自动控制系统

自动控制系统

电气工程系张和生

绪论

自动控制系统的几个概念自动控制系统的分类自动控制系统的组成自动控制系统的性能指标研究自动控制系统的方法本课程与其它课程的连接本课程的主要内容计算机控制系统的概念

一 . 自动控制系统的几个概念

1. 自动控制在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被

控对象的某一物理量自动地按预定的规律进行。

2. 系统研究自动控制共同规律的技术科学。


3. 自动控制系统能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系

统。4. 自动控制理论研究自动控制共同规律的技术科学。


5. 拖动应用各种原动机使生产机械产生运动，以完成

一定的生产。6. 电力拖动用各种电机作为原动机的拖动方式。

二 . 自动控制系统的分类

1. 按输入量变化的规律① 恒值控制系统特点：系统的输入量是恒值，并要求系统的输

出量相应保持恒值。例子：自动调速系统、恒温控制系统、恒压、

恒流系统


② 随动系统特点：系统的输入量是变化的，并要求系统的

输出量跟随输入量的变化。例子：刀架跟随系统、火炮控制系统、雷达导

引系统、机器人控制系统。


③ 过程控制系统特点：对生产过程自动提供一定的外界条件，

例如：温度、压力、流量、粘度、浓度等参量保持恒定或按一定的程序变化。对其中的每一局部，可以是随动系统，也可以是恒值系统。

例子：化工厂控制系统。


2. 按数学模型分类数学模型描述系统内部各物理量之间关系的数学表达式。静态模型变量各阶导数为零的条件下。


① 线性系统定义：数学模型为线性微分方程式的控制系统。特点：a. 系统的输入量与输出量之间关系是线性b. 各环节和系统均可用线性微分。c. 可用叠加原理和拉氏变换。


② 非线性系统定义：数学模型为非线性微分方程式的控制系

统。特点：系统中有非线性环节。


3. 按系统传输信号对时间的关系分类① 连续控制系统特点：控制作用的信号是连续量或模拟量。例子：调速系统、随动系统。数学模型用微分方程描述


② 离散控制系统特点：控制作用的信号是断续量或数字量或采

样数据量。例子：计算机控制系统。数学模型用差分方程描述


4. 按系统有无反馈环节分类① 开环控制系统② 闭环控制系统

三 . 自动控制系统的组成自动控制系统的基本功能信号的传递、加工和比较。

给定元件参数

串联校正装置

放大元件

执行机构

被控对象

反馈校正装置

测量装置

输出量

四 . 自动控制系统的性能指标

控制系统的性能指标包含：稳定性、稳态特性、动态特性稳定性：系统的首要条件稳态特性：稳态误差动态特性：动态跟随特性，动态抗扰特性

五 . 研究自动控制系统的方法

定性分析建立数学模型定量分析对系统校正工程实践

定性分析

建立数学模型

定性分析

对系统校正

满意？

工程实践Y

N

六 . 本课程与其它课程的关系

先修课程电机学、自控原理、电子技术后续课程计算机控制系统


主要内容直流电机自动控制系统交流电机自动控制系统


要求 1. 掌握基本的理论、分析方法、和典型的应用 2. 学习本课程的思想，通过本课程的学习，不

仅掌握知识，而且在学习能力、分析能力、综合能力上有提高。


如何学好本课程1. 复习 + 综合2. 学习做读书报告

七 . 计算机控制系统的概念

从本质上讲，计算机控制系统包括：1. 实时数据采集2. 实时决策3. 实时控制


计算机控制系统分类：1. 联机在线方式2.脱机离线方式


实时的概念：信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。

计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内做出相应。

交流调速系统简介

第六章交流调速引导

第六章交流调速引导

异步电机的特点：高阶、非线性、多变量

异步电机的调速：n ＝ n1(1-s)＝ 60f1 (1-s)/p

n---转子转速 n1---旋转主磁通的转速s---转差频率 p--- 定子绕组的极对数

s=f(U1 、 r1、 x1σ、 r2’ 、 x2 σ

’ )

§6.1 交流调速系统的基本类型

一 . 常见分类1. 降电压调整2. 电磁转差离合器调速3. 绕线转子异步电机转子串电阻调速4. 绕线转子异步电动机串级调速5. 变极对数调速6. 变频调速


二 .从定子传入转子的电磁功率 P2=(1-S) Pm----- 拖动负载的有效功率 Ps =S Pm --------转差功率（转子铜耗） 1.转差功率消耗型 Ps转成热能形式降电压调整电磁转差离合交调速绕线转子异步电机转子串电阻调速


2. 转差功率回馈型 Ps 一部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈电网

或转化为机械能予以利用。绕线转子异步电动机串级调速


3.转差功率不变型转子铜耗不可避免，无论转速高低，转差功率的消耗

基本不变。效率最高。变极对数只能有极调速，应用场合有限。变频调速最有发展前途

§6.2 闭环控制的交流变压调速系统异步电机模型

r1x1σ r2

’ x2 σ’

rm

xm

U1

I1

Im

Im=-I2’

(1-s)r2’

s

异步电机模型

σ1r1σ1x1σ σ1

2r2’ σ1

2x2 σ’

rm

xm

U1

I1

Im

-I2’’ =I2

’ / σ1r1

x1σ

σ12(1-s)r2

’

s

σ 1=1+ x1σ /x2σ

异步电机机械特性

22

2111

2'

22111

1''2

)()( xxsr

r

UI

])()[(2 2'211

2'

2

111

'22

11

xxsr

rf

sr

pUmTem

当电机电路参数不变时 ,在一定转速下，转矩正比于电压的平方

异步电机机械特性

2'211

21

'21

)(

xxr

rsm

])([4 2'21

2111

211

max

xxrrf

pUmT

'211

'21

xx

rsm

)(4 '

1111

211

1 xxrf

pUmTm

一 :异步电动机改变电压时的机械特性根据电机学原理，并假设： (1)忽略空间和时间的谐波。 (2)忽略磁饱和。 (3)忽略铁损。 σ 1=1+ x1σ /x2σ = 1

一 :异步电动机改变电压时的机械特性异步电机在不同的电压下的机械特性。高转子电阻电机在不同电压下的机械特性。

二闭环控制的变压调速系统及其静特性变压调速 D 小。高转子电阻电机的机械特性软。 D=2 以上时用带转速反馈的闭环控制系统

UctASR

Un*

M

TG

第七章异步电机变压变频调速系统 (VVVF)

-------转差功率不变型调速系统

§7-1 变频调速的基本控制方式

电机调速时希望磁通量 Φm 为额定值不变三相异步机每相电势 Eg=4.44f1N1KN1Φm

f1------ 定子频率 KN1--- 基波绕组系数 N1----- 定子每相绕组串联匝数 Φm ---- 每极气隙磁通量 (Wb)

一 . 基频以下调速

f1 从额定 f1n向下调。要求： Eg /f1 =常数。因为 E 不易控制，当 E较大时，忽略定子绕

组的漏感压降 U1 = Eg

U1 /f1 =常数低频时， x1σ 大，不能忽略所以 U1 需提高。

二 . 基频以上调速

频率从 f1n 上升， U1只能升到 U1n (额定电压 ) 。迫使 Φm 下降。相当与直流电机弱磁升速变频调速控制特性（ P198）

§ 7-2 静止式变频装置

间接变频 AC-DC-AC 直接变频 AC—AC

一 : 间接变频装置 (AC-DC-AC)

1. 可控整流器变压调压调频在两个环节上进行 U1/F1 较低时 , 电网端功率因数低输出谐波大2. 不控整流、斩波调压。逆变器变压电网输入功率高输出仍有谐波3. 不控整流、 PWM 变压变频电网功率因数高谐波减少

二 : 直接变频装置 (AC-AC)

交交变频周波变换

三 : 电压源和电流源变频器

1. 电压源输出电压阶梯波、矩形波。2 电流源输出电流矩形波、阶梯波。

根本区别 : 用什么储能元件缓冲无功能量

三 : 电压源和电流源变频器

电压源变频器 : AC—DC — AC 变频器中中间直流环节主要采用

大电容滤波时，直流电压波形平直。理想情况下是一内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波

电流源变频器 AC—DC—AC 变频器中中间直流环节采用大电感滤波时，直流回路中的电流波形比较平直。对负载来说是一个恒流源。

因为电机是感性负载，功率因数不会等于 1.0 ，所以中间直流环节与电动机之间总存在无功功率的交换。

§ 7-3 SPWM逆变器

电压频率协调控制若整流器可控，则（ 1）两个可控功率环节 --- 复杂。（ 2）中间环节大电感、大电容、系统动态响应缓慢。（ 3）整流器可控，功率因数（供电）随频率下降而

