2.3转速反馈控制的直流调速系统
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转速反馈控制直流调速系统
图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
3
稳态分析
下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能 够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的 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。
4
稳态分析( Fig2-18)
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
2.3.1 ~数学模型 2.3.2 比例控制的直流调速系统 2.3.3 比例积分控制的无静差直流调速系统 2.3.4 直流调速系统的稳态误差分析
1
闭环系统应该以什么量作为反馈量？ ➢ 系统组成，调节原理 ➢ 稳态分析(静特性) ➢ 闭环系统的稳态结构框图
2
系统组成，调节原理
（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。
如果电动机的最高转速都是nN，而对最低速
静差率的要求相同，那么：
开环时， 闭环时，
Dop
nNl(1s)
再考虑式（2-49），得
Dcl(1K)Dop
(2-50)
22
要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。
转速负反馈系统中各环节的稳态关系如下：
电压比较环节 放大器 电力电子变换器
调速系统开环机械特性 测速反馈环节
Un Un*Un
Uc KpUn
Ud0 KsUc
n Ud0 IdR Ce
Un n
以上各关系式中
Kp— 放大器的电压放大系数； Ks— UPE的电压放大系数；
— 转速反馈系数（V·min/r）；R— 电枢回路总电阻；
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大
器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的
3
稳态分析
下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能 够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的 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。
4
稳态分析( Fig2-18)
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
2.3.1 ~数学模型 2.3.2 比例控制的直流调速系统 2.3.3 比例积分控制的无静差直流调速系统 2.3.4 直流调速系统的稳态误差分析
1
闭环系统应该以什么量作为反馈量？ ➢ 系统组成，调节原理 ➢ 稳态分析(静特性) ➢ 闭环系统的稳态结构框图
2
系统组成，调节原理
（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。
如果电动机的最高转速都是nN，而对最低速
静差率的要求相同，那么：
开环时， 闭环时，
Dop
nNl(1s)
再考虑式（2-49），得
Dcl(1K)Dop
(2-50)
22
要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。
转速负反馈系统中各环节的稳态关系如下：
电压比较环节 放大器 电力电子变换器
调速系统开环机械特性 测速反馈环节
Un Un*Un
Uc KpUn
Ud0 KsUc
n Ud0 IdR Ce
Un n
以上各关系式中
Kp— 放大器的电压放大系数； Ks— UPE的电压放大系数；
— 转速反馈系数（V·min/r）；R— 电枢回路总电阻；
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大
器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的
运动控制系统考试简答题
绪论1、运动控制系统：以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
工作原理：通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。
2、分类（1）按被控量分：以转速为被控量的系统——调速系统以角位移或直线位移为被控量的系统——位置随动(伺服)系统。
（2）按驱动电机的类型分：直流电机带动生产机械——直流传动系统交流电机带动生产机械——交流传动系统（3）按控制器类型分：以模拟电路构成的控制器——模拟控制系统以数字电路构成的控制器——数字控制系统（4）按控制系统中闭环的多少分：单环、双环、多环控制系统3、运动控制系统的功率放大与变换装置：一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；4、反抗性恒转矩负载不是转矩作用方向和运动方向相反吗？那为什么n>0时T>0,n<0时T<0?答：n>0,T>0 和n<0,T<0意味着电机目前处于正转电动和反转电动状态，这个和负载转矩没有关系。
第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速调节转速方法Φ-=eKIRUn2、直流电动机点数两端的平均电压 三种改变输出平均电压的调制方法：（1）T 不变，变 ton —脉冲宽度调制(PWM)（2）ton 不变，变 T —脉冲频率调制(PFM)（3）ton 和 T 都可调，改变占空比—混合调制(两点式控制)。
当负载电流或电压低于某一最小值，开关器件导通，当高于某一最大值时，使开关器件关断。
3、UPE 是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。
UPE 变换器的器件选择：中、小容量系统,多采用IGBT 或P-MOSFET 构成较大容量系统,采用GTO 、IGCT 电力电子开关器件特大容量系统,则常用晶闸管触发与整流装置4、 系统稳态参数计算例： 用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，s s ond ρU U T t U ==5、PID调节器的类型和功能比例微分(PD)：由PD调节器构成的超前校正,可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性, 但稳态精度可能受到影响；比例积分(PI)：由PI调节器构成的滞后校正,可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；比例积分微分(PID)：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的重点复习,考试必过(优选.)
压Un
也相应下降，而转速给定电压
U
* n
不变，
∆U
n
=
U
* n
−U n
增加。转速调节器 ASR 输出 U c
增加，
使控制角α 减小，晶闸管整流装置输出电压 U d 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可
简述为：
TL ↑→ Id ↑→ Id (RΣ + Rd ) ↑→ n ↓→ U fn ↑→ ∆U ↑→ Uc ↑→
保产品质量。
3）加、减速-频繁起、制动的设备要求尽量快的加、减速以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则
要求起、制动尽量平稳。
6.解 释 反 馈 控 制 规 律 ？
答（1）被调量有静差（2）抵抗扰动与服从给定（3）系统精度依赖于给定和反馈检测精度
7.闭环空载转速 n0cl 比开环空载转速 n0op 小多少?
