1、第二章 單閉環直流調速系統2022/7/24 2.2 單閉環調速系統的性能分析 2.3 無靜差調速系統 2.1 單閉環調速系統的構成及工作原理 2.4單閉環有靜差直流調速系統實訓 目錄Contents2022/7/24【知識目標】1.理解開環調速的缺點及其改進方法。2.掌握轉速負反饋調速系統的組成，能畫出其原理圖。3.掌握轉速負反饋調速系統的工作原理，會分析其抗干擾特性。4.通過與開環調速相比較，掌握閉環調速系統的優點。5.理解單閉環系統的開環放大倍數對系統的穩態、動態性能的影響。6.能在實驗室熟練完成單閉環調速系統的接線與調試，會測試單閉環調速系統的靜特性。2022/7/24課題引入-開環調

2、速系統的局限性分析及改進辦法開環調速系統優點：結構簡單。 開環調速系統的局限性： 抗干擾能力差，當電機的負載或電網電壓發生波動時，電機的轉速就會隨之改變，即轉速不夠穩定，因此開環調速只能應用于負載相對穩定、對調速系統性能要求不高的場合。 改進辦法： 采用閉環控制。根據自動控制理論，要想使被控量保持穩定，可將被控量反饋到系統的輸入端，構成負反饋閉環控制系統。將直流電動機的轉速檢測出來，反饋到系統的輸入端，可構成轉速負反饋直流調速系統。2022/7/242.1單閉環調速系統的構成及工作原理2022/7/24一、單閉環調速系統的構成（五部分）1給定電路2轉速調節器3觸發及功放電路4整流橋與電機主回路

3、5轉速檢測與反饋電路2022/7/24一、單閉環調速系統的構成（五部分）給定電壓的極性：運算放大器具有反相作用，其輸出與給定電壓極性相反，所以給定采用負給定，以保證觸發電壓為正；反饋電壓的極性：為實現負反饋，反饋電壓的極性為正。2022/7/24二、單閉環調速系統的工作原理 同開環調速系統一樣，轉速閉環調速系統中電機的轉速大小受轉速給定電壓Un*控制，給定電壓為零時，電機停止；給定電壓增大時，電機轉速升高；給定電壓減小時，電機轉速下降。 以升速控制為例，系統的調節原理分析如下： 當然，轉速上升，轉速反饋電壓會升高，但其升值小于給定電壓增值，電壓差總體上是增大的，轉速是上升的。2022/7/24

4、1、為什么開環調速采用正給定電壓，而單閉環要采用負給定電壓？ 2、要實現轉速負反饋控制，轉速反饋電壓的極性必需為正，若接線時誤將其極性接反了，會出現什么現象？2022/7/24解：以電機從靜止起動為例分析，給定電壓增大時系統的調節過程如下： 由于反饋電壓與給定電壓同為負，成為正反饋，只要給定電壓稍大于零，經反饋電壓疊加后，偏差電壓會越來越大，電機轉速急速升高，造成飛車事故。 在轉速單閉調速實驗中表現為：給定從零增加一點，電機轉速急速升高，再減小給定，電機轉速不減小，失控。2022/7/242.2 單閉環調速系統的性能分析2022/7/24一、單閉環調速系統的穩態結構圖穩態結構圖是反映系統穩定工

5、作時，各構成單元的輸入-輸出關系的結構圖。穩態結構圖是分析系統性能、進行穩態計算的基礎。2022/7/24一、單閉環調速系統的穩態結構圖比較環節： 運算放大器輸出： 為運算放大器放大系數。 整流裝置輸出： 電機轉速： 轉速反饋電壓： 為轉速反饋系數 2022/7/24二、單閉環調速系統的抗干擾性分析 引入轉速負反饋的目的在于提高調速系統的抗干擾性，保持轉速的相對穩定，那么，單閉環調速系統是怎樣實現抗干擾作用的呢？以負載電流增大為例分析如下 ： 通過這一調節可抑制轉速的下降，雖然不能做到完全阻止轉速下降，但同開環相比，轉速的下降程度會大大降低，從而保持了轉速的相對穩定 。 同相可分析電網電壓下降

