1、第二章 速度闭环控制第二章 速度闭环控制的直流调速系统的直流调速系统马昕北京化工大学计算机模拟与系统安全工程研究中心教育部化工安全工程研究中心国家安全生产监督管理总局危险化学品生产系统故障预防及监控基础实验室北京化工大学信息科学与技术学院CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统2开环调速系统开环调速系统 开环调速系统的机械特性开环调速系统的机械特性 开环调速系统的性能和存在的问题开环调速系统的性能和存在的问题速度单闭环控制的调速系统速度单闭环控制的调速系统 速度闭环调速系统的组成及其静特性速度闭环调速系统的组成及其静特性 单闭环调速系统的限流保护单闭环调速系统的限流保护 速
2、度闭环控制调速系统的动特性分析速度闭环控制调速系统的动特性分析 无静差调速系统无静差调速系统多环控制直流调速系统多环控制直流调速系统 转速电流双闭环调速系统的组成及静特性转速电流双闭环调速系统的组成及静特性 双闭环调速系统的启动过程分析双闭环调速系统的启动过程分析 双闭环调速系统的动态性能双闭环调速系统的动态性能主要内容主要内容重点内容CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统3开环调速系统开环调速系统 开环调速系统的机械特性开环调速系统的机械特性 开环调速系统的性能和存在的问题开环调速系统的性能和存在的问题速度单闭环控制的调速系统速度单闭环控制的调速系统多环控制直流调速系统
3、多环控制直流调速系统主要内容CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统4开环调速系统开环调速系统1.速系的机械特性开环调统 加载在直流电动机上的电压是晶闸管整流装置的输出瞬时电压 ud 和平均电压 Ud，如果把整流装置内阻上的电压降移到整流装置外面，当做负载电路电压降的一部分，整流电压便可用其理想空载值 ud0 和 Ud0 来代替。此时，瞬时电压平衡方程式可以写为：dd0addiu=E+i R+LdtLR：电枢回路总电感，包括电动机电枢电感和平波电抗器电感；：电枢回路总电阻，包括整流装置内阻、电动机电枢电阻和平波电抗器电阻CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调
4、速系统5开环调速系统开环调速系统1.速系的机械特性开环调统n对应平均电压的电压平衡方程式：d0d0adedUU=E+I R=C+I R00opopopopnnnnn-DD开环机械特性表达式为 ：开环系统的理想空载转速；：开环系统的静态转速降落d0deeUI R=CCCSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统6开环调速系统开环调速系统1.速系的机械特性开环调统 开环调速系统的机械特性在形式上与直流电动机的电动势平衡方程式类似，但是两者有本质的不同nn-电动势平衡方程式为 此处 为，是直流电动机的电枢电阻开环机械特性表达式为 此处 为，是电枢电阻整流装置内阻deead0deeas
5、I RU=CCRRUI R=CCRR+R+aCSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统7开环调速系统开环调速系统1.速系的机械特性开环调统 改变晶闸管控制角，就可以改变 Ud0。晶闸管整流装置可以 看成是一个线性的可控电压源 通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路 的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的 控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，输 出转速并不影响控制电压，属于开环调速系统 开环调速系统适用于生产机械对静差率要求不高的场合，结构简单，能实现一定范围内的无级调速CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统8l许多需要无级调速的
6、生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能允许很大的静差率，此时，开环调速系统不能满足较高的性能指能允许很大的静差率，此时，开环调速系统不能满足较高的性能指标要求标要求开环调速系统开环调速系统2.速系的性能和存在的开环调统问题602203051000/min0.2min/0.18205%eVMkWVArCVrRDd-=W=例：某龙门刨床工作台拖动采用直流调速系统，其中直流电动机的各铭牌参数分别为、，；主回路总电阻，要求，。开环调速系统能否要求？CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统9开环调速系统开环调速系统2.速系
7、的性能和存在的开环调统问题()()305 0.18275/min0.227521.6%10002755%205%1000 0.052.63/mi1201 0.05NNeNNNNNNI RnrCnnnDnnnrDddddD=D=+D+=D=-解：系统在额定负载下的转速降落为：则开环系统机械特性在额定转速时的静差率为 已远远超过了的要求。若满足，的要求，额定负载下的转速降落可如下计算：nCSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统10开环调速系统开环调速系统速度单闭环控制的调速系统速度单闭环控制的调速系统 速度闭环调速系统的组成及其静特性速度闭环调速系统的组成及其静特性 单闭环调速
