电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt1-4闭环控制的直流拖动系统
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电力拖动自动控制系统PPT第一章闭环控制的直流调速系统资料重点
t
T
b）电压波形图
图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形
2. 斩波器的基本控制原理
在原理图中，VT 表示电力电子开关器 件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时， 直流电源电压 Us 加到电动机上；当VT 关 断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢 经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反 复，电枢端电压波形如图1-5b ，好像是电 源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。
第6章 笼型异步电动机变压变频调速系统 （VVVF系统）
第2篇 交流拖动控制系统
*第7章 绕线转子异步电机双馈调速系统 ——转差功率馈送型调速系统
*第8章 同步电动机变压变频调速系统
电力拖动自动控制系统
第1 篇
直流拖动控制系统
内容提要
直流调速方法 直流调速电源 直流调速控制
引言
直流电动机具有良好的起、制动性能， 宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调 速和快速正反向的电力拖动领域中得到了 广泛的应用。
I — 电枢电流（A）； R — 电枢回路总电阻（ ）； — 励磁磁通（Wb）； Ke — 由电机结构决定的电动势常数。
由式（1-1）可以看出，有三种方法调 节电动机的转速：
（1）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻 R。
（1）调压调速
工作条件：
n
保持励磁 = N ；
在干线铁道电力机车、工矿电力机 车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车 等电力牵引设备上，常采用直流串励或 复励电动机，由恒压直流电网供电，过 去用切换电枢回路电阻来控制电机的起 动、制动和调速，在电阻中耗电很大。
1. 直流斩波器的基本结构
电力拖动自动控制系统陈伯时一-精品文档29页
电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
17
6. 课程的性质、任务和内容 ◆本课程性质及其特点：
▲本课程属于专业必修课
▲主要以系统设计为主 ▲该课程涉及到自动控制理论、电力电子技术 和电机与拖动基础三门课
◆要求：
▲作笔记
▲准备两个作业本，按要求交作业
电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
18
7．课程内容及学时分配
电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
12
5.电气传动的发展
◆直流电气传动功率部分的发展 ▲ 最早出现的直流电气传动是交流电动机拖
动直流发电机机组作为功率部分。 ▲ 20世纪50年代,推出了水银整流器给直流电
动机供电, 是静止变流装置。玻壳易碎,运输不方 便, 造价高, 维护麻烦。
▲ 第一代电力电子器件—晶闸管，第二代— 电流控制型自关断器件(如GTO和BJT，低频(数千 赫兹) 直流脉宽调制变换器)；第三代—电场控制 型自关断器件(如功率P-MOSFET和IGBT ，高频(数 十甚至数百千赫兹) 直流脉宽调制变换器)。
24
10.课程在本专业培养中的地位与作用(续)
1）系统的观念：一个电路从信号输入、 中间的处理到最后的输出，各级之间的增益 分配、参数设置、逻辑关系都是相互协调、 相互制约的，只有通盘考虑、全面调试才能 获得理想效果。《运动控制系统》课程特别 有利于学生系统集成的能力、综合应用能力 、仿真能力的培养。
电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
25
10.课程在本专业培养中的地位与作用(续)
2）工程的观念：数学、物理的严格论证及 精确计算到工程实际之间往往有很大差距， 《运动控制系统》中的“工程设计”方法能 引导学生的思维更切合工程实际。因而特别 有利于学生工程观念的培养。
电力拖动自动控制系统(陈伯时)00概述.ppt
13
◆直流电气传动控制部分的发展
▲开环控制→单环控制→多环控制;
▲分立元件电路控制→小规模集成电
路控制→大规模集成电路控制
▲模拟电路控制→数模电路混合控制
→数字电路控制;
▲硬件控制→软件控制。
14
◆直流电气传动控制部分的发展
▲硬件设备标准化、模块化。采用微处理 机扩大存储器容量的基础上,将硬件设备( 包括微处理器、存储器、I/O、各种接口、 电源等)标准化、模块化,以增强通用性和 提高柔性。 ▲软件标准化、模块化,并采用可编程方 式大力开发软件 ▲现代控制理论及新型控制技术的开发应 用。现代控制理论与微处理机技术相结合, 实现了自适应调节、观测器等。 ▲开发新型数字式调节器。
20
9.教材：
陈伯时主编，《电力拖动自动控制系统运动控制系统》 ，第3版，机械工业出版社 ，2003年
参考书目：
《电力拖动控制系统》李华德主编 电子工业出 版社 2006年12月 《运动控制系统》李宁等 高等教育出版社 2004年7月 《电力拖动自动控制系统习题例题集》 童福尧 机械工业出版社 2001年5月
27
10.课程在本专业培养中的地位与作用(续) 4）创新的观念：在阐述电子器件的产生背 景、电路构思、应用场合等问题时特别具有 启发性，课程将控制理论与实际工程系统的 分析、设计紧密结合、相互促进，能够充分 发挥学生的想象力和创造力，因而特别有利 于创新意识和创新能力的培养。学习这些内 容的过程也有效地培养和训练了学生理论联 系工程实际的学风。
