第2章-单闭环直流调速系统

null第二章 单闭环直流调速系统第二章 单闭环直流调速系统2-2 有静差转速负反馈单闭环直流调速系统 2-3 无静差转速负反馈单闭环直流调速系统2-1直流调速系统的基本概念2-1 直流调速系统的基本概念2-1 直流调速系统的基本概念 一、直流调速主要的调速方法 1、直流他励电动机供电原理图图1-1直流他励电动机供电原理图null（1）调压调速（1）调压调速工作条件： 保持励磁  = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN  U 调速特性： 机械特性曲线平行下移。（2）调阻调速（2）调阻调速工作条件： 保持励磁  = N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程： 增加电阻 Ra  R R  n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。（3）调磁调速（3）调磁调速工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 N      n ， n0  调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。图2-3 调磁调速特性曲线nullnull1、旋转变流机组----用交流电动机拖动直流发电机，以获得可调的直流电压（G-M系统）。 图3 G-M系统原理图null组成：由M~拖动G=→G=给M=供电→直流励磁发电机GE给G=和M=励磁。原理：调节If→U改变→转速n变化。改变方向，n转向跟着改变。特点：设备多、体积大、费用高、效率低、安装维护不便、运行有噪声。null2、静止可控整流器--利用静止的可控整流器(如晶闸管可控整流器)，获得可调的直流电压。（V-M系统）null晶闸管整流器可以是单相、三相或多相；电路形式可以是半波、全波、半控、全控等类型；通过调节触发电路的移相电压，可改变整流电压Ud，实现平滑调速。 优点:整流装置效率高、体积小、成本低、无噪声。缺点:可逆难；过电压、过电流能力差；谐波电流大。组成：原理：3、直流斩波器或脉宽调制变换器3、直流斩波器或脉宽调制变换器图5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形图null VT工作于开关状态。VT通时，U加到M；VT断时，U与M断开，M经VD续流，两端电压接近于零。平均电压可通过改变VT的导通和关断时间来调节，从而调节M的转速。优点: 运行稳定、效率高、静动态性能好；缺点: 容量不大原理：电动机平均电压ρ为占空比三、调速指标三、调速指标1、调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即 其中nmin 和nmax 一般都指电机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。 2、静差率 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 nN ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即 或用百分数表示 式中 nN = n0 - nN null图6 不同转速下的静差率3. 静差率与机械特性硬度的区别 然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的 。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。null例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时同样降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经停止转动。 因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提高才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。静差率与机械特性硬度的区别（续）3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系 3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系 设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即 于是，最低转速为 null而调速范围为 将上面的式代入 nmin，得 null 上式表明调压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于同一个调速系统， nN 值一定，可见，如果对静差率要求越严，即要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。 null例 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 1-1 某直流调速系统电动机额定转速为，额定速降 nN = 115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？null解 要求30%时，调速范围为 若要求20%，则调速范围只有 若调速范围达到10，则静差率只能是 nullnull图7 V-M系统电流波形null3.开环系统机械特性晶闸管整流器可看成是一个线性的可控电压源特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。电流连续时：电流断续时：null电流连续时V-M系统的机械特性方程为：改变控制角α得到一组平行的直线，但电流波形可能出现断续，上述 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 不再适用。2-2 单闭环转速负反馈有静差直流调速系统2-2 单闭环转速负反馈有静差直流调速系统开环存在的问题：例1-2：某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻0.18Ω，电动机电动势系数为0.2。如果要求调速范围 D = 20，静差率5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？问题的提出null解 当电流连续时，V-M系统的额定速降为 开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为 这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低速了。 null 如果要求D = 20，s ≤ 5%，则由式（1-29）可知 由上例可以看出，开环调速系统的额定速降是275 r/min，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎百倍！ 由此可见，开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。一、系统的组成及静特性 一、系统的组成及静特性 (1)原理框图 1、系统的组成图8 2、调节原理 2、调节原理 在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 Un ，经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。 UPE的组成 UPE的组成 图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。 