1、i 摘要自動調速系統主要包括直流調速系統和交流調速系統。在高性能的拖動技術領域中，相當長時期內幾乎都采用直流電力拖動系統。此外，建立在反饋控制理論基礎上的直流調速原理也是交流調速控制的基礎。直流調速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉速，已滿足工作機械的要求。從機械特性上看就是通過改變電動機的參數或外加電壓等方法來改變電動機的機械特性，從而改變電動機機械特性和負載機械特性的的交點，使電動機的穩定運轉速度發生變化。運動控制系統中應用最普遍的是自動調速系統。直流調速系統的控制方式包括，開環控制 -按給定值操縱，開環控制按干擾補償，閉環控制系統按偏差調節，復合控制系統。本文著重對晶閘管電動機調速系統

2、的開環工作機械特性，單閉環有靜差和無靜差工作的系統靜特性，雙閉環機械特性和該系統閉環控制特性進行試驗研究。并應用matlab 軟件對系統模型進行了仿真研究。關鍵詞 ：直流電機調速；開環；單閉環；雙閉環；matlab 仿真ii abstract automatic speed control system includes ac variable speed dc drive system and the system. drag in the high-performance technology, the relatively long period of time almost all t

3、he dc electric drive system. in addition, based on feedback control theory based on the principle of dc speed control speed control is the basis of the exchange. dc converter is artificially or automatically change the speed of dc motor has to satisfy the requirements of mechanical work. judging fro

4、m the mechanical characteristics of the motor is by changing the applied voltage and other parameters or methods to change the motors mechanical properties, thereby changing the motor characteristic and load mechanical characteristics of the intersection, the stable operation of the motor speed chan

5、ge. control system is the most common is the automatic speed control system. dc speed control system of control methods including, open loop control: control by a given value, open loop control: according to disturbance compensation, closed-loop control system: by bias adjustment, complex control sy

6、stems. this paper focuses on the scr motor speed control system of open-loop mechanical properties of the work, single loop with static error and poor working system with no static static properties, mechanical properties and the double closed-loop system closed-loop control characteristics were tes

7、ted. and apply the matlab software system model was simulated. , keywords: dc motor speed; open loop; single loop; double loop; matlab simulationiii 目錄第 1 章 緒論 . 51.1 直流調速系統的形成及發展概況. 51.2 課題的提出及研究意義 . 61.3 課題分析與研究計劃 . 81.4 社會經濟效益 . 8第 2 章 晶閘管直流調速系統開環特性 . 102.1 直流調速系統的動態指標. 102.2 晶閘管電動機直流調速系統存在的問題. 1

8、22.3 晶閘管開環直流調速系統與開環機械特性. 13第 3 章 轉速負反饋單閉環直流調速系統的分析 . 173.1 轉速負反饋單閉環直流調速系統的問題的提出. 173.2 閉環調速的特性 . 193.3 開環系統機械特性和閉環系統靜特性的關系. 203.4 轉速負反饋控制的規律 . 223.5 反饋控制閉環直流調速系統的動態分析. 243.6 反饋控制閉環直流調速系統的穩定條件. 253.7 關于 pi 調節器 . 253.8 無靜差直流調速系統及其穩態參數計算. 28第 4 章 轉速、電流雙閉環調速系統及特性 . 314.1 轉速、電流雙閉環調速系統的工作原理. 314.2 雙閉環直流調速

9、系統的組成. 334.3 雙閉環直流調速系統的穩態結構圖和靜特性 . 344.4 雙閉環直流調速系統的數學模型 . 354.5 雙閉環直流調速系統的起動過程分析 . 364.6 雙閉環直流調速系統的動態性能分析 . 384.7 雙閉環直流調速系統兩個調節器的作用 . 39第 5 章 硬件實驗部分 . 405.1 不可逆單閉環直流調速系統靜特性實驗. 405.1.1 實驗前的準備 . 405.2 雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統實驗. 425.2.1 實驗前的準備 . 42iv 5.2.2 實驗的操作 . 43第 6 章直流調速系統的軟件仿真部分 . 476.1 晶閘管開環直流調速系統仿真. 47

10、6.1.1 系統的建模和參數設置 . 476.1.2 系統的仿真、仿真結果的輸出及結果分析 . 526.1.3 仿真的結論 . 556.2 轉速負反饋單閉環直流調速系統的仿真. 556.2.1 轉速負反饋有差直流調速系統仿真 . 556.2.2 轉速負反饋無靜差單閉環直流調速系統仿真 . 606.3 轉速、電流雙閉環直流調速系統仿真. 626.3.1 系統的建模與仿真參數的設置 . 626.3.2 系統的仿真與結果分析 . 63結論 . 65參考文獻 . 66致謝 . 67附錄 單閉環晶閘管不可逆直流調速實驗接線圖 . 68附錄雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統實驗接線圖 . 695 第 1 章

