微分方程15反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计
《电力拖动自动控制系统》课程综述
电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统简介电力拖动自动控制系统包括：直流调速系统和交流调速系统。
直流调速系统包括：直流调速方法、直流调速电源和直流调速控制。
交流调速系统包括：交流调速系统的主要类型、交流变压调速系统、交流变频调速系统、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和同步电动机变压变频调速系统。
电力拖动自动控制系统课程内容介绍第一篇直流调速系统闭环反馈直流调速系统1.1 直流调速系统用的可控直流电源根据前面分析，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。
常用的可控直流电源有以下三种: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。
静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。
直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。
1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题本节讨论V-M系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制；（2）电流脉动及其波形的连续与断续；（3）抑制电流脉动的措施；（4）晶闸管-电动机系统的机械特性；（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。
1.3 直流脉宽调速系统的主要问题自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM 调速系统。
（1）PWM变换器的工作状态和波形；（2）直流PWM调速系统的机械特性；（3）PWM 控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。
1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计本节提要:转速控制的要求和调速指标；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1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型;反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件; 动态校正——PI调节器的设计;系统设计举例与参数计算转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法内容提要：转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。
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
51电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
23
1.5.3 动态校正—PI调节器的设计
1. 概 述
在设计闭环调速系统时，常常会遇 到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾 的情况（如例题1-5、例题1-7中要求更 高调速范围时），这时，必须设计合适 的动态校正装置，用来改造系统，使它 同时满足动态稳定性和稳态性能指标两 方面的要求。
设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统
51电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
2
本节要点：
1. 调速系统各环节动态数学模型的推导及其 简化的工程约束条件；
2. 闭环调速系统传递函数的建立及在系统 稳定性判别中应用。
➢重点、难点：
调速系统各环节动态数学模型的推导及其
简化的工程约束条件
51电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
（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。
51电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
4
反馈控制有静差直流调速系统原理图
+
51电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
5
1. 电力电子器件的传递函数
构成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，
伯德图是自动控制系统设计和应用中普 遍使用的方法。
51电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
29
低益频高段，典的 说型斜明伯率系德陡统、的图增稳
中在频定段性以地-分20析高d闭B频截/段环d止e衰系c频的减统率斜越性（快率能或，穿时称即越，剪高0通d切B常， 而将且伯这德一图斜分率成频覆低特频盖性、率负足中）分够、越贝的高高值频三，越带个则低宽频系，度段统，，
转速反馈控制直流调速系统
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
电力拖动自动控制系统--动控制系统(1)-
1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题