之比，称作静差率 s ，即 s
=
∆n N n0
或用百分比表示
s=
∆nN n0
× 100%
在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速 N n
则
s
=
∆nN n0
=
∆nN nmin + ∆nN
∴ nmin
=
∆nN s
− ∆nN
=
(1 −
s)∆nN s
D
=
nmax nmin
=
nN s ∆nN (1 −
（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或测速发电机的励磁发生了变化，它不能得到反 馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。反馈控制系统所能抑制的只是 被反馈环包围的前向通道上的扰动。 （ 2-13） 为 什 么 用 积 分 控 制 的 调 速 系 统 是 无 静 差 的 ？ 在 转 速 单 闭 环 调 速 系 统 中 ， 当 积 分 调 节 器 的 输入偏差电压 ∆U = 0 时，调节器的输出电压是多少？它取决于那些因素？
(完整版)转速负反馈单闭环直流调速系统.
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ks
Ud0 + _ E
1/Ce
n
Un
n
开环机械特性
闭环静特性
B
C
A
A’
D
Ud4 Ud3 Ud2 Ud1
O
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
图2.19 闭环系统静特性和开环机械特性的关系
由此看来，闭环系统能够减少稳态速 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。
运动控制系统
第2 章
直流调速系统
2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统
2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性 2.3.2 单闭环调速系统的动态分析 2.3.3 无静差调速系统的积分控制规律 2.3.4 单闭环调速系统的限流保护
2.3.1 单闭环调速系统的组网 功率驱动装置 电动机
3. 开环系统机械特性 和闭环系统静特性的关系
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静 特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如
果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为
n Ud0 IdR Ce
第2章 2.3转速反馈
建立系统动态数学模型的基本步骤如下： （1）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。
（1）UPE环节的传递函数
Ks Ws ( s) 1 Ts s
（2） 直流电动机的传递函数
※主电路电流连续，则动态电压 方程为 电路方程
稳态关系
Kp—放大器的电压放大系数； 电压比较环节 Ks—电力电子变换器的电压 放大系数；
U n U U n
* n
放大器
U c Kp U n
U d0 KsUc
U d0 Id R n Ce
— 转 速 反 馈 系 数 （V· min/r）；
Ud0—UPE 的 理 想 空 载 输 出 电压； R—电枢回路总电阻。
I dL
TL 为负载电流。 Cm
传递函数
取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数
1 I d (s) R U d 0 ( s ) E ( s ) Tl s 1
电流与电动势间的传递函数
E ( s) R I d (s) I dL (s) Tm s
电枢回路动态结构图
控制输入量 IdL (s) Ud0(s) + E(s) 1/R Tl s+1 Id (s) +
因特征方程中各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只有
Tm (Tl Ts ) Tபைடு நூலகம் Ts TmTlTs 0 1 K 1 K 1 K
整理后得
常用,理解记忆!!
Tm (Tl Ts ) T K TlTs
2 s
eg5
2.3.3 比例积分控制的无静差直流调速系统
第三章 转速、电流反馈控制的直流调速系统(电力拖动自动控制系统)
2. V-M可逆直流调速系统中的环流问题
图4-11 α=β配合控制电路 GTF—正组触发装置 GTR—反组触发装置 AR—反号器
2. V-M可逆直流调速系统中的环流问题
图4-12 α=β配合控制特性
1. α=β配合控制的有环流可逆V-M系统
图4-13 α=β配合控制的三相零式反并联 可逆线路的瞬时脉动环流(==60° ) a)三相零式可逆线路和瞬时脉动环流回路 b)=60°时 整流电压波形 c)=60°(α =120°)时逆变电压 波形 d)瞬时电压差Δ和瞬时脉动环流波形
(3)低频段大惯性环节的近似处理
图3-17 低频段大惯性环节近似处理对频率特性的影响
(3)低频段大惯性环节的近似处理
图3-18 双闭环调速系统的动态结构图 —电流反馈滤波时间常数 —转速反馈滤波时间常数
1.电流调节器的设计
图3-19 电流环的动态结构图及其化简 a)忽略反电动势的动态影响 b)等效成单位负 反馈系统 c)小惯性环节近似处理
(2)恢复时间tv
1)概念清楚、易懂；
2)计算公式简明、好记； 3)不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； 4)能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； 5)适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。
1.典型Ⅰ型系统
(1)动态跟随性能指标
(2)动态抗扰性能指标
1.典型Ⅰ型系统
图4-8 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路
1. V-M可逆直流调速系统的主回路结构
图4-9 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆变状态 a)正组整流电动运行 b)反组逆变回馈制动 c)机械特性允许运行范围
2. V-M可逆直流调速系统中的环流问题
第2章转速反馈控制的直流调速系统
（1）调节电枢供电电压； （2）减弱励磁磁通； （3）改变电枢回路电阻。
自动控制的直流调速系统往往以变压调 速为主。
（1）调压调速
工作条件：
n
保持励磁 = N ；
n0
保持电阻 R = Ra
调节过程：
改变电压 UN U
U n ， n0
调速特性：
O
转速下降，机械特性
曲线平行下移。
nN
n1
UN
当电流断续时，由于非线性因素， 机械特性方程要复杂得多。
电流断续区与电流连续区的分界线
是 2 的曲线，当 2 时，电
流便开3始连续了。
3
——一个电流脉波的导通角。
1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器
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。