11、緒論1.1 直流調速系統的形成及發展概況1904 年出現了電子管， 它能在真空中對電子流進行控制，并應用于通信和無線電，從而開了電子技術之先河。后來出現了水銀整流器，它把水銀封于管內，利用對其蒸汽的電弧可對大電流進行控制，其性能和晶閘管相似。 在 30 年代到 50年代，是水銀整流器發展迅速并大量應用的時期。廣泛用于電化學工業、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，整流電路的理論已經發展成熟并廣為應用。在晶閘管出現以后的相當一段時期內，所使用的電路形式仍然是這些形式。在這一時期，把交流變為直流的方法除水銀整流器外，還有更早的電動機 - 直流發電機組，即變流機組

12、。和旋轉變流機組相對應，靜止變流器的稱呼從水銀整流器開始而沿用至今。1947 年美國著名的貝爾實驗室發明了晶體管，引發了電子技術的革命。 最先用于電力領域的半導體器件是硅二極管。晶閘管出現后，由于其優越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉交流機組，并且其應用范圍也迅速擴大。電化學工業、鐵道電氣機車、鋼鐵工業（軋鋼用電氣傳動、感應加熱等）、電力工業（直流輸電、無功補償等）的迅速發展也有力地推動了晶閘管的進步。電力電子技術的概念和基礎就是由于晶閘管及晶閘管變流技術的發展而確立的。晶閘管是通過對門極的控制能夠將其導通而不能使其關斷的器件，因而屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主

13、要是相位控制方式。機組供電的直流調速系統在20 世紀 60 年代以前曾廣泛地使用著， 但該系統需要旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容量相當的旋轉電機，還要一臺勵磁發電機，因此設備多，體積大，費用高，效率低，安裝須打地基，運行有噪聲，維護不方便。為了克服這些缺點，在60 年代以后開始采用各種靜止式的變壓或變流裝置來替代旋轉變流機組。采用晶閘管或汞弧整流器的離子拖動系統是最早應用靜止式變流裝置供電的6 直流調速系統。它雖然克服了旋轉變流機組的許多缺點，而且還大大縮短了響應時間，但閘流管容量小，汞弧整流器造價較高，維護麻煩，萬一水銀泄漏，將會污染環境，危害人身健康。 1957 年，晶閘管（俗稱

14、可控硅整流元件，簡稱“ 可控硅 ” ）問世，到了 20 世紀 60 年代，已生產出成套的晶閘管整流裝置，逐步取代了旋轉變流機組和離子拖動變流裝置，使變流技術產生了根本性的變革。通過調節觸發裝置gt 的控制電壓 uc來移動觸發脈沖的相位，即可改變平均整流電壓ud，從而實現平滑調速。和旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數在10 以上，其門極電流可以直接用電子控制，不再象直流發電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將會大大提高系

15、統的動態性能。1.2 課題的提出及研究意義按照傳動電動機的類型來分，電氣傳動油直流傳動和交流傳動兩大類。盡管目前各種交流調速系統得到了普遍的重視和較快的發展，但因為直流電機具有較大的啟動轉矩，良好的啟動、制動性能，以及易于在寬范圍內實現平滑調速，所以直流調速系統至今仍然是自動調速系統的一種主要形式。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調速系統往往以調壓調速為主。變壓調速是直流調速系統的主要方法，調節電樞

16、供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：1，旋轉變流機組。 用交流電動機和直流發電機組成機組，獲得可調的直流電壓。2，靜止式可控整流器。用靜止式的可控整流器獲得可調的直流電壓。3，直流斬波器或脈寬調制變換器。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調制，產生可變的平均電壓。由交流電動機拖動直流發電機g 實現變流，由 g 給需要調速的直流電動機m 7 供電，調節 g 的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調節電動機的轉速。這樣的調速系統簡稱g-m 系統，國際上通稱ward-leonard 系統。為了給g 和 m 提供勵磁電源，通常專設一臺直流勵磁發

17、電機ge，可裝在變流機組同軸上，也可另外單用一臺交流電動機拖動。對系統的調速性能要求不高時，if可直接由勵磁電源供電；要求較高的閉環調速系統一般都應通過放大裝置進行控制，如交磁放大機、磁放大器、晶體管電子放大器等。 改變 if的方向時，u 的極性和 n 的轉向都跟著改變，所以 g-m 系統的可逆運行是很容易實現的。無論正轉減速還是反轉減速時都能夠實現回饋制動，因此g-m 系統是可以在允許轉矩范圍之內四象限運行的系統。機組供電的直流調速系統在20世紀 60 年代以前曾廣泛地使用著，但該系統需要旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容量相當的旋轉電機，還要一臺勵磁發電機，因此設備多，體積大，費用高

18、，效率低，安裝須打地基，運行有噪聲，維護不方便。為了克服這些缺點，在20 世紀 60年代以后開始采用各種靜止式的變壓或變流裝置來替代旋轉變流機組。晶閘管 -電動機調速系統（簡稱v-m 系統，又稱靜止的ward-leonard系統），圖 1.1vt 是晶閘管可控整流器，通過調節觸發裝置gt 的控制電壓uc 來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓ud ，從而實現平滑調速。與g-m 系統相比較：晶閘管整流裝置不僅在經濟和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數在104以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發電機那樣需要較大功率的放大器。在