on
• ton不变，变 T —脉冲频率调制（PFM）； • t 和 T 都可调，改变占空比—混合型。
on
40
• PWM系统的优点
1 主电路线路简单，需用的功率器件少； 2 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热
都较小； 3 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左
右； 4 若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快
可调的直流电压。 • 直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不
控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉 宽调制，以产生可变的平均电压。
28
1.1.1 旋转变流机组（ G-M系统， Ward-Leonard系统）
图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）
29
• G-M系统特性
15
4. 电枢绕组的反电势
E是电枢旋转时，绕组切割主磁通Φ的结果，故和Φ与转速n的乘积
成正比。
式中：Ke—电动势结构系数，Ce —恒磁通电动势结构系数；
n—电动机转速，在此转速下，电动机的电磁转矩
Te正好与负
载转矩Tl相平衡，系统处于稳定运行状态。
16
5. 直流电动机的机械特性方程
1 理想空载转速n0 当Te=0时，n=n0；
34
35
➢ 晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许 值会在很短的时间内损坏器件。 ➢ 当系统处在深调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得 系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃 及附近的用电设备。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的 用电设备，造成“电力公害”。
自动控制原理与系统课程标准
《自动控制系统与应用》学习领域（课程）标准课程编号：适用专业：电子信息工程技术应用电子技术机械制造及其自动化课程类别：岗位核心学习领域修课方式：必修教学时数: 64学时一、课程的性质和任务（一）课程定位《自动控制系统与应用》是电子信息工程技术、应用电子技术、机械制造及其自动化等相关专业技术核心课程。
由于自动控制系统与应用在信息化武器装备中得到了广泛的应用，因此，将本课程设置为核心课程，对培养懂技术的指挥人才有着十分重要的作用。
本课程所覆盖的知识面较宽，既有较深入的理论基础知识，也有较广泛的专业背景知识，因而，它在学员知识结构方面将起到加强理论深度和拓展知识广度的积极作用。
（二）学习目标通过《自动控制系统与应用》的学习，使学生掌握以下知识、专业能力、方法能力、社会能力等目标。
1.专业能力目标（1）掌握自动控制原理的基本概念和基本的分析与设计方法；（2）培养利用自动控制的基本理论分析与解决工程实际问题的思维方式和初步能力，（3）掌握自动控制系统分析与设计的一般过程与基本方法。
2．社会能力目标（1）具有较强的口头与书面表达能力、人际沟通能力；（2）具有团队精神和协作精神；（3）具有良好的心理素质和克服困难的能力。
3．方法能力目标（1）能独立制定工作计划并进行实施；（2）具有独立进行分析、设计、实施、评估的能力；（3）具有获取、分析、归纳、交流、使用信息和新技术的能力；（4）具有自学能力、理解能力与表达能力；（5）具有将知识与技术综合运用与转换的能力；（6）具有综合运用知识与技术从事程度教复杂的技术工作的能力。
（三）前导课程本课程的前导课程为《高等数学》、《线性代数》、《数字电路》、《电路分析》、《复变函数与积分变换》和《模拟电子技术基础》等。
（四）后续课程：《现代控制理论》、《机电控制技术》、《PLC与电气控制》等。
二、课程内容标准（一）学习情境划分及学时分配（二）学习情境描述三、课程实施建议（一）课程教学模式1.更新传统的教学方式传统的以教师讲授为主，学生听课为辅的教学模式很难适应现代职业教学的理念，学校的教学设备也难于发挥作用。
单回路PID控制剖析
•单回路PID控制剖析
建立系统动态数学模型的基本步骤如下： （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
nC K ep (1 K sU K n *)C e(R 1 dK I)n0cl ncl
•单回路PID控制剖析
(1-36) (1-37)
n
开环机械特性
闭环静特性
A
B
C
D Ud4
A’
Ud3
Ud2
Ud1
O0
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
图1-26 闭环系统•单静回特路性PI和D控开制环剖析机械特性的关系
直流电机基本工作原理
•单回路PID控制剖析
一、 直流调速方法
根据直流电机转速方程
n U IR Ke
（1-1）
n
式中 — 转速（r/min）；
U
— 电枢电压（V）；
I
— 电枢电流（A）；
R
— 电枢回路总电阻（ ）；
— 励磁磁通（Wb）；
Ke
— 由•单电回机路P结ID控构制剖决析定的电动势常数。
O
转速下降，机械特性
曲线平行下移。 •单回路PID控制剖析
nN
n1
UN
n2
U1
n3
U2
U3
IL
I
调压调速特性曲线
（2）调阻调速
• 工作条件：
电力拖动自动控制系统第二、三章
2.4.4 系统稳态参数计算 例题1-4
R1
L
Id Ud
+
RP1
U* n R0
R0
- + + Uc
M
n
-
Rbal
+
+
Un
-
RP2
TG
-
系统稳态参数计算