在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可 能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采 用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动能。 分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许 数值时接通。
泵升电压限制电路
+
Us
+ CC
过电压信号
-
Rbb VVTTbb
泵升电压限制（续）
对于更大容量的系统，为了提高效率， 可以在二极管整流器输出端并接逆变器， 把多余的能量逆变后回馈电网。当然，这 样一来，系统就更复杂了。
PWM系统的优越性
主电路线路简单，需用的功率器件少；
开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损 耗及发热都较小；
低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；
自动控制的直流调速系统往往以变压调 速为主。
（1）调压调速
工作条件：
n
保持励磁 = N ；
n0
保持电阻 R = Ra
调节过程：
改变电压 UN U
U n ， n0
调速特性：
O
转速下降，机械特性
曲线平行下移。
nN
n1
UN
当电流断续时，由于非线性因素， 机械特性方程要复杂得多。
电流断续区与电流连续区的分界线
是 2 的曲线，当 2 时，电
流便开3始连续了。
3
——一个电流脉波的导通角。
1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器
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。
在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可 能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采 用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动能。 分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许 数值时接通。
泵升电压限制电路
+
Us
+ CC
过电压信号
-
Rbb VVTTbb
泵升电压限制（续）
对于更大容量的系统，为了提高效率， 可以在二极管整流器输出端并接逆变器， 把多余的能量逆变后回馈电网。当然，这 样一来，系统就更复杂了。
PWM系统的优越性
主电路线路简单，需用的功率器件少；
开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损 耗及发热都较小；
低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；
22稳态调速性能指标及直流调速系统的机械特性
开环系统的静差率为 sop 当 n0op n0cl 时，
nop n0op
scl
sop 1 K
（2-49）
（3）如果所要求的静差率一定，则 闭环系统可以大大提高调速范围
如果电动机的最高转速都是nN，最低速静 差率都是s，可得 nN s 开环时， Dop nop (1 s)
假定主电路电流连续，动态电压方程为 dI U d 0 RI d L d E (2-34) dt 忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为
GD 2 dn Te TL 375 dt
(2-35)
额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为
E Ce n
Te Cm I d
1 I d (s) R U d 0 ( s ) E ( s ) T1 s 1
(2-40)
电流与电动势间的传递函数
E ( s) R I d ( s) I dL ( s) Tm s
(2-41)
图2-21 额定励磁下直流电动机 的动态结构框图
(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图 (c）直流电动机的动态结构 框图
(2-46)
式中，n0op 表示开环系统的理想空载转速， nop 表示开环系统的稳态速降。
比例控制闭环系统的静特性为
n
* K p K sU n
Ce (1 K )
RI d n0cl ncl Ce (1 K )
(2-47)
式中， n0cl 表示闭环系统的理想空载转速， ncl 表示闭环系统的稳态速降。
图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
电压比较环节
转速负反馈单闭环直流调速系统
为负载电流。
传递函数
在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得 电压与电流间的传递函数
Id(s) 1/ R Ud0 (s) E(s) Tls 1
电流与电动势间的传递函数
E(s) R Id (s) IdL (s) Tms
动态结构图
Ud0
+
- E(s)
1/R Tl s+1
Id (s)
Id (s)
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。
2.3.2 单闭环调速系统的动态分析
通过稳态性能的研究可知：引入转速负 反馈并使放大倍数 K 足够大，就可以减少稳 态速降，满足系统的稳态要求。但是放大系 数过大，会使闭环系统动态性能变差，甚至 造成不稳定，因此有必要对系统进行动态性 能的分析。
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
失控时间Ts的分析
u
2
O
ud
Ud01
t Ud02
O
Uc
Uc1
O
1
1
Ts
Uc2
t
2
2 t
O
t
图2.23 晶闸管触发与整流装置的失控时间
最大失控时间Tsmax的计算
显然，失控制时间是随机的，它的大小随发 生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是 两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频 率和整流电路形式有关，由下式确定
电机与拖动课后习题答案
答：PWM开关频率快、周期短。 直流PWM变换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性 环节。其中直流PWM变换器的时间常数Ts等于其IGBT控 制脉冲周期（1/fc），而晶闸管整流装置的时间常数Ts通常 取其最大失控时间的一半（1/（2mf））。因fc通常为kHz 级，而f通常为工频（50或60Hz），m为一周内整流电压的 脉波数，通常也不会超过20，故直流PWM变换器时间常数 通常比晶闸管整流装置时间常数更小，从而响应更快，动 态性能更好。
2-5 在直流脉宽调速系统中，当电动机停止不动时， 电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什 么？ 答：电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中， 电动机电枢两端电压仅取决于直流PWM变换器的输 出。电枢回路中还有电流，因为电枢电压和电枢电阻 的存在。 2-6 直流PWM变换器主电路中反并联二极管有何作 用？如果二极管断路会产生什么后果？ 答：为电动机提供续流通道。若二极管断路则 会使电动机在电枢电压瞬时值为零时产生过电 压。电枢电压不可控，无法调速