19、控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統的動態性能。正是因為晶閘管-電動機系統的先進性所以才顯現出研究此系統的意義。本文著重對晶閘管電動機直流調速系統的開環工作機械特性，在此基礎上進一步分析單閉環晶閘管電動機直流調速有靜差和無靜差工作的系統靜特性，以及雙閉環晶閘管電動機直流調速系統的機械特性和該系統閉環控制特性的實驗研究。用計算機仿真工具 matlab 及其 simulink 工具箱建立串級調速系統的仿真模型，并且用 matlab對串級調速系統進行仿真研究，進一步分析直流調速系統的開環，單閉環，雙閉環靜、動特性，論證仿真模型的正確以及利用matlab/sim

20、ulink進行系統建模與仿真的有效性和可行性，為今后深入研究提供有效手段，具有重要8 的理論意義和實用價值。圖 1.1 晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（v-m系統）1.3 課題分析與研究計劃本文內容主要分為五部分。第一部分說明晶閘管的整流技術，調速系統的性能指標及直流調速系統的主要問題，v-m 系統開環機械特性與動態特性。研究晶閘管電動機系統的開環特性，逐一介紹自動控制系統的控制方式，研究直流調速系統的關鍵因素，為后面研究直流調速系統單閉環，雙閉環特性做基礎。第二部分為單閉環控制直流調速系統部分，研究單閉環（轉速負反饋）有靜差和無靜差工作的系統靜特性并進行相關分析。第三部分為雙閉環直流調速

21、系統部分，完成雙閉環直流調速系統的機械特性和閉環控制特性研究，并進行相關分析。 第四部為硬件實驗部分，測量實際硬件數據；第五部分為軟件仿真部分，用matlab軟件對系統性能進行仿真研究，并與實際理論值進行比較分析。1.4 社會經濟效益電氣傳動系統由電動機、控制裝置及被拖動的生產機械所組成。電氣傳動是國民經濟中充滿活力的基礎技術和高新技術，它的發展和進步已成為更經濟地使用材料和能源、提高勞動生產率的合理手段，成為促進國民經濟不斷發展的重要因素，成為國家現代化的重要標志。從傳動系統來講，雖然近幾年交流電動機調速技術迅猛發展，在許多方面正向直流技術領域擴展，但是直流傳動控制系統的一些理論仍9 然是交

22、流傳動的基礎。對于直流傳動系統來說，它也在不斷地更新和發展，如完全數字化的控制裝置已成功地用于生產。以微機作為控制系統的核心部件，并具有控制、檢測、監視、故障診斷處理等多功能電氣傳動系統正在形成和不斷地完善。由于直流電動機具有良好的機械特性，能在大范圍內平滑調速、啟動、制動和正反轉等、目前在傳動領域中仍占主要地位。現急需在以下幾個方面提高我國直流電氣傳動裝置的水平。1，提高傳動的單機容量。我國現有容量為7000kw ，國外則早已制成14500kw 的傳動裝置。2，提高電力電子器件的生產水平，增加品種3，控制單元水平急需提高。目前國內的傳動裝置仍有小規模集成運算放大器和組件，觸發裝置甚至還是分離

23、元件，國外的裝置已實現完全數字化，采用16 位或 32位單片機，實現數字觸發、數字調節、故障自診斷、參數自尋優、狀態監視、保護及自復原等各種功能，4，應形成標準模塊化的結構和一些列控制單元，便于工程設計人員選用10 第 2 章 晶閘管直流調速系統開環特性2.1 直流調速系統的動態指標對于一個調速系統，電動機要不斷地處于啟動、制動、反轉、調速以及突然加減負載的過渡過程， 此時，必須研究相關電機運行的動態指標，如穩定性、快速性、動態誤差等。這對于提高產品質量和勞動生產率，保證系統安全運行是很有意義的。動態指標代表了系統發生過渡過程時的性能，動態指標分跟隨指標和抗擾動指標。（1）跟隨指標：系統對給定

24、信號的動態響應性能，稱為“跟隨”性能，一般用最大超調量，超調時間ts和震蕩次數 n 三個指標來衡量，圖2.1 是突加給定作用下的動態響應曲線。最大超調量反映了系統的動態精度，超調量越小，則說明系統的過渡過程進行得平穩。不同的調速系統對最大超調量的要求也不同。一般調速系統可允許10%35%；軋鋼機中的初軋機要求小于10%，連軋機則要求小于2%5%， ；而在張力控制的卷曲機系統（造紙機） ，則不允許有超調量。調整時間ts反映了系統的快速性。例如，連軋機ts為 0.2s0.5s ，造紙機為 0.3s。振蕩次數也反映了系統的穩定性。例如，磨床等普通機床允許震蕩3 次，龍門刨與軋機則允許振蕩 1 次，而