8、系统的限流保护单闭环调速系统的限流保护 速度闭环控制调速系统的动特性分析速度闭环控制调速系统的动特性分析 无静差调速系统无静差调速系统多环控制直流调速系统多环控制直流调速系统主要内容CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统11速度单闭环控制的调速系统CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统12速度单闭环控制的调速系统2.2.1 速度闭环调速系统的组成及其静特性速度闭环调速系统的组成及其静特性 2.2.1.1 单闭环调速系统的组成单闭环调速系统的组成 2.2.1.1 转速负反馈单闭环调速系统的静特性转速负反馈单闭环调速系统的静特性 2.2.1.3 开环系统
9、机械特性与闭环系统静特性的比较开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较 2.2.1.4 单闭环调速系统的基本特征单闭环调速系统的基本特征2.2.2 单闭环调速系统的限流保护单闭环调速系统的限流保护 2.2.2.1 问题的提出问题的提出 2.2.2.2 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节 2.2.2.3 带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统2.2.3 速度闭环控制调速系统的动特性分析速度闭环控制调速系统的动特性分析 2.2.3.1 动态数学模型动态数学模型 2.2.3.2 稳定性分析稳定性分析2.2.4 无静差调速系统无静差调速系统CSSSE23年
10、6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统13速度单闭环调速系统的组成Back to 反馈控制规律 Back to 系统各单元静特性（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性1.速度速系的成单闭环调统组比较环节比较环节控制器控制器晶闸管触发装置晶闸管触发装置驱动电路驱动电路主电路主电路反馈环节反馈环节CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统14静特性：闭环系统中电动机转速与负载电流的稳态关系分析速度单闭环调速系统的静特性时，需做出如下假设：1.假定各环节的输入输出关系是线性的；2.假定系统开环机械特性是连续的；3.忽略直流电源和电位器
11、的内阻（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性2.速反速系的特性转负馈单闭环调统静CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统15Back to 动态数学模型速度单闭环调速系统组成示意图（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性2.速反速系的特性转负馈单闭环调统静00gdfkpdskfddeUUUUKUUK UUnUI RnCaD=-=D=-=测速发系统开环机械触发器与晶闸管整流电机：电压比较环装置：放：性：节特大器：CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统16转速负反馈调速系统稳
12、态结构图（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性2.速反速系的特性转负馈单闭环调统静0psdKKURa参数说明：放大器电压放大倍数：触发器和晶闸管整流装置的电压放大倍数：测速反馈系数：（理想空载）整流电压的平均值：主电路总的等效电阻 （整流装置内阻、电机电枢电阻、平波电抗器内阻）CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统17速度单闭环调速系统的静特性方程如下：闭环系统理想空载转速闭环系统静态转速降闭环系统的开环放大倍数（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性2.速反速系的特性转负馈单闭环调统静()
13、()011psgddeebbK K UI RnCKCKnn=-+=-DpseK KKCa=CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统18（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性3.系机械特性系特性比开环统与闭环统静较 闭环系统静特性比开环系统机械特性的硬度大大提高 当理想空载转速相同时，闭环系统的静差率要小得多 当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可以大大提高 当给定电压相同时，闭环系统的理想空载转速大大降低300.015min/spKVrKa=例：前例中的龙门刨床工作台拖动，采用转速负反馈构成单闭环调速系统，已知晶闸管整流器与触发