第一次习题课
第2章
转速反馈控制的直流调速系统 （思考题）
思考题
2-1:直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？
答：（1）调节电枢供电电压； 一定范围内无级平滑调速 （2）减弱励磁磁通； 小范围内平滑调速，往往与调压方案配 合使用 （3）改变电枢回路电阻 动机系统比晶闸管整流 器—电动机系统能够获得更好的动态性能？
2-9 在晶闸管整流器-电动机开环调速系统中，为什么转速随负 载增加而降低？
答：负载增加意味着负载转矩变大，电机减速，并且在减速过程中， 反电动势减小，于是电枢电流增大，从而使电磁转矩增加，达到与 负载转矩平衡，电机不再减速，保持稳定。故负载增加，稳态时， 电机转速会较增加之前降低。
运动控制 第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统
态的。
因此，对于静特性来说，
C
只有转速调节器饱和与 不饱和两种情况。
O
IdN
Idm
Id
额定电流 电流最大值
双闭环直流调速系统的静特性 21
第1篇 直流调速系统 3.1.2 稳态结构图与参数计算
➢ 当转速调节器不饱和
Id
U*n +
R
ASR U*i +
Ui -
ACR Uc UPE Ud0 +
-E
n
Ks
Un
ASR
U
i
内环
i GT
Ui
U ct
ACR
n
外环
TA
V Ud
转速、电流反馈控制直流调速系统原理图
Id
M
n
TG
38
第1篇 直流调速系统 3.2.2 动态过程分析
➢ 第I阶段：电流上升阶段( 0 ~ t1 )
➢突加给定电压 U*n 后，Id 上 升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，
Id
I dm
U
* im
24
第1篇 直流调速系统 3.1.2 稳态结构图与参数计算
➢ 当转速调节器饱和
转速外环呈开环状态，转速的
变化对系统不再产生影响。双
闭环系统变成一个电流无静差
的单闭环电流调节系统。
稳态时：
Id
U
* im
Idm
n
A n0
B
C
O
IdN
Idm Id
双闭环直流调速系统的静特性
25
第1篇 直流调速系统 3.1.2 稳态结构图与参数计算
WASR
(s)
Kn
ns 1
第2章 转速反馈控制的直流调速系统(第三周)
1. 被调量有静差
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大
器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳 态性能越好。然而，Kp =常数，稳态速差就只能减 小，却不可能消除。因为闭环系统的稳态速降为
ncl
RI d Ce (I
K)
只有 K = ，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。
因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际
式中: K KpKs 闭环系统的开环放大系数
Ce
系统的静特性方程式
n
K
p
KsU
* n
RId
Ce (1 K ) Ce (1 K )
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
2.3.2 比例控制的直流调速系统
闭环系统静特性和开环系统机械特性
n op
n cl
n
K
p
KsU
* n
RId
(静特性方程)
n
K
p
K
sU
✓nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速
✓一般取nN≈nmax
2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性
2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标
稳态性能指标：
调速范围 静差率
D= nmax n min
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加
到额定值所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比：
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特 性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果 断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为
n Ud0 IdR Ce
K
p
KsU
* n
Ce
RId Ce
n0op
运动控制系统实习报告__ 转速、电流反馈的直流调速系统分析
×
0.0233 0.12
≈ 9.81% < 10%，所以满足条件。
308×0.18 0.196×100
e.40%额定负载起动到最低转速时， σn = 2 × 81.2% × （1.1 − 0.4） ×
0.0233 0.12
×
≈ 62.43%
图 3.4 转速环的仿真模型
图 3.5 仿真结果
∗ Ui = βId ，Uim = Uim = βIdm = 1.1IN β。故 β= U∗ im 1.1I N
=
8V 1.1×308A
≈ 0.0236V/A。
U∗ n n0 (U ∗ n )N nN
b.当转速调节器 ASR(选用 PI 调节器)不饱和，稳态时，它的输入偏差电压为
∗ ∗ 零，即∆Un = Un − Un = 0，所以Un = Un = αn = αn0 。故α = 10V 1000r min
=
K N (τ n S+1) S 2 T Σ n S+1
，其中K N =
h+1 2h 2 T 2 Σn
。按跟随和扰动性
(h+1)β C e T m τ n 1 2h 2 T 2 Σn αR τ
能都较好的原则， 取 h=5， 因为τn = hTΣ n ，K N =
,所以K p =
，=
Kp τn
。
ωcn = K N τn 。 根据所提供的系统参数可以求出ωcn = 25.7953s −1 ， K p = 7.954577，
K p (τ i S+1)β K s R 1 τS K p τ S+1 τS K p τ i S+1 τi s
=
=
, 其中τi = K p τ。
转速﹑电流双闭环直流调速系统
图2-4双闭环直流调速系统的稳态结构框图
—转速反馈系数;—电流反馈系数
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
1．转速调节器不饱和
这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此
由第一个关系式可得
(2-1)
从而得到图2-5所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和， ，从上述第二个关系式可知 。这就是说，CA段特性从理想空载状态的 一直延续到 ，而 一般都是大于额定电流 的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。