6、時，系統的抗干擾性。電網電壓下降時，整流裝置輸出電壓Ud減小，電機轉速下降，系統調節過程如下：2022/7/24三、單閉環調速系統的靜特性 閉環調速穩定工作時，電機轉速與負載電流之間的關系稱為閉環調速系統的靜特性。由穩態結構圖可知由上述四式不難得出稱為系統的開環放大系數。該式稱為系統的靜特性方程。2022/7/24靜特性與機械特性的比較-11、機械特性調速系統對開環而言；靜特性是對閉環系統而言的。兩者都表示電機轉速與負載電流之間的關系，即n=f(Id)。2、一條機械特性曲線對應于一個不變的電樞電壓；而一條靜特性曲線對應于 一個不變的給定電壓。3、如右圖所示，設電機開始工作于A點，當負載電流增大

7、時，開環和閉環系統工作的原理是不同的：(1)開環系統，給定不變，電樞電壓就不變，電流增加，工作點將沿最下面那條機械特性向下移動(2)而對于閉環調速系統，給定不變，電流增加時，系統有維持轉速不下降的趨勢，通過調節，電樞電壓升高，工作點將移至B、C或D。ABCD所在直線就是閉環系統的在該給定電壓下的一條靜特性曲線。2022/7/24靜特性與機械特性的比較-24、靜特性的硬度要比機械特性硬得多。這一點從特性方程也可看出：開環機械特性：斜率：閉環靜特性：斜率：可見閉環靜特性斜率比開環機械特性小得多。2022/7/242開環機械特性與閉環系統的靜特性有何相同之處和不同之處？1怎樣通過實驗測試閉環系統的靜

8、特性曲線？2022/7/24四、閉環調速與開環調速的比較靜特性方程：閉環轉速降機械特性方程：開環轉速降 閉環靜特性比開環機械特性硬得多。負載電流相等時， 閉環系統的靜差率要比開環小得多。理想空載轉速相等時，2022/7/24四、閉環調速與開環調速的比較 閉環系統可比開環有更大的調速范圍。 靜差率相等時， 閉環系統比開環系統的抗干擾性能好。 可見，增大開環放大倍數K對改善調速系統的穩態性能有利，即靜差率減小、硬度提高、調速范圍增大；但是，開環放大系數K過大系統會變得不穩定，即動態性能變差了。這就是控制系統的穩態和動態性能之間的相互制約性。 2022/7/24【例2-1】 某V-M系統為轉速負反饋

9、調速系統，電動機nN=1000r/min，系統的開環轉速降為100r/min，D=10，如果要求系統的靜差率由15%降到5%，則開環放大倍數K應怎樣變化？解：當靜差率為時，系統對應的閉環轉速降2022/7/241同開環調速相比，轉速負反饋調速系統有什么優點？2從調速系統的穩態性能方面考慮，系統的開環放大系數K是大點好，還是小點好？從動態性能方面考慮呢？2022/7/242022/7/24五、閉環調速系統的基本特征 轉速調節器為比例調節器時，閉環調速系統是有靜差的。閉環調速系統有三個基本特征: 被控量總是跟隨給定量變化。 即轉速跟隨給定電壓變化。 閉環系統對作用于閉環內前向通道上的干擾有調節作用

10、。而作用于 閉環外或非前向通道上的干擾沒有調節作用。2022/7/24解：干擾的作用點在閉環外。干擾的作用點在Ks環節上。干擾的作用點在右綜合點上。干擾的作用點不在前向通道上。干擾的作用點在Ce環節上。所以閉環系統對干擾、有調節作用，對干擾、沒有調節作用。2022/7/242閉環調速系統對什么樣的干擾有調節作用？試舉例說明。1什么是有靜差調速系統？2022/7/242.3 無靜差調速系統2022/7/24一、調節器及其特性無靜差調速系統：調速系統達到穩定工作狀態時，轉速反饋與轉速給定的值相等，調節器的輸入偏差電壓等于零，這種調速系統稱為無靜差調速系統。有靜差調速與無靜差調速的區別在于調節器的選

