標動態性能指標，包括：，包括：跟隨性能指標跟隨性能指標、抗擾性能指標抗擾性能指標。突加擾動的動態過程和抗擾性解指標突加擾動的動態過程和抗擾性解指標抗擾性能指標：抗擾性能指標： 動態降落動態降落; ; 恢復時間恢復時間tftf2.6 2.6 理解調節器的工程設計方法的基本思路，以及典型理解調節器的工程設計方法的基本思路，以及典型 I I 、 II II 型系統的系統結構、型系統的系統結構、參數和動態性能指標的關系參數和動態性能指標的關系；了；了解解“工程最佳參數（系統）工程最佳參數（系統）”概念及選取概念及選取；了解；了解“截止頻截止頻率率”、“中頻寬度中頻寬度”等基本概念（等基本概

48、念（中頻段的狀況對典型中頻段的狀況對典型IIII系統的動態品質起著決定性的作用系統的動態品質起著決定性的作用）。）。 系統動態性能或系統動態性能或調節器的工程設計基本思想是調節器的工程設計基本思想是非典型系統的典型化非典型系統的典型化，具體，具體來講就是來講就是零極點抵消方法零極點抵消方法再加上再加上工程近似法工程近似法，一般都是抵，一般都是抵消大的慣性環節。一般消大的慣性環節。一般電流環設計為典型電流環設計為典型I I型系統型系統，因為，因為電流環強調跟隨性能；而電流環強調跟隨性能；而轉速環設計為典型轉速環設計為典型IIII型系統型系統，因，因為轉速環強調抗干擾性能。為轉速環強調抗干擾性能。

49、第二章第二章 復習要點（復習要點（6）1.1.了解雙閉環調速系統設計的基本思路（先設計和調試內環，使其穩定并了解雙閉環調速系統設計的基本思路（先設計和調試內環，使其穩定并滿足動態性能后，再設計和調試外環）：先從內環（電流環）開始，根滿足動態性能后，再設計和調試外環）：先從內環（電流環）開始，根據電流控制要求，確定把電流環校正為哪種典型系統（典據電流控制要求，確定把電流環校正為哪種典型系統（典I I型），按照型），按照調節對象選擇調節器及其參數。設計完電流環后，就把電流環等效成一調節對象選擇調節器及其參數。設計完電流環后，就把電流環等效成一個小慣性環節，作為轉速環的一個組成部分，然后用同樣的方法

50、進行轉個小慣性環節，作為轉速環的一個組成部分，然后用同樣的方法進行轉速環的設計。每個環的設計都是校正成典型系統（典型速環的設計。每個環的設計都是校正成典型系統（典型 I I 、II II 型），型），以便獲得預期的性能指標。以便獲得預期的性能指標。2.2.了解雙閉環調速系統設計中增加了電流，轉速反饋了解雙閉環調速系統設計中增加了電流，轉速反饋濾波環節濾波環節的作用，以的作用，以抑制反饋信號中的交流分量抑制反饋信號中的交流分量，同時在轉速、電流給定信號通道中加入兩，同時在轉速、電流給定信號通道中加入兩個個給定濾波器給定濾波器，其時間常數與相應反饋濾波環節的時間常數相等，其時間常數與相應反饋濾波環

51、節的時間常數相等，以平以平衡反饋濾波環節給轉速、電流反饋信號帶來的延滯。衡反饋濾波環節給轉速、電流反饋信號帶來的延滯。第二章第二章 復習要點（復習要點（7）第二章第二章 小結小結 如果對直流調速系統的如果對直流調速系統的動態性能要求較高動態性能要求較高，例如要求快速啟動，例如要求快速啟動和制動、突加負載動態速降小等等，則簡單的速度閉環調速系和制動、突加負載動態速降小等等，則簡單的速度閉環調速系統難以滿足需要，可采用多環控制的直流調速系統，統難以滿足需要，可采用多環控制的直流調速系統，最常用的最常用的是雙環控制系統是雙環控制系統。 轉速電流雙閉環調速系統中有兩個調節器分別對轉速和電流進轉速電流雙