由图2—1可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。
图2—1
事实上，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。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。
1）上升时间
在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值 所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图2—2。
图2—2
2）超调量
在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量：
（2—4）
超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。
对于不同的负载电阻L R，测速发电机输出特性的斜率也不同，它将随负载电阻的增大而增大，如图3-4中实线所示。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 时，对应于转速调节器的饱和输出 ，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内﹑外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2-5中的虚线。总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。
—转速反馈系数;—电流反馈系数
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
1．转速调节器不饱和
这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此
由第一个关系式可得
(2-1)
从而得到图2-5所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和， ，从上述第二个关系式可知 。这就是说，CA段特性从理想空载状态的 一直延续到 ，而 一般都是大于额定电流 的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。
由图2—1可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。
图2—1
事实上，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。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。
1）上升时间
在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值 所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图2—2。
图2—2
2）超调量
在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量：
（2—4）
超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。
对于不同的负载电阻L R，测速发电机输出特性的斜率也不同，它将随负载电阻的增大而增大，如图3-4中实线所示。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 时，对应于转速调节器的饱和输出 ，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内﹑外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2-5中的虚线。总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。
《电力拖动自动控制系统》复习要点
阮毅、陈伯时《电力拖动自动控制系统（第4版）》复习要点第一章绪论1、运动控制系统的组成2、运动控制系统的基本运动方程式me L d JT T dt ω=-mm d dtθω=3、转矩控制是运动控制的根本问题。
4、负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载。
a ）位能性恒转矩负载b)反抗性恒转矩负载。
5、负载转矩与转速成反比，而功率为常数，称作恒功率负载。
6、负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、泵类负载。
直流调速系统第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速：e U IR n K -=Φ2、调节直流电动机转速的方法：（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。
3、V-M系统原理图4、触发装置GT 的作用就是把控制电压U c 转换成触发脉冲的触发延迟角α。
改变触发延迟角α可得到不同的U d0，相应的机械特性为一族平行的直线。
5、脉宽调制变换器的作用：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。
6、调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比。
7、静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落Δn N 与理想空载转速n 0之比。
8、调速范围、静差率和额定速降之间的关系：(1)N N n s D n s =∆-N N ND n s n D n ∆=+∆(1)N N n s n D s ∆=-9、转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图10、直流电动机的动态结构11、开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系：（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多；（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多；（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。
12、当负载转矩增大，闭环调速系统转速自动调节的过程：TL ↑→I d ↑→n ↓→U n ↓→∆U n ↑→U c ↑→U d0↑→n ↑13、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。
《运动控制系统》期末复习资料
第1章绪论1.什么是运动控制? 电力传动又称电力拖动，是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。