25、造紙機不允許有振蕩。圖 2.1 突加給定作用下的動態響應曲線（2）抗擾指標：對擾動量作用時的動態響應性能，稱為“抗擾”性能。一般用最大動態速降 nmax，恢復時間 tf和振蕩次數 n 三個指標來衡量。用圖2.2 是突加負載時的動態響應曲線。最大動態速降反映了系統抗擾動能力和系統的穩定性。11 由于最大動態速降與擾動量的大小是有關的，因此必須同時注明擾動量的大小。恢復時間反映了系統的抗擾動能力和快速性。振蕩次數 n 同樣代表系統的穩定性與抗擾動能力圖 2.2 突加負載時的動態響應曲線跟隨指標與抗擾指標都表征系統過渡過程的性能，之所以要分別列出，時由于對同一個調速系統，其跟隨指標和抗擾動指標并不相

26、同，不同的生產機械對這兩類指標的要求也是不一樣的。此外，當系統過渡過程結束后，穩態誤差反映了系統的準確性。一般來說，總是希望最大超調和最大動態速降小一點，振蕩次數少一些，調整時間及恢復時間短一點，穩態誤差小一點，即希望能達到穩，快，準。事實上，這些指標要求，在同一系統中往往是相互矛盾的，因此需要具體對象所提出的要求，首先滿足主要方面的性能指標要求，而適當降低其他方面的指標。3，直流調速系統中調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系：在直流電動機變壓調速系統中，一般以電動機的額定轉速nn作為最高轉速，若額定負載下的轉速降落為 nn， 則按照上面分析的結果， 該系統的靜差率應該是最低速時的靜差率，即s

27、nsnsnnnnn)1(min（式 2.1）于是，最低轉速為：nnnnnnnnsminmin0（式 2.2）而調速范圍為：12 minminmaxnnnndn（式 2.3）將上面的minn代入上式中，得)1 (snsndnn（式 2.4）式（ 2.4 ）表示變壓調速系統的調速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關系。對于同一個調速系統，值一定，由式（ 2.4 ）可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求 s 值越小時，系統能夠允許的調速范圍也越小。一個調速系統的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。2.2 晶閘管電動機直流調速系統存在的問題圖 2.3 v-m 系統的運行范圍晶閘管整

28、流器也有它的缺點。首先，由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難。 由半控整流電路構成的v-m 系統只允許單象限運行（圖 2.3a），全控整流電路可以實現有源逆變，允許電動機工作在反轉制動狀態，因而能獲得二象限運行（圖2.3b ）。必須進行四象限運行時（圖2.3c），只好采用正、反兩組全控整流電路，所用變流設備要增加一倍。晶閘管的另一個問題是對過電壓、過電流和過高的dtdu與dtdi都十分敏感，其中任一指標超過允許值都可能在很短的時間內損壞器件，因此必須有可靠的保護電13 路和符合要求的散熱條件，而且在選擇器件時還應留有適當的余量。現代的晶閘管應用技術已經成熟，只要器

29、件質量過關，裝置設計合理，保護電路齊備，晶閘管裝置的運行是十分可靠的。最后，諧波與無功功率造成的“ 電力公害 ” 是晶閘管可控整流裝置進一步普及的障礙。當系統處于深調速狀態，即在較低速運行時，晶閘管的導通角很小，使得系統的功率因數很低，并產生較大的諧波電流，引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，這就是所謂的 “ 電力公害 ” 。在這種情況下，必須添置無功補償和諧波濾波裝置。2.3 晶閘管開環直流調速系統與開環機械特性圖 2.4 晶閘管直流調速系統電氣原理圖圖 2.5 閘管觸發與整流裝置動態結構圖14 晶閘管直流調速系統由整流變壓器、晶閘管整流調速裝置、平波電抗器、電動機-發電機組等組成。

30、在本系統中， 整流裝置的主電路為三相橋式電路，控制電路可直接由給定電壓ug作為觸發器的移相控制電壓uct，改變 ug的大小即可改變控制角，從而獲得可調電壓，以實現直流電動機的調速。系統原理如圖2.4。1，系統的組成及調節原理：系統的組成圖如 2.5，調節*nu 改變移相角改變udn 改變2，觸發脈沖的相位控制調節觸發裝置gt 輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器vt 輸出瞬時電壓ud的波形，以及輸出平均電壓ud的數值。如果把整流裝置內阻移到裝置外邊，看成是其負載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值ud0 和平均值ud0 來表示，瞬時電壓平衡方程：dtdilrieudd

31、d 0（式 2.5）式中 e 為電動機反電動勢； id為整流電流瞬時值； l 為主電路總電感； r 主電路等效電阻；對 ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值ud0 。用觸發脈沖的相位角控制整流電壓的平均值ud0 是晶閘管整流器的特點。 ud0 與觸發脈沖相位角的關系因整流電路的形式而異， 對于一般的全控整流電路， 當電流波形連續時， ud0 = f ( ) 可用下式表示：amumumdcossin0（式 2.6）式中 a為從自然換相點算起的觸發脈沖控制角；um為= 0 時的整流電壓波形峰值； m 為交流電源一周內的整流電壓脈波數；對于三相全波整流電路，其中u2是整流變壓器二次側額定相電壓