变差，并产生高次谐波电流。（ 4）输出为六阶梯波 1964年德 A.schonung 提出 PWM。


PWM 方法控制逆变器功率开关器件导通或断开，其输出端即获一系列宽度不等的矩形脉冲波形，从而决定开关动作的顺序和时间分配规律的控制方法。改变矩形脉冲宽度 ----逆变器输出交流基波电压幅值。改变调制周期 ---逆变器输出交流基波电压频率。


特点：（ 1）只有一个可控功率环节。（ 2）用不可控整流器，使电网功率因数与逆

变器输出电压大小无关而接近 1 。（ 3）调频同时调压，与中间直流环节的元件

参数无关，加快了系统的动态响应。（ 4）输出电压波形好，能抑制或消除低次谐波。


一 .SPWM逆变器的工作原理思想期望其输出电压是纯粹的正弦波形把正弦波形半波分成 N 等分。把每一个等分的正弦曲线与横轴所包围的面积，都用一个与面积相等的等高矩形脉冲来代替

矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合因为各脉冲幅值相等所以逆变器可由恒定的直流电源供电整流电压 ==逆变器脉冲幅值实现方法软件计算调制（

一）工作原理参考信号振荡器其频率决定逆变器输出的基波频率载波信号：公用分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“负”的饱和输出

调节参考信号频率和幅值可平滑调节逆变器输出的基波频率和幅值

控制方式单极式 : 正弦波半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断

双极式 : 控制逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断 ,处于互补的工作方式

( 二 ) 逆变器输出电压与脉宽的关系单极式 SPWM 脉冲幅值 1/2Us. 在半个周波内有 N 个脉冲 , 个脉冲不等宽

但中心间距一样 , 等三角波的周期令第个矩形脉冲宽度为其中心点相位角因为从原点始只有半个三角波

因为输出电压波形负半波左右对称 , 是一个奇次周期函数

把 N 个矩形脉冲代表的代入上式 ,须先求的每个脉冲的起始和终止相位角设所需逆变器输出的正弦波电压幅值 Um

因为矩形脉冲面积 ==该区段正弦曲线的面积相等

第 I 个矩形的宽度

第 i 个脉冲起始角度终止角代入上式的 :

K=1 的输出电压的基波幅值当半个周期内 N较多时较小

结论 : 输出基波电压幅值 U1m 与各次脉宽时 ,实现了对逆变器输出电压基波幅值的平衡调节

所以 Uim=Um

输出电压的基波正式调制时所要求的正弦波

( 三 ) 对脉宽调制的约束条件逆变器主电路的开关器件在其输出电压半周内开关 N次

器件本身的开关能力与主电路的结构及其换流能力有关

所以 PWM 用于交流调速系统受到约束 (1) 开关频率开关频率限制其

(2) 调制度调制的脉冲波有最小脉宽与最小间隙的限制目的 : 保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间

Ton 与关断时间 Toff

要求 : 参考信号幅值不能超过载波峰值的某一系列数

所以定义调制度 M=Um/Utm

M,1

二 :SPWM逆变器的同步调制和异步调制定义载波比 N=

载波频率 / 调制波频率 1. 同步调制 N=C 变频是 fr与 ft 同步变化所以逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数固定

不变缺点 : 输出频率低时谐波显著上升 , 使负载电

机产生较大的脉冲转矩和较强的噪音

2.异步调制 N C 一般使参考信号频率 fr改变 ft载波频率不变所以提高了低频时的载波比缺点 :难保证相位对称

3. 分段同步调制在一定频率范围内 , 采用同步调制 , 保持输出波形对称的优点当频率减小使载波比分段有级地增加

从输出接近正弦 N 好从逆变器本身 N 不能太大所以 N<<逆变器功率开关器件的允许开关频率 /频段内最高的正弦参考信号频率

三 :SPWM 控制模式及其实现摸电数电专用芯片软件 ( 计算机 )

( 一 ) 自然采样法按正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度与间隙

进行时间的采样 , 从而产生 SPWM波形叫自然采样法

所以在逆变器输出的一个周期内 , 正弦波与三角波有 2N 个交点

T2 逆变器功率开关器件导通时间—脉冲时间f1 t3----- 间隙时间 Tc=t1+t2+t3

设三角波幅值所以正弦调制波 Ur=MsmW1 t

W1 正弦调制波频率逆变器输出频率因为 A B 两点对三角波载波中心线不对称把 t2 分成用相似

( 二 ) 规则采样法弥补自然采样法的不足设法使 SPWM波形的每一个脉冲都与三角波中心线

对应使 t1=t3

减少计算工作量在三角波固定时刻 ( 正峰值或负峰值 )

找到正弦调制波上对应电压值 , 用值对三角波进行采样用正峰值采样用负峰值采样

脉宽 :

间隙多相因为三角载波是共用的 , 可在同一载波内获得三相 SPWM

脉冲两侧间隙时间相等

( 三 ) 指定谐波消除法从消除某些指定次数的谐波出发 ,来确定各个脉冲的开关时刻 .严格意义上并非 SPWM(即三角波和正弦波比较 )

( 四 ) 高开关频率的电流滞环控制 SPWM逆变器引入原因 : 电压源型逆变器当负载出现低阻抗或短路

是 ,将产生严重的冲击电流实行电流控制 :由控制电路或微型机产生给定频率和幅

值的正弦参考电流与实际的电流检测信号相比较

偏差经 HDC----滞环比较器控制逆变器该相上下两个桥臂 GTR 的通或断

7-4异步电机电压频率协调控制的稳态机械特性基频一下 : 恒压频比带定子压降补偿的控制方式 ,

保持不变一 : 恒压恒频时异步电动机的机械特性 U1 W1 恒定是 S很小忽略分母中的含 S项 S很小时转矩近似与 S 成正比 S=1 忽略分母中

二 : 电压频率协调控制下的机械特性异步机带 TL负载 1. 恒压频比控制 (U1/W1=C)

因为带负载时转速降机械特性基本平行下移最大转矩Temax随W1 下降而下降 , 采取补偿定子压降增大 Temax

适当的增加 U1 可增强带负载能力

2.恒 Eg/W1 控制 Eg气隙 (互感 )磁通在钉子每相绕组中的感

应电势 Es 定子全磁通的感应电势 Er转子全磁通的感应电势 (折合套定子边 )

因为电磁转矩基本公式 S很小忽略分母中含项 S=1忽略分母中

Eg/W1 控制发生最大转矩是的转差率最大转矩

3恒 Er/W1 控制把 U1/W1中 U1继续提高 , 使之补偿上压降得

Er/W1检测此时 Te 是一直线与直流机性能相似

如何得到 Er/W1=C

因为气隙磁场幅值对应于 Eg

转子全磁通幅值对应于 Er

基频以上 : 电压不变 ,只提高频率的恒功率弱磁调速

§7-4异步电机电压、频率协调控制的稳态机械特性

复习

r1x1σ r2

’ x2 σ’

rm

xm

U1

I1

Im

Im=-I2’

(1-s)r2’

s

异步电机等效模型

复习

异步电机等效模型 (教材 )R1

Ll1 Ll2’

LmU1

I1

I0

I2’

R2’

s

R1, R2’ : 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻

Ll1, Ll2’ : 定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感

Lm : 定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感

复习

控制策略：基频以下采用恒压频比带定子压降补偿的控制

方式，保持磁通不变。

])()[(2 2'211

2'