运动控制系统是将电能转变为机械能的装置，用以实现生产机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其它应用的要求。
2.运动控制系统的组成：现代运动控制技术是以电动机为控制对象，以计算机和其它电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿真或计算机辅助设计为研究和开发的工具。
3.运动控制系统的基本运动方程式：第2章转速反馈控制的直流调速系统1.晶闸管-电动机（V-M ）系统的组成：纯滞后环节，一阶惯性环节。
2.V-M 系统的主要问题：由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。
3.稳态性能指标：调速范围D 和静差率s 。
D =??(1-??)，额定速降??，D =????，s =????04.闭环控制系统的动态特性；静态特性、结构图？5.反馈控制规律和闭环调速系统的几个实际问题，积分控制规律和比例积分控制规律。
积分控制规律：t 0n cd 1tU U 比例积分控制规律：稳态精度高，动态响应快6.有静差、无静差的主要区别：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。
比例积分放大器的结构：PI 调节器7.数字测速方法：M 法测速、T 法测速、M/T 法测速。
8.电流截止负反馈的原理：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，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。
电流截止负反馈的实现方法：引入比较电压，构成电流截止负反馈环节9.脉宽调制：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。
10.直流蓄电池供电的电流可反向的两象限直流斩波调速系统,已知:电源电压Us=300V,斩波器占空比为30%,电动机反电动势E=100V,在电机侧看,回路的总电阻R=1Ω。
转速电流反馈控制的直流调速系统课件
IdL
0
t1
转速电流反馈控制的直流调速系统
t2 t3 t4 课件t
在A快于St上负=R0和升载时A，转，C在矩R系，两 Id统上转个突升速P加I到调为阶I节d零l跃之器。给前的定，作信电用号动下U机，n*转，Id矩在很小
当性作Id用≥ I，dL 后转，速电不机会开很始快起增动长，，由AS于R输机入电偏惯 差电压仍较大， ASR很快进入饱和状态， 而U*AimC。R一般不饱和。直到Id = Idm ， Ui =
转速电流反馈控制的直流调速系统 课件
图3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标
超调量σ
Cm ax C 100%
C
上升时间
峰值转时速间电流反馈控课制件的直调流调节速系时统间
2．抗扰性能指标
当调速系统在稳定运行中，突加一个使输 出量降低（或上升）的扰动量F之后，输出 量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过 渡过程就是一个抗扰过程。
个阶段， 转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和
以及退饱和三种情况。
转速电流反馈控制的直流调速系统 课件
转速电流反馈控制的直流调速系统 课件
图3-6 双闭环 直流调速系统 起动过程的转 速和电流波形
第Ⅰ阶段：电流上升阶段（0~t1）
n
Ⅰ n*
Ⅱ
Ⅲ
电流从0到达最
。
大允许值 I dm
0
t
Id Idm
3.1.2 稳态结构图与参数计算
图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 T转G速—电流—反馈测控课速制件的发直流电调速机系统
1. 稳态结构图和静特性
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定 的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制 了电力电子变换器的最大输出电压，
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7
静特性方程
从上述五个关系式中消去中间变量，整理 后，得到转速负反馈闭环直流调速系统的静特性 方程式
n=
K
pK
sU
* n
−
IdR
=
K
p
K
sU
* n
−
RI d
C e (1 + K p K sα / C e ) C e (1 + K ) C e (1 + K )
（2-32）
令 K = KpKsα 为闭环系统的开环放大系数
14
建立系统动态数学模型的基本步骤： • 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； • 求出各环节的传递函数； • 组成系统的动态结构图，并求出系统的传递函
数。
15
1） 电力电子变换器的传递函数
构成直流闭环调速系统的主要环节是电力 电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换 器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是
2.3 转速反馈控制的 直流调速系统
2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型
前面讲过的系统都是开环调速系统，调节控 制电压 Uc 就可以改变电动机的转速。如果负载 的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的 开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速。
但是，许多需要调速的生产机械常常对静差 率有一定的要求。在这些情况下，开环调速系统 往往不能满足要求。
Ce
8
式中，闭环系统的开环放大系数K为 K = Kp Ksα Ce
它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路
断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总
的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘
积。 电动机环节放大系数为
1 =n Ce E
9
• 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。
5
稳态关系
转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下
电压比较环节
ΔU n
=
U
* n
−Un
放大器
Uc = KpΔU n
电力电子变换器
Ud0 = KsUc
调速系统开环机械特性 n = U d0 − Id R Ce
测速反馈环节
U n = αn
6
以上各关系式中 Kp — 放大器的电压放大系数； Ks — 电力电子变换器的电压放大系数； α — 转速反馈系数(V·min/r)； Ud0 — UPE的理想空载输出电压(V) ； R —电枢回路总电阻 。
KpKsα / +1)(TmTl s2
Ce +Tms
+1)
=
(Tss
KpKs / Ce +1)(TmTls2 +Tms
+1) + K