52、閉環調速系統中有兩個調節器分別對轉速和電流進行控制，可以使系統獲得令人滿意的行控制，可以使系統獲得令人滿意的動態跟隨性能動態跟隨性能和和動態抗擾動態抗擾性能性能。在正常運行時，能夠實現轉速的無靜差調節以及電流的。在正常運行時，能夠實現轉速的無靜差調節以及電流的隨動控制；在系統啟動時，隨動控制；在系統啟動時，保證獲得允許的最大電流保證獲得允許的最大電流，使電動，使電動機機以最快速度到達轉速給定值以最快速度到達轉速給定值。 雙閉環調速系統的啟動過程具有如下特點：雙閉環調速系統的啟動過程具有如下特點：飽和非線性飽和非線性、準時準時間最優控制間最優控制、退飽和轉速超調退飽和轉速超調。第三章第三章 直流

53、可逆（晶閘管反并聯）調速系統直流可逆（晶閘管反并聯）調速系統3.1 3.1 直流可逆調速系統的構成直流可逆調速系統的構成3.2 3.2 晶閘管直流可逆系統的回饋制動晶閘管直流可逆系統的回饋制動3.3 3.3 有環流的可逆調速系統有環流的可逆調速系統3.4 3.4 無環流可逆調速系統無環流可逆調速系統 3.1 3.1 理解：理解：從電動機轉矩公式可得出改變轉矩方向的兩種基本方法：改變從電動機轉矩公式可得出改變轉矩方向的兩種基本方法：改變電樞電電樞電流流或或改變勵磁磁通的方向改變勵磁磁通的方向。采用接觸器切換、晶閘管開關切換、。采用接觸器切換、晶閘管開關切換、反并反并聯線路聯線路都能實現。前兩者都

54、只適用于動態性能要求不高的情況。由于都能實現。前兩者都只適用于動態性能要求不高的情況。由于勵磁繞組電感量大，改變勵磁磁通方向的方法只適用于對快速性要求勵磁繞組電感量大，改變勵磁磁通方向的方法只適用于對快速性要求不高、正反轉不頻繁的可逆系統。不高、正反轉不頻繁的可逆系統。即使不需要正、反轉，但只要它需要快速回饋制動，就必須采用即使不需要正、反轉，但只要它需要快速回饋制動，就必須采用正反正反兩組晶閘管裝置兩組晶閘管裝置供電。因為回饋制動需使反組晶閘管工作在有源供電。因為回饋制動需使反組晶閘管工作在有源逆變逆變狀態狀態才能實現。有源逆變需要一定的條件。而且有源逆變須防止才能實現。有源逆變需要一定的條

55、件。而且有源逆變須防止逆變逆變顛覆顛覆造成過電流的故障發生造成過電流的故障發生。第三章第三章 復習要點（復習要點（1） 3.23.2 環流環流是采用正、反兩組晶閘管供電后帶來的新問題，是采用正、反兩組晶閘管供電后帶來的新問題，了解了解環流的概念環流的概念、環流出現的、環流出現的缺點缺點與與優點優點；了解環流的種；了解環流的種類（動態環流、靜態環流）；理解環流產生的原因；理解類（動態環流、靜態環流）；理解環流產生的原因；理解和掌握和掌握直流平均環流（直流平均環流（）、瞬時脈動環流（自然環）、瞬時脈動環流（自然環流）抑制的方法流）抑制的方法?？煞譃橛协h流系統和無環流系統。有環可分為有環流系統和無環

