第二章_单闭环直流调速系统

§2 单闭环直流调速系统
课题引入---开环调速系统的局限性分析及改进办法
开环调速系统优点：结构简单。
开环调速系统的局限性：
抗干扰能力差，当电机的负载或电网电压发生波动时， 电机的转速就会随之改变，即转速不够稳定，因此开环 调速只能应用于负载相对稳定、对调速系统性能要求不 高的场合。 改进办法：
3、如右图所示，设电机开始工 作于A点，当负载电流增大时， 开环和闭环系统工作的原理是不 同的： (1)开环系统，给定不变，电枢电 压就不变，电流增加，工作点将 沿最下面那条机械特性向下移动
(2)而对于闭环调速系统，给定不变，电流增加时，系统有维持转速不 下降的趋势，通过调节，电枢电压升高，工作点将移至B、C或D。 ABCD所在直线就是闭环系统的在该给定电压下的一条静特性曲线。
三、单闭环调速系统的静特性
闭环调速稳定工作时，电机转速与负载电流之间的关系称为闭 环调速系统的静特性。 由稳态结构图可知
* U U n U n
Uct Kp U
U d KsU ct
Ud Id R n Ce
由上述四式不难得出
R n Id Ce 1 K Ce 1 K
Un
* Un
U ct
U d 182 4.55(V) Ks 40
思考题：
1．实现无静调速的条件是什么？ 2．无静差调速系统稳定工作时，若负载加重了（即负载 电流增大），系统再次达到稳定工作状态，（1）电动机 的转速如何变化？（2）整流装置输出电压如何变化？（3） 调节器的输出如何变化？
§2.4 单闭环有静差直流调速系统实验
•稳态结构图是反映系 统稳定工作时，各构 成单元的输入-输出关 系的结构图。 •稳态结构图是分析系 统性能、进行稳态计 算的基础。
* 比较环节： U U n U n
整流装置输出：U d
KsU ct
运算放大器输出： ct Kp U U R K p 2 为运算放大器放大系数。转速反馈电压： Uf n R1 为转速反馈系数
* K p KsU n

R I d 闭环转速降 Ce 1 K
nb
② 闭环系统的静差率要比开环小得多。理想空载转速相等时， sb
sk 1 K
③ 闭环系统可比开环有更大的调速范围。静差率相等时， Db 1 K Dk ④ 闭环系统比开环系统的抗干扰性能好。 可见，增大开环放大倍数K对改善调速系统的稳态性能有利，即静 差率减小、硬度提高、调速范围增大；但是，开环放大系数K过大系统 会变得不稳定，即动态性能变差了。这就是控制系统的稳态和动态性 能之间的相互制约性。
二、无静差调速系统
1、实现无静差调速的条件 (必需同时满足以下二个条件)： (1)采用转速负反馈； (2)转速调节器采用PI调节器。
2、单闭环无静差调速系统原理图
(观察对比，指出与有静差调速系统的异同)
3、单闭环无静差调速系统稳态结构图
无静差调速系达到稳定工作状态时，系统的一个显著特点就是调节 器的输入偏差为零，即
§2 单闭环直流调速系统
学习目标：
1.理解开环调速的缺点及其改进方法。 2.掌握转速负反馈调速系统的组成，能画出其原理图。 3.掌握转速负反馈调速系统的工作原理，会分析其抗干扰特性。 4.通过与开环调速相比较，掌握闭环调速系统的优点。 5.理解单闭环系统的开环放大倍数对系统的稳态、动态性能的 影响。 6.能在实验室熟练完成单闭环调速系统的接线与调试，会测试 单闭环调速系统的静特性。
该式称为系统的静特性方程。
* K p KsU n
K
K p Ks Ce
称为系统的开环放大系数。
静特性与机械特性的比较-1
1、机械特性调速系统对开环而言；静特性是对闭环系统而言的。两者 都表示电机转速与负载电流之间的关系，即n=f(Id)。 2、一条机械特性曲线对应于一个不变的电枢电压；而一条静特性曲线 对应于 一个不变的给定电压。
③ 闭环系统对作用于闭环内前向通道上的干扰有调节作用。 而作用于 闭环外或非前向通道上的干扰没有调节作用。
思考题：
1．什么是有静差调速系统？
2．闭环调速系统对什么样的干扰有调节作用？ 试举例说明。