KpKs
=
Ce(1+ K)
Байду номын сангаас
Tm TlTs s3 + Tm(Tl +Ts) s2 +Tm +Ts s +1
1+ K
1+ K
1+ K
（2-45）
30
2.3.2 比例控制的直流调速系统
Cm = 3π0Ce — 电机额定励磁下的转矩系数(N·m/A)
定义下列时间常数
Tl
=
L R
— 电枢回路电磁时间常数(s)
Tm
=
GD 2 R 375CeCm
—电力拖动系统机电时间常数(s)
19
微分方程
代入式(2-34)和(2-35)，并考虑式(2-36)和(2-37)， 整理后得
Ud0
−
E
=
R(Id
36
系统调节过程
– 开环系统 负载↑ → Id ↑ → n↓ 例如：在图2-24中工作点从A → A′
– 闭环系统
负载↑ → Id ↑ → n↓ → Un↓ ↓
n↑ ← Ud0↑ ← Uc↑ ← ΔUn↑
例如：在图2-24中工作点从A → B 37
图2-24闭环系统静特性和开环机械特性的关系
n
W
(s)
=
(Ts s
K +1)(TmTl s2
+
Tm s
+1)
式中 K = Kp Ksα / Ce
（2-44）
29
6）调速系统的闭环传递函数
设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速 系统的闭环传递函数是
KpKs /Ce
Wcl (s)
=
(Tss +1)(TmTls2 +Tms +1)
1+
(Tss
量相互转换，是电机的运动过程带有振荡性质。
25
3） 控制与检测环节的传递函数
直流闭环调速系统中的比例放大器和测
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
Wa
(s)
=
Uc(s) ΔUn(s)
=
Kp
（2-42）
测速反馈
Wfn
(s)
=
Un (s) n(s)
=
α
（2-43）
26
知道了各环节的传递函数后，把它们 按在系统中的相互关系组合起来，就可以 画出闭环直流调速系统的动态结构框图223。由图可见，
27
4） 闭环调速系统的动态结构框图
IdL (s)
R (Tl s+1)
Un* (s)
+
△Un (s)
-
KP
Uc(s)
Ks
Tss+1
Ud0 (s) -
+
1/Ce TmTl s2+Tms+1
n(s)
Un (s)
α
图2-23 转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图
将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大
器的转速反馈直流调速系统可以近似看作是一个三阶线
性系统。
28
5）调速系统的开环传递函数
闭环系统的开环传递函数：等效为主反馈断开 后，从输入信号到反馈信号之间的传递函数。
转速反馈控制的直流调速系统的开环传递函数：
23
动态结构图的变换和简化
如果不需要在结构图中显现出电流 Id，可将 扰动量 IdL的综合点移前，再进行等效变换， 得图2-22。
IdL (s)
R (Tl s+1)
Ud0 (s) + -
1/Ce
n(s)
TmTl s2+Tms+1
图2-22 直流电动机动态结构框图的变换 IdL≠ 0
24
如果是理想空载，则 IdL= 0，结构框图即简化为
* n
C e (1 + K )
图2-19c) 只考虑扰动作 用-IdR时的闭环系统
n = − RI d C e (1 + K )
U*n
+
∆Un Kp Uc
Ud0
Ks
1/Ce
n
- Un
α
图2-19b)
+
-IdR
E
+
1/Ce
n
- Ud0
图2-19c)
Ks
Kp
α
12
将给定量Un*和扰动量-IdR看成两个独立的输 入量，先按它们分别作用下的系统求出各自的输
=
RI d Ce (1+ K )
Δ n cl
=
Δ n op 1+ K
(2-48)
32
（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则 闭环系统的静差率要小得多。
闭环系统和开环系统的静差率分别为
成立条件
scl
=
Δncl n0cl
n0相同
当 n0op =n0cl 时，
和
s op
=
Δ n op n 0 op
scl
=
2
根据自动控制原理，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。
调速系统的转速降落正是由负载引起的转速 偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统大大减 少转速降落。
3
1.转速反馈控制直流调速系统的静特性
+ +
~
+
Id
+
-
Un* ΔU n
-
- Un +
34
（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。
为什么在开环系统中无需设置放大器?
35
结论2：
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。
Ud0 (s)
1/Ce
n(s)
TmTl s2+Tms+1
额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。
Tm是机电时间常数，Tl是电磁时间常数
若Tm> 4Tl，则Ud0、n之间的传递函数可以分解为两个惯性环节，突 加给定时，转速呈单调变化；
若Tm< 4Tl，则直流电动机是一个二阶震荡环节，机械能量和电磁能
(2-34)
17
忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的 动力学方程为
Te
− TL
=
GD2 375
dn dt
(2-35)
额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为
静特性方程
从上述五个关系式中消去中间变量，整理 后，得到转速负反馈闭环直流调速系统的静特性 方程式
n=
K
pK
sU
* n
−
IdR
=
K
p
K
sU
* n
−
RI d
C e (1 + K p K sα / C e ) C e (1 + K ) C e (1 + K )
（2-32）
令 K = KpKsα 为闭环系统的开环放大系数
14
建立系统动态数学模型的基本步骤： • 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； • 求出各环节的传递函数； • 组成系统的动态结构图，并求出系统的传递函
数。
15
1） 电力电子变换器的传递函数
构成直流闭环调速系统的主要环节是电力 电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换 器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是
2.3 转速反馈控制的 直流调速系统
2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型
前面讲过的系统都是开环调速系统，调节控 制电压 Uc 就可以改变电动机的转速。如果负载 的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的 开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速。