16
▼交流电气传动控制模式的发展
转速开环的恒压频比控制→转速闭环转差频率控制→ 矢量控制→解耦控制→模糊控制; 分立元件电路控制→小规模集成电路控制→大规模集 成电路控制; 模拟电路控制→数字电路控制; 硬件控制→软件控制。 ▲第一代电力电子器件构成的VVVF装置主要的控制模 式是模拟电路实现的转速开环或转差频率控制。 ▲第二代电力电子器件构成的VVVF装置主要的控制模 式是模拟和数字电路实现的矢量控制。 ▲第三代电力电子器件构成的VVVF 装置主要的控制 模式是数字电路及软件实现的矢量控制、解耦控制、 模糊控制等。
◆直流电气传动控制部分的发展
▲开环控制→单环控制→多环控制;
▲分立元件电路控制→小规模集成电
路控制→大规模集成电路控制
▲模拟电路控制→数模电路混合控制
→数字电路控制;
▲硬件控制→软件控制。
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◆直流电气传动控制部分的发展
▲硬件设备标准化、模块化。采用微处理 机扩大存储器容量的基础上,将硬件设备( 包括微处理器、存储器、I/O、各种接口、 电源等)标准化、模块化,以增强通用性和 提高柔性。 ▲软件标准化、模块化,并采用可编程方 式大力开发软件 ▲现代控制理论及新型控制技术的开发应 用。现代控制理论与微处理机技术相结合, 实现了自适应调节、观测器等。 ▲开发新型数字式调节器。
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9.教材：
陈伯时主编，《电力拖动自动控制系统运动控制系统》 ，第3版，机械工业出版社 ，2003年
参考书目：
《电力拖动控制系统》李华德主编 电子工业出 版社 2006年12月 《运动控制系统》李宁等 高等教育出版社 2004年7月 《电力拖动自动控制系统习题例题集》 童福尧 机械工业出版社 2001年5月
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10.课程在本专业培养中的地位与作用(续) 4）创新的观念：在阐述电子器件的产生背 景、电路构思、应用场合等问题时特别具有 启发性，课程将控制理论与实际工程系统的 分析、设计紧密结合、相互促进，能够充分 发挥学生的想象力和创造力，因而特别有利 于创新意识和创新能力的培养。学习这些内 容的过程也有效地培养和训练了学生理论联 系工程实际的学风。
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▼交流电气传动控制模式的发展
转速开环的恒压频比控制→转速闭环转差频率控制→ 矢量控制→解耦控制→模糊控制; 分立元件电路控制→小规模集成电路控制→大规模集 成电路控制; 模拟电路控制→数字电路控制; 硬件控制→软件控制。 ▲第一代电力电子器件构成的VVVF装置主要的控制模 式是模拟电路实现的转速开环或转差频率控制。 ▲第二代电力电子器件构成的VVVF装置主要的控制模 式是模拟和数字电路实现的矢量控制。 ▲第三代电力电子器件构成的VVVF 装置主要的控制 模式是数字电路及软件实现的矢量控制、解耦控制、 模糊控制等。
电力拖动自动控制系统_(第三版)_陈伯时
当积分调节器的输入偏差电压 时，调节器的输出电压 不是零，而是一个终值 ，它取决于输入偏差量的全部历史。
1-17在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影响？并说明理由。
答：转速的稳态精度还受给定电源和测速发电机精度的影响，因为系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度， 。例如，若给定应为15V～1500转；当给定发生错误为13V时，转速n不为1500转。当反馈检测环节的精度不准时，即α有误差时，转速n也不为1500转。
1-4某一调速系统，测得的最高转速特性为 ，最低转速特性为 ，带额定负载时的速度降落 ，且在不同转速下额定速降 不变，试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？
解：思路一：
系统能够达到的调速范围为：
系统允许的静差率：
思路二：
系统允许的静差率：
系统能够达到的调速围为：
1-5某闭环调速系统的调速范围是1500~150r/min，要求系统的静差率 ，那么系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？
（1）系统开环工作时，试计算调速范围 时的静差率s值。
（2）当 ， 时，计算系统允许的稳态速降。
（3）如组成转速负反馈有静差调速系统，要求 ， ，在 时 ， ，计算转速负反馈系数 和放大器放大系数 。
（4）如将上述调速系统改为电压负反馈有静差调速系统，仍要求在 时， ， ，并保持系统原来的开环放大系数 不变，试求在 时的静差率。
②抵抗扰动，服从给定。
③系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。
（2）改变给定电压会改变电动机的转速，因为反馈控制系统完全服从给定作用。
（3）如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比会改变转速，因为反馈信号与给定信号的比较值发生了变化，破坏了原先的平衡，调速系统就要继续动作，使反馈信号与给定信号达到新的平衡为止。
1-17在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影响？并说明理由。
答：转速的稳态精度还受给定电源和测速发电机精度的影响，因为系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度， 。例如，若给定应为15V～1500转；当给定发生错误为13V时，转速n不为1500转。当反馈检测环节的精度不准时，即α有误差时，转速n也不为1500转。
1-4某一调速系统，测得的最高转速特性为 ，最低转速特性为 ，带额定负载时的速度降落 ，且在不同转速下额定速降 不变，试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？
