第二章 单闭环直流调速系统

第二章第二章 单闭环直流调速单闭环直流调速系统系统2单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统课题引入课题引入-开环调速系统的局限性分析及改进办法开环调速系统的局限性分析及改进办法开环调速系统优点开环调速系统优点：结构简单。：结构简单。开环调速系统的局限性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，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。高的场合。改进办法改进办法：采用闭环控制。根据自动控制理论，要想使被控量保持稳采用闭环控制。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。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一、单闭环调速系统的构成1给定电路给定电路2转速调节器转速调节器3触发及功放电路触发及功放电路4整流桥与电机主回路整流桥与电机主回路5转速检测与反馈电路转速检测与反馈电路(五部分五部分)给定电压的极性：运算放大器具有反相作给定电压的极性：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；定采用负给定，以保证触发电压为正；反馈电压的极反馈电压的极性：为实现负反性：为实现负反馈，反馈电压的馈，反馈电压的极性为正。极性为正。二、单闭环调速系统的工作原理二、单闭环调速系统的工作原理 同开同开环调速系速系统一一样，转速速闭环调速系速系统中中电机的机的转速速大小受大小受转速速给定定电压Un*控制，控制，给定定电压为零零时，电机停止；机停止；给定定电压增大增大时，电机机转速升高；速升高；给定定电压减小减小时，电机机转速下降。速下降。以升速控制以升速控制为例，系例，系统的的调节原理分析如下：原理分析如下：当然，当然，转速上升，速上升，转速反速反馈电压会升高，但其升会升高，但其升值小于小于给定定电压增增值，电压差差总体上是增大的，体上是增大的，转速是上升的。速是上升的。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？、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、要实现转速速负反反馈控制，控制，转速反速反馈电压的极性必需的极性必需为正，若接正，若接线时误将其极性接反了，会出将其极性接反了，会出现什么什么现象？象？解：以解：以电机从静止起机从静止起动为例分析，例分析，给定定电压增大增大时系系统的的调节过程如下：程如下：由于反由于反馈电压与与给定定电压同同为负，成，成为正反正反馈，只要，只要给定定电压稍大稍大于零，于零，经反反馈电压叠加后，偏差叠加后，偏差电压会越来越大，会越来越大，电机机转速急速升高，造速急速升高，造成成飞车事故。事故。在在转速速单闭调速速实验中表中表现为：给定从零增加一点，定从零增加一点，电机机转速急速速急速升高，再减小升高，再减小给定，定，电机机转速不减小，失控。速不减小，失控。思考题：思考题：2.2 单闭环调速系统的性能分析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一、单闭环调速系统的稳态结构图稳态结构构图是反映系是反映系统稳定工作定工作时，各构，各构成成单元的元的输入入-输出关出关系的系的结构构图。稳态结构构图是分析系是分析系统性能、性能、进行行稳态计算的基算的基础。比较环节：比较环节：运算放大器输出：运算放大器输出：为运算放大器放大系数。为运算放大器放大系数。整流装置输出：整流装置输出：电机转速：电机转速：转速反馈电压：转速反馈电压：为转速反馈系数为转速反馈系数 二、单闭环调速系统的抗干扰性分析二、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？以负载电流增大为例分析如下：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，整流装置输出电压流装置输出电压Ud减小，电机转速下降，系统调节过程如下：减小，电机转速下降，系统调节过程如下：三、单闭环调速系统的静特性三、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。环调速系统的静特性。由由稳态结构构图可知可知由上述四式不由上述四式不难得出得出称称为系系统的开的开环放大系数。放大系数。该式称式称为系系统的静特性方程。的静特性方程。静特性与机械特性的比较静特性与机械特性的比较-11、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、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、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对应于 一个不变的给定电压。一个不变的给定电压。3、如右图所示，设电机开始工、如右图所示，设电机开始工作于作于A点，当负载电流增大时，点，当负载电流增大时，开环和闭环系统工作的原理是不开环和闭环系统工作的原理是不同的：同的：(1)开环系统，给定不变，电枢电开环系统，给定不变，电枢电压就不变，电流增加，工作点将压就不变，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，工作点将移至下降的趋势，通过调节，电枢电压升高，工作点将移至B、C或或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。