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， 主电路是晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知 数据如下： 电动机：额定数据为10kW，220V，55A， 1000r/min，电枢电阻 Ra = 0.5Ω 晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路， 整流变压器Y/Y联结，二次线电压 U2l = 230V， 电压放大系数 Ks = 44
Ce = 0.2V· min/r，
如何采用闭环系统满足此要求？
解 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
K nop ncl 1
≥
275 1 103 .6 2.63
代入已知参数，则得
K 103.6 Kp 46 ≥ K s / Ce 30 0.015/ 0.2
= 2 Cetg
根据测速发电机的额定数据，
Cetg 110 min/r 1900 = 0.0579V·
先试取 2 =0.2，再检验是否合适。 现假定测速发电机与主电动机直接联接，则在 电动机最高转速1000r/min时，转速反馈电压为
Un 2Cetg 1000 0.2 0.05791000 V=11.58V
稳态时ΔUn很小， U*n只要略大于 Un 即可，现 有直流稳压电源为±15V，完全能够满足给定电 压的需要。因此，取=0.2是正确的。
反馈系统动态分析
•TS=0.00167s (三相桥式电路P10表1-2)
•由
•得 K<49.4
•与稳态性能指标K>53.3,相矛盾
•
例1-6 在上题的闭环直流调速系统中 •若改用IGBT脉宽调速系统，电机不变，电枢 回路参数为：R=0.6 ,L=5mH,Ks=44,Ts=0.1ms,根据同样的性能指标 D=10,S<5%，此系统是否稳定？
•
三、动态校正－PI调节器
•（一）控制系统对开环对数频率特性的一般要求
•伯德图
•（1）中频段以-20dB/dec的斜率 穿越零分贝线，而且这一斜率占 有足够的频带宽度，则系统的稳 定性好
•（2）截止频率wc越高，则系统的快速性越好
•
三、动态校正－PI调节器
•（一）控制系统对开环对数频率特性的一般要求
（一）额定励磁下的直流电机
•
•一、反馈控制闭环调速系统的动态数学模型
（一）额定励磁下的直流电机
•
•§1-5反馈控制闭环调速系统的动态分析和设计 •一、反馈控制闭环调速系统的动态数学模型
（二）晶闸管触发整流装置
•纯滞后的放大环节 •近似成一阶惯性环节
•近似条件
•
•一、反馈控制闭环调速系统的动态数学模型
•
•一、反馈控制闭环调速系统的动态数学模型
（四）闭环调速系统的数学模型和传递函数
•
二、稳定条件
•反馈闭环控制系统的特征方程为
•劳斯判据 •整理后得
•
二、稳定条件
•例题：已知，电机额定数据：220V,55A, 1000r/min，三相桥式可控整流，二次线电压 E2L=230V, R=1.0 ,Ks=44,Ce=0.1925Vmin/r,根 据稳态性能指标D=10,S<5%计算，系统的开环 放大倍数应有K>53.3。(P26) 试分析此系统是 否稳定。
电力拖动自动控制系统作业答案1答辩
静差率S<2%，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是多少？
nc1
nN s D(1 S)
1500 0.02 10(1 0.02)
3.06r
/
min
k nop 1 100 1 31.7
ncl
3.06
k nop 1
轻载运行
轻载电动状态中，负载电流较小，以致当VT1关断后id的续流很快就衰 减到零，这时二极管VD2两端的压降也降为零，使VT2得以导通，反电 动势E送过反向电流-id，产生局部时间的能耗制动作用。到t=T，VT2关 断，-id开始经VD4续流，到t=t4,-id衰减为零，VT1才开始导通。
7、分析双极式H型PWM变换器电路 的工作原理、特点
作用：用PWM方法，把恒定直流电源调制 成一定频率，宽度可变的脉冲系列，从而 改变平均输出电压大小，调节电机转速。
6、分析带制动电流的不可逆PWM
变换器的工作原理
电动运行
电动VT1和VT2的驱动电压大 小相等，方向相反，即 Ub1=Ub2。当电机在电动状 态下运行时，平均电流应为 正值，一个周期分两段。
8、脉宽调速系统的开环机械特性
9、转速控制的要求是什么？
1）调速-在一定的最高转速和最低转速的范 围内，分档的或平滑的调节转速。
2）稳速-以一定的精度在所需转速上稳定运 行，在各种可能的干扰下不允许有过大的 转速波动，以确保产品质量。
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。
例1、某闭环调速系统，测得的做高转速特性为 nomax 1500r / min , 最低转速特性为 nomin 150r / min ，带
运动控制系统转速闭环控制的直流调速系统
n(s)
U
* n
(s)
(Tss 1)(TmTl s2 Tms 1)
1
(Ts
s
K p Ks /
1)(TmTl s2
Ce Tms
1)
K p Ks / Ce (Tss 1)(TmTl s2 Tms 1)
K
K p Ks
Ce (1 K )
TmTlTs s3 Tm (Tl Ts ) s2 Tm Ts s 1
图2-30 闭环系统中PI调整器旳输入和输出动态过程
(s)
Uc (s) U n (s)
K
p
（2-42）
电力电子变换器旳传递函数
Ws
(s)
Ks Ts s
1
(2-33)
测速反馈旳传递函数
W fn
(s)
Un (s) n(s)
(2-43)
他励直流电动机在额定励磁下旳等效电路
假定主电路电流连续，动态电压方程为
Ud0
RId
L dId dt
E
(2-34)
scl
ncl n0cl
开环系统旳静差率为
sop
nop n0op
当 n0op n0cl 时，
scl
sop 1 K
（2-49）
