直流电机的调速.ppt

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1、第一节 概述,第四章 直流电动机调速系统,优点：直流电动机具有良好的起动、制动和调速特性，宽范围内无级调速应用场合：对电动机的调速性能要求较高的生产设备中,一、基本结构：定子：定子磁场由定子磁极产生。由产生磁场方式分为永磁式和他励式。永磁式磁极由永磁材料制成，他励式由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈，通直流电产生磁场转子：又称电枢，硅钢片叠压而成，通直流电时在磁场作用下产生电磁转矩带动负载旋转电刷与换向片：保持电磁转矩恒定方向，转子旋转方向不变。电刷与外加电源连接，换向片与电枢导体相连,(a)转子主体,(b)电枢钢片,C）直流电机的定子,二、永磁直流电机的工作原理,永磁直流电动机结构图,通有直流电

2、的电枢（转子）在恒定磁场的作用下，受到电磁转矩的驱使，带动负载旋转。1、转矩平衡方程式：,永磁电机中、是常数，又写为 电磁转矩、负载转矩与转速变化的关系：,动转矩0，加速；动转矩0，减速；动转矩=0，恒转速运行,动转矩,2、直流伺服电动机的电压平衡方程式,转子在磁场中以转速n切割磁力线时，电枢反电动势E与转速n之间存在如下关系,外加电压为，直流电动机的电压平衡方程式为,3、机械特性,表示的是转速和转矩的关系,第二节 单闭环调速系统,一、调速定义 某一负载下，改变电机或电源参数来改变机械特性曲线，从而使电机转速发生变化或保持不变1、一定范围内“变速”，即电动机负载不变，转速在一定范围内变化2、保

3、持“稳速”。即保证电机的工作速度不受外界干扰的影响而下降，使速度接近或等于原来的转速。,注意：调速与转速自然变化的区别。“转速的自然变化”是指生产机械的负载转矩发生变化时，电动机的电磁转矩T 要相应发生变化，电动机的转速也将随着发生变化。调速是通过人为手段改变电机参数而实现的转速变化。,由机械特性可以看出，两种方法可以调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压 Ud；,降压调速：降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速n0下降，导致转速下降。得到的是一组平行变化的曲线。具有调速范围宽，机械特性硬，动态性能好的优点。连续改变Ud能够实现无级调速，是目前主要的调速方法之一,（2）改变电枢附加电阻 Ra

4、。,2.电枢回路串电阻调速 电枢回路串入不同数值附加电阻，调节转速。外接电阻越大，电阻功耗越大，使机械特性斜率变大，负载转速降变大，导致转速下降。机械特性越软，稳定性越差，是有级调速,三、调速指标（一）静态调速指标1、调速范围额定负载下，最高转速 与最低转速 之比称为调速范围，用D表示。D=/指额定负载时，电力拖动系统可能运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比。其中nmax受直流电动机转动部分机械强度与换向条件的限制，nmin受低转速时相对稳定性的限制。,不同的生产机械对调速范围要求也不相同。例如：车床：D=20 120，龙门刨床：D=10 40,机床进给机构：D=5 200；轨钢机：D

5、=3 120;造纸机：D=3 20 等。对于一些经常轻载运行的生产机械，例如精密机床等，可用实际负载时的最高转速和最低转速之比计算调速范围D。,2、调速的稳定性 转差率 nom-额定负载的转矩no-空载理想空载转速,电动机的机械特性愈硬，则转差率愈小，相对稳定性愈高。生产机械调速时，为保持一定的稳定程度，要求静差率S%小于某一允许值，不同的生产机械，其允许的静差率是不同的。如：普通机床S30%;起重类机械 S50%;；精密机床 S1%;精度高的造纸机S0.1%转差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同之处，两条平行的机械特性，硬度一样，但转差率不同。,二、动态调速指标,控制系统的时间响应，从时间

6、顺序上，可以划分为过渡过程和稳态过程。过渡过程是指系统从初始状态到接近最终状态的响应过程；稳态过程是指时间趋于无穷时系统的输出状态。研究系统的时间响应，必须对过渡过程和稳态过程的特点和性能以及有关描述这两个过程的指标进行探讨。通常以阶跃响应来衡量系统控制性能的优劣和定义时域性能指标。系统的阶跃响应性能指标如下所述，,1、跟随性能指标：在给定信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。通常以输出量的初始值为零，给定阶跃信号变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这种情况下的动态响应也称阶跃响应。,2、上升时间：指单位阶跃响应曲线c(t)，从稳态值的10上升到90所需要的时间(也有指从零