解：思路一：
系统能够达到的调速范围为：
系统允许的静差率：
思路二：
系统允许的静差率：
系统能够达到的调速围为：
1-5某闭环调速系统的调速范围是1500~150r/min，要求系统的静差率 ，那么系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？
（1）系统开环工作时，试计算调速范围 时的静差率s值。
（2）当 ， 时，计算系统允许的稳态速降。
（3）如组成转速负反馈有静差调速系统，要求 ， ，在 时 ， ，计算转速负反馈系数 和放大器放大系数 。
（4）如将上述调速系统改为电压负反馈有静差调速系统，仍要求在 时， ， ，并保持系统原来的开环放大系数 不变，试求在 时的静差率。
②抵抗扰动，服从给定。
③系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。
（2）改变给定电压会改变电动机的转速，因为反馈控制系统完全服从给定作用。
（3）如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比会改变转速，因为反馈信号与给定信号的比较值发生了变化，破坏了原先的平衡，调速系统就要继续动作，使反馈信号与给定信号达到新的平衡为止。
《电力拖动自动控制系统》第三版陈伯时详解
计算旋转物体的转动惯量分两种情况：
1.旋转轴通过该物体的重心
k
J ri2 mi i 1
mi 该物体某个组成部分的质量； ri－－该部分mi的重心到旋转轴的距离。
对于质量连续分布的物体用相应的定积分计算如下
J r2dm V
2.旋转轴为不通过该物体重心的任意轴时，该物体的 转动惯量是它围绕着不通过其重心的任意轴旋转的转 动惯量（J）与它围绕穿过自身重心且平行于该任意轴 线旋转的转动惯量（J’）之和。
闭环控制的直流调速系统
转速、电流双闭环直流调速 系统和调节器的工程设计方法
注：教材1为顾绳谷教授主编《电机及拖动基础》下册 教材2为陈伯时教授主编《电力拖动自动控制系统》
第二篇 交流拖动控制系统
绪论2
（教材1）
第6章
（教材2）
异步电机及其拖动
笼型异步电动机变压变频调速 系统（VVVF系统）
第7章 绕线转子异步电机双馈调速系统 ---转差功率馈送型调速系统
概况
电机拖动的发展：
直流拖动---无耦合、调速性能好，但是结构复杂、难维护、
价格昂贵、转动惯量大等
交流拖动---强耦合、调速性能差，但是结构简单、易维护、价格
便宜、转动惯量小等
直流拖动
电力电子技术 和 控制技术的发展
交流拖动---基本无耦合、调速性能好等
性质与任务
性质：是电气工程及其自动化专业的专 业基础课；
T
Tz
GD 2 375
dn dt
（3）
式中，GD 2称为飞轮惯量（ N m2），GD 2 4gJ
由式（3）可知电机的各种运动状态：
1、当 T Tz 2、当 T Tz
3、当 T Tz
dn 0 dt
电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt1-2-3直流拖动控制系统
n
2U 2
cos[sin(
6
)
sin(
6
)ectg
]
Ce (1 ectg )
(1-10)
Id
3 2U2
2R
[cos(
6
) cos(
6
)
Ce n]
2U 2
式中 arctg L ； — 一个电流脉波的导通角。
R
89电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
21
（3）电流断续机械特性计算
当阻抗角 值已知时，对于不同的控制 角 ，可用数值解法求出一族电流断续时的
1
LP
VT
T
c1
2
c2
L
b1 a1
b2 M
a2
并联多重联结的12脉波整流电路
89电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
17
1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性
当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为
n
1 Ce
(U d0
Id R)
1 Ce
m ( π Um
sin
π m
cos
Id R)
（1-9）
式中 Ce = KeN —电机在额定磁通下的电动势系数。 式（1-9）等号右边 Ud0 表达式的适用范围如第1.2.1节
R— 主电路等效电阻；
且有 R = Rrec + Ra + RL；
89电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
8
对ud0进行积分，即得理想空载整流电 压平均值Ud0 。
用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平 均值Ud0是晶闸管整流器的特点。
Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电
路的形式而异，对于一般的全控整流电路，
电力拖动自动控制系统课件
前
言
根据全国高等院校电工及自动化类专业教 学指导委员会制定的教材规划，由陈伯时教授 主编的《电力拖动自动控制系统—运动控制系 统》一书第3版即将出版。此次修订，既继承了 前两版在理论联系实际，应用自动控制理论解 决电力拖动控制系统的分析和设计问题方面的 特色，又充分体现了近年来电力传动在电力电 子变换器、计算机数字控制和交流拖动控制技 术等方面的技术进步。
前
言
本课件由上海海运学院汤天浩教授以教材 的电子稿为基础制作完成，部分课件已在教学 中试用，效果良好。本人作为陈伯时教授的学 生，长期受到恩师的谆谆教诲，此次又承蒙陈 老师的推荐，担任其新版教材课件的制作者。 该课件的制作完成自始至终得到了陈教授的指 导和帮助，陈教授还百忙中仔细审核了课件全 稿，并提出了许多宝贵的修改意见，在此谨表 示诚挚的感谢！
前
言
为了便于新版教材的使用，特推出此《电 力拖动自动控制系统—运动控制系统》多媒体 课件。该课件的制作指导思想是：运用计算机 多媒体工具，忠实体现教材的教学思路和主要 内容，以丰富教师的教学手段，并为学生学习 和理解教材的精髓提供帮助。 在内容上，本课件适用于60学时左右的课 堂教学，少学时的专业可按需选用。课件的使 用极为方便，详见光盘中的“使用说明.txt”文 件。