14、装置的电压放大系数，转速反馈系数，为满足给定的要求，计算放大器的电压放大系数。CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统19（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性闭环系统必须引入放大器3.系机械特性系特性比开环统与闭环统静较()0000275/min2.63/min127511103.62.63103.6 0.24630 0.015dopedbeopbpseepsI RnrCI RnrCKnKnK KKCKCKKaaD=D=+D=-=-=D=解：由前例可知，系统的开环速降满足指标要求的速降为则可以求得闭环系统的开环放大倍数 由可以求得
15、放大器的放大系数 CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统20（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性 综合上述四条特点，可得出以下结论：闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，在保证一定静差率的要求下，大大提高了调速范围。但是闭环系统必须设置检测装置和电压放大器。调速系统之所以产生稳态速降，根本原因在于负载电流引起了电枢回路电阻压降。闭环系统静态速降减少，并不是由于闭环后能使电枢回路电阻减小，而是闭环系统具有自动调节作用，它能随着负载的变化相应地改变整流装置输出电压。3.系机械特性系特性比开环统与闭环统静较CSSSE23年6月2
16、7日第二章 速度闭环控制的直流调速系统21l应用比例调节器的闭环系统是有静差的控制系统应用比例调节器的闭环系统是有静差的控制系统l闭环系统绝对服从于给定输入闭环系统绝对服从于给定输入l闭环系统对于被包围在负反馈环内的一切主通道上的绕动作用都能闭环系统对于被包围在负反馈环内的一切主通道上的绕动作用都能有效地加以抑制有效地加以抑制l对给定电源和反馈检测元件中的误差无能为力对给定电源和反馈检测元件中的误差无能为力速度单闭环调速系统组成示意图（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性4.速系的基本特征单闭环调统反控制律馈规CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环
17、控制的直流调速系统22n 电流负反馈的引入不能影响电动机正常工作时的静特性 电流截止负反馈：正常运行时不起作用；一旦电流超过规定值，电流负反馈即投入运行 限流保护的具体方法即为：引入电流截止负反馈环节 限流保护是为了解决反馈闭环调速系统的启动和堵转时电限流保护是为了解决反馈闭环调速系统的启动和堵转时电流过大的问题而采取的一种限流措施流过大的问题而采取的一种限流措施l过大的电流会损坏电动机和晶闸管过大的电流会损坏电动机和晶闸管l反馈控制原理：要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入反馈控制原理：要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈那个物理量的负反馈（二）单闭环调速系统的限流保护
18、（二）单闭环调速系统的限流保护1.的提出问题电流负反馈CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统23电流截止负反馈装置原理接线 （1）用直流电源做比较电压（二）单闭环调速系统的限流保护（二）单闭环调速系统的限流保护2.流截止反电负馈环节cdjbjRIU：小阻值，取出电流反馈信号：临界截止电流：比较电压dcbjfidcbjfiI RUUI RUU-=-+=-+=-D当时，电流负反馈起作用，静特性方程式为CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统28由 可得（二）单闭环调速系统的限流保护（二）单闭环调速系统的限流保护堵转：电动机正常运行时，将转子堵住，强制其停止
19、转动，此时电枢电流将迅速上升3.流截止反的速反速系带电负馈单闭环转负馈调统()()()()11psgdbjpscdeeK KUURK K RnICKCK+=-+()psgdbjgdbjdupsccK KUUUUIRK K RR+=+堵转电流CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统29 带电流截止负反馈速度闭环调速系统的静特性下垂特性挖土机特性（二）单闭环调速系统的限流保护（二）单闭环调速系统的限流保护3.流截止反的速反速系带电负馈单闭环转负馈调统()()01 2 nAAB电流负反馈截止时静特性电流负反馈起作用时静特性特性急剧下降理想空载段：段：转速提高()max1.1.5
20、22.duddjNIIII设计须知：CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统30建立线性系统数学模型的基本步骤：建立线性系统数学模型的基本步骤：l写出描述各环节动态过程的微分方程式；写出描述各环节动态过程的微分方程式；l求出各环节的传递函数；求出各环节的传递函数；l组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数速度单闭环调速系统组成（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1.模型动态数学CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统31放大器晶闸管触发电路及整流装置转速反馈环节晶闸管装置的失