2

111

'22

11

xxsr

rf

sr

pUmTem

2'21

21

22'21

'212

1

1

)()()(3

LLsRsR

RsUnT pem

复习

sn

0

sm

n0

10Temax

Te

U1 下降sn

0

sm

n0

10Temax

Te

r2增加

一 : 恒压恒频时异步电动机的机械特性当 U1、ω1 恒定时异步电机正常运行时， S很小。可以忽略分母中含 S 的项。

此时转矩近似与 S 成正比。

sR

sUnT

LLsRsR

RsUnT

pem

pem

'2

12

1

1

2'21

21

22'21

'212

1

1

)(3

)()()(3

一 : 恒压恒频时异步电动机的机械特性当 U1、ω1 恒定时异步电机低速运行时， S 接近于 1 。可以忽略

分母中含 R2’ 的项。此时转矩近似与 S 成反比。

sLLRs

RsUnT

LLsRsR

RsUnT

pem

pem

1

])([)(3

)()()(3

2'21

21

21

2

'212

1

1

2'21

21

22'21

'212

1

1

一 : 恒压恒频时异步电动机的机械特性

sn

0

sm

n0

10Temax Te

U1 下降

二 : 电压、频率协调控制下的机械特性1. 恒压频比控制 (U1 /ω1 =C)

)(3

2

60

2

60

1

1

'2

1

10

10

Un

TRs

n

ssnn

nn

p

e

p

p

对统一转矩， s ω1

基本不变。

二 : 电压、频率协调控制下的机械特性1. 恒压频比控制 (U1 /ω1 =C)

sn

0

sm

n0

10Temax

Te

U1 下降

二 : 电压、频率协调控制下的机械特性2.恒 Eg/ ω1 控制

Eg气隙 (互感 )磁通在定子每相绕组中的感应电势 Es 定子全磁通的感应电势 Er转子全磁通的感应电势 (折合套定子边 )

Ll1 Ll2’R1

LmU1

I1 I0

I2’

R2’

sErEgEs

二 : 电压、频率协调控制下的机械特性

2'2

21

22'2

'212

1

2'2

21

2'2

'2

)(3

)(

l

gpe

l

g

LsR

RsEnT

Ls

R

EI

S很小忽略分母中含 s项，转矩和 s 成正比。

S=1忽略分母中 R2’ ，转矩和 s 成反比。

二 : 电压、频率协调控制下的机械特性电压频率协调控制时，恰当提高电压，使之克服定子压降，能维持 Eg/ ω1 恒定。

Eg/ ω1 控制发生最大转矩是的转差率

'2

2

1max

'21

'2

1)(

2

3

l

gp

lm

L

EnT

L

Rs

sn0

sm

n0

10Temax

Te

二 : 电压、频率协调控制下的机械特性3 恒 Er/ ω1 控制把 U1 /ω1中 U1 继续提高，使之补偿 Ll2 上压降得 Er/ ω1 控制。

'2

12

1

'2

'2

)(3R

sEnT

sR

EI

rpe

r

机械特性是一条直线。

二 : 电压、频率协调控制下的机械特性如何得到 Er/ ω1 =C

因为气隙磁场幅值 Φm 对应于 Eg

转子全磁通幅值 Φrm 对应于 Er

Er=4.44f1N1KN1Φrm

转子全磁通幅值 Φrm=C 控制。

7-5 转速开环，恒压频比控制的变频调速系统

引言

恒压频比控制可获得较硬的机械特性。若生产机械对调速系统静动态性能要求不高，可采用转

速开环恒压频比控制。分类：电压源变频器电流源变频器例子：风机、水泵、压缩机。锅炉、空调、电梯等等。

一．转速开环的交 - 直 - 交电压源变频调速系统1.结构可控整流 --- 用电压控制环节控制其输出电流

电压电压源逆变器－－用频率控制环节控制其输出。

一．转速开环的交 - 直 - 交电压源变频调速系统

＋

－

电压控制环节

频率控制环节

M3~

U*ω

t

u Ugi Uabs

- Uv

Ui-

正、反

1. 给定积分器

因为转速开环，阶跃信号会使电机产生大的冲击电流，所以加了 GI 给定积分器。

GI: 将 U*ω转变成按给定率逐渐变化的斜率信号

Ugi ，从而使电机电压和电流都能平缓递变化。软启动器

1. 给定积分器

第一级：高放大倍数的极性鉴别器。（ R1 >100R0） U1饱和。只管极性不管大小。

第二级：反向器

第三级：积分器

R0

R1

Rb

U1

＋

－

U*ω

R0

R0

Rb

U1

R

RbRppU2

Ugi

－

C

R0

＋

1. 给定积分器

t

U*ω

t

U1

t

U2

t

Ugi

U1m

-U1m

-U2m

U2m

TsU

RCs

UU

Cs

U

R

U

mmgi

gim

22

2

1

2.绝对值变换器

引入原因电机旋转方向取决于变频电压的相序不需在电压和频率的控制上反映极性，所以用绝对值变换器电路将 Ugi 变换成其绝对值信号Uabs。

分析时注意：

Ugi 与给定极性相反。

2.绝对值变换器

R1

R0

Rb

U1

Ugi

Uabst

Ugi

t

Ugi

3. 电压控制环节

采用电压、电流双闭环

U*ω

AVR ACRUi

Uv

U*vUabs

内环： ACR限制动态电流，兼起保护作用。

外环： AVR 控制电压输出。

电压－频率控制信号加到 AVR前，要通过 GF（函数发生器），把给定电压提高一些以补偿定子阻抗压降。

3. 电压控制环节

R1

R0

Rb

Uabs

R0

＋

－－

Ub

U*v

＋ R2

1.Uabs =0 ，输入＋ Ub ，

Kgf =(R1+ R2 )/ R0

2.Uabs <0 ，输入＋ Ub, Uabs

Kgf =(R1+ R2 )/ R0 当 Uabs 增大，输出变正。3.当 Uabs 增大，使二极管导通， Kgf = R2/ R0 。

2

*

00

7.0

R

U

R

U

R

U vbabs

Uabs

U*v

4.频率控制环节

压频振荡器、环形分配器、脉冲放大器组成。

GVF 压频振荡器：电压转换成脉冲。

DRC 环形分配器：六分频作用的计数器。

AP脉冲放大器：保证脉冲功率和宽度。

GVF DRCUabs AP

Ugi

二．转速开环的交 - 直 - 交电流源变频调速系统1.结构可控整流 --- 用电压控制环节控制其输出电流

电压电流源逆变器－－用频率控制环节控制其输出

电压。差别在于滤波环节。

二．转速开环的交 - 直 - 交电流源变频调速系统

＋

－

电压控制环节

频率控制环节

M3~

U*ω

t

u Ugi Uabs

Ui -

正、反 Ui

电流源：滤波环节。电压控制：控制目的。易于实现四象限运行。

二．转速开环的交 - 直 - 交电流源变频调速系

电流源：滤波环节。电压控制：控制目的。易于实现四象限运行。

＋

－

M3~

U*ω

t

u Ugi Uabs

正、反

U*ω

AVR ACRUi

Uv

U*v

U*i

＋-

＋

GFC

AP DRC GVF ＋＋

二．转速开环的交 - 直 - 交电流源变频调速系回馈制动和四象限运行电流源变频调速系统的显著特点。

+M3~

Ld

Id Te n

整流逆变电动P

+

M3~

Ld

Id Te n

整流逆变发电

P

7-6 转速闭环，转差频率控制的变频调速系统

引言

可采用转速开环、恒压频比控制适于生产机械对调速系统静动态性能要求不高。

如何提高控制系统的动态特性？控制转矩。

dt

d

n

JTT

pLe

如何控制电压电流和频率来控制转矩？

一．转差频率控制的基本概念

直流电机转矩和电流成正比，控制电流可控制转矩。异步电机电流源变频调速系统的显著特点。

2'2 cosICT mme

Ll1 Ll2’R1

LmU1

I1 I0

I2’

R2’

sErEgEs


2'21

2'2

'2

2'21

2'2

'2

2'21

2'2

'2

2

2'21

2'22'