前
言
上海海运学院为课件的制作提供了大力的支持和良 好的工作条件，在此表示衷心的感谢，还要感谢我的博 士生姚刚和韩金刚，硕士生李哲、王天真、杨铭和黄东 坡，以及同事张鉴铭高工，他们的工作为课件增色不少。 尽管我们在课件的制作中付出了许多心血和努力， 但由于能力有限，时间仓促，仍存在许多不足之处，恳 请广大读者不吝赐教，批评指正。 汤天浩 2003年7月
第1篇
第 1章 第2章 第3章 第4章
言
根据全国高等院校电工及自动化类专业教 学指导委员会制定的教材规划，由陈伯时教授 主编的《电力拖动自动控制系统—运动控制系 统》一书第3版即将出版。此次修订，既继承了 前两版在理论联系实际，应用自动控制理论解 决电力拖动控制系统的分析和设计问题方面的 特色，又充分体现了近年来电力传动在电力电 子变换器、计算机数字控制和交流拖动控制技 术等方面的技术进步。
前
言
本课件由上海海运学院汤天浩教授以教材 的电子稿为基础制作完成，部分课件已在教学 中试用，效果良好。本人作为陈伯时教授的学 生，长期受到恩师的谆谆教诲，此次又承蒙陈 老师的推荐，担任其新版教材课件的制作者。 该课件的制作完成自始至终得到了陈教授的指 导和帮助，陈教授还百忙中仔细审核了课件全 稿，并提出了许多宝贵的修改意见，在此谨表 示诚挚的感谢！
前
言
为了便于新版教材的使用，特推出此《电 力拖动自动控制系统—运动控制系统》多媒体 课件。该课件的制作指导思想是：运用计算机 多媒体工具，忠实体现教材的教学思路和主要 内容，以丰富教师的教学手段，并为学生学习 和理解教材的精髓提供帮助。 在内容上，本课件适用于60学时左右的课 堂教学，少学时的专业可按需选用。课件的使 用极为方便，详见光盘中的“使用说明.txt”文 件。
前
言
上海海运学院为课件的制作提供了大力的支持和良 好的工作条件，在此表示衷心的感谢，还要感谢我的博 士生姚刚和韩金刚，硕士生李哲、王天真、杨铭和黄东 坡，以及同事张鉴铭高工，他们的工作为课件增色不少。 尽管我们在课件的制作中付出了许多心血和努力， 但由于能力有限，时间仓促，仍存在许多不足之处，恳 请广大读者不吝赐教，批评指正。 汤天浩 2003年7月
第1篇
第 1章 第2章 第3章 第4章
电力拖动自动控制系统课件(精)
电力拖动自动控制系统的发展
1971年，西门子F.Blaschke(布拉施克)提出了矢量 变换控制原理解决了转矩控制问题；1985年德国鲁尔大 学M.Depenbrock提出了直接转矩控制理论，简化了矢量 变换控制原理的复杂计算；各种现代控制理论的发展也 使得交流电机控制技术迅速发展。 微处理机引入控制系统，使模拟控制向数字化方向 发展，从单片机到DSP，从DSP到RISC（简单指令集计算 机），使各种算法得以快速实现，拓宽了交流调速的应 用领域，不但简化了控制系统的硬件结构，而且提高了 控制性能，降低了电机能耗，交流调速系统将成为电力 拖动系统的主要力量。
O
TL
调磁调速特性曲线
Te
三种调速方法的性能与比较
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统 来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改 变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑 调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方 案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围 的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压 调速为主。
电力拖动自动控制系统的发展
21世纪进入电力电子智能化时代，特点是电 力电子器件及其控制装置智能化，从而使变频和 逆变技术智能化。 电力电子技术的发展促进了电力拖动自动控 制系统的迅速发展，进一步实现了电力拖动系统 的高效节能和优化控制。 电力拖动和自动控制技术的发展密切相关， 控制系统通过电力电子器件为电机提供了可以控 制的电源，是弱电控制强电的媒介。
课程主要内容 第1篇 直流拖动系统和随动系统
第一章 闭环控制的直流调速系统 第二章 多环控制的直流调速系统
第三章 可逆调速系统
第四章 直流脉宽调速系统 第五章 位置随动系统
第2篇
交流调速系统
第六章 交流调速系统的基本类型和交流变压调速系统
电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt1-5闭环控制的直流调速系统
+
Uct (s) Un (s) KP
Ks
Ud0 (s) +
1/Ce TmTl s2+Tms+1
n(s)
Tss+1
将电力电子变换器按一阶惯性环节处理 图1-36 反馈控制闭环调速系统的动态结构图 后，带比例放大器的闭环直流调速系统 可以看作是一个三阶线性系统
51电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
1/Ce TmTl s2+Tms+1
51电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
16
3. 控制与检测环节的传递函数
直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放 大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是 瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系 数，即 放大器
U c ( s) Wa (s) Kp U n (s)