21、控时间（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1.模型动态数学()()()()00 1sT sdsdsksssksUsKUK UtTWsK eUsT s-=-=+()()()kppUsWsKU s=D()()()ffUsWsn sa=CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统32直流电动机电枢回路总电感电枢回路电磁时间常数（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1.模型动态数学0 dddaddldIdIUEI RLR ITdtdt骣-=+=+琪桫主电路微分方程式()()()011ddalIsRUsEsTs
22、=-+lLTR=CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统33直流电动机负载电流机电时间常数（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1.模型动态数学()()()2 375 emloaddfzmGDdnTTdtE sRIsIsT s-=-由电动机运动方程式可得到2375meTGD RTC C=CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统34直流电动机（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1.模型动态数学()()()211eDfzmlmn sCWsEsT TsT s=+直流电动机的传递函数为
23、 CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统35速度闭环调速系统的数学模型和传递函数（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析速度闭环调速系统的动态结构图Back to 双环调速系统动特性分析Back to 无静差调速系统1.模型动态数学CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统36速度闭环调速系统的数学模型和传递函数（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1.模型动态数学()()()211psesmlmKW sKK KCT sT TsT sa=+开环传递函数，CSSSE23年6月27日第
24、二章 速度闭环控制的直流调速系统37速度闭环调速系统的数学模型和传递函数（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析1.模型动态数学()()()()()32011111fzpseBmlsgdmlsmsIK KCn sKWsTTTUsT TTTTsssKKK=+=+闭环传递函数CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统38（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析（三）速度闭环控制调速系统的动特性分析2.定性分析稳()3210111mlsmlsmsTTTT TTTTsssKKK+=+速度闭环调速系征统特方程的()()0111mlsmsmlsTTTTT
25、T TTKKK+系统稳定的充要条件 劳斯稳定判据()2mlsslsTTTTKTT+CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统39PI 调节器原理接线图（四）采用（四）采用 PI 调节器的单闭环无静差调速系统调节器的单闭环无静差调速系统1.比例分器和比例分控制律积调节积规1110011001111scffsrsrpsrsrppPIRUi Ri dtUU dtK UU dtCRR CKKR RR Cttt=+=+=+=蝌调节器输入输出关系为：比例放大系数，：积分时间常数，1srscpsrsrUUK UU tt=+为常数时，输出为CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流
26、调速系统40PI 调节器输出响应1.比例分器和比例分控制律积调节积规（四）采用（四）采用 PI 调节器的单闭环无静差调速系统调节器的单闭环无静差调速系统()()()1pscPIsrKsUsWsUsstt+=比例积分调节器为传递函数CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统412.采用 PI器的无差速系调节单闭环静调统速度单闭环调速系统动态结构图（四）采用（四）采用 PI 调节器的单闭环无静差调速系统调节器的单闭环无静差调速系统()()()()()()()222111111111esmlmefzlsmlmsmlmCT sn sT TsT sCKIs R TsT sT TsT s
27、KT sT TsT s+D+=-+当采用比例调节器时：()()()()()()20011limlim111fzslfzessesmlmIRT sTsI RsCnsn ssCKT sT TsT sK-+D=-譊+如果突加负载，利用终值定理可得：CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统422.采用 PI器的无差速系调节单闭环静调统（四）采用（四）采用 PI 调节器的单闭环无静差调速系统调节器的单闭环无静差调速系统()()()()()()()211111fzlsepssmlmeRIss TsT sCn sK Ks T sT TsT ssCtatt-+D=+当采用比例积分调节器时：