但是，许多需要调速的生产机械常常对静差 率有一定的要求。在这些情况下，开环调速系统 往往不能满足要求。
Ce
8
式中，闭环系统的开环放大系数K为 K = Kp Ksα Ce
它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路
断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总
的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘
积。 电动机环节放大系数为
1 =n Ce E
9
• 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。
5
稳态关系
转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下
电压比较环节
ΔU n
=
U
* n
−Un
放大器
Uc = KpΔU n
电力电子变换器
Ud0 = KsUc
调速系统开环机械特性 n = U d0 − Id R Ce
测速反馈环节
U n = αn
6
以上各关系式中 Kp — 放大器的电压放大系数； Ks — 电力电子变换器的电压放大系数； α — 转速反馈系数(V·min/r)； Ud0 — UPE的理想空载输出电压(V) ； R —电枢回路总电阻 。
KpKsα / +1)(TmTl s2
Ce +Tms
+1)
=
(Tss
KpKs / Ce +1)(TmTls2 +Tms
+1) + K
KpKs
=
Ce(1+ K)
Байду номын сангаас
Tm TlTs s3 + Tm(Tl +Ts) s2 +Tm +Ts s +1
1+ K
1+ K
1+ K
（2-45）
30
2.3.2 比例控制的直流调速系统
Cm = 3π0Ce — 电机额定励磁下的转矩系数(N·m/A)
定义下列时间常数
Tl
=
L R
— 电枢回路电磁时间常数(s)
Tm
=
GD 2 R 375CeCm
—电力拖动系统机电时间常数(s)
19
微分方程
代入式(2-34)和(2-35)，并考虑式(2-36)和(2-37)， 整理后得
Ud0
−
E
=
R(Id
36
系统调节过程
– 开环系统 负载↑ → Id ↑ → n↓ 例如：在图2-24中工作点从A → A′
– 闭环系统
负载↑ → Id ↑ → n↓ → Un↓ ↓
n↑ ← Ud0↑ ← Uc↑ ← ΔUn↑
例如：在图2-24中工作点从A → B 37
图2-24闭环系统静特性和开环机械特性的关系
n
W
(s)
=
(Ts s
K +1)(TmTl s2
+
Tm s
+1)
式中 K = Kp Ksα / Ce
（2-44）
29
6）调速系统的闭环传递函数
设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速 系统的闭环传递函数是
KpKs /Ce
Wcl (s)
=
(Tss +1)(TmTls2 +Tms +1)
1+
(Tss
量相互转换，是电机的运动过程带有振荡性质。
25
3） 控制与检测环节的传递函数
直流闭环调速系统中的比例放大器和测
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
Wa
(s)
=
Uc(s) ΔUn(s)
=
Kp
（2-42）
测速反馈
Wfn
(s)
=
Un (s) n(s)
=
α
（2-43）
26
知道了各环节的传递函数后，把它们 按在系统中的相互关系组合起来，就可以 画出闭环直流调速系统的动态结构框图223。由图可见，
27
4） 闭环调速系统的动态结构框图
IdL (s)
R (Tl s+1)
Un* (s)
+
△Un (s)
-
KP
Uc(s)
Ks
Tss+1
Ud0 (s) -
+
1/Ce TmTl s2+Tms+1
n(s)
Un (s)
α
图2-23 转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图
将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大
器的转速反馈直流调速系统可以近似看作是一个三阶线
性系统。
28
5）调速系统的开环传递函数
闭环系统的开环传递函数：等效为主反馈断开 后，从输入信号到反馈信号之间的传递函数。
转速反馈控制的直流调速系统的开环传递函数：
23
动态结构图的变换和简化
如果不需要在结构图中显现出电流 Id，可将 扰动量 IdL的综合点移前，再进行等效变换， 得图2-22。
IdL (s)
R (Tl s+1)
Ud0 (s) + -
1/Ce
n(s)
TmTl s2+Tms+1
图2-22 直流电动机动态结构框图的变换 IdL≠ 0
24
如果是理想空载，则 IdL= 0，结构框图即简化为
* n
C e (1 + K )
图2-19c) 只考虑扰动作 用-IdR时的闭环系统
n = − RI d C e (1 + K )
U*n
+
∆Un Kp Uc
Ud0
Ks
1/Ce
n
- Un
α
图2-19b)
+
-IdR
E
+
1/Ce
n
- Ud0
图2-19c)
Ks
Kp
α
12
将给定量Un*和扰动量-IdR看成两个独立的输 入量，先按它们分别作用下的系统求出各自的输
=
RI d Ce (1+ K )
Δ n cl
=
Δ n op 1+ K
(2-48)
32
（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则 闭环系统的静差率要小得多。
闭环系统和开环系统的静差率分别为
成立条件
scl
=
Δncl n0cl
n0相同
当 n0op =n0cl 时，
和
s op
=
Δ n op n 0 op
scl
=
2
根据自动控制原理，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。
调速系统的转速降落正是由负载引起的转速 偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统大大减 少转速降落。
3
1.转速反馈控制直流调速系统的静特性
+ +
~
+
Id
+
-
Un* ΔU n
-
- Un +
34
（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。
为什么在开环系统中无需设置放大器?
35
结论2：
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。
Ud0 (s)
1/Ce
n(s)
TmTl s2+Tms+1
额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。
Tm是机电时间常数，Tl是电磁时间常数
若Tm> 4Tl，则Ud0、n之间的传递函数可以分解为两个惯性环节，突 加给定时，转速呈单调变化；
若Tm< 4Tl，则直流电动机是一个二阶震荡环节，机械能量和电磁能
(2-34)
17
忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的 动力学方程为
Te
− TL
=
GD2 375
dn dt
(2-35)
额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为