（3）假如所要求旳静差率一定，则 闭环系统能够大大提升调速范围
假差如率电都动是机s，旳可最得高转速都是nN，最低速静
开环时，
Dop
nN s nop (1
s)
闭环时，
图2-23 转速反馈控制直流调速系统旳动态构造框图
转速反馈控制旳直流调速系统旳开环传递函数
W (s) Un(s)
K
Un (s) (Tss 1)(TmTl s2 Tms 1)
第二章双闭环直流调速系统
•系统原理图
+
RP1 Un R0
-
R0
Ufn
-
Rn Cn
U+fi
R0
ASR
-
+
+
Ui
LM
R0
-
TA
Ri Ci
L
ACR
LM GT
-
+
+
Uc
V
Id
UPE +Ud
MM
+TGG -
双闭环直流调速系统电路原理图
第15页/共199页
调节器输出限幅值的整定
图中表出，两个调节器的输出都是带限 幅作用的。
（2） 转速调节器饱和
这时，ASR输出达到限幅值Uim ，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电流闭环调节 系统。稳态时
Id
Uim
Idm
式中，最大电流 Idm 是由设计者选定的，取决于 电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速 度。
第36页/共199页
第28页/共199页
2.2 双闭环调速系统的稳态结构图及其静特 性
为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图， 如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输 出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器 的稳态特征。
第29页/共199页
第11页/共199页
1. 系统的组成
TA
L
内环
Un +-
Ufi
V
Ui ASR +
ACR Uc UPE
+
直流电机速度闭环控制系统设计报告
目录一、课题简介 (1)二、方案设计 (1)1. 系统整体设计 (1)2. 电机的传递函数 (2)3．集成H桥驱动器 (3)4. 发电机传递函数 (5)5. 信号整形电路 (5)6. 显示电路 (6)7. D/A转换电路 (7)8．51单片机最小系统 (8)三、电机实验模型的建立 (8)四、控制系统仿真分析 (11)1. 电机的开环特性仿真分析 (11)2. 闭环控制器的设计 (12)3. 离散域对控制系统的仿真分析 (14)3.1 PI调节器的离散化 (15)3.2零阶保持器与电机传函的离散化 (15)3.3离散域仿真分析 (15)五、系统实际效果与理论分析的比较 (16)1. 电机的开环特性 (16)2. 电机系统的闭环特性 (17)2.1 闭环系统消除稳态误差 (17)2.2 正阶跃响应特性 (18)2.3 正、负阶跃响应特性 (19)2.4 闭环系统抗扰动能力 (19)六、控制算法的实现 (20)七、总结 (21)1.实验过程中存在的问题 (21)1.1电机模型的测量不够精确 (21)1.2电机模型的降阶处理 (21)1.3电机转速的测量 (21)1.4微处理器的选择 (22)2.实验收获与体会 (22)附录一 (23)附录二 (23)附录三(离散域仿真补充) (33)直流电动机速度闭环控制系统设计报告（华中科技大学电气学院武汉430074）一、课题简介现代化生产和生活中，电动机的作用十分重要，无论是交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、农业生产、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量地使用各种各样的电动机。
据有关资料介绍，现有90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%消耗于电动机。
因此，研究电动机的控制系统是有较大的现实意义的。
目前电动机的主流控制都是由微机完成的。
电机微机控制系统主要用于一下两个方面：（1）发电机励磁系统的控制用于保证正常工作时发电机电压稳定，发生故障后尽可能保持稳定运行，达到最优化控制的目的。
第二章 闭环控制直流调速系统的稳态分析与计算
带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系 统稳态分析（续）
U com
将电流截止负反馈环节画 在方框中，再和系统的其它部
- + Rs
Id
分连接起来，便得到带电流截
止负反馈的转速负反馈单闭环
R
调速系统的静态结构图
U
* n
- Ui ASR
+
+
PI
U ct
Ud0 -
Ks
+
E
n
1/Ce
图中 U i I d U com
图2-1 不同转速下的静差率
根据式(2-2)的定义，由于n0a n0b ，所以sa sb 。 对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差
率越大，转速的相对稳定度也就越差。例如：当理
想空载转速为1000r/min时，额定速降为10r/min， 静差率为1%；当理想空载转速为100r/min时，额 定速降同样为10r/min，则静差率却为10%。
的转速是无静差的，静
特性是平直的。
2、当 I d I dcr 时，A-B段 的静特性则很陡，静态 速降很大。
0
I dcr
B
I dbl
Id
图2-8 带电流截止负反馈的转速 负反馈单闭环调速系统的静特性
例题
带有电流截止负反馈的转速负反馈单闭环直流 调速系统如图所示：
图1-24 电流截止负反馈闭环直流调速系统的原理框图
要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范
围也越小。
例题2-1
某直流调速系统电动机额定转速为 nN 1430 r / min 额定速降 nN 115 r / min，当要求静差率 s 30% 时，允许多大的调速范围？如果要求静差率 s 20% ，试求最低运行速度及调速范围。