212

'2

'2

)(

)()()(

cos

)()()(

l

gmme

ll

l

g

l

g

LsR

RsECT

LsR

R

Ls

Rs

R

LsR

sE

Ls

R

EI


'2

2

2'21

2'2

'22

2'21

2'2

'212

11

111111

)(

)(2

1

2

144.4

RK

LsR

RKT

LsR

RsCKNT

KNKNfE

smm

l

smme

l

mmNe

mNmNg

S很小时，控制气隙磁通不变，转矩和转差频率成正比。

二．转差频率控制规律

恒 Eg/ ω1 控制

sn0

sm

n0

10Temax

Te

当 s较小时，转矩和转差频率成正比。

max

2

2'2

'2

max

'2

2

max 2

ss

lls

l

mme

L

R

L

R

L

KT


如何使磁通恒定

当 ωs =0 时， I1 = I0

当 ωs 时趋于无穷时，

2'2

22'2

2'2

22'2

01

)(

ls

lms

LR

LLRII

I1

I0

-ωs ωs

2'2

2'2

01

)(

l

lm

L

LLII


转差频率控制规律： ωs <= ωsm ,转矩和转差频率成正比。按图示函数关系控制定子电流，保持气隙磁通恒定。

第一章直流调速系统分析和设计

方法

引言

一 . 直流电动机的转速和其他参量的关系：

e

a

C

RIUn

其中： R ：电枢回路总电阻

C e ：电势常数

I a ：电枢电流

引言

调节转速的方法减弱励磁磁通 Ø 改变电枢回路电阻 R 调节电枢供电电压 U 改变磁通 ---额定转速之上改变电阻 --- 有级调速改变电压 ---平滑调速

引言

二 . 直流调速系统的可控直流电源 .旋转变流机组静止可控整流器直流斩波与 PWM

引言

三 . 机械特性他励直流电机改变电压时的机械特性n

Ta-Ta

-n

正向电动

正向制动

引言

他励直流电机改变电枢电阻机械特性n

Ta

Ra

Ra+ R1

Ra+ R2

R1<R2

引言

闭环调速系统设计方法总体设计基本部件的选择和稳态参数设计建立原始系统的动态数学模型检查稳定性和动态性能校正系统

§1-1 单闭环系统的稳态设计

命题解释：稳态：系统各变量导数为零分析与设计的对象直流电机的稳态直流电机在某一转速下稳定运行


问题？如何控制直流电机使其输出转速保持恒定？一 . 定性分析 1. 如何实现控制目标？ 2. 从何处入手分析？


控制目标与方法n

I

n1

I1

电机机械特性

控制方法


定性分析的结果从改变电机电枢电压入手控制输出，得到硬的机械特性 ?

/!

采用闭环控制使输出恒定 ?/!


二 . 定量分析1.转速控制的要求和调速指标设计控制系统的依据

生产设备量化的技术指标

闭环系统的稳态和动态性能指标

折算


转速控制要求调速：在一定范围内。稳速：在一定精度内。加减速：在一定时间内。稳态分析和设计时仅涉及调速和稳速。

§1-1 单闭环系统的稳态分析

调速系统稳态性能指标a. 调速范围（ D）电动机最高转速和最低转速之比。b. 静差率（ S）系统在某一转速下，负载有理想空载增加到额定值所对

应的转速降落与理想空载转速之比。


2) 调速系统稳态性能指标间关系CS

n

nD

min

max

ne

S点

n

n0max

⊿ nanmax

n0min

nmin⊿ nb

TnomTa


小结：调速范围和静差率同时提才有意义！以电动机的额定转速为最高转速。以系统要求的 D和 S确定最低转速


S=

nmin

nmax

nmin = n0min --⊿nnom =⊿nnom

S⊿nnom

=(1- s)

⊿nnomSD =

(1- s) ⊿nnom

nnomS

n0min

⊿nnom

=


某调速系统额定转速 1430/min ，额定速降 115/min

S≤30% 时 D=1430*0.3/115(1-0.3)=5.3

S≤20% 时 D=1430*0.2/115(1-0.2)=3.1


2. 开环调速系统的性能例子：某龙门刨床工作台拖动采用直流电机：

Z2-93 型、 60kW、 220V、 305A、 1000r/min 。要求： D=20,S≤5%。

采用 V_M 系统，已知主回路 R=1.8欧，电动机 Ce=0.2Vmin/r

给定速度

放大元件

直流电机

n


当电流连续时 =⊿nnom

= =Idnom

Ce

305×0.18

0.2r/min 275r/min

Snom = =⊿nnom +

nnom

⊿nnom 275

1000 + 275= 0.216

⊿nnom

=nnomS

D(1-S)≤

1000×0.05

20×(1-0.05)= 2.63r/min


3. 闭环调速系统a. 组成

A GT M

TG

+

-

Utg++

-

+

-

-

+

-

Un*△Un Uct Ud

Id

Un

。

。

。

。

Rp2

Rp1


b. 闭环调速系统各环节稳态关系 △Un= Un*-Un

Uct = Kp△ Un Kp 放大器电压放大系数 Ud0 = KsUct Ks 电压放大系数 n =(Ud0 –IdR)/Ce

Utg = a·n

§1-1 单闭环系统的稳态分析n =

KsKpUn*-IdR

Ce(1+KsKpa/ Ce)

=KsKpUn*

Ce(1+K)

-IdR

Ce(1+K)

K= KsKpa/ Ce 闭环系统开环放大系数


c.闭环调速系统静特性表示闭环系统电动机转速和负载电流的稳态关系。

KpUn

* △ Un Uct KsUd0

IdR

1/CeE n

a


d.闭环调速系统静特性与开环系统机械特性的比较n =

Ud0-IdRCe

=KpKsUn

*

Ce

IdRCe

-

n =Ud0-IdR

Ce(1+K)=

KpKsUn*

Ce(1+K) e

IdR

Ce(1+K)-

闭环系统：

开环系统：


d.闭环调速系统静特性与开环系统机械特性的比较闭环静特性比开环机械特性硬的多 ⊿nop

=IdR

Ce

⊿ncl=

IdR

Ce(1+K)

⊿ncl=⊿nop

Ce(1+K)


比较同一 n0 ,闭环系统静差率要小

⊿Scl =⊿ncl

n0cl

Scl=

Sop

1+K

⊿Sop =⊿nop

n0op


比较同一 S ,闭环系统可以大大提高调速范围

Dcl= Dop (1+K)

Dcl=

nnomS

⊿ ncl (1-S)

Dop=

nnomS

⊿ nop (1-S)


要取得以上三个优点 ,闭环系统需设置放大器

V-M 系统参数： Ce=0.2, Ks=30,a=0.015

K =⊿nop

⊿ncl

- 1 = 103.6

Kp=K/Ks·a·Ce = 46

§1-1 单闭环系统的稳态设计问题？调速系统的稳态速降是由电枢电阻决定，闭环系统能减少稳态速降，是闭环系统减少电阻吗？

n

I

n1

I1


三 .带比例放大器反馈控制规律被调量有静差抵抗扰动和服从给定系统精度依赖于给定和反馈检测精度


四 . 稳态参数计算直流调速系统，电动机： 10kW、 220V、 55A、 1000r/min、 Ra=0.5。整流触发环节： Ks=44 V-M 系统内阻 R=1.0

采用 V_M 系统，已知主回路 R=1.8欧，测速发电机 23.1W,110V,0.21A,1900r/min

生产机械要求 D=10, S≤5%。


⊿ncl =nnomS

D(1-S)≤

1000×0.05

10×(1-0.05)= 5.26r/min

K =RInom

Ce n⊿ cl

- 1 ≥ 55×1.0

0.01925×5.26- 1 = 53.3

Ce=

Unom-InomR

nnom

220-55×0.5

1000= = 0.1925


Cetg=

110

1900= 0.0579

测速发电机电动势转速比

a=b Cetg

测速发电机与主电动机相连，在电机最高转速时，反馈电压为

Un = 1000×0.0579 ×0.2=11.58

分压电阻的分压系数 b=0.2

= 0.0579 ×0.2=0.1158


Rp2=

分压电阻的功率

= 1379

电位器选择：考虑测速发电机输出为最高电压时，其电流为额定值的 20% ，测速机电枢压降对检测信号影响较小。

Cetg nnom

20%Inom

Pp2= = 2.43WCetg nnom 20%Inom


Kp= ≥20.14

Ce K

aKs

运算放大器的放大系数和参数

作业

教材 P20 例题例题习题集 P4 例 1-3 、 1-5 、 1-6

推导单闭环系统动态数学模型做 P15 1-13、 1-15、 1-17、 1-20、 1-21、 1-

29、 1-38

第一章第二节单闭环系统的动态分析与

设计

引言

闭环调速系统设计方法总体设计基本部件的选择和稳态参数设计建立原始系统的动态数学模型检查稳定性和动态性能校正系统

§1-2 单闭环系统的动态分析

问题？为什么要进行动态分析？如何进行动态分析？从系统的动态数学模型入手


单闭环系统的动态数学模型额定励磁下的直流电动机

R, L 均包括整流器内阻和平波电抗器内阻及电感

M

+

_

R L

+

_E

TL

n,Te


微分方程：Assume: 电流连续 Ud0=R·Id+L·dI/dt+E

E = Ce·n 额定励磁下的感应电动势 Te-TL=GD2/375·dn/dt

Te = Cm ·Id 额定励磁下的电磁转矩


定义下列时间常数：电枢回路电磁时间常数

拖动系统机电时间常数Tm=

GD2·R

375· Cm Ce

Tl =LR


Ud0-E=R(Id+TLdI/dt)