28、()()()()()()00211limlim0111fzlsesspssmlmeRIs TsT sCnsn ssK Ks T sT TsT ssCtatt-+D=譊+如果突加负载，利用终值定理可得：CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统43结论：积分控制和比例积分控制的调速系统都是无静差的2.采用 PI器的无差速系调节单闭环静调统（四）采用（四）采用 PI 调节器的单闭环无静差调速系统调节器的单闭环无静差调速系统*maxmax*maxmax0nnnnnUUUnUnnUaaD=无静差调速系统稳态时没有速度偏差，则，则有 则转速反馈系数 为电动机调压调速时的最高转速；为相应
29、的给定电压最大值CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统44开环调速系统开环调速系统速度单闭环控制的调速系统速度单闭环控制的调速系统多环控制直流调速系统多环控制直流调速系统 转速电流双闭环调速系统的组成及静特性转速电流双闭环调速系统的组成及静特性 双闭环调速系统的启动过程分析双闭环调速系统的启动过程分析 双闭环调速系统的动态性能双闭环调速系统的动态性能主要内容CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统45多环控制直流调速系统2.3.1 转速电流双闭环调速系统的组成及静特性转速电流双闭环调速系统的组成及静特性 2.3.1.1 问题的提出问题的提出 2.3.1
30、.1 转速、电流双闭环调速系统的组成转速、电流双闭环调速系统的组成 2.3.1.3 转速、电流双闭环调速系统的静特性转速、电流双闭环调速系统的静特性2.3.2 双闭环调速系统的启动过程分析双闭环调速系统的启动过程分析 2.3.2.1 启动过程的三个阶段启动过程的三个阶段 2.3.2.2 启动过程特点启动过程特点2.3.3 双闭环调速系统的动态性能双闭环调速系统的动态性能CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统46l多环控制系统：多环控制系统：是指按一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或两个以是指按一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或两个以上闭环的控制系统上闭环的控制系统l相当
31、于过程控制中的串级控制系统相当于过程控制中的串级控制系统多环控制直流调速系统多环控制直流调速系统CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统47带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动时的电流和转速波形直流电动机理想启动过程波形（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性1.的提出问题CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统48理想启动特性：理想启动特性：l当电动机最大电流受到限制时，在过渡过程中电流始终保持最大值当电动机最大电流受到限制时，在过渡过程中电流始终保持最大值，电动机以最大转矩加速，调速系统具有最大启动加速度，
32、电动机以最大转矩加速，调速系统具有最大启动加速度l到达给定转速时，电流立刻降低，使转速与负载达到平衡，转入稳到达给定转速时，电流立刻降低，使转速与负载达到平衡，转入稳定运行状态定运行状态（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性1.的提出问题CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统49为实现在允许条件下的最快启动，关键是获得一段电流维为实现在允许条件下的最快启动，关键是获得一段电流维持在最大值的恒流过程持在最大值的恒流过程欲维持电流在最大值处和负载电流值处为恒值，引入电流欲维持电流在最大值处和负载电流值处为恒值，引入电流负反馈负反馈
33、转速电流双闭环直流调速系统的研究目的：快速安全启动转速电流双闭环直流调速系统的研究目的：快速安全启动（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性1.的提出问题CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统50转速电流双闭环直流调速系统转速调节器电流调节器外环内环（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性2.速、流速系的成转电双闭环调统组CSSSE23年6月27日第二章 速度闭环控制的直流调速系统51对转速和电流分别进行控制，设置两个调节器对转速和电流分别进行控制，设置两个调节器 ASR：转速调节器：转速调节器 ACR：电流调节器：电流调节器转速：主控信号，有外加给定值，外环转速：主控信号，有外加给定值，外环电流：稳定运行时受负载决定，内环电流：稳定运行时受负载决定，内环ASR 的输出作为的输出作