运动控制系统考前总结
第一篇 直流拖动控制系统=电力拖动系统绪论概念：1.电机拖动：由电动机拖动生产机械进行运转。
2.根据直流电动机转速方程，有三种方法调节电动机的转速以及各自特点：（1）调节电枢供电电压 U ：调节电枢供电电压进行调速，机械特性曲线平行移动，在一定范围内无级平滑调速； （2）减弱励磁磁通：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（额定转速）以上作小范围的弱磁升速，机械特性曲线变软，属无级调速。
（3）改变电枢回路电阻 R ：变电阻调速只能实现有级调速，机械特性曲线硬度改变。
自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主3.请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势，最后说明为何要先研究直流拖动控制系统。
* 直流电机调速系统优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好，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。
缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。
* 交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。
大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。
缺点：调速性能比直流电机差。
* 发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统。
* 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。
第1章 闭环控制的直流调速系统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一 直流调速系统用的可控直流电源（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）直流调速系统用的可控直流电源的种类、特点及适用场合。
《电力拖动自动控制系统》教学大纲
《电力拖动自动控制系统》教学大纲一、课程基本信息1、课程英文名称：Automation Control System by Power Driving2、课程类别：专业方向课程3、课程学时：总学时64，实验学时84、学分：45、先修课程：《电路原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电力电子技术》、《电机学》、《控制电机》、《自动控制原理》、《电力拖动基础》等专业基础课程6、适用专业：电气工程及其自动化二、课程的目的与任务课程的教学目的：本课程是电气工程及其自动化专业的专业特色课程。
通过本课程的学习，了解和掌握电力拖动自动控制系统的设计、校正和综合方法，为今后的工作打下专业基础。
课程教学的任务：了解直流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，调速系统的静态动态性能指标。
掌握直流转速单闭自动控制系统和转速、电流双闭环自动控制系统的静、动态设计方法，深刻领会和掌握控制系统的工程设计方法，能够熟练应用典型Ⅰ型、典型Ⅱ系统的设计和校正方法，了解可逆直流调速系统和位置随动系统的特点和设计方法。
了解交流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，特别是重点了解和掌握笼型异步电动机变压变频调速系统的原理、特点和设计方法，了解矢量控制技术在异步电动机变压变频调速系统的应用，了解同步电动机变压变频调速系统的特点和设计方法。
三、课程的基本要求本课程是所有专业基础课程的综合应用，特别是对《电力电子技术》、《电机学》、《控制电机》、《自动控制原理》、《电力拖动基础》以及《模拟电子技术》、《数字电子技术》的基础知识应用较多，学生必须在这些专业基础课程学习过后，才能开设本课程。
教师在授课中必须引导学生对专业基础课程的综合应用，按照系统的控制规律为主线，由简入繁、由低及高的循序深入，思路必须清楚，引导学生学习和掌握系统设计与分析的方法，培养学生对工程问题的处理方法，同时要认真进行和完成课程实验，并且通过课程设计，要求学生能够对简单的电力拖动自动控制系统进行性能分析和设计。
2.4.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型
—— 电力拖动系统机电时间常数，s。
（一）闭环系统各组成部分数学模型 （2）直流电动机的传递函数 直流电动机的微分方程
Ud0
E
R(Id
Tl
dI d dt
)
Id
IdL
Tm R
dE dt
（一）闭环系统各组成部分数学模型
（2）直流电动机的传递函数
Ud0
E
R(Id
Tl
dI d dt
)
1
Id (s)
R
Ud0 (s) E(s) Tl s 1
Ud0 + E(s)
1/R Tl s+1
Id (s)
（一）闭环系统各组成部分数学模型 （2）直流电动机的传递函数
Id
IdL
Tm R
dE dt
E(s)
R
Id (s) IdL(s) Tms
Id (s)
R
E (s)
+ -
Tms
IdL(s)
（一）闭环系统各组成部分数学模型 （2）直流电动机的传递函数 直流电动机的动态结构图
+
EM
-n
-
Ud0
RI d
L
dId dt
E
E Cen
Te
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Tm
Ts
s
1
1 K
1 K
1 K
（1-57）
1.5.2 反馈控制闭环直流调速系统的 稳定条件
稳定是控制系统能够正常运行的首要条件。
稳定性定义 定义：?