Id+IdL=Tm/R· dE/dt

IdL=TL/Cm ————负载电流

零初始条件下、取等式两边的拉氏变换


=I d(s)

Ud0(s)-E(s)

1/R

TLs+1

=E(s)

Id(s)- IdL(s)

R

Tms


1/RTls+1

RTLs

1Ce

Ud0(s) +

-

I d(s)- IdL(s)

E(s)

n(s)

Ud0(s)+

IdL(s)

R(Tl+1)

1/CeTmTls2+Tms+1

n(s)

§1-2 单闭环系统的动态分析晶闸管触发和整流系统

KsTsS+1

Uct(S)

Ud0(S)

§1-2 单闭环系统的动态分析闭环调速系统的数学模型

Idl(s)

KsTsS+1

Uct Ud0

Kp1/Ce

TmTlS2+TmS+1

R(TlS+1)

a

Un*(s)

+ - +-△ Un n


二 .稳定条件反馈控制系统的特征方程

TmTlTs

1+KS3 +

Tm(Tl+Ts )1+K

S2 + 1+K S +1=0Tm+Ts

Tm(Tl+Ts )+ Ts2

TlTs

K<


一般的闭环系统最初设计时，通常稳态精度和动态稳定性及裕度存在矛盾。这主要是对被控对象认识不准确、或者没有经验。这时，要进行动态校正。

分析工具：波特图


理想波特图特性：中频以 20db/dec斜率穿越 0 分贝线。截止频率（或剪切频率） ωc 越高，系统快速性

越好。低频段斜率高、增益高，表示系统稳态精度好高频段衰减得越快，说明系统抗高频噪声干扰

的能力越强。


三 .动态校正主要的动态校正器PD:超前校正，提高快速性和稳定裕度。稳态精

度可能受影响。PI ：滞后校正，保证稳态精度。牺牲快速性。PID ：滞后超前校正。调试复杂。


uin R0

R1 C1

Rb

Uex

∫

Uex = Uin

R1

R0

+ R0C1

1 ∫ Uin dt

=KpiUin + τ1∫ Uin dt

Wpi =Kpi+ τs1 Kpi τs +1

τs= =Kpi

τ1s +1τ1s


∫

τ1s +1Wpi =Kpi+ τs

1 Kpi τs +1τs= =Kpi τ1s

τ = R0C1

τ1= R1C1

PI 调节器积分时间常数PI 调节器超前时间常数

0 t

uin

uin

uexuex


uin R0

R1 C1

Rb

Uex · ·

+

-

§1.3 无静差调速系统

一积分控制规律

uin R0

C

Rb

Uex

Uex = R0C1

1 ∫ Uin dt = τ1∫ Uin dt

0 t

uin

uin

uexuex

τs1

二 .比例积分控制规律

uin R0

R1 C1

Rb

Uex

Uex = Uin

R1

R0

+ R0C1

1 ∫ Uin dt

=KpiUin + τ1∫ Uin dt

Wpi =Kpi+ τs1 Kpi τs +1

τs= =Kpi

τ1s +1τ1s


τ1s +1Wpi =Kpi+ τs

1 Kpi τs +1τs= =Kpi τ1s

τ = R0C1

τ1= R1C1

PI 调节器积分时间常数PI 调节器超前时间常数

0 t

uin

uin

uexuex


uin R0

R1 C1

Rb

Uex · ·

+

-

二 . 稳态抗扰误差分析

Idl(s)

KsTsS+1

Uct Ud0

Kp1/Ce

TmTlS2+TmS+1

R(TlS+1)

α

Un*(s)

+ - +-△ Un n

比例控制时的稳态抗扰误差

Δn = -RIdL

Ce(1+K)

二 . 稳态抗扰误差分析积分控制时的稳态抗扰误差

Δn = 0

Idl(s)

KsTsS+1

Uct Ud0 1/CeTmTlS2+TmS+1

R(TlS+1)

α

Un*(s)

+ - +-△ Un n

τs1

二 . 稳态抗扰误差分析比例积分控制时的稳态抗扰误差

Δn = 0

Idl(s)

KsTsS+1

Uct Ud0 1/CeTmTlS2+TmS+1

R(TlS+1)

α

Un*(s)

+ - +-△ Un nKpi τs +1

τs

§1.4 带电流截止反馈的调速系统

一问题的提出

电机全电压启动负载特别重生产机械的电机堵转时主要的原因是电机反电势与电枢电压差值太大 ,至使电流太大。

二电流截止环节

实现电路： P23 图 1-28

《习题》 P17 图 1-11

输入输出特性：

三带电流截止环节的系统

Uct Ud0

Kp

α

Un*(s)

+ - +△ Un

带电流截止反馈系统的稳态结构图

Ks

Rs

R

!Ce

n

Id

-

-

+

Ucom

-

Ui

三带电流截止环节的系统

带电流截止反馈系统的理想静特性

n

Id Id

n

§1.5 电压反馈电流补偿的调速系统

一问题的提出

采用测速发电机测量转速精度和复杂性电压能够反映转速主要的原因是电机电枢电阻不是太大，使用电

压来反映转速，要考虑误差。实现电路： P44 图 1-55

二电压负反馈系统

Uct Ud0

Kp

γ

Un*(s)

+ - +△ Un

电压负反馈系统的稳态结构图

Ks

RaRrec

!Ce

n

Id

-

+

Ud E-

三电压负反馈电流补偿系统

Uct Ud0

Kp

γ

Un*(s)

+ - +△ Un

电压负反馈电流补偿系统的稳态结构图

Ks

RaRrec +Rs

!Ce

n

Id

-

+

Ud E-

β

+ Ui

三电压负反馈电流补偿系统

n =Kp Ks Un

*

Ce(1+K)

(Rrec +Rs ) Id

Ce(1+K)-

+Kp Ks βId

Ce(1+K)-

Ra Id

Ce

小结

稳态分析和动态分析和设计基本概念：调速范围、静差率、机械特性基本结构转速闭环稳态系统、动态系统带电流截止反馈系统电压反馈、电流补偿系统

复习上节内容

+

-

ASR GT M

TGUtg+

+

--

+

-

Un

△Un

Uct

Ud

Id

Un

Rp2

Rp1ACR

·

Ui* -

Ui

。。

双闭环系统原理图

§2.3 调节器的工程设计方法

引言

问题为什幺要引入工程设计方法 ?经典校正方法设计调节器，要同时解决稳、准、快及抗干扰的问题。需要扎实的理论基础、丰富的实际经验和熟练的设计技巧。

电力拖动系统可以简化成典型的低阶系统。对典型系统进行深入的研究，结果可作为系统设计的主要参考。

一 . 工程设计方法的基本思路

总原则简化问题，突出主要矛盾。设计步骤选择调节器的结构，保证稳定性和稳态参数。选择调节器的参数，满足动态性能指标。

二 . 控制系统的动态参数指标

跟随性能指标零初始状态，给定阶跃信号的过渡过程上升时间超调量调节时间

二 . 控制系统的动态参数指标

抗扰性能指标衡量动态过程中系统抵抗扰动的能力。动态降落恢复时间

三 . 典型系统

典型Ⅰ型系统典型Ⅱ型系统

)1(1

)1)(1()(

21

21

sTsTS

ssKsW

r ）（

四 . 典型Ⅰ型系统参数和性能指标的关系

典型Ⅰ性型系统

0010 45)45(90

11

11

)(

Ttg

KT

KT

Tss

KsW

c

cc

cc

）（


1. 稳态跟随性能输入信号阶跃信号

R(t)=R0

斜坡输入R(t)=v0t

加速度R(t)=a0t2/2

稳态误差 0 v0t /K ∞


2. 动态跟随性能指标

15.02

11

2

1

2)(

22

2

型系统典型

、、

阻尼比（衰减系数）（固有频率）无阻尼自然震荡角频率

TKTT

K

sssW

nn

n

nn

ncl


2. 动态跟随性能指标选择参数时，要求动态响应快，阻尼比 =0.5—0.6

要求超调小，可取阻尼比 =0.8—1.0

无特殊要求，阻尼比 =0 。 707 ， KT=0.5


3. 抗扰性能指标

N(s) 1W1(s)