32、的有效值，um=26u ， m=6，auudcos34.220。當 0 0 ，晶閘管裝置處于整流狀態， 電功率從交流側輸送到直流側； 當/2 max時， ud0 0 或(tl+ts)(tm+ts)(1+k)tlts整理后得k slsslmtttttt2)( ( 式 3.11）式 （3.11 ） 右邊稱作系統的臨界放大系數kcr, 當 k kcr 時，系統將不穩定。對于一個自動控制系統來說， 穩定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。3.7 關于 pi 調節器采用比例（ p）放大器控制的直流調速系統，可使系統穩定，并有一定的穩定裕度，同時還能滿足一定的穩態精度指標。但是，帶比例放大器的反饋

33、控制閉環調速系統是有靜差的調速系統。現在著重分析采用積分（i ）調節器或比例積分（ pi）調節器代替比例放大器，構成無靜差調速系統。采用p放大器控制的有靜差的調速26 系統， kp 越大，系統精度越高；但kp 過大，將降低系統穩定性，使系統動態不穩定。進一步分析靜差產生的原因，由于采用比例調節器，轉速調節器的輸出為u c = kp u n，uc 0，電動機運行，即un 0 ；u c = 0，電動機停止。因此，在采用比例調節器控制的自動系統中，輸入偏差是維系系統運行的基礎，必然要產生靜差，因此是有靜差系統。 如果要消除系統誤差， 必須尋找其他控制方法， 比如：采用積分（ integration）

34、調節器或比例積分（ pi）調節器來代替比例放大器。采用積分調節器，當轉速在穩態時達到與給定轉速一致，系統仍有控制信號，保持系統穩定運行，實現無靜差調速。比例調節器的輸出只取決于輸入偏差量的現狀；而積分調節器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。從無靜差的角度看積分控制優于比例控制，但是另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。在同樣的階躍輸入作用之下，比例調節器的輸出可以立即響應，而積分調節器的輸出卻只能逐漸地變。如果既要穩態精度高，又要動態響應快，只要把比例和積分兩種控制結合起來就行了，這便是比例積分控制。1，pi 調節器如果既要穩態精度高，又要動態響應快，只要把比例和積分兩種控制

35、結合起來就行了，這便是比例積分控制。在模擬電子控制技術中，可用運算放大器來實現，線路如圖 3.7 所示。圖 3.7 比例積分（ pi）調節器2，pi 輸入輸出關系按照運算放大器的輸入輸出關系，可得27 dtuukdtucrurruininpiininex111001（式 3.12）式中 kpi=0rri為 pi 調節器比例部分的放大系數；=r0c1為 pi 調節器的積分時間常數。由此可見， pi 調節器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成。3. pi調節器的傳遞函數當初始條件為零時，取式（3.12 ）兩側的拉氏變換，移項后，得pi 調節器的傳遞函數。11)()()(sksksususwpipi

36、inexpi（式 3.13 ）令1=kpi=r1c1，則傳遞函數也可以寫成如下形式sskssswpipi11111)(式 3.14)注意，式 3.14 表明， pi 調節器也可以用一個積分環節和一個比例微分環節來表示，1是微分項中的超前時間常數，它和積分時間常數的物理意義是不同的。4. pi調節器輸出時間特性：階躍輸入情況： 在零初始狀態和階躍輸入下， pi 調節器輸出電壓的時間特性示于圖 3.8a，從這個特性上可以看出比例積分作用的物理意義。突加輸入信號時，由于電容 c1 兩端電壓不能突變，相當于兩端瞬間短路，在運算放大器反饋回路中只剩下電阻 r1，電路等效于一個放大系數為kpi 的比例調節

37、器，在輸出端立即呈現電壓 kpi u in ，實現快速控制，發揮了比例控制的長處。此后，隨著電容c1 被充電，輸出電壓uex 開始積分，其數值不斷增長，直到穩態。穩態時，c 1 兩端電壓等于u ex，r 1 已不起作用，又和積分調節器一樣了，這時又能發揮積分控制的優點，實現了穩態無靜差。因此，pi 調節器輸出是由比例和積分兩部分相加而成的。一般輸入情況：圖3.8b 繪出了比例積分調節器的輸入和輸出動態過程。假設輸入偏差電壓un 的波形如圖所示，則輸出波形中比例部分和un 成正比，積28 分部分是u n 的積分曲線，而 pi 調節器的輸出電壓u c 是這兩部分之和 +。可見， uc 既具有快速響

38、應性能，又足以消除調速系統的靜差。除此以外，比例積分調節器還是提高系統穩定性的校正裝置，因此，它在調速系統和其他控制系統中獲得了廣泛的應用。由此可見，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規律的優點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩態偏差。圖 3.8 pi調節器輸出特性曲線3.8 無靜差直流調速系統及其穩態參數計算1，系統組成與工作原理圖 3.9 是一個無靜差直流調速系統的實例， 采用比例積分調節器以實現無靜差，采用電流截止負反饋來限制動態過程的沖擊電流。他為檢測電流的交流互感器，經整流后得到電流反饋信號。當電流超過截止電流時，高于穩壓