3、系统组成 UPE的组成（续） UPE的组成（续） 目前，组成UPE的电力电子器件有如下几种选择 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ： 对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器； 对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等； 对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。二、 单闭环调速系统的稳态特性 下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的假定： 忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段； 忽略控制电源和电位器的内阻。 二、 单闭环调速系统的稳态特性(1) 闭环系统的机械特性的定量分析 (1) 闭环系统的机械特性的定量分析 ①系统结构图 图9 单闭环调速系统结构图 nullnull③ 单闭环转速负反馈调速系统的稳态结构图 图10 有静差转速负反馈单闭环调速系统稳态结构框图 nullnull 式中 闭环系统的开环放大系数K为 它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。 电动机环节放大系数为 null注意： 闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为“静特性”，以示区别。 (2) 开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系(2) 开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系 比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为 闭环时的静特性可写成 null比较上面两式，不难得出以下的论断：（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。 在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为 和 它们的关系是 系统特性比较 系统特性比较（续） 系统特性比较（续）（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。 闭环系统和开环系统的静差率分别为 和 当 n0op =n0cl 时， null （3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速静差率的要求相同，那么： 开环时， 闭环时， 得 系统特性比较（续） 系统特性比较（续） 系统特性比较（续） （4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。 上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 K 要足够大，因此必须设置放大器。null 把以上四点概括起来，可得下述结论： 结论2： 闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。 null例题1-3 在例题1-2中，龙门刨床要求 D = 20， s < 5%， 已知 Ks = 30，  = 0.015V·min/r， Ce = 0.2V·min/r， 如何采用闭环系统满足此要求？ null解 在上例中已经求得 Δnop = 275 r/min， 但为了满足调速要求，须有 Δncl = 2.63 r/min， 由式（1-38）可得 null代入已知参数，则得 即只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所需的稳态性能指标。 null转速负反馈闭环直流调速系统过程演示比较放大晶闸管整流给定Un下一步>>控制Ucnull（ 负载变化）比较器上一步<<下一步>>负载减小， 上升加快比较放大晶闸管整流给定Un控制Ucnull（负载减小，转速加快）比较器上一步<<下一步>>电机转速加快比较放大晶闸管整流给定Un控制Ucnull（负载减小，转速加快，测速发电机转速加快）上一步<<下一步>>测速发电机转速加快比较放大晶闸管整流给定Un控制Ucnull（负载减小，转速加快，测速发电机转速加快，反馈电压增大）上一步<<下一步>>反馈电压增大比较放大晶闸管整流给定Un控制Ucnull上一步<<下一步>>比较结果减小比较放大晶闸管整流给定Un控制Ucnull上一步<<下一步>>输出电压减小比较放大晶闸管整流给定Un控制Ucnull上一步<<下一步>>电机转速减慢比较放大晶闸管整流给定Un控制Ucnull上一步<>上升速度减慢比较放大晶闸管整流给定Un控制Ucnullnull 由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。 3、闭环系统的机械特性3、闭环系统的机械特性图11 有静差转速负反馈单闭环调速系统机械特性图(3)单闭环调速系统的基本特征(3)单闭环调速系统的基本特征 转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律，各种不另加其他调节器的基本反馈控制系统都服从于这些规律。 1. 被调量有静差1. 被调量有静差 从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。然而，Kp =常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。因为闭环系统的稳态速降为 只有 K = ，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。2. 抵抗扰动, 服从给定2. 抵抗扰动, 服从给定 反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从。 扰动——除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。 调速系统的扰动源 调速系统的扰动源负载变化的扰动（使Id变化）； 交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）； 电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）； 放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）； 温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）； 检测误差的扰动（使变化） 。 在下图中，各种扰动作用都在稳态结构框图上表示出来了，所有这些因素最终都要影响到转速。 扰动作用与影响 扰动作用与影响图12 闭环调速系统的给定作用和扰动作用 抗扰能力 抗扰能力反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。 例如：Us  Ud0  n  Un  Un   n  Ud0   Uc 抗扰能力（续） 抗扰能力（续）但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。 例如：   Un  Un  Uc   Ud0  n 因此，反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。 给定作用 给定作用 与众不同的是在反馈环外的给定作用，如转速给定信号，它的些微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。 结论3： 结论3： 反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。3. 系统的精度依赖于给定和反馈检测精度3. 