W2(s) C(s)_

N(s)

W1(s) W2(s)R(s) C(s)


3. 抗扰性能指标抗扰性能与其结构，扰动作用点以前的传递函

数、扰动性质有关。N(s)

K1(T2s+1)S(T1s+1)

K2

T2s+1C(s)

四 . 典型Ⅰ型系统参数和性能指标的关系当控制对象的两个时间常数相距较大时，动态降落减小，但恢复时间增加。（书 P64）取基准植为：

NKCb 22

1

五 . 典型Ⅱ型系统参数和性能指标的关系

典型Ⅱ性型系统

Ttgtg

TT

Tss

sKsW

cc

c

11

2

111

)1()(

）（


1. 稳态跟随性能输入信号阶跃信号

R(t)=R0

斜坡输入R(t)=v0t

加速度R(t)=a0t2/2

稳态误差 0 0 a0 /K


2. 动态跟随性能指标引入新的变量 ---中频宽 h:中频宽 h:斜率为 -20db/dec 的宽度。

21

1

2

K

Th


2. 动态跟随性能指标选择参数时，选择 h 和 ωc , 相当于选择 K,τ

1

1

)11

(2

1\\

2

1\\

1

2

min

21

1

2

h

hM

h

h

h

h

r

cc

c

c


2. 动态跟随性能指标(书 P66), 选择 h=5


3. 抗扰性能指标 (67)

当 h=5 时抗扰指标较好

N(s)K1(hTs+1)S(Ts+1)

K2

sC(s)

六 . 调节器结构的选择和传递函数的近似处理根据不同的情况，把系统校正成典型Ⅰ、Ⅱ

系统典型Ⅰ、Ⅱ系统适合于不同情况的稳态要

求。典型Ⅰ系统在动态跟随性能上可以做到超

调小、抗扰性能稍差。典型Ⅱ系统超调相对大一些、抗扰性能比较好。

六 . 调节器结构的选择和传递函数的近似处理2. 根据不同的情况，把系统校正成典型Ⅰ、Ⅱ

系统的具体例子（ P69—— 表 2-8、 2-9）

有时用 P、 I、 D 及其组合难以满足要求，需要对系统进行简化。

3. 小惯性环节的近似处理多个小惯性环节简化成一个小惯性环节，其时

间常数等于系统各小时间常数之和。注意：频带变小。

六 . 调节器结构的选择和传递函数的近似处理4.高阶系统的降阶处理特征方程高次项的系数小到一定程度时可忽略不计。

注意：频带变小。5.大惯性环节的近似处理变成积分环节。注意：频带变化。

复习上节内容

根据不同的情况，把系统校正成典型Ⅰ、Ⅱ系统

典型Ⅰ、Ⅱ系统适合于不同情况的稳态要求。

典型Ⅰ系统在动态跟随性能上可以做到超调小、抗扰性能稍差。

典型Ⅱ系统超调相对大一些、抗扰性能比较好。

复习上节内容

2. 根据不同的情况，把系统校正成典型Ⅰ、Ⅱ系统的具体例子（ P69—— 表 2-8、 2-9）

有时用 P、 I、 D 及其组合难以满足要求，需要对系统进行简化。

3. 小惯性环节的近似处理多个小惯性环节简化成一个小惯性环节，其时

间常数等于系统各小时间常数之和。注意：频带变小。

复习上节内容

4.高阶系统的降阶处理特征方程高次项的系数小到一定程度时可忽略不计。

注意：频带变小。5.大惯性环节的近似处理变成积分环节。注意：频带变化。

§2-4按工程设计方法设计

ASR、 ACR

引言

设计多环控制系统的一般原则：从内环开始，一环一环逐步向外扩展。设计转速电流双闭环系统的原则：从电流环开始，然后转速环。

引言

1/RTls+1

RTms

1Ce

Ud0 I d

IdL

E

nKs

Tss+1WACRWASR

Un*

βTois+1

αTons+1

UI*

Un UI

Uct1

Tois+1+

-

1Tons+1

+

-

-

增加滤波环节，抑制反馈信号中的交流分量。

一 . 电流调节器的设计

电流环结构图的简化问题：如何解决反电势的交叉反应？电流调节过程比转速调节过程快得多。反电势对电流环来说只是缓变的作用，可认为 E基本

不变。设计电流环时，不考虑反电势的动态作用，将反电势反馈作用断开。

一 . 电流调节器的设计I d

1/RTls+1

Ud0Ks

Tss+1WACR

βTois+1

UI*

UI

Uct1

Tois+1 +

-

Ks/R(Tls+1)(Tss+1)

I dWACR

UI

Uct+-

UI*/ β β

Tois+1

Ks/R(Tls+1)(TΣis+1)

I dWACR

UI

+-

UI*/ β


近似处理为小惯性环节的条件

忽略 E 的条件

SCR 作为一阶惯性环节

oisci TT

1

3

1

lmci TT

13

sci T3

1


调节器结构的选择确定为典型Ⅰ型系统。采用 PI 调节器

间常数－电流调节器的超前时电流调节器的比例系数

i

i

i

iiACR

K

s

sKW

1


KI

s(TΣis+1)

I d

UI

+

-

UI*/ β


I dWACR

UI

+-

UI*/ β


电流调节器参数的选择选择放大倍数和超前时间常数

)(5.02

5.0,707.0%,5%

i

l

sis

li

ii

li

T

T

K

R

TK

RTK

TK

T

＝取


电流调节器电路实现Ui

× Ri Ci

Uex

R0

2R0

2

R0

2R0

2

Coi

Coi

-BId

Rbal

iii

ii

CR

R

RK

0

二 .转速调节器的设计

电流环等效闭环传递函数

当转速环截止频率较低时

1

1

2

II

icl

Ks

sK

TW

II

cnI

cli

II

I

II

I

Icncli

TTsTW

TK

T

TK

T

K

sK

W

24.4

1

23

1

12

1

5.0,707.0

33

1

11

1

＝按


RTms

1Ce

I d

IdL

E

n

αTons+1

WASRUn

* UI*

Un

1Tons+1

+

-

-1/β2Tsis+1

RTmsCe

I d

IdL nWASR

Un*/ α UI

*

Un

+

-

-α /β2Tsns+1

nUn*/ α

Un

+

-)1(

)1(2

sTs

sK

n

nN

ionn TTT 2

oisi TTT


原来的电流环的控制对象是双惯性环节，加入电流调节器后变成无阻尼二阶振荡环节。

转速调节器结构的选择稳态无静差：扰动作用点前设置积分环节动态性能要好，用 PI 调节器。利用其饱和特性减少超调。

s

sKW

n

nnASR 1


转速调节器参数的选择

onicn

ncn

men

nN

nmen

nnn

TTT

TC

RKK

sTsTC

sRKW

2

1

3

1

5

1

)1(

)1(2

转速环开环增益


RhT

TChK

Th

hK

hT

KASR

n

men

n

N

nn

nn

2

)1(

2

122

＝系统按典型、参数有


转速调节器电路实现Un

× Rn Cn

Ui*

R0

2R0

2

R0

2R0

2

Coi

Coi

-an

Rbal

ononnnn

nn

CRTCR

R

RK

0

0

4

1,,

三 .转速调节器退饱和时转速超调量的计算自学。应知道结论。

四 .设计举例

看板书。

复习上节内容

1/RTls+1

RTms

1Ce

Ud0 I d

IdL

E

nKs

Tss+1WACRWASR

Un*

βTois+1

αTons+1

UI*

Un UI

Uct1

Tois+1+

-

1Tons+1

+

-

-

增加滤波环节，抑制反馈信号中的交流分量。

I d1/R

Tls+1Ud0

Ks

Tss+1WACR

βTois+1

UI*

UI

Uct1

Tois+1 +

-

Ks/R(Tls+1)(Tss+1)