39、管vst 的擊穿電壓，使晶體三極管 vbt 導通，則 pi 調節器的輸出電壓接近于零， 電力電子變換器 upe的輸出電壓急劇下降，達到限制電流的目的。2，穩態結構與靜特性當電動機電流低于其截止值時，上述系統的穩態結構圖示如圖3.10，其中代表pi 調節器的方框中無法用放大系數表示，一般畫出它的輸出特性， 以表明是比例積29 分作用。無靜差系統的理想靜特性如圖3.11 所示。當 id idcr 時，電流截止負反饋起作用， 靜特性急劇下垂， 基本上是一條垂直線。整個靜特性近似呈矩形。必須指出：嚴格地說， “ 無靜差 ” 只是理論上的，實際系統在穩態時，pi 調節器積分電容兩端電壓不變，相當于運算放

40、大器的反饋回路開路，其放大系數等于運算放大器本身的開環放大系數，數值最大，但并不是無窮大。因此其輸入端仍存在很小的，而不是零。這就是說，實際上仍有很小的靜差，只是在一般精度要求下可以忽略不計而已。圖 3.9 無靜差直流調速系統圖 3.10 無靜差直流調速系統穩態結構圖（id idcr ）30 圖 3.11 帶電流截止的無靜差直流調速系統的靜特性3， 穩態參數計算無靜差調速系統的穩態參數計算很簡單，在理想情況下，穩態時un = 0，因而 un = un* ，可以按式（ 3.15）直接計算轉速反饋系數=maxmax*nun（式 3.15）其中 nmax為電動機調壓時的最高轉速；u*max為相應的最

41、高給定電壓。電流截止環節的參數很容易根據其電路和截止電流值idcr 計算出。 pi 調節器的參數kpi和可按動態校正的要求計算。31 第 4 章 轉速、電流雙閉環調速系統及特性4.1 轉速、電流雙閉環調速系統的工作原理雙閉環（轉速環、電流環）直流調速系統是一種當前應用廣泛，經濟，適用的電力傳動系統。 它具有動態響應快、 抗干擾能力強的優點。 我們知道反饋閉環控制系統具有良好的抗擾性能， 它對于被反饋環的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和 pi調節器的單閉環調速系統可以在保證系統穩定的條件下實現轉速無靜差。 但如果對系統的動態性能要求較高，例如要求起制動、 突加負載動態

42、速降小等等， 單閉環系統就難以滿足要求。 這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照需要來控制動態過程的電流或轉矩。在單閉環系統中， 只有電流截止負反饋環節是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流dcri值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態波形。 帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動時的電流和轉速波形如圖4.1 a所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。在實際工作中 ,我們希望在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度

43、起動，到達穩定轉速后， 又讓電流立即降下來， 使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行。這樣的理想起動過程波形如圖2-1b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統所能得到的最快的起動過程。實際上，由于主電路電感的作用， 電流不能突跳， 為了實現在允許條件下最快啟動， 關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值dmi的恒流過程，按照反饋控制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節器的輸入端，到達穩態轉速后， 又希望只要轉速負

44、反饋， 不再靠電流負反饋發揮主作用， 因此我們采用雙閉環調速系統。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。32 (a) 帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動過程 (b)理想快速起動過程圖 4.1 調速系統起動過程的電流和轉速波形圖 4.2 雙閉環直流調速系統原理框圖轉速電流雙閉環直流調速系統的原理如圖4.2，在啟動時，加入給定電壓u*n，“速度調節器 automatic speed regulator(asr)” ，和“電流調節器automatic current regulator(asr)” ，以飽和限幅值限幅值輸出，使得電動機以限定的最大啟動電流加速啟動，直

45、到電動機轉速達到給定轉速，并在出現超調后，asr 和 acr 退出飽和，最后穩定在給定轉速下運行。在調速系統工作時，要先給電動機加勵磁，asr 的輸出作為 acr 的輸入，利用 asr 的輸出限幅可達到限制啟動電流大小的目的。acr 的輸出作為 “觸發電路”的控制電壓 uc，利用 acr 的輸出限幅可以限制整流橋的最大導通角max。總的來說，雙閉環調速系統中兩個調節器的作用為：idl nt id o idm idl nt id o idm idcr n(a)(b)33 （1）asr 的作用：使轉速n 跟隨給定電壓u*n變化，穩態無靜差；對負載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定允許的最大電流。（2

46、）acr 的作用：在電動機起動時，保證獲得最大電流，起動時間短，使系統具有較好的動態特性；在轉速調節過程中，使電流跟隨其給定電壓u*i變化；當電動機過載甚至堵時，限制電樞電流的最大值，起到安全保護作用，在故障消失后，系統能夠自動回復正常；對電網電壓波動起快速抑制作用。4.2 雙閉環直流調速系統的組成為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節器， 分別調節轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖4.3 所示，即把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入， 再用電流調節器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發裝置。從閉環結構上看，電流調節環在里面，叫做內環；轉速環在外面，叫做外環。這樣就形成