7、上升到稳态值所需要的时间)；3、延迟时间td：指单位阶跃响应曲线c(t)上升到其稳态值的50所需要的时间。,4、超调量；指在响应过程中，超出稳态值的最大偏离量 与稳态值之比即 反映系统的相对稳定性，超调量越小，则相对稳定性越好。,5、峰值时间tp：指单位阶跃响应曲线c(t)超过其稳态值而达到第一个峰值所需要的时间。,6、调节时间ts：衡量整个调节过程的快慢。在单位阶跃响应曲线的稳态值附近，取 5(有时也取 2)作为误差带，响应曲线达到并不再超出该误差带的最小时间，称为调节时间(或过渡过程时间)。调节时间标志着过渡过程结束，系统的响应进入稳态过程。,7、稳态误差：当时间t趋于无穷时，系 统单位阶

8、跃响应的实际值(即稳态值)与期望值之差，一般定义为稳态误差。即,上述性能指标中，延迟时间、上升时间和峰值时间均表示系统响应初始段的快慢；调节时间表示系统过渡过程持续的时间，是系统快速性的一个指标；超调量反映系统响应过程的平稳性；稳态误差则反映系统复现输入信号的最终(稳态)精度。,2 抗扰性能指标,一般是系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动F后的动态过程作为典型的抗扰过程，并定义抗扰指标：,1、动态降落Cmax%系统稳定运行时，突加一定数值的扰动后引起转速的最大降落Cmax%叫做动态降落，用输出量的原稳态值C1的百分数表示。系统达到新的稳态降落C2，（C2-C1）为稳态降落。一般动态降落大于稳态降

9、落。,2、恢复时间tf 从阶跃扰动开始，到进入稳态值的5%或2%的区域内为止的时间,3、振荡次数 k 在恢复时间内输出量在稳态值上下摆动的次数，代表系统的稳定性和抗扰能力强弱,根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。,三、直流调速用可控直流电源的种类：,（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流 器和晶闸管整流装置，产生可调的 直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不 可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流

10、平均电压。,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,0、开环控制系统,工作原理：采用调压调速的直流调速开环控制系统框图。改变参考电压的大小，改变控制角，从而改变晶闸管的整流输出电压，即电枢电压，从而达到调速的目的。,调压调速开环控制系统框图,应用场合：开环系统只适用用于对调速精度要求不 高的场合,开环系统的 缺点：控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。,龙门刨床：刀具切入工件

11、和退出工件时为避免刀具和工件碰坏，有调节速度的要求；由于毛坯表面不平，加工时负载常有波动，为了保证加工精度和表面光洁度，不允许有较大的速率变化。,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Ce=0.2Vmin/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

12、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：,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,为了克服开环系统的缺点，必须采用带有负反馈的闭环系统。在闭环系统中，把系统的输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，闭环控制系统具有提高系

13、统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。,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,（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：,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

14、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-IdR时的闭环系统,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。,Id,闭环静特性,n,开环机械特性,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

15、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,开环机械特性,n,闭环系统能够减

16、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 Ks=30，=0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/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 nop=275 r/min但为了满足调速要求，须有ncl=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

17、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,Us Ud0 n Un 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

18、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,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

19、低的电力电子器件来说，更是不能允许的。,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，差不多是其稳态工作值的 1+K 倍。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。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。

20、,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。,（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

21、电流负反馈。,Idbl,n0,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,U*n,Uc,Un,Id,E,n,Ud0,Un,+,+,-,-,-,系统稳态结构框图,Ui,静特性方程,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,Idbl,0,n0,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,Id,n0,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

22、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。,利用独立直流电源作比较电压,M,+,+,-,-,Ud,Id,Rc,VD,Ui,Ucom,接放大器,利用稳压管产生比较电压,Ubr,M,+,-,Ud,Id,Rc,VS,Ui,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,带电流截止负反馈的单闭环调速系统,电流反馈信号来自交流电流检测装置，与主电路电流Id成正比,系统稳态结构图,O,Ui,Id Rc-Ucom,电流截止负反馈环节的I/O特性,带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构框图,n,U*n,Uc,Ui,Id,E,Ud0,Un,+,+,-,-,-,U