为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须 首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对 于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方 程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图 表示,基本步骤如下：
（1）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环 节动态过程的微分方程；
（2）求出各环节的传递函数； （3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。
比例积分（PI）
比例积分微分（PID）
51电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
27
一般的调速系统要 PID调节器的功能 求以动态稳定和稳 态精度为主，对快 速性的要求可以差 由PD调节器构成的超前校正，可提高系 一些，所以主要采 统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但 用PI调节器
稳态精度可能受到影响； 由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳 在随动系统中，快速性 态精度，却是以对快速性的限制来换取系 PD 是主要要求，须用 或PID 调节器 统稳定的； 用PID调节器实现的滞后—超前校正则兼 有二者的优点，可以全面提高系统的控制 性能，但具体实现与调试要复杂一些。
Uct (s) Un (s) KP
Ks
Ud0 (s) +
1/Ce TmTl s2+Tms+1
n(s)
Tss+1
将电力电子变换器按一阶惯性环节处理 图1-36 反馈控制闭环调速系统的动态结构图 后，带比例放大器的闭环直流调速系统 可以看作是一个三阶线性系统
51电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
1/Ce TmTl s2+Tms+1
51电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
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3. 控制与检测环节的传递函数
直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放 大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是 瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系 数，即 放大器
U c ( s) Wa (s) Kp U n (s)
为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须 首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对 于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方 程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图 表示,基本步骤如下：
（1）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环 节动态过程的微分方程；
（2）求出各环节的传递函数； （3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。
比例积分（PI）
比例积分微分（PID）
51电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
27
一般的调速系统要 PID调节器的功能 求以动态稳定和稳 态精度为主，对快 速性的要求可以差 由PD调节器构成的超前校正，可提高系 一些，所以主要采 统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但 用PI调节器
稳态精度可能受到影响； 由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳 在随动系统中，快速性 态精度，却是以对快速性的限制来换取系 PD 是主要要求，须用 或PID 调节器 统稳定的； 用PID调节器实现的滞后—超前校正则兼 有二者的优点，可以全面提高系统的控制 性能，但具体实现与调试要复杂一些。
电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt11直流拖动控制系统(1)
工作条件：
保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ；
调节过程：
减小励磁 N
n ， n0
调速特性：
n
n3
n0
nn12 nN
转速上升，机械特性曲
线变软。
O
TL
调磁调速特性曲线
电力电拖力动传自动动控控制制系系统统
N 1 2 3
Te
9
第1章 闭环控制的直流调速系统
本章着重讨论基本的闭环控制系 统及其分析与设计方法。
— 占空比， = ton / T = ton f ；
f 为开关频率。
电力电拖力动传自动动控控制制系系统统
23
4.斩波电路三种控制方式
根据对输出电压平均值进行调制的方式 不同而划分，有三种控制方式：
•T 不变，变 ton —脉冲宽度调制（PWM）； •ton不变，变 T —脉冲频率调制（PFM）；
➢如此反复，电枢端电压波形如图1-5b ，好像
是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T – ton
时间内被斩断，故称“斩波”。
电力电拖力动传自动动控控制制系系统统
22
3. 输出电压计算
这样，电动机得到的平均电压为
Ud tTonUs Us
(1-2)
式中 其中
T — 晶闸管的开关周期； ton — 开通时间；
1. 直流斩波器的基本结构