系统的精度依赖于给定和反馈检测精度给定精度——由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。 如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。 检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。null四、系统的稳态参数计算 直流调速系统如下图所示，根据给定的技术数据对系统进行静态参数计算。已知数据如下：nullnull解：1. 为满足D=10，s≤5%，额定负载时调速系统的稳态速降应为 2. 根据Δncl，确定系统的开环放大系数K null当系统处于稳态时，近似认为 ，则 当系统处于稳态时，近似认为 ，则 电位器RP2的选择方法如下：当测速发电机输出最高电压，且其电流约为额定值的20%时，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。则此时RP2所消耗的功率为 为了使电位器不过热，实选功率应为消耗功率的一倍以 上，故选RP2为10W、1.5kΩ的可调电位器。 为了使电位器不过热，实选功率应为消耗功率的一倍以 上，故选RP2为10W、1.5kΩ的可调电位器。 4、计算放大器的电压放大系数 实取ＫP＝20。 如果取放大器输入电阻Ｒ0＝20/kΩ， 则Ｒ１＝ＫPＲ０＝20×20/kΩ＝400/kΩ。 null2.2.3.单闭环直流调速系统的动态分析动态性能指标：null可以将动态性能指标定性为两个方面： ①稳定性（最大超调量σ 和振荡次数N） ②快速性（上升时间 tr、调节时间 ts ）。 控制系统正常运行的必要条件是系统必须是稳定的。null 建立系统动态数学模型的基本步骤如下： （1）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程； （2）求出各环节的传递 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 ； （3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。1. 电力电子器件的传递函数1. 电力电子器件的传递函数 构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是只是在不同场合下，参数Ks和Ts的数值不同而已。 2. 直流电动机的传递函数TL+-MUd0+-E R Lneid图12 他励直流电动机等效电路 2. 直流电动机的传递函数null 如果，忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为 额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 nullnull定义下列时间常数null 代入式（1-46）和（1-47）,并考虑式（1-48）和（1-49），整理后得 微分方程null 在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数 电流与电动势间的传递函数 传递函数abnull 动态结构图 +图13额定励磁下直流电动机动态结构图nulln(s)图14. 整个直流电动机的动态的结构图null 由上图c可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，得下图a。如果是理想空载，则 IdL = 0，结构图即简化成下图b。 null 动态结构图的变换和简化a. IdL≠ 0 null 动态结构图的变换和简化（续）b. IdL= 0 3. 控制与检测环节的传递函数 直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即 放大器测速反馈 3. 控制与检测环节的传递函数null 知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来，就可以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。由图可见，将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。 null4. 闭环调速系统的动态结构图5. 调速系统的开环传递函数5. 调速系统的开环传递函数 由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是 式中 K = Kp Ks / Ce 6. 调速系统的闭环传递函数6. 调速系统的闭环传递函数 设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是 1.5.2 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件1.5.2 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件 已知反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为 它的一般表达式为 null 根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是 显然的各项系数都是大于零的，因此稳定条件就只有 或null整理后得 上式右边称作系统的临界放大系数 Kcr, 当 K ≥ Kcr 时，系统将不稳定。 对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。 null动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾？问题的提出2.2.4限流保护——电流截止负反馈问题的提出：2.2.4限流保护——电流截止负反馈 起动的冲击电流——直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。 闭环调速系统突加给定起动的冲击电流——采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的 1+K 倍。 null 这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。 堵转电流——有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。null 解决办法： 电枢串电阻起动； 引入电流截止负反馈； 加积分给定环节。 这里主要讨论如何采用电流截止负反馈来限制起动电流。1、电流截止负反馈1、电流截止负反馈 考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。 如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。 1、电流截止负反馈环节 1、电流截止负反馈环节 图16 电流截止负反馈环节null2、系统稳态结构图17电流截止负反馈环节的I/O特性 图18带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图3、静特性方程与特性曲线3、静特性方程与特性曲线 由图18可写出该系统两段静特性的方程式。 当 Id ≤ Idcr 时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式相同 当 Id  Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成 null图19 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性 4、静特性两个特点 4、静特性两个特点 （1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。 （2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致，好象把理想空载转速提高到 null 这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，令 n = 0，得 一般 Kp Ks Rs >> R，因此5、 电流截止负反馈环节参数 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 5、 电流截止负反馈环节参数设计Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl =（1.5~2） IN 从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取 Idcr ≥（1.1~1.2）IN问题的提出问题的提出 采用P放大器控制的有静差的调速系统，Kp 越大，系统精度越高；但 Kp 过大，将降低系统稳定性，使系统动态不稳定。 进一步分析静差产生的原因，由于采用比例调节器， 转速调节器的输出为 Uc = Kp Un Uc  0，电动机运行，即Un  0 ； Uc = 0，电动机停止。 2.3 比例积分控制规律和无静差调速系统null 因此，在采用比例调节器控制的自动系统中，输入偏差是维系系统运行的基础，必然要产生静差，因此是有静差系统。 如果要消除系统误差，必须寻找其他控制方法，比如：采用积分（Integration）调节器或比例积分（PI）调节器来代替比例放大器。2.3.1 积分调节器和积分控制规律 2.3.1 积分调节器和积分控制规律 1、 积分调节器 如图，由运算放大器可构成一个积分电路。根据电路分析，其电路方程 图20 积分调节器原理图-null方程两边取积分，得 null图21 积分调节器阶跃输入时的输出特性2、积分调节器的特性3、 转速的积分控制规律3、 转速的积分控制规律 如果采用积分调节器，则控制电压Uc是转速偏差电压Un的积分，则有 如果是Un 阶跃函数，则 Uc 按线性规律增长，每一时刻 Uc 的大小和 Un 与横轴所包围的面积成正比，如下图 a 所示。null图22 积分调节器的输入和输出动态过程 a) 阶跃输入 b) 一般输入输入和输出动态过程null 图a 、b绘出的 Un 是负载变化时的偏差电压波形，按照Un与横轴所包围面积的正比关系，可得相应的Uc 曲线，图中Un 的最大值对应于Uc 的拐点。 若初值不是零，还应加上初始电压Uc0 ，则积分式变成 null 在动态过程中，当 Un 变化时，只要其极性不变，即只要仍是 Un*  Un ，积分调节器的输出 Uc 便一直增长；只有达到 Un* = Un ， Un = 0时，Uc 才停止上升；不到 Un 变负，Uc 不会下降。在这里，值得特别强调的是，当 Un = 0时，Uc并不是零，而是一个终值 Ucf ；如果 Un 不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点。null分析结果： 采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。4、比例与积分控制的比较4、比例与积分控制的比较有静差调速系统 当负载转矩由TL1突增到TL2时，有静差调速系统的转速n、偏差电压 Un 和控制电压 Uc的变化过程示于下图。 突加负载时的动态过程 当负载转矩由 TL1 突增到 TL2 时，有静差调速系统的转速 n 、偏差电压 Un 和控制电压 Uc 的变化过程示于右图。 图23 有静差调速系统突加负载过程 突加负载时的动态过程 无静差调速系统 无静差调速系统 当负载突增时，积分控制的无静差调速系统动态过程曲线示于下图。在稳态运行时，转速偏差电压 Un 必为零。如果 Un 不为零，则 Uc 继续变化，就不是稳态了。在突加负载引起动态速降时产生Un，达到新的稳态时，Un 又恢复为零，但 Uc 已从 Uc1 上升到 Uc2 ，使电枢电压由 Ud1 上升到 Ud2，以克服负载电流增加的压降。 在这里，Uc 的改变并非仅仅依靠 Un 本身，而是依靠 Un 在一段时间内的积累。 null图24 积分控制无静差调速系统 突加负载时的动态过程 虽然现在Un = 0，只要历史上有过 Un ，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压 Uc。积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。 null 将以上的分析归纳起来，可得下述论断： 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。2.3.2 比例积分控制规律 2.3.2 比例积分控制规律 前面的分析从无静差的角度突出地表明了积分控制优于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。 如图所示，在同样的阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变。两种调节器特性比较两种调节器特性比较a) P调节器图25 两种调节器I/O特性曲线null 那么，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，该怎么办呢？只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例积分控制。1. PI调节器1. PI调节器 在模拟电子控制技术中，用运算放大器来实现PI调节器，其线路如图所示。Uex图26 比例积分（PI）调节器 2. PI输入输出关系2. PI输入输出关系按照运算放大器的输入输出关系，可得4. PI调节器输出时间特性4. PI调节器输出时间特性 a) PI调节器输出特性曲线∆Unb) PI调节器输出动态过程 图27PI调节器输出特性曲线 分析结果 分析结果 由此可见，比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。 1. 系统组成1. 系统组成图28 无静差直流调速系统 2.3.3 无静差直流调速系统及其稳态参数计算 2. 工作原理2. 工作原理 图24是一个无静差直流调速系统的实例，采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。当电流超过截止电流时，高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管VT导通，则PI调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的。3. 稳态结构与静特性3. 稳态结构与静特性 当电动机电流低于其截止值时，上述系统的稳态结构图示于下图，其中代表PI调节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用。 图29 无静差直流调速系统稳态结构图（Id < Idcr ） 稳态结构与静特性（续）稳态结构与静特性（续） 无静差系统的理想静特性如右图所示。 当 Id < Idcr 时，系统无静差，静特性是不同转速时的一族水平线。 当 Id > Idcr 时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。整个静特性近似呈矩形。 Idnmax图26 带电流截止的无静差直流调速系统的静特性 必须指出 必须指出 严格地说，“无静差”只是理论上的，实际系统在稳态时，PI调节器积分电容两端电压不变，相当于运算放大器的反馈回路开路，其放大系数等于运算放大器本身的开环放大系数，数值最大，但并不是无穷大。因此其输入端仍存在很小的，而不是零。这就是说，实际上仍有很小的静差，只是在一般精度要求下可以忽略不计而已。4. 稳态参数计算4. 稳态参数计算 无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时 Un = 0，因而 Un = Un* ，可以直接计算转速反馈系数