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。静特性与机械特性的比较静特性与机械特性的比较-24、静特性的硬度要比机械特性硬得多。、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：这一点从特性方程也可看出：开环机械特性：开环机械特性：斜率：斜率：闭环静特性：闭环静特性：斜率：斜率：可见闭环静特性斜率比开环机械特性小得多。可见闭环静特性斜率比开环机械特性小得多。思考题：思考题：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？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？1怎样通过实验测试闭环系统的静特性曲线？怎样通过实验测试闭环系统的静特性曲线？四、闭环调速与开环调速的比较四、闭环调速与开环调速的比较静特性方程：静特性方程：闭环转速降闭环转速降机械特性方程：机械特性方程：开环转速降开环转速降 闭环静特性比开环机械特性硬得多。负载电流相等时闭环静特性比开环机械特性硬得多。负载电流相等时 闭环系统的静差率要比开环小得多。理想空载转速相等时，闭环系统的静差率要比开环小得多。理想空载转速相等时，闭环系统可比开环有更大的调速范围。静差率相等时，闭环系统可比开环有更大的调速范围。静差率相等时，闭环系统比开环系统的抗干扰性能好。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。之间的相互制约性。思考题：思考题：2从调速系统的稳态性能方面考虑，系统的开环放大系数从调速系统的稳态性能方面考虑，系统的开环放大系数K是大是大点好，还是小点好？从动态性能方面考虑呢？点好，还是小点好？从动态性能方面考虑呢？1同开环调速相比，转速负反馈调速系统有什么优点？同开环调速相比，转速负反馈调速系统有什么优点？五、闭环调速系统的基本特征五、闭环调速系统的基本特征 转速调节器为比例调节器时，闭环调速系统是有静差的。转速调节器为比例调节器时，闭环调速系统是有静差的。闭环调速系统有三个基本特征闭环调速系统有三个基本特征:被控量总是跟随给定量变化。被控量总是跟随给定量变化。即转速跟随给定电压变化。即转速跟随给定电压变化。闭环系统对作用于闭环内前向通道上的干扰有调节作用。闭环系统对作用于闭环内前向通道上的干扰有调节作用。而作用于而作用于 闭环外或非前向通道上的干扰没有调节作用。闭环外或非前向通道上的干扰没有调节作用。2闭环调速系统对什么样的干扰有调节作用？闭环调速系统对什么样的干扰有调节作用？试举例说明。试举例说明。1什么是有静差调速系统？什么是有静差调速系统？思考题：思考题：2.3 无静差调速系统无静差调速系统一、调节器及其特性一、调节器及其特性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：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。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。统的特性不同。调节器是由运算放大器构成的电路单元。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积分调节器三种调节器为例介绍其电路构成及其特性。为例介绍其电路构成及其特性。1、比例调节器、比例调节器 (简称简称P调节器调节器)(1)电路图电路图(2)输入输入-输出特性输出特性为比例调节器的放大倍数为比例调节器的放大倍数(3)调节器的特点调节器的特点输出随时跟随输入，控制调节速度快；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，只调节器的输入偏差一般不为零，只能实现有静差控制。能实现有静差控制。2、积分调节器、积分调节器 (简称简称I调节器调节器)(1)电路图电路图(2)输入输入-输出特性输出特性为积分时间常数为积分时间常数(3)调节器的特点调节器的特点输入偏差大于零，输出增大；偏差等于输入偏差大于零，输出增大；偏差等于零，输出保持；偏差小于零，输出减小。零，输出保持；偏差小于零，输出减小。稳定状态下稳定状态下(输入、输出均不变输入、输出均不变)，输，输入偏差为零，可实现无静差控制。入偏差为零，可实现无静差控制。由输入由输入-输出响应曲线知：当输入偏差输出响应曲线知：当输入偏差为定值时，输出呈直线增长；当输入偏为定值时，输出呈直线增长；当输入偏差为零时，输出保持。差为零时，输出保持。输出不能马上跟随输入变化，控制响输出不能马上跟随输入变化，控制响应较慢。应较慢。3、比例、比例-积分调节器积分调节器 (简称简称PI调节器调节器)(1)电路图电路图(2)输入输入-输出特性输出特性(3)调节器的特点调节器的特点同时具有同时具有P调节器和调节器和I调节器的优点，即调节器的优点，即既能实现无静差控制，控制响应速度也较既能实现无静差控制，控制响应速度也较快。快。采用采用PI调节器的控制系统具有较好的调节器的控制系统具有较好的动态和稳态性能，因此动态和稳态性能，因此PI调节器应用广调节器应用广泛。泛。PI调节器的输入调节器的输入-输出特性是输出特性是P调节器和调节器和I调节器的特性叠加：积分作用之前先经比调节器的特性叠加：积分作用之前先经比例放大，输出比例放大，输出比I调节器响应快；输出稳调节器响应快；输出稳定时，调节器的输入端偏差为零，可实现定时，调节器的输入端偏差为零，可实现无静差控制。无静差控制。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。