I dWACR

UI

Uct+-

UI*/ β β

Tois+1


I dWACR

UI

+-

UI*/ β

复习上节内容

复习上节内容

近似处理为小惯性环节的条件

忽略 E 的条件


oisci TT

1

3

1

lmci TT

13

sci T3

1

复习上节内容

调节器结构的选择确定为典型Ⅰ型系统。采用 PI 调节器


i

i

i

iiACR

K

s

sKW

1

复习上节内容

KI

s(TΣis+1)

I d

UI

+

-

UI*/ β


I dWACR

UI

+-

UI*/ β

复习上节内容

电流调节器参数的选择选择放大倍数和超前时间常数

)(5.02

5.0,707.0%,5%

i

l

sis

li

ii

li

T

T

K

R

TK

RTK

TK

T

＝取

复习上节内容

电流调节器电路实现Ui

× Ri Ci

Uex

R0

2R0

2

R0

2R0

2

Coi

Coi

-BId

Rbal

iii

ii

CR

R

RK

0

复习上节内容

电流环等效闭环传递函数

当转速环截止频率较低时

1

1

2

II

icl

Ks

sK

TW

II

cnI

cli

II

I

II

I

Icncli

TTsTW

TK

T

TK

T

K

sK

W

24.4

1

23

1

12

1

5.0,707.0

33

1

11

1

＝按

复习上节内容

RTms

1Ce

I d

IdL

E

n

αTons+1

WASRUn

* UI*

Un

1Tons+1

+

-

-1/β2Tsis+1

RTmsCe

I d

IdL nWASR

Un*/ α UI

*

Un

+

-

-α /β2Tsns+1

nUn*/ α

Un

+

-)1(

)1(2

sTs

sK

n

nN

ionn TTT 2

oisi TTT

复习上节内容

转速调节器参数的选择

onicn

ncn

men

nN

nmen

nnn

TTT

TC

RKK

sTsTC

sRKW

2

1

3

1

5

1

)1(

)1(2

转速环开环增益

复习上节内容

RhT

TChK

Th

hK

hT

KASR

n

men

n

N

nn

nn

2

)1(

2

122

＝系统按典型、参数有

复习上节内容

转速调节器电路实现Un

× Rn Cn

Ui*

R0

2R0

2

R0

2R0

2

Coi

Coi

-an

Rbal

ononnnn

nn

CRTCR

R

RK

0

0

4

1,,

小结

ACR设计步骤：确定时间常数按整流电路型式确定整流装置的滞后时间常数

Ts

按整流电路型式确定整流滤波时间常数 Toi

按小时间常数近似处理，确定电流环小时间常数 T∑i

小结

2.选择 ACR结构


i

i

i

iiACR

K

s

sKW

1

小结

3.选择 ACR 参数

按超调要求查表得 KIT∑I 。计算出 Ki

li T

s

iIi K

RKK

小结

4. 校验近似条件：近似处理为小惯性环节的条件

忽略 E 的条件


oisci TT

1

3

1

lmci TT

13

sci T3

1

小结

5. 计算 ACR 的电阻电容值：

0

0

4

R

TC

RC

RKR

oioi

i

ii

ii

小结

ASR设计步骤：确定时间常数电流环时间常数 2T∑i

转速滤波时间常数 Ton 按所用测速机纹波大小决定，一般取 Ton＝ 0.01s

按小时间常数近似处理，确定转速环小时间常数 T∑n ＝ Ton+ 2T∑i

小结

2.选择 ASR结构


n

n

n

nnASR

K

s

sKW

1

小结

3.选择 ASR 参数对于一般的系统 h=5

nn hT

RhT

TChK

Th

hK

n

men

n

N

2

)1(

2

122

小结

4. 校验近似条件：

oni

cn

n

cn

TT

T

2

1

3

1

5

1

小结

5. 计算 ASR 的电阻电容值：

0

0

4

R

TC

RC

RKR

onon

n

nn

nn

小结

核算超调量

n

nnom

b

n T

T

n

n

C

Cz

*

max %))((2%

§2.5转速超调的抑制

引言

问题：为何要抑制超调？双闭环调速系统有良好的稳态和动态性能。缺点：转速有超调解决办法：转速调节器中加入微分负反馈。

带微分负反馈的基本原理

Un*

Ri Ci

Uex

R0

2

R0

2

R0

2R0

2

Coi

Coi

Rbal

nRdnCdn


转速微分滤波时间常数

微分时间常数

dndnodn

dndn

n

nn

i

odn

dn

onon

n

CRT

CR

s

sK

U

sT

snT

sT

n

sT

U

0

**

1111


RCeTms

I d

IdL

n

αTons+1

Un* UI

*

Un

1Tons+1

+

-

-1/β2Tsis+1s

sK

n

nn

)1(

1sT

s

odn

dn

测验

典型Ⅰ、Ⅱ型系统参数与性能指标的关系。按工程设计方法设计 ASR、 ACR 的步骤。

第二章多环控制的直流调速系统

引言

1. 概念多环：一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或以上

的控制系统。2. 问题为什幺要引入多环控制系统 ?增加独立控制量，改善系统性能。

引言

3. 转速电流双闭环的引入增加对电流的控制

Idl(s)

KsTsS+1

Uct Ud0

Kp1/Ce

TmTlS2+TmS+1

R(TlS+1)

a

Un*(s)

+ - +-△ Un n

引言

1/RTls+1

RTms

1Ce

Ud0(s)+

-

I d(s)- IdL(s)

E(s)

n(s)

直流电机模型

电网波动、快速启动、快速制动均是通过惯性环节或者积分环节才表现到转速的变化上。

引言

4. 转速电流双闭环的引入的几条理由快速启动，启动时获得最大的启动电流。电网波动的及时调节5. 理想起动特性

t

Idm

IdL

n

引言

6. 如何在转速环中加入电流环电流环、转速环两个环节。起动、运行两个阶段。起动过程中只有电流反馈、正常运行时转速反

馈。7. 分析的关键放大器饱和相当于开环。放大器饱和相当于开环。

§2.1 双闭环调速系统的组成和静特性

一 .双闭环系统的组成

+

-

ASR GT M

TGUtg+

+

--

+

-

Un

△Un

Uct

Ud

Id

Un

Rp2

Rp1ACR

·

Ui* -

Ui

。。

原理图

一 .双闭环系统的组成

UctUd0

α

Un*(s)

+ -

△ Un

β

1Ce

n-

Ui*

Ks

Ui

R

Id稳态结构图

二 .双闭环系统的静特性分析静特性的关键是分清 PI 调节器的两种工作

状态。饱和 ---- 输出达到限幅值、闭环不起作用。不饱和 ---- 输出未达限幅值、闭环工作。转速调节器不饱和的稳态 ---转速无静差。 Un

* = Un =αn Ui* = Ui

= Id

n= Un* /α

转速调节器饱和的稳态 ------ 电流无静差。 Id

= Idm = Ui

* /β

二 .双闭环系统的静特性n

IdmIInom

三 .双闭环系统的稳态计算

稳态指两个 PI 调节器都不饱和。 Un

* = Un =αn Ui* = Ui

= Id β

Uct= Ud0 / Ks = (Ce n+ IdR) / Ks

n= Un* /α----转速由给定电压决定

Ui* =Id

β ----ASR 输出负载电流决定Uct= (Ce n+ IdR) / Ks ---- 控制电压由 Un

* 、 Id 决

定

三 .双闭环系统的稳态计算

转速反馈系数 α= Unm

*/nmax

电流反馈系数 β= Uim

*/Idm

§2.2 双闭环调速系统的动态性能

一 . 动态数学模型

1/RTls+1

RTms

1Ce

Ud0 I d

IdL

E

nKs

Tss+1WACRWASR

Un*

β

α

UI*

UnUI

Uct

二 .起动过程分析（重点）起动过程中 ASR 的三个阶段不饱和、饱和、退饱和。

t

IdL

Id

Idm

t1 t2 t3 t4

t

n*

n

二 .起动过程分析（重点）

第一阶段 0---t1 电流上升阶段加入 Un

*后，两个调节器作用，使Uct 、Ud0 、 Id都上升。

Id > IdL 时，电机开始起动。因为电机的惯性，转速变化不大。所以△ Un

数值较大， ASR很快达到限幅值，强迫电流以最大给定值跟随。

ASR饱和、 ACR 不饱和。


第二阶段 t1---t2 恒流升速阶段转速调节器饱和，转速环相当于开环开始：电流升到最大值结束：转速达到额定值由于反电势的影响， Uct 、Ud0 必须按比例增长。