线性系统的稳定性取决于系统的固有特征（结构、 参数），与系统的输入信号无关。
线性系统稳定的充分必要条件：闭环系统特征方程 的所有根都具有负实部.（或者说闭环特征方程的根必 须位于S平面的左半平面）
式中
I dL
TL Cm
为负载电流。
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的
Ud0
动态1/R分析I和d (s)设计
+
传递函数- E(s) Tl s+1
在零初a始. 式条（件1－下52，）取的等结构式图两侧的拉氏变换，得电 压与电流间的传递函数
1 Id(s) R Id (s) Ud0 (sR) E(Es)(s) Tl s 1
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) Un (s)
Kp
（1-54）
测速反馈
Wfn (s)
Un (s) n(s)
（1-55）
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计
4. 闭环调速系统的动态结构图
将电力电子变换器按一
阶惯性环节处理后，IdL 带(s)
第一章 闭环控制的直流调速系统
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
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计
电流与电+ -动势间Tm的s 传递函数
IdL(s)
b. 式（1－E53(s）) 的结构图R
Id (s) IdL (s) Tms
(1-52) (1-53)
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的
施的理加想在电空枢载上电动态分析和负电设载流 计
压
IdL (s)
Ud0 +
Un
1/R Tl s+1
Id 375CeCm
— 电力拖动系统机电时间常数，s。
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计
微分方程
代入式（1-46）和（1-47）,并考虑式（1-48）和 （1-49），整理后得
Ud0
E
R(Id
Tl
dId dt
)
(1-50)
Id
IdL
Tm R
dE dt
(1-51)
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计
1. 电力电子器件的传递函数
构成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
Ws
(
s)
Ks Tss
1
(1-45)
只是在不同场合下，参数Ks和Ts的数值不同而 已。
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计
+
R Tms
E 1/Ce
n(s)
思考：
c如. 整果个不直需流要电在动结机构的图动中态显的现结构图 出电流，结构图是怎样的？
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计
动态结构图的变换和简化
a. IdL≠ 0
IdL (s)
R (Tl s+1)
Ud0 (s) + -
1/Ce
n(s)
TmTl s2+Tms+1
的动力学方程m为；
GD2 ---电力拖动系
Te
TL
GD2 375
dn dt
统折算到电机轴上 的飞轮惯量，(1N-4-7m) 2
Cm
30 π
Ce---电机额
定励磁下的转矩
系数,N-m/A；
1.5 反馈控制闭环直流调速系统 的动态分析和设计
定义下列时间常数
Tl
L R
— 电枢回路电磁时间常数，s；
5. 调速系统的开环传递函数
由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环 传递函数是
W (s)
K
(Tss 1)(TmTl s2 Tms 1)
（1-56）
式中 K = Kp Ks / Ce
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计
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
2. 直流电动机的传递函数
电路方程
+
R
L
TL
假定主电路电流 连续，则动态电压
id
+
Ud0
EM
-
ne
-
图1-33 他励直流电动机等效电路
方程为
U d0
Rid
L did dt
E
(1-46)
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计
TL ---包括电机空载转
如果，忽略矩粘在性内磨的擦负及载转弹矩性,转N-矩，电机轴上
反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件 动态校正——PI调节器的设计
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计
1.5.1 动态数学模型
为了分析调速系统的稳定性和动态品质， 必建须立首系统先动建态立数描学述模系型统的动基态本物步理骤规如律下的：数学模 型（，1）对根于据连系续统的中线各性环定节常的系物统理，规其律数，学列模出型描是 常述微该分环方节动程态，过经程过的拉微氏分变方换程，；可用传递函数和 动（态2）结求构出图各表环示节。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。
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计
动态结构图的变换和简化（续）
b. IdL= 0
Ud0 (s)
1/Ce
n(s)
TmTl s2+Tms+1
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计
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
KpKs / Ce
Wcl
(s)
(Tss 1)(TmTls2 Tms 1)
1
(Ts
s
Kp Ks 1)(TmTl s
/
2
Ce Tm
s
1)
(Tss
KpKs 1)(TmTl s 2
/ Ce Tms
1)
K
Kp Ks
Tm
TlTs
s3
Ce (1 K ) Tm (Tl Ts ) s2
比例放大器的闭R 环(Tl s直+1流)
U*n (s)
+
-
KP调 个Uct速三(s)系阶T统线sKs+可性s 1以系U看统d+0作。(s) 是- 一
Un (s)
1/Ce TmTl s2+Tms+1
n(s)
图1-36 反馈控制闭环调速系统的动态结构图
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的 动态分析和设计