(完整版)转速负反馈单闭环直流调速系统.
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（2）V-M系统工作在开环机械特性的连续段； （3）忽略控制电源和电位器的等效电阻。
各环节静态关系
电压比较环节 放大器
U n
U
* n
Un
Uct KpUn
电力电子变换器
Ud0 KsUct
调速系统开环机械特性 测速反馈环节
n Ud0 IdR Ce
U n n
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；
Δnop = 275 r/min， 但为了满足D = 20，s < 5%的调速要求，须
Δncl = 2.63 r/min，
由式：
ncl
nop 1 K
可得
K nop 1 275 1 103.6
ncl
2.63
代入已知参数，则得
Kp
K
Ks / Ce
103 .6 30 0.015 / 0.2
46
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能指标。
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
K
p
KsU
* n
Ce
RId Ce
n0op
nop
而闭环时的静特性可写成
n
Kp
KsU
* n
Ce (1 K)
被调量的偏差进行控制的。
(2) 闭环系统具有较强的抗干扰性能
调速系统的扰动源：
负载变化的扰动（使Id变化）； 交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）； 电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）； 放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）； 温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；
和
sop
nop n0op
当 n0op =n0cl 时，
scl
sop 1 K
(3) 静差率一定时，闭环系统调速范围大大提高
如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速 静差率的要求相同，那么：
开环时，Dop
nnom s nop (1
s)
闭环时，Dcl
nnom s ncl (1
s)
再考虑Δnop和Δncl之间的关系，得
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成及静特性
转速给定
控制器
电网 功率驱动装置 电动机
— 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。
+
U*n
Kp Ks
∆Un A Uct
+
GT
Un
n Ud0 IdR Ce
L
+
Id Ud0
+
M
n
+
Utg TG
采用转速负反馈的单闭环调速系统
转速负反馈单闭环调速系统静态结构图
由上述五个关系式可以得到转速负反馈单闭
环调速系统静态结构图。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
a）只考虑给定作用时的闭环系统
n
K
p
K
sU
* n
Ce (1 K )
U*n
+
∆Un Kp Uc
Ks Ud0 1/Ce
n
- Un
b）只考虑扰动作用时的闭环系统
+
n RI d Ce (1 K )
-IdR E
生产机械
转速反馈
转速负反馈单闭环调速系统原理框图
1. 单闭环调速系统的组成
放大器
+
U*n
∆Un A Uct
+
GT
Un
L
+
Id Ud
+
Utg TG
+
M
n
测速 发电机
采用转速负反馈的单闭环调速系统
2. 转速负反馈单闭环调速系统的静特性
为分析闭环调速系统的稳态特性，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；
RId Ce (1 K)
n0cl
ncl
(1) 闭环系统机械特性的硬度大大提高
在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为
nop
RI d Ce
它们的关系是
和
ncl
RId Ce (1 K )
ncl
nop 1 K
(2) n0op=n0cl时，闭环系统静差率小许多
闭环系统和开环系统的静差率分别为
scl
ncl n0cl
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
Dcl (1 K )Dop
(4) 给定电压相同时，闭环系统空载转速大大降低
n0cl
n0op 1 K
如要维持系统运行速度不变，需要闭环
系统的
U
* n
是开环系统的 (1+ K) 倍。
同时，前三项优点若要有效，也要有足 够大的K，因此必须设置放大器。
结论3：
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（控制器） 以及检测与反馈装置。
n
+
1/Ce
- Ud0
Ks
Kp
静特性方程式
将给定输入和扰动输入下系统的静态方程叠 加，推导出整个系统的静特性方程式：
n
K
p
KsU
* n
RId
Ce (1 K ) Ce (1 K )
式中，K Kp Ks / Ce 为闭环系统的放大倍数。
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。
4. 单闭环调速系统的基本特征
转速反馈单闭环调速系统是一种基本 的反馈控制系统，它具有以下三个基本特 征，也就是反馈控制的基本规律，各种不 另加其他调节器的基本反馈控制系统都服 从于这些规律。
ห้องสมุดไป่ตู้
(1) 具有比例放大器的单闭环系统存在静差 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 可能实现的。因此，这样的调速系统叫做有 静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠
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。
各环节静态关系
电压比较环节 放大器
U n
U
* n
Un
Uct KpUn
电力电子变换器
Ud0 KsUct
调速系统开环机械特性 测速反馈环节
n Ud0 IdR Ce
U n n
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；
Δnop = 275 r/min， 但为了满足D = 20，s < 5%的调速要求，须
Δncl = 2.63 r/min，
由式：
ncl
nop 1 K
可得
K nop 1 275 1 103.6
ncl
2.63
代入已知参数，则得
Kp
K
Ks / Ce
103 .6 30 0.015 / 0.2
46
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能指标。
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
K
p
KsU
* n
Ce
RId Ce
n0op
nop
而闭环时的静特性可写成
n
Kp
KsU
* n
Ce (1 K)
被调量的偏差进行控制的。
(2) 闭环系统具有较强的抗干扰性能
调速系统的扰动源：
负载变化的扰动（使Id变化）； 交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）； 电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）； 放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）； 温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；
和
sop
nop n0op
当 n0op =n0cl 时，
scl
sop 1 K
(3) 静差率一定时，闭环系统调速范围大大提高
如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速 静差率的要求相同，那么：
开环时，Dop
nnom s nop (1
s)
闭环时，Dcl
nnom s ncl (1
s)
再考虑Δnop和Δncl之间的关系，得
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成及静特性
转速给定
控制器
电网 功率驱动装置 电动机
— 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。
+
U*n
Kp Ks
∆Un A Uct
+
GT
Un
n Ud0 IdR Ce
L
+
Id Ud0
+
M
n
+
Utg TG
采用转速负反馈的单闭环调速系统
转速负反馈单闭环调速系统静态结构图
由上述五个关系式可以得到转速负反馈单闭
环调速系统静态结构图。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
a）只考虑给定作用时的闭环系统
n
K
p
K
sU
* n
Ce (1 K )
U*n
+
∆Un Kp Uc
Ks Ud0 1/Ce
n
- Un
b）只考虑扰动作用时的闭环系统
+
n RI d Ce (1 K )
-IdR E
生产机械
转速反馈
转速负反馈单闭环调速系统原理框图
1. 单闭环调速系统的组成
放大器
+
U*n
∆Un A Uct
+
GT
Un
L
+
Id Ud
+
Utg TG
+
M
n
测速 发电机
采用转速负反馈的单闭环调速系统
2. 转速负反馈单闭环调速系统的静特性
为分析闭环调速系统的稳态特性，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；
RId Ce (1 K)
n0cl
ncl
(1) 闭环系统机械特性的硬度大大提高
在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为
nop
RI d Ce
它们的关系是
和
ncl
RId Ce (1 K )
ncl
nop 1 K
(2) n0op=n0cl时，闭环系统静差率小许多
闭环系统和开环系统的静差率分别为
scl
ncl n0cl
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
Dcl (1 K )Dop
(4) 给定电压相同时，闭环系统空载转速大大降低
n0cl
n0op 1 K
如要维持系统运行速度不变，需要闭环
系统的
U
* n
是开环系统的 (1+ K) 倍。
同时，前三项优点若要有效，也要有足 够大的K，因此必须设置放大器。
结论3：
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（控制器） 以及检测与反馈装置。
n
+
1/Ce
- Ud0
Ks
Kp
静特性方程式
将给定输入和扰动输入下系统的静态方程叠 加，推导出整个系统的静特性方程式：
n
K
p
KsU
* n
RId
Ce (1 K ) Ce (1 K )
式中，K Kp Ks / Ce 为闭环系统的放大倍数。
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。
4. 单闭环调速系统的基本特征
转速反馈单闭环调速系统是一种基本 的反馈控制系统，它具有以下三个基本特 征，也就是反馈控制的基本规律，各种不 另加其他调节器的基本反馈控制系统都服 从于这些规律。
ห้องสมุดไป่ตู้
(1) 具有比例放大器的单闭环系统存在静差 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 可能实现的。因此，这样的调速系统叫做有 静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠
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。