47、了轉速、電流雙閉環調速系統。該雙閉環系統的兩個調節器asr和acr一般采用 pi 調節器。因為pi調節器作為校正裝置既可以保證系統的穩態精度，使系統在穩態運行時得到無靜差調速， 又能提高系統的穩定性； 作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。 一般的調速系統要求以穩和準為主，采用pi調節器便能保證系統獲得良好的靜態和動態性能。圖 4.3 轉速、電流雙閉環直流調速系統asr 轉速調節器 acr電流調節器 tg測速發電機ta電流互感器upe電力電子變換器nasracru*n+ - un ui u*i + - uct ta + - ud id upe - m tg ni外環內環34 4.

48、3 雙閉環直流調速系統的穩態結構圖和靜特性圖4.4 雙閉環調速系統的穩態結構圖首先要畫出雙閉環直流系統的穩態結構圖4.4，分析雙閉環調速系統靜特性的關鍵是掌握 pi 調節器的穩太特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當調節器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調節環開環。 當調節器不飽和時， pi 作用使輸入偏差電壓u在穩態時總是為零。實際上，在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況。1，轉速調節器不飽和：此時兩個調節器都不飽和，穩態時，他們的輸入偏差電壓都為零，即nuunn*（式 4

49、.1 ）diiiuu*( 式 4.2)0*nunn（式4.3 ）從而得到圖 4.5靜特性的 n0-a段。由diiiuu*，且asr 不飽和*imiuu得：dmdii，說明n0-a段靜特性從0di(理想空載狀態 )一直延續到dmdii，而dmi一般都大于額定電流dnomi的。2，轉速調節器飽和： 此時，asr 輸出達到限幅值*imu，轉速外環呈開環狀態，轉速的變化對系統不再產生影響。雙閉環變成一個電流無靜差的單閉環系統。穩態ks 1/ce u*nuct id enud0 un + + - asr + u*i -idrracr - ui upe 35 時有：dmimdiui*（式4.4 ）從而得到

50、圖 4.5靜特性的 a-b段。雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于dmi時表現為轉速無靜差，轉速負反饋起主要調節作用。當負載電流達dmi到后，轉速調節器飽和，電流調節器起主要調節作用， 系統表現為電流無靜差， 得到過電流的自動保護。圖 4.5 雙閉環調速系統的靜特性4.4 雙閉環直流調速系統的數學模型圖 4.6 雙閉環直流調速系統的動態結構框圖雙閉環控制系統數學模型的主要形式仍然是以傳遞函數或零極點模型為基礎的系統動態結構圖。 雙閉環直流調速系統的動態結構框圖如圖4.6 所示。圖中)(swasr和u*nuct -idlnud0 un + - - - uiwasr(s) wacr(s) ks t

51、ss+11/r tl s+1r tms u*i id1/ce + e36 )(swacr分別表示轉速調節器和電流調節器的傳遞函數。為了引出電流反饋，在電動機的動態結構框圖中必須把電樞電流di顯露出來。4.5 雙閉環直流調速系統的起動過程分析設置雙閉環控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環直流調速系統的動態性能時，有必要首先探討它的起動過程。雙閉環直流調速系統突加給定電壓*iu由靜止狀態起動時，轉速和電流的動態過程如圖4.7 所示。由于在起動過程中轉速調節器asr 經歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個動態過程就分成圖中標明的 i 、ii 、iii 三個階段。1，第

52、i 階段（ 0t1）是電流上升階段。突加給定電壓*nu后，通過兩個調節器的跟隨作用，使ctu、0du、di 都上升，但是在di 沒有達到負載電流dli之前，電動機還不能轉動。 當dldii后，電動機開始轉動。由于機電慣性的作用，轉速不會很快增長，因而轉速調節器asr 的輸入偏差電壓nnnuuu*的數值仍較大， 其輸出電壓保持限幅值*imu，強迫電樞電流di 迅速上升。直到dmdii，*imiuu, 電流調節器很快就壓制了di 不再迅速增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，asr 很快進入并保持飽和狀態，而acr 一般不飽。2，第ii 階段（ t1t2）是恒流升速階段。恒流升速階段是起動過程

53、中的主要階段。在這個階段中，asr始終是飽和的，轉速環相當于開環， 系統表現為恒值電流給定*imu作用下的電流調節系統， 基本上保持電流di恒定，因而系統的加速度恒定，轉速呈線性增長（圖4.7 ） 。與此同時，電動機的反電動勢e 也按線性增長，對電流調節系統來說，e是一個線性漸增的擾動量（圖 4.7 ） 。為了克服這個擾動，0du和cu 也必須基本上按線性增長，才能保持id恒定。當acr采用 pi 調節器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓iimiuuu*必須維持一定的恒值， 也就是說，di 應略低于dmi。此外還應指出，37 為了保證電流環的這種調節作用，在起動過程中acr 不應飽和。

