ppt1-4閉環(huán)控制的直流拖動系統(tǒng)

1、11本節(jié)要點本節(jié)要點1.1.調(diào)速系統(tǒng)的基本穩(wěn)態(tài)指標（調(diào)速范圍及靜差率）定義調(diào)速系統(tǒng)的基本穩(wěn)態(tài)指標（調(diào)速范圍及靜差率）定義和相互關系；和相互關系；2.2.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的靜態(tài)結(jié)構推導；閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的靜態(tài)結(jié)構推導；3.3.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程中開環(huán)放大系數(shù)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程中開環(huán)放大系數(shù)K K對誤差控對誤差控制的意義制的意義; ;4.4.反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計中反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計中, ,開環(huán)增益開環(huán)增益K K與調(diào)與調(diào)速范圍速范圍D D、靜差率、靜差率s s的對應關系，誤差放大器增益的對應關系，誤差放大器增益KpKp的確定的確定原則。原則。 重點、難點重點

2、、難點: :1.1.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的靜態(tài)結(jié)構推導閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的靜態(tài)結(jié)構推導2.2.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程中開環(huán)放大系數(shù)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程中開環(huán)放大系數(shù)K K對誤差控對誤差控制的意義制的意義 22 對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個方面：（1）調(diào)速調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地或平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動；（3）加、減速加、減速頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。1.4.1 1.4.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標3

3、3(1) (1) 調(diào)速范圍調(diào)速范圍(2) (2) 靜差率靜差率 或minmaxnnD 0Nnns 為了進行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調(diào)速指標:這兩個指標合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標穩(wěn)態(tài)性能指標。%1000Nnns44 調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率應以最低速的數(shù)值為準。(3)靜差率與機械特性硬度的關系55n 靜差率與機械特性硬度的關系（續(xù)）靜差率與機械特性硬度的關系（續(xù)）w例如例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%；w 如果在

4、只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。w 因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數(shù)值為準。66(4) 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關系 )1 (NNsnsnD n nN N 值一定時，對靜差率要求越高，值一定時，對靜差率要求越高，即要求即要求 s s 值越小時，系統(tǒng)能夠允許的值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。調(diào)速范圍也越小。77結(jié)論結(jié)論1 調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。孤立的，必須

5、同時提才有意義。 調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數(shù)值為準。到的數(shù)值為準。 調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。88例題例題1-1 某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為14301430r/min，額定速降額定速降 n nN N = 115r/min= 115r/min，當要求靜差率，當要求靜差率30%30%時，允許時，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率20%20%，則調(diào)速范圍是多，則調(diào)速范圍是多少

6、？如果希望調(diào)速范圍達到少？如果希望調(diào)速范圍達到1010，所能滿足的靜差率是多，所能滿足的靜差率是多少？少？解解: 要求30%時，調(diào)速范圍為 若要求20%，則調(diào)速范圍只有 若調(diào)速范圍達到10，則靜差率只能是3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (NNsnsnD1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D%6 .44446. 011510143011510NNNnDnnDs991.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)要求S不能太大，一般S5%1010 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足調(diào)速范圍和靜差率開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足調(diào)速范圍和靜差率的要求。的要求。

7、 反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。生糾正偏差的作用。 因此，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系因此，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍。要求下，能夠提高調(diào)速范圍。1111例例1-2 : :某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機：某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機：Z2-93Z2-93型、型、60kw60kw、220V220V、305A305A、10

8、00r1000rminmin，如果采用，如果采用V-MV-M系統(tǒng)，系統(tǒng)，已知主回路總電阻已知主回路總電阻R R0.180.18，電動機，電動機CeCe0.2Vmin/r0.2Vmin/r。如果要求如果要求D D2020，s s5 5，則開環(huán)調(diào)速能否滿足？，則開環(huán)調(diào)速能否滿足？開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為 這已大大超過了這已大大超過了5的要求！的要求！min/275min/2 . 018. 0305edNNrrCRIn%6 .21216. 02751000275NNNNnnnsmin/63. 2min/)05. 01 (2005. 01

9、000)1 (NNrrsDsnn解：解： 當電流連續(xù)時，當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為系統(tǒng)的額定速降為 如果要滿足生產(chǎn)工藝如果要滿足生產(chǎn)工藝D20，s5的要求，的要求，nN應該是多少呢應該是多少呢? 12121.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性假定；1.各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系都是線性的2.忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻1313 電壓比較環(huán)節(jié)電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU放大器放大器 npcUKU電力電子變換器電力電子變換器 cs0dUKU調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性 ed0dCRIUn測速反饋環(huán)節(jié)測速反饋環(huán)節(jié) nUn 穩(wěn)態(tài)分析1414靜特性方程 從上述五個關系式中消去中間變量，整理