11、擇不同，從而引起系統的特性不同。調節器是由運算放大器構成的電路單元。下面以比例調節器、積分調節器、比例-積分調節器三種調節器為例介紹其電路構成及其特性。2022/7/241、比例調節器 （簡稱P調節器）（1）電路圖（2）輸入-輸出特性為比例調節器的放大倍數 （3）調節器的特點輸出隨時跟隨輸入，控制調節速度快；調節器的輸入偏差一般不為零，只能實現有靜差控制。2022/7/242、積分調節器 （簡稱I調節器）（1）電路圖（2）輸入-輸出特性為積分時間常數 （3）調節器的特點輸入偏差大于零，輸出增大；偏差等于零，輸出保持；偏差小于零，輸出減小。穩定狀態下(輸入、輸出均不變)，輸入偏差為零，可實現無靜

12、差控制。由輸入-輸出響應曲線知：當輸入偏差為定值時，輸出呈直線增長；當輸入偏差為零時，輸出保持。輸出不能馬上跟隨輸入變化，控制響應較慢。2022/7/243、比例-積分調節器 （簡稱PI調節器）（1）電路圖（2）輸入-輸出特性（3）調節器的特點同時具有P調節器和I調節器的優點，即既能實現無靜差控制，控制響應速度也較快。采用PI調節器的控制系統具有較好的動態和穩態性能，因此PI調節器應用廣泛。PI調節器的輸入-輸出特性是P調節器和I調節器的特性疊加：積分作用之前先經比例放大，輸出比I調節器響應快；輸出穩定時，調節器的輸入端偏差為零，可實現無靜差控制。2022/7/24要說明的是，純積分調節器只是

13、一種理論的模型，實際實現較難，一般不單獨應用。轉速負反饋調速系統，轉速調節器為比例調節器時可實現有靜差調速；若要實現無靜差調速，轉速調節器應采用PI調節器。除了前面介紹的三種調節器之外，還要兩種調節器-比例-微分(PD)調節器和比例-積分-微分(PID)調節器，本書直流調速系統部分沒用到它們，暫不介紹。2022/7/24二、無靜差調速系統1、實現無靜差調速的條件 (必需同時滿足以下二個條件)：(2)轉速調節器采用PI調節器。(1)采用轉速負反饋；2、單閉環無靜差調速系統原理圖(觀察對比，指出與有靜差調速系統的異同)2022/7/243、單閉環無靜差調速系統穩態結構圖無靜差調速系達到穩定工作狀態

14、時，系統的一個顯著特點就是調節器的輸入偏差為零，即或這就是無靜差調速系統的靜特性方程。2022/7/24如上圖示，給定為10V時，電機的穩定轉速為1000r/min，則轉速反饋系數等于 。2022/7/24由得2022/7/241實現無靜調速的條件是什么？2無靜差調速系統穩定工作時，若負載加重了（即負載電流增大），系統再次達到穩定工作狀態，（1）電動機的轉速如何變化？（2）整流裝置輸出電壓如何變化？（3）調節器的輸出如何變化？2022/7/242.4 單閉環有靜差直流調速系統實驗2022/7/24一、要知道實驗做什么？1.調速系統線路連接實驗前指導：2.測試開環機械特性和單閉環靜特性二、要知道

15、怎么做？做好實驗前的預習和準備是關鍵。預習什么？預習到什么程度呢？1、能熟練畫出單閉環調速系統原理圖。2、自學附錄，知道用哪些掛件？用哪些電路模塊？功能是什么？怎么接線 ？3、紙上談兵：能把系統原理圖轉化為實驗接線圖，并能畫出來。4、預習2.4章節，能有條理地說出實驗內容和對應實驗操作步驟。三、要知道實驗應該得到怎樣的結果？四、怎樣寫實驗報告？寫什么？3.測試系統參數 、 和2022/7/24特別說明直流調速系統實驗是階梯式的實驗，由簡單到復雜，層層遞進。熟練掌握前一實驗相關知識和技能是開展下一實驗的基礎和前提。單閉環調速系統實驗同開環調速實驗相比，兩者主電路相同，只是控制電路增加一個轉速反饋環節。沒有理論指導的實驗是盲目的實驗，所以，每一次實驗之前都要對用到的相關知識進行學習和系統，知道要做什么、怎樣做。認識誤區：“書上有實驗內容及操作步驟，到時候按書上一步一步做就行，不需要在預習上花太多精力。” 這樣做的實驗效果是：（1）如同囫圇吞棗，吃了卻不知味。（2）一旦出現線接錯了，難以查出。（3）線接對了，電機卻不轉，不知從何入手查找問題。（4）對實驗現象和結果是否正確，心中沒數。2022/7/241、開環調速