56、流系統。有環流系統中必須加流系統中必須加環流電抗器（均衡電抗器）環流電抗器（均衡電抗器）（反并聯（反并聯4 4個，個，交叉連接交叉連接2 2個），而無環流可省出環流電抗器，在控制策略個），而無環流可省出環流電抗器，在控制策略上必須加上上必須加上無環流邏輯無環流邏輯來控制選觸開關。來控制選觸開關。第三章第三章 復習要點（復習要點（2） 3.33.3 理解理解=配合控制的有環流配合控制的有環流可逆調速系統原理框圖可逆調速系統原理框圖（要求會畫），（要求會畫），并并簡敘其制動正向過程簡敘其制動正向過程（本橋逆變、反橋制動階段），會畫出（本橋逆變、反橋制動階段），會畫出轉速、轉速、電流波形圖電流波形圖

57、（準時間最優控制）。（準時間最優控制）。按按= 配合控制，系統中配合控制，系統中沒有直流平均環流沒有直流平均環流僅有僅有脈動環流脈動環流的有環流可的有環流可逆調速系統逆調速系統 系統組成：系統組成：三相橋式晶閘管反并聯線路，三相橋式晶閘管反并聯線路，4個環流電抗器個環流電抗器Lc，1個平波電抗器個平波電抗器Ld。雙閉環系統，雙閉環系統，ASR和和ACR均帶限幅輸出均帶限幅輸出正、反組觸發電壓始終保持正、反組觸發電壓始終保持大小相等、方向相反大小相等、方向相反可逆運行，可逆運行，Un*有正負極性，有正負極性，反饋信號也應有極性顯示反饋信號也應有極性顯示。根據可逆系。根據可逆系統正反向運行的需要，

58、給定電壓、轉速反饋電壓、電流反饋電壓都應統正反向運行的需要，給定電壓、轉速反饋電壓、電流反饋電壓都應該能夠反映正和負的極性。該能夠反映正和負的極性。測速發電機測速發電機正轉、反轉正轉、反轉可反映電壓反饋正可反映電壓反饋正負號負號；采用；采用直流電流互感器或霍爾變換器直流電流互感器或霍爾變換器可反映電流反饋極性。可反映電流反饋極性。第三章第三章 復習要點（復習要點（3）tttOOOId n Uc 制動過程系統響應曲線制動過程系統響應曲線I II1II2II3-Idm IL -Ucm E 圖圖3-11 3-11 配合控制有配合控制有環流可逆直流調速環流可逆直流調速系統正向制動過渡系統正向制動過渡過

59、程波形過程波形電動機正常運行時，一組晶閘管裝置處于整流狀態，另一組晶閘管電動機正常運行時，一組晶閘管裝置處于整流狀態，另一組晶閘管裝置處于裝置處于“待逆變狀態待逆變狀態”電動機若需要制動，整流組晶閘管進入電動機若需要制動，整流組晶閘管進入“待整流狀態待整流狀態”，待逆變組晶，待逆變組晶閘管真正開始逆變，電動機回饋電能閘管真正開始逆變，電動機回饋電能 配合控制時，只有一組晶閘管裝置投入使用，另一組處于等配合控制時，只有一組晶閘管裝置投入使用，另一組處于等待工作狀態待工作狀態=說明說明l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，過渡仔細分析配合控制有環流可逆調速系統的正向制動過程

60、，可以看到，過渡過程包含本橋逆變、反橋制動兩個階段，而它組制動又可分解為建流，逆變過程包含本橋逆變、反橋制動兩個階段，而它組制動又可分解為建流，逆變和減流三個子階段。但最主要的是它組逆變電動機回饋制動階段。該系統的和減流三個子階段。但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正反轉時起動與制動過程完全銜接而適合快速正反轉，但需要增突出優點是正反轉時起動與制動過程完全銜接而適合快速正反轉，但需要增設環流電抗器而增加負擔，因此只適用于中、小容量系統。而采用邏輯無環設環流電抗器而增加負擔，因此只適用于中、小容量系統。而采用邏輯無環流控制實現選觸，可節省一套電流調節器與觸發裝置流控制實現