§2.3 无静差调速系统
•无静差调速系统：调速系统达到稳定工作状态时，转速反馈与转速给 定的值相等，调节器的输入偏差电压等于零，这种调速系统称为无静 差调速系统。 •有静差调速与无静差调速的区别在于调节器的选择不同，从而引起系 统的特性不同。
(2)输入-输出特性
•要说明的是，纯积分调节器只是一种理论的模型，实际实现较难， 一般不单独应用。 •转速负反馈调速系统，转速调节器为比例调节器时可实现有静差调 速；若要实现无静差调速，转速调节器应采用PI调节器。 •除了前面介绍的三种调节器之外，还要两种调节器----比例-微分(PD) 调节器和比例-积分-微分(PID)调节器，本书直流调速系统部分没用到 它们，暂不介绍。
由于反馈电压与给定电压同为负，成为正反馈，只要给定电压稍大 于零，经反馈电压叠加后，偏差电压会越来越大，电机转速急速升高，造 成飞车事故。 在转速单闭调速实验中表现为：给定从零增加一点，电机转速急速 升高，再减小给定，电机转速不减小，失控。
§2.2 单闭环调速系统的性能分析
一、单闭环调速系统的稳态结构图
通过这一调节可抑制转速的下降，虽然不能做到完全阻止转速下 降，但同开环相比，转速的下降程度会大大降低，从而保持了转速的 相对稳定 。 同相可分析电网电压下降时，系统的抗干扰性。电网电压下降时， 整流装置输出电压Ud减小，电机转速下降，系统调节过程如下：
Ud Id R U d↓→ n ↓→ U n↓→ U↑→ U ct↑→ U d↑→ n↑ Ce
采用闭环控制。根据自动控制理论，要想使被控量保持稳 定，可将被控量反馈到系统的输入端，构成负反馈闭环控 制系统。将直流电动机的转速检测出来，反馈到系统的输 入端，可构成转速负反馈直流调速系统。
§2.1 单闭环调速ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ统的构成及工作原理
一、单闭环调速系统的构成 (五部分)
1给定电路 2转速调节器 3触发及功放电路 4整流桥与电机主回路 5转速检测与反馈电路 •给定电压的极性：运算放大器具有反相 作用，其输出与给定电压极性相反，所以 给定采用负给定，以保证触发电压为正； •反馈电压的极 性：为实现负反 馈，反馈电压的 极性为正。
(3)调节器的特点
•输出随时跟随输入，控制调节速度快； •调节器的输入偏差一般不为零，只 能实现有静差控制。
2、积分调节器 (简称I调节器)
(1)电路图
(2)输入-输出特性
1 Uo udt T
T R1C 为积分时间常数
•由输入-输出响应曲线知：当输入偏差 为定值时，输出呈直线增长；当输入偏 差为零时，输出保持。 (3)调节器的特点 •输入偏差大于零，输出增大；偏差等于 零，输出保持；偏差小于零，输出减小。 •稳定状态下(输入、输出均不变)，输 入偏差为零，可实现无静差控制。
二、单闭环调速系统的工作原理 同开环调速系统一样，转速闭环调速系统中电机的转速 大小受转速给定电压Un*控制，给定电压为零时，电机停止； 给定电压增大时，电机转速升高；给定电压减小时，电机转 速下降。
以升速控制为例，系统的调节原理分析如下：
* * U n U U n U n U ct U d n
•特别说明
•直流调速系统实验是阶梯式的实验，由简单到复杂，层层递进。 熟练掌握前一实验相关知识和技能是开展下一实验的基础和前提。
•单闭环调速系统实验同开环调速实验相比，两者主电路相同，只 是控制电路增加一个转速反馈环节。 •没有理论指导的实验是盲目的实验，所以，每一次实验之前都要 对用到的相关知识进行学习和系统，知道要做什么、怎样做。 •认识误区：“书上有实验内容及操作步骤，到时候按书上一步一 步做就行，不需要在预习上花太多精力。” 这样做的实验效果是： (1)如同囫囵吞枣，吃了却不知味。 (2)一旦出现线接错了，难以查出。 (3)线接对了，电机却不转，不知从何入手查找问题。 (4)对实验现象和结果是否正确，心中没数。
静特性与机械特性的比较-2