10、后，從上述五個關系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程即得轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式式1515 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構框圖閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構框圖 1616b）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)c）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng))1(e*nspKCUKKn)1(edKCRIn1717開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性 開環(huán)機械特性：開環(huán)機械特性： opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn閉環(huán)系統(tǒng)靜特性閉環(huán)系統(tǒng)靜特性 ：clcl0ede*nsp)1 ()1 (nnKCRIKCUKKn1818（1 1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多 （2 2）

11、閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率比開環(huán)系統(tǒng)小得多（按理想空載轉(zhuǎn)速相同進行比較） Knn1opcl比比 較較Kss1opcl1919（3）所要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可大大提高調(diào)速范圍（最高轉(zhuǎn)速相同）（最高轉(zhuǎn)速相同）（4 4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設置放大器 opclDKD)1 ( 比比 較（續(xù)）較（續(xù)）2020結(jié)論2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。 2121例題1-3 在例題1-2中，龍門刨床要求D = 20，s 5%，已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r，

12、Ce = 0.2Vmin/r，如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？解解 在上例中已經(jīng)求得 nop = 275 r/min，但為了滿足調(diào)速要求，須有 ncl = 2.63 r/min，由式（1-38）可得6 .103163. 22751coplnnK代入已知參數(shù)，則得 462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK2222Ud4Ud3Ud2Ud1IdId1Id3Id2Id4ABCAD閉環(huán)靜特性閉環(huán)靜特性開環(huán)機械特性圖1-26 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關系n 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程0n2323n 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程（續(xù)）系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程（續(xù)）w開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng) Id n 例如：在圖例如：在圖1

13、-261-26中工作點從中工作點從A A A A w閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng) Id n Un Un n Ud0 Uc w例如：在圖例如：在圖1-261-26中工作點從中工作點從A A B B24241.4.5 反饋控制規(guī)律 (1) 1) 只用比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其只用比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量是有靜差的。被調(diào)量是有靜差的。)1 (KCRInedcl，才能使 =0。 Kcln只有2525 一方面能夠有效地抑制一切一方面能夠有效地抑制一切被包在被包在負反饋環(huán)內(nèi)前向通道上負反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任

14、何變化都是唯命是從對給定信號的任何變化都是唯命是從的。的。 (2)2)反饋控制系統(tǒng)的作用是：2626 給定和擾動作用給定和擾動作用 2727n 調(diào)速系統(tǒng)的擾動源w負載變化的擾動（使負載變化的擾動（使I Id d變化）；變化）；w交流電源電壓波動的擾動（使交流電源電壓波動的擾動（使K Ks s變化）；變化）；w電動機勵磁的變化的擾動（造成電動機勵磁的變化的擾動（造成C Ce e 變化變化 ）；）；w放大器輸出電壓漂移的擾動（使放大器輸出電壓漂移的擾動（使K Kp p變化）；變化）；w溫升引起主電路電阻增大的擾動（使溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R R變化）；變化）；w檢測誤差的擾動（使檢測誤差

15、的擾動（使 變化）變化） 。 在圖在圖1-271-27中，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構框中，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速。2828 抗擾能力抗擾能力反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。w例如：Us Ud0 n Un Un w w n Ud0 Uc反饋通道上的測速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會增大被調(diào)量的誤差。w例如： Un Un Uc Ud0 n 2929n給定作用 與眾不同的是在反饋環(huán)外的給定作用，如圖1-27中的轉(zhuǎn)速給定信號，它的微小變化都

16、會使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋作用的抑制。 如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應有的電壓波動。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。3030結(jié)論結(jié)論3n只用比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量是有靜差的。n反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定。n系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。31311.4.6 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算是自動控制系統(tǒng)設計的第一步，它決定了控制系統(tǒng)的基本構成，然后再通過動態(tài)參數(shù)設計使系統(tǒng)臻于完善。 在討論具體的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算方法以前，先研究一下幾個主要的部件。3232 運算放大器運算放大器 *()yPxxUKUU 運算放大器用作比運算放大器用作比例放大器例放大器(也稱比例調(diào)節(jié)也稱比例調(diào)節(jié)器、器、P調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器)。稱稱A點為點為“虛地點虛地點”。于是于是 a) 原理圖 b) 結(jié)構圖 其中其中10PRKR3333 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計算數(shù)的計算 cdsUUK(1-12) 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計算方法是3434反饋控制有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖反饋控制有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