图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形
电力电拖力动传自动动控控制制系系统统
21
2. 斩波器的基本控制原理
在原理图中，VT 表示电力电子开关器件， VD 表示续流二极管。
➢当VT 导通时，直流电源电压 Us 加到电动机上；
➢当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机 电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。
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nN s D nN (1 s )
值一定时，对静差率要求越高， 即要求 s 值越小时，系统能够允许的 调速范围也越小。
53电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
8 nN
结论1
◆调速范围和静差率这两项指标并不是彼此 孤立的，必须同时提才有意义。 ◆调速系统的静差率指标应以最低速时所能达 到的数值为准。 ◆调速系统的调速范围，是指在最低速时还能 满足所需静差率的转速可调范围。
25
1.4.5 反馈控制规律
(1) 只用比例放大器的反馈控制系统，其 被调量是有静差的。
RId ncl Ce (1 K )
=0。 只有 K ，才能使 n cl
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(2)反馈控制系统的作用是： 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。
例如：
Un Un Uc Ud0 n
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30
给定作用
与众不同的是在反馈环外的给定作用， 如图1-27中的转速给定信号，它的微小变 化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈 作用的抑制。 如果产生给定电压的电源发生波动， 反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正 常调节还是不应有的电压波动。因此，高 精度的调速系统必须有更高精度的给定稳 压电源。
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29
抗扰能力
反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰 动都有抑制功能。
例如：Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc
反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生 变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反 而会增大被调量的误差。
scl sop 1 K
20
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比 较（续）
（3）所要求的静差率一定时，闭环系统可大大 提高调速范围（最高转速相同）
Dcl (1 K ) Dop
（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置 放大器
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21
结论2
电力拖动自动控制系统
第 1 章
闭环控制的直流拖动系统
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1
本章提要
1.1 直流调速系统用的可控直流电源
1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题
1.3 直流脉宽调速系统的主要问题
1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统
c）只考虑扰动作用时的 闭环系统
RI d n Ce (1 K )
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开环系统机械特性和闭环系统静特性
开环机械特性：
U d0 Id R n Ce
* K p K sU n
Ce
RI d n0op nop Ce
闭环系统静特性 ：
b) 结构图
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34
• 晶闸管触发和整流装置的放大系 数的计算
晶闸管触发和整 流装置的放大系数 可由工作范围内的 特性率决定，计算 方法是
(3)静差率与机械特性硬度的关系
调压调速系统在 不同转速下的机械 特性是互相平行的。 对于同样硬度的特 性，理想空载转速 越低时，静差率越 大。调速系统的静 差率应以最低速的 数值为准。
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6
静差率与机械特性硬度的关系（续）
例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%； 在100r/min时同样降落10r/min，就占10%；
1.4.1 转速控制的要求和调速指标
对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面： （1）调速—在一定的最高转速和最低转速范围内 ，分档地或平滑地调节转速； （2）稳速—以一定的精度在所需转速上稳定运 行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动； （3）加、减速—频繁起、制动的设备要求加、 减速尽量快，不宜经受剧烈速度变化的机械则要求 起、制动尽量平稳。
15
静特性方程