4、静特性的硬度要比机械特性硬得多。 这一点从特性方程也可看出： 开环机械特性： n U d R I d Ce Ce 闭环静特性： n 斜率：
k
R Ce
Ce 1 K
* K p KsU n

R Id Ce 1 K
斜率： k
R Ce 1 K
•输出不能马上跟随输入变化，控制响 应较慢。
3、比例-积分调节器 (简称PI调节器)
(1)电路图
1 U o K p U Udt T
•PI调节器的输入-输出特性是P调节器和I 调节器的特性叠加：积分作用之前先经比 例放大，输出比I调节器响应快；输出稳 定时，调节器的输入端偏差为零，可实现 无静差控制。 (3)调节器的特点 •同时具有P调节器和I调节器的优点，即 既能实现无静差控制，控制响应速度也较 快。 •采用PI调节器的控制系统具有较好的 动态和稳态性能，因此PI调节器应用 广泛。
* ΔU = U n - U n = 0
或
* U n = U n =αn
这就是无静差调速系统的静特性方程。
思考题： 如上图示，给定为10V时，电机的稳定转速为1000r/min，则转速反馈系 数等于 。
12 1 200(r / min) 0.01 U I R 220 55 1 Ce N N a 0.11 nN 1500 U I R 由 得 n d d a Ce Ud Ce n I d Ra 0.111 200 50 1 182(V) n
当然，转速上升，转速反馈电压会升高，但其升值小于 给定电压增值，电压差总体上是增大的，转速是上升的。
思考题：
1、为什么开环调速采用正给定电压，而单闭环要采用负给定电压？ 2、要实现转速负反馈控制，转速反馈电压的极性必需为正，若接线 时误将其极性接反了，会出现什么现象？ 解：以电机从静止起动为例分析，给定电压增大时系统的调节过程如下：
一、调节器及其特性
•调节器是由运算放大器构成的电路单元。
•下面以比例调节器、积分调节器、比例-积分调节器三种调节器 为例介绍其电路构成及其特性。
1、比例调节器 (简称P调节器)
(1)电路图
(2)输入-输出特性
* U o K p U n U n K p U
Kp
R2 R1 为比例调节器的放大倍数
•实验前指导：
一、要知道实验做什么？
1.调速系统线路连接 2.测试开环机械特性和单闭环静特性 3.测试系统参数 、K s 和 K p
二、要知道怎么做？
做好实验前的预习和准备是关键。
预习什么？预习到什么程度呢？ 1、能熟练画出单闭环调速系统原理图。2、自学附录，知道用 哪些挂件？用哪些电路模块？功能是什么？怎么接线 ？3、纸 上谈兵：能把系统原理图转化为实验接线图，并能画出来。4、 预习2.4章节，能有条理地说出实验内容和对应实验操作步骤。 三、要知道实验应该得到怎样的结果？ 四、怎样写实验报告？写什么？
Ud Id R 电机转速： n Ce
二、单闭环调速系统的抗干扰性分析
引入转速负反馈的目的在于提高调速系统的抗干扰性，保持转 速的相对稳定，那么，单闭环调速系统是怎样实现抗干扰作用的呢？ 以负载电流增大为例分析如下 ：
Ud Id R I d↑→ n ↓→ U n↓→ U↑→ U ct ↑→ U d↑→ n↑ Ce
可见闭环静特性斜率比开环机械特性小得多。
思考题：
1．怎样通过实验测试闭环系统的静特性曲线？
2．开环机械特性与闭环系统的静特性有何相同之处和不同之处？
四、闭环调速与开环调速的比较
静特性方程： n
Id R Ce 1 K 1 K Ce U I R I R n d d nk d 机械特性方程： 开环转速降 Ce Ce nk nb ① 闭环静特性比开环机械特性硬得多。负载电流相等时 1 K
思考题：
1．同开环调速相比，转速负反馈调速系统有什么优点？ 2．从调速系统的稳态性能方面考虑，系统的开环放大系数K是大 点好，还是小点好？从动态性能方面考虑呢？
五、闭环调速系统的基本特征
闭环调速系统有三个基本特征: ① 转速调节器为比例调节器时，闭环调速系统是有静差的。 ② 被控量总是跟随给定量变化。 即转速跟随给定电压变化。