般不单独应用。转速负反馈调速系统，转速调节器为转速负反馈调速系统，转速调节器为比例调节器比例调节器时可实现时可实现有静差调速有静差调速；若要实现若要实现无静差调速无静差调速，转速调节器应采用，转速调节器应采用PI调节器调节器。除了前面介绍的三种调节器之外，还要两种调节器除了前面介绍的三种调节器之外，还要两种调节器-比例比例-微分微分(PD)调节器和比例调节器和比例-积分积分-微分微分(PID)调节器，本书直流调速系统部分没用到调节器，本书直流调速系统部分没用到它们，暂不介绍。它们，暂不介绍。二、无静差调速系统二、无静差调速系统1、实现无静差调速的条件、实现无静差调速的条件 (必需同时满足以下二个条件必需同时满足以下二个条件)：(2)转速调节器采用转速调节器采用PI调节器。调节器。(1)采用转速负反馈；采用转速负反馈；2、单闭环无静差调速系统原理图、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、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，即器的输入偏差为零，即或或这就是无静差调速系统的静特性方程。这就是无静差调速系统的静特性方程。思考题：思考题：如上图示，给定为如上图示，给定为10V时，电机的稳定转速为时，电机的稳定转速为1000r/min，则转速反馈系，则转速反馈系数等于数等于 。由由得得1实现无静调速的条件是什么？实现无静调速的条件是什么？思考题：思考题：2无静差调速系统稳定工作时，若负载加重了（即负载电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，（流增大），系统再次达到稳定工作状态，（1）电动机的转）电动机的转速如何变化？（速如何变化？（2）整流装置输出电压如何变化？（）整流装置输出电压如何变化？（3）调）调节器的输出如何变化？节器的输出如何变化？一、要知道实验做什么？一、要知道实验做什么？1.调速系统线路连接调速系统线路连接实验前指导：实验前指导：2.测试开环机械特性和单闭环静特性测试开环机械特性和单闭环静特性二、要知道怎么做？二、要知道怎么做？做好实验前的预习和准备是关键。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？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。、能熟练画出单闭环调速系统原理图。2、自学附录，知道用、自学附录，知道用哪些挂件？用哪些电路模块？功能是什么？怎么接线哪些挂件？用哪些电路模块？功能是什么？怎么接线？3、纸、纸上谈兵：能把系统原理图转化为实验接线图，并能画出来。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。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？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？四、怎样写实验报告？写什么？2.4 单闭环有静差直流调速系统实验单闭环有静差直流调速系统实验3.测试系统参数测试系统参数 、和特别说明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。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。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。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。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：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。做就行，不需要在预习上花太多精力。”这样做的实验效果是：这样做的实验效果是：(1)如同囫囵吞枣，吃了却不知味。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。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。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。对实验现象和结果是否正确，心中没数。1、开环调速系统采用正给定电压，为什么单闭环调速系统要采用负、开环调速系统采用正给定电压，为什么单闭环调速系统要采用负给定电压？改变给定电压时调节哪个旋钮？给定电压？改变给定电压时调节哪个旋钮？预习效果检查预习效果检查2、为什么要求触发电路中、为什么要求触发电路中Ulf端接地？端接地？3、接线前，设备初始状态检查和调整包含哪些注意事项？、接线前，设备初始状态检查和调整包含哪些注意事项？4、什么是触发电路的最大移相控制电压？如何测出该电压值？、什么是触发电路的最大移相控制电压？如何测出该电压值？5、主电路中为什么要串入电抗器？值取多大？、主电路中为什么要串入电抗器？值取多大？6、怎样将两个可调电阻并联使用？、怎样将两个可调电阻并联使用？7、怎样判断转速反馈是负负馈？如果接成了正反馈，怎样改正？、怎样判断转速反馈是负负馈？如果接成了正反馈，怎样改正？实验后交流与总结实验后交流与总结8、怎样测试调节器放大系数、整流装置放大系数和转速反馈系数？、怎样测试调节器放大系数、整流装置放大系数和转速反馈系数？9、静特性测试和机械特性测试方法有区别吗？、静特性测试和机械特性测试方法有区别吗？