23、com,Id Rs-Ucom,-,+,+,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 Id Idcr 时，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 Id Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成,Idbl,Idcr,n0,Id,O,n0,A,B,带电流截止负反馈单闭环调速系统的静特性,D,C,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 Kp Ks Rs，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un*的作用一致，好象把理想空载转速提高到,这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性

24、。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 Kp Ks Rs R，因此,电流截止负反馈环节参数设计,Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl=（1.52）IN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 Idcr（1.11.2）IN,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

25、得,Id(s),IL(s),E(s),n(s),Ud0(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,IL(s),n(s),Ud0(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Uct的值，但整流电压的瞬时波形和 角并不能立即跟随Uct的变化，通常把这个滞后时间称作整流装置的失控时间，用Ts来表示。,u,2,u,d,Uc,t,t,a1,0,Uc1,Uc2,a1,t,t,0,0,0,a2,a2,Ud01,Ud02,TS,O,O,O,O,晶闸管触发与整流失控时间

26、分析,晶闸管触发与整流装置的失控时间,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,晶闸管触发器和整流装置动态结构图为,Uct,Ud0,3、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。,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Tm、TL、Ts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

27、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，Kp 越大，系统精度越高；但 Kp 过大

28、，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 Uc=Kp UnUc 0，电动机运行，即Un 0；Uc=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,Uex,Rbal,Uin,R0,+,A,图1-43 积分调节器a

29、)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),Uex,Uin,Uexm,t,Uin,Uex,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Uc是转速偏差电压Un的积分，应有 如果是Un 阶跃函数，则 Uc 按线性规律增长，每一时刻 Uc 的大小和 Un 与横轴所包围

30、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 Un 是负载变化时的偏差电压波形，按照Un与横轴所包围面积的正比关系，可得相应的Uc 曲线，图中Un 的最大值对应于Uc 的拐点。若初值不是零，还应加上初始电压Uc0，则积分式变成,由上图 b 可见，在动态过程中，当 Un 变化时，只要其极性不变，即只要仍是 Un*Un，积分调节器的输出 Uc 便一直增长；只有达到 Un*=Un，Un=0时，Uc 才停止上升；不到 Un 变负，Uc 不会下降。在这里，值得特别强调的是，当 Un=0时，Uc并不是零，而是一个终值 Ucf；

31、如果 Un 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

32、系统 当负载转矩由TL1突增到TL2时，有静差调速系统的转速n、偏差电压 Un 和控制电压 Uc 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 Un 必为零。如果 Un 不为零，则 Uc 继续变化，就不是稳态了。在突加负载引起动态速降时产生Un，达到新的稳态时，Un 又恢复为零，但 Uc 已从 Uc1 上升到 Uc2，使电枢电压由 Ud1 上升到 Ud2，以克服负载电流增加的压降。在这里，Uc 的改变并非仅仅依靠 Un 本身，而是依靠 Un 在一段时间内的积累。,积分控制无静差调速系统突加负

33、载时的动态过程,虽然现在Un=0，只要历史上有过 Un，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 Uc。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,a)I调节器,两种调节器I/O特性曲线,那么

34、，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。,Uex,比例积分（PI）调节器,i0,i1,PI输入输出关系,按照运算放大器的输入输出关系，可得,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,Uex,Uin,Uexm,t,Uin,Uex,O,KpiUin,O,t,O,t,Uc,Uc,Un,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

35、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,+,+,-,RP2,n,RP1,U*n,R0,R0,Rbal,Uc,VBT,VS,Ui,TA,Id,R1,C1,Un,Ud,无静差直流调速系统示例,+,+,+,+,-,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

36、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（Id Idcr）,U*n,Uc,Un,IdR,E,n,Ud0,Un,+,+,-,-,无静差系统的理想静特性如右图所示。当 Id Idcr 时，系统无静差，静特性是不同转速

37、时的一族水平线。当 Id Idcr 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,Id,Idcr,n1,n2,nmax,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 Un=0，因而 Un=Un*，可以直接计算转速反馈系数,（1-36）,电流截止环节的参数很容易根据其电路和截止电流值 Idcr计算出。PI调节器的参数 Kpi和可按动态校正的要求计算。,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）,