54、3，第 iii階段（ t2以后）是轉速調節階段。當轉速上升到給定值0*nn時，轉速調節器asr的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值*imu，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉速超調。轉速超調后，asr輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態，輸出電壓*iu和主電流di也因而下降。但是，由于di仍大于負載電流dli，轉速將在一段時間內繼續上升。直到di=dli時，轉矩et =lt ，則 dn/dt=0 ，轉速 n 才能到達峰值。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應, 電流出現一段小于dli的過程, 直到穩定。圖 4.7 雙閉環直流調速系統起動時的轉速和電流波形雙閉環

55、直流調速系統起動過程的三個特點：1飽和非線性控制當 asr飽和時，轉速環開環，系統表現為恒值電流調節的單閉環系統；當asr不飽和時，轉速環閉環，整個系統是一個無靜差系統，而電流內環則表現為電流隨n o o t t idnidlidi ii iii t4t3t2t1*n38 動系統。2準時間最優控制在恒流升速階段，系統電流為允許最大值，并保持恒定，使系統最快起動，即在電流受限制條件下使系統最短時間內起動。3轉速超調由于 pi 調節器的特性，只有使轉速超調，即在轉速調節階段， asr 的輸入偏差電壓nu 為負值，才能使asr退出飽和。所以采用pi 調節器的雙閉環直流調速系統的轉速動態響應必然有超調

56、。4.6 雙閉環直流調速系統的動態性能分析一般來說，雙閉環調速系統具有比較滿意的動態性能。動態性能可分為動態跟隨性能和動態抗擾性能兩種。其中動態抗擾性能對于調速系統更為重要，它主要表現為抗負載擾動和抗電網電壓擾動。（一） 動態跟隨性能，雙閉環調速系統在起動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件下，表現出很快的動態跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。在設計acr 時，應強調具有良好的跟隨性能。圖 4.8 雙閉環直流調速系統的抗負載擾動（二） 動態抗擾性能：1抗負載擾動：由圖4.8 可以看出，負載擾動作用在電流環之后，因此只能靠轉速調節 asr 來產生抗負載擾

57、動的作用。在突加（突減）負載時，必然會引起動態速降（速升）。為了減少動態速降（速升） ，所以要求 asr 具有較好的抗擾性能。2抗電網電壓擾動：由于電網電壓擾動和負載擾動在系統結構圖中作用的位1/ce u*n ?idl nun + - asr 1/r tl s+1r tms id ks tss+1acr u*i ui- - e ud0 39 置不同，系統對它們的動態抗擾效果就不同。如圖4.9 所示的雙閉環系統中，電網電壓擾動du 和負載擾動dli都作用在被轉速負反饋環包圍的前向通道上，就靜特性而言，系統對它們的抗擾效果是一樣的。從動態性能上看，負載擾動dli作用在被調量 n 的前面，可以通過測

58、速發電機檢測出來，使負載擾動通過轉速負反饋得到及時調節。而電網電壓擾動作用在離被調量n 更遠的位置，轉速調節器asr 不能及時對它進行調節，但是因為它作用在被電流負反饋環包圍的前向通道上，使電壓波動可以直接通過電流反饋得到及時的調節，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能高。在雙閉環系統中，由電網電壓波動引起的轉速動態變化比起單閉環系統小得多。圖 4.9 直流調速系統的動態抗擾作用4.7 雙閉環直流調速系統兩個調節器的作用1轉速調節器的作用：（1）使轉速 n 跟隨給定電壓*mu變化，當偏差電壓為零時，實現穩態無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。2電

59、流調節器的作用：（1）在轉速調節過程中，使電流跟隨其給定電壓*iu變化。 （2）對電網電壓波動起及時抗擾作用。 （3）起動時保證獲得允許的最大電流，使系統獲得最大加速度起動。 （4）當電機過載甚至于堵轉時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護作用。當故障消失時，系統能夠自動恢復正常。1/ce u*n nud0 un + - asr 1/r tl s+1r tms ks tss+1acr u*i ui- - e? ud -idl id 40 第 5 章 硬件實驗部分5.1 不可逆單閉環直流調速系統靜特性實驗5.1.1實驗前的準備1，本實驗的目的及進行試驗前需了解的知識：本實驗目的為研究晶

60、閘管直流電動機調速系統在反饋控制下的工作；研究直流調速系統中速度調節器asr 的工作及其對系統靜特性的影響；學習反饋控制系統的調試技術。之前應了解速度調節器在比例工作與比例積分工作時的輸入輸出特性；弄清不可逆單閉環直流調速系統的工作原理。實驗線路及原理見附錄。2，實驗設備及儀表mcl系列教學實驗臺主控制屏。mcl 18 組件（適合 mcl ) 或 mcl 31 組件（適合 mcl ） 。mcl 33(a) 組件或 mcl 53 組件。mel-11掛箱 mel 03 三相可調電阻（或自配滑線變阻器） 。電機導軌及測速發電機、直流發電機m01 （或電機導軌及測功機、 mel 13 組件） 。直流電