第二章 单闭环直流调速系统
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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：
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。
单闭环调速系统的静特性。
§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：
Kp
R2 R1
为运算放大器放大系数。转速反馈电压： Uf n
为转速反馈系数
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 ：
I
↑→
d
n
Ud
Id Ce
R↓→
U
↓→
n
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。
四、闭环调速与开环调速的比较
静特性方程：
n
K Ce
p
KsU
* n
1 K
Ce
R
1
K
Id
闭环转速降
nb
IdR
1 K Ce
机械特性方程： n Ud IdR
Ce
开环转速降
nk
IdR Ce
① 闭环静特性比开环机械特性硬得多。负载电流相等时
nb
nk
1 K
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，
§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
以升速控制为例，系统的调节原理分析如下：
Un* U Un* Un Uct Ud 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？
该式称为系统的静特性方程。
K Kp 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。
•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。
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。
U↑→
Uct
↑→U
↑→
d
n↑
通过这一调节可抑制转速的下降，虽然不能做Байду номын сангаас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↓→
n
Ud
Id Ce
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。
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 单闭环调速系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
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 Ud Ce
R Ce
Id
斜率： k R Ce
闭环静特性： n
K
p
KsU
* n
Ce 1 K
Ce
R
1
K
Id
斜率：k R
Ce 1 K
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？
§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
•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。
整流装置输出：Ud KsUct
比较环节：
U
U
* n
Un
运算放大器输出：Uct KpU
电机转速： n Ud IdR Ce
R↓→
U
↓→
n
U↑→
U
ct
↑→
U
↑→
d
n↑
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
Un
Uct KpU
Ud KsUct n Ud IdR
Ce
由上述四式不难得出
n
K
p
KsU
* n
Ce 1 K
Ce
R
1
K
Id
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。
单闭环调速系统的静特性。
§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：
Kp
R2 R1
为运算放大器放大系数。转速反馈电压： Uf n
为转速反馈系数
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 ：
I
↑→
d
n
Ud
Id Ce
R↓→
U
↓→
n
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。
四、闭环调速与开环调速的比较
静特性方程：
n
K Ce
p
KsU
* n
1 K
Ce
R
1
K
Id
闭环转速降
nb
IdR
1 K Ce
机械特性方程： n Ud IdR
Ce
开环转速降
nk
IdR Ce
① 闭环静特性比开环机械特性硬得多。负载电流相等时
nb
nk
1 K
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，
§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
以升速控制为例，系统的调节原理分析如下：
Un* U Un* Un Uct Ud 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？
该式称为系统的静特性方程。
K Kp 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。
•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。
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。
U↑→
Uct
↑→U
↑→
d
n↑
通过这一调节可抑制转速的下降，虽然不能做Байду номын сангаас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↓→
n
Ud
Id Ce
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。
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 单闭环调速系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
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 Ud Ce
R Ce
Id
斜率： k R Ce
闭环静特性： n
K
p
KsU
* n
Ce 1 K
Ce
R
1
K
Id
斜率：k R
Ce 1 K
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？
§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
•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。
整流装置输出：Ud KsUct
比较环节：
U
U
* n
Un
运算放大器输出：Uct KpU
电机转速： n Ud IdR Ce
R↓→
U
↓→
n
U↑→
U
ct
↑→
U
↑→
d
n↑
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
Un
Uct KpU
Ud KsUct n Ud IdR
Ce
由上述四式不难得出
n
K
p
KsU
* n
Ce 1 K
Ce
R
1
K
Id