Uim* - Ui 必须维持恒值

ASR饱和、 ACR 不饱和。


第三阶段 t2 以后 ---转速调节阶段转速调节器退饱和，转速环闭环开始：转速达到额定值结束：转速达到额定值要经过若干阶段的调节。ASR 不饱和、 ACR 不饱和。


起动过程的特点：饱和非线性控制分段线性化，注意初始状态。准时间最优电流受限条件下的最短时间控制转速超调

三 .两个调节器的作用

转速调节器的作用使转速跟随给定电压的变化，稳态无静差。对负载变化起抗扰作用输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用使转速调节过程中，跟随其给定电压。对电网电压波动起抗扰作用起动时获得允许的最大电流。电极堵转时，限制电流的上升。

四 .讨论

双闭环调速系统调试时，遇到下列问题会出现何情况？

电流反馈极性接反转速反馈极性接反起动时 ASR未饱和起动时 ACR饱和

五 . 调节器的设计问题

双闭环调速系统设计中， ASR、 ACR 的设计问题是关键。

原则：先内后外先稳后快

复习以前的内容

单闭环系统稳态、动态分析和设计双闭环系统稳态、动态分析和设计小结：由一组晶匝管供电的系统。电机只在一个方向运行。

问题？

电机需要四象限运行？

快速制动？

第三章可逆调速系统

第三章简介

内容不易理解，需多下工夫。§3 .1 V-M 系统的可逆线路§3 .2 V-M 系统的回馈制动（重点理解）§3 .3　可逆 V-M 系统的环流（注重概念）§3 .4　有环流可逆调速系统（重点内容）§3 .5　无环流可逆调速系统

§3 .1 V-M 系统的可逆线路

引言 --- 如何设计可逆线路

电机方向的改变是由于电磁转矩方向的改变。

dme ICT

改变电动机电枢电流 ---改变电枢电压方向改变励磁磁通方向 ---改变励磁电流方向

一 . 电枢反接可逆线路

M

特点：

1. 可用继电器代替晶匝管

2.结构简单、适于偶尔反转的场合

一 . 电枢反接可逆线路

特点：

结构适中、适于频繁反转的场合

M

+

+

n

Ia

一 .励磁反接可逆线路

特点：

功率小、须考虑励磁绕组的电感较大

+

+

§3 .2 V-M 系统的回馈制动

一 .晶匝管的整流和逆变状态

前提：单个晶匝管供电的 V-M 系统

P M

+ n+

整流状态

P+

+

Mn

逆变状态

一 .晶匝管的整流和逆变状态

　由单个晶匝管供电的带位势能负载的系统的逆变条件

内部条件：控制角 <90 度外部条件：有一个直流电源，极性与整流时相反。

n

Ia

-n

提升

下降

二 . 电动机的发电回馈制动

引入目的当生产机械运行中需要减速或停车时。注意正反组的整流和逆变状态


M

+ + +

n

-Id

Id


发电回馈制动特点：1. 转速方向不变，电机反电势方向不变。

2. 回馈制动是一个过渡过程。

3. 回馈制动须使电流反向。


M

+ + +

n

-Id

Id

三 . 电机四象限运行

Ia

-n

-Ia

电机正转正组整流反组待逆变

电机正转反组逆变回馈制动

n

§3 .3　可逆 V-M 系统的环流

一环流及其种类

环流：不流过电动机及其它负载，而直接在两组晶匝管之间流通的短路电流。

M

+ +

+


环流会增加 SCR 和变压器的负担，消耗无用的功率。很好地利用环流可以减少电流地断流。


环流的分类：

1. 静态环流：可逆线路稳定工作时所出现的环流。

直流平均环流瞬时动态环流2.动态环流：稳态运行时不存在，只在

过渡过程中出现的环流。

二 . 直流平均环流与配合控制

M

-1

Uct

直流平均环流：正组和反组都处于整流状态时，主电流的短路环流。


解决方法：正组整流时，反组处于逆变状态。

180

coscos

cos

cos

maxmaxmax

max

max

rf

rf

dodordof

rdodor

fdodof

dordof

UUU

UU

UU

UU


根据逆变角定义实际工作

rf

rf

配合工作的实现rf

控制电压为零时，使整流角和逆变角都等于 90度。

二 . 直流平均环流与配合控

90

0

180

180

0

Uct- Uct 0 UctmUct

三 .瞬时脉动环流与抑制

定义：当整流电压瞬时值大于逆变电压瞬时值时，产生瞬时电压差，从而产生瞬时环流。

抑制方法：加入环流电抗器（均衡电抗器）。

§3 .4　有环流可逆调速系统

一 .α=β配合控制的有环流可逆调速系统

有环流可逆系统：α=β配合控制的有环流可逆调速系统可以消除平均直流环流，但不能消除瞬时脉动环流。又叫自然环流系统。有环流可逆系统触发特性：

2

190

2

190

0

0

r

f

二 . 制动过程分析 (重点 )

+

M

-1

UctASRACR

-

TG

Un*

-Un

二 . 制动过程分析 (重点）

两个阶段：第一阶段：本组逆变状态。电流由 +IdL 下降到零。第二阶段：它组制动状态。电流方向改变，由 0到－ IdL 。


系统正向运行时正组整流、反组待逆变。

M

-1

Uct

ACRASR

TG

-

Un

＋（＋）

ΔUn Ui*Un

*

(-)

(＋)

ΔUi

(-)

(＋ )

(-)(-)

（＋）

＋

＋


本组逆变阶段系统停车时

正组逆变、反组待整流。

从 +IdL到 0。

M

-1

Uct

ACRASR

TG

-

Un

0（－）

ΔUn Ui*Un

*

(＋)

(－)

ΔUi

(＋ )

(－ )

(＋ ) (＋ )

（＋）

＋

＋

dordofd UUE

dt

dIL

二 . 制动过程分析 (重点）它组制动阶段它组建流子阶段

正组待逆变、反组整流。

从 0到－ IdL 。

M

-1

Uct

ACRASR

TG

-

Un

0（－）

ΔUn Ui*Un

*

(＋)

(－)

ΔUi

(＋ )

(－ )

(＋ ) (＋ )

（－）

＋

＋

dordofd UUE

dt

dIL

二 . 制动过程分析 (重点）它组制动阶段它组逆变子阶段

正组待整流、反组逆变。

电流维持在－ IdL 。

M

-1

Uct

ACRASR

TG

-

Un

0（－）

ΔUn Ui*Un

*

(＋)

(＋)

ΔUi

(－ )

(＋ )

(－ ) (－ )

（－）＋

＋

*idL UI dorUE

二 . 制动过程分析 (重点）它组制动阶段反向减流子阶段

正组待整流、反组逆变。0dorU

M

-1

Uct

ACRASR

TG

-

Un

0（－）

ΔUn Ui*Un

*

(＋)

(＋)

ΔUi

(－ )

(＋ )

(－ ) (－ )

（－）＋

＋


正向制动过程波形

І

t

t

t

Uct

-Uctm

-Idm

Id

IdL

n E

ІІ2ІІ1 ІІ3

三 . 可控环流的可逆调速系统

图见书 114页。

§3 .5　无环流可逆调速系统简介

主要内容

从生产可靠性出发。分类：逻辑控制无环流系统当一组 SCR 工作时，用逻辑电路封锁另一组

SCR。错位控制无环流系统两组 SCR触发脉冲的零位错开得较远。

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自动控制 系统

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