从上述五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
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16
闭环系统的稳态结构框图
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b）只考虑给定作用时的 闭环系统
* K p K sU n
n
Ce (1 K )
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12
例1-2 :某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机：Z2-93 型、60kw、220V、305A、1000r／min，如果采用V-M系 统，已知主回路总电阻R＝0.18Ω，电动机Ce＝ 0.2V· min/r。如果要求D＝20，s＜5％，则开环调速能否 满足？ 解： 当电流连续时，V-M系统的额定速降为
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结论3
1. 只用比例放大器的反馈控制系统， 其被调量是有静差的。 2.反馈控制系统的作用是：抵抗扰 动，服从给定。 3.系统的精度依赖于给定和反馈检 测的精度。
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1.4.6 稳态参数计算
稳态参数计算是自动控制系统设 计的第一步，它决定了控制系统的基 本构成，然后再通过动态参数设计使 系统臻于完善。 在讨论具体的稳态参数计算方法以 前，先研究一下几个主要的部件。
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。
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例题1-3
在例题1-2中，龙门刨床要求D = 20，s < 5%， 已知 Ks = 30， = 0.015V· min/r，Ce = 0.2V· min/r， 如何采用闭环系统满足此要求？ 在上例中已经求得 Δnop = 275 r/min， 但为了满足调速要求，须有 Δncl = 2.63 r/min， 由式（1-38）可得 nop 275 K 1 1 103 .6 ncl 2.63 代入已知参数，则得
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2
本节要点
1.调速系统的基本稳态指标（调速范围及静差率）定义 和相互关系； 2.闭环调速系统各组成环节的静态结构推导； 3.闭环调速系统静特性方程中开环放大系数K对误差控 制的意义; 4.反馈控制闭环调速系统的稳态设计中,开环增益K与调 速范围D、静差率s的对应关系，误差放大器增益Kp的确定 原则。 重点、难点: 1.闭环调速系统各组成环节的静态结构推导 2.闭环调速系统静特性方程中开环放大系数K对误差控 制的意义 53电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统 3
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4
为了进行定量的分析，可以针对前 两项要求定义两个调速指标:
(1) 调速范围 (2) 静差率
n N s n0
n max D n min
或
nN s 100 % n0
这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。
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5
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33
◆ 运算放大器
运算放大器用作比 例放大器(也称比例调节 器、P调节器)。 称A点为“虚地点”。 于是
* U y K P (U x U x )
R1 + R0 R0 A
U*x Ux -
+
-
Uy
Rbal
a) 原理图
U*x
+ Ux
KP
Uy
R1 其中 K P R0
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系统调节过程（续）
开环系统 Id n
例如：在图1-26中工作点从A A’ 闭环系统 Id n Un Un
n Ud0 Uc
例如：在图1-26中工作点从A B
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10
1.4.2开环调速系统和闭环调速系统
要求S不能 太大，一般 S《5%
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◆开环调速系统往往不能满足调速范围和静差率
的要求。 ◆反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控 制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产 生纠正偏差的作用。 因此，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。
I dN R 305 0.18 nN r / min 275 r / min Ce 0.2
开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为 nN 275 sN 0.216 21.6% nN nN 1000 275
这已大大超过了5％的要求！ 如果要满足生产工艺D＝20，s＜5％的要求，ΔnN应该是多少呢?
Kp K 103 .6 46 K s / Ce 30 0.015 / 0.2
解
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n
系统调节过程
开环机械特性
闭环静特性
C D
A A’
BUdBiblioteka Ud3 Ud2 Ud10
Id1
Id2
Id3
Id4
Id