自动控制原理与系统第七章
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(优选)自动控制原理第七章非线性系统
1, x 0 signx 1, x 0
0
xa
y k( x asignx) x a
3 滞环特性
滞环特性表现为正向与反向特性不是重叠在一起，而是
在输入--输出曲线上出现闭合环路。其静特性曲线如图7-3
所示。其数学表达式为：
y
b
y
k(
x asignx) bsignx
y0 y0
-a
0a
x
（优选）自动控制原理第七章 非线性系统
7.1 典型非线性特性
在控制系统中，若控制装置或元件其输入输出间的静 特性曲线，不是一条直线，则称为非线性特性。如果这 些非线性特性不能采用线性化的方法来处理，称这类非 线性为本质非线性。为简化对问题的分析，通常将这些 本质非线性特性用简单的折线来代替，称为典型非线性 特性。 7.1.1 典型非线性特性的种类
描述函数法是非线性系统的一种近似分析方法。首先利用描 述函数将非线性元件线性化，然后利用线性系统的频率法对系统 进行分析。它是线性理论中的频率法在非线性系统中的推广，不 受系统阶次的限制。
分析内容主要是非线性系统的稳定性和自振荡稳态，一 般不给出时域响应的确切信息。 7.2.1 描述函数的定义
1.描述函数的应用条件
2．死区特性
死区又称不灵敏区，在死区内虽有输入信号，但其输
出为零，其静持性关系如图7-2所示。
y
其数学表达式为
k -a
0a
x
0,| x | a
y
k(x
a),
x
a
k( x a), x a
若引入符号函数
图7-2 死区特性
死区小时，可忽略；大 时，需考虑。工程中，为抗 干扰，有时故意引入。比如 操舵系统。
自动控制原理第7章线性离散控制系统
差分方程描述了系统在离散时间点的 行为，通过求解差分方程，可以预测 系统未来的输出。
状态方程
状态方程是描述线性离散控制系统动态行为的数学模型，其形 式为 X(k+1) = A*X(k) + B*U(k)，其中X(k)表示在时刻k的系统 状态向量，U(k)表示在时刻k的控制输入向量，A和B是系统矩 阵。
自动控制原理第7章 线性离散控制系统
目录
CONTENTS
• 引言 • 线性离散控制系统的数学模型 • 线性离散控制系统的稳定性分析 • 线性离散控制系统的性能分析 • 线性离散控制系统的设计方法 • 线性离散控制系统的应用案例
01
引言
线性离散控制系统的定义与特点
定义
线性离散控制系统是指系统的动态行为由差分方程或离散状态方程描述的一类控制系统。
适性。
常见的智能家居控制系统包括智 能照明、智能安防、智能环境监
测等。
案例三：工业自动化控制系统设计
工业自动化控制系统是线性离散 控制系统的另一个重要应用领域， 主要用于实现生产过程的自动化
和智能化。
工业自动化控制系统通常采用分 布式控制结构，通过各种传感器、 执行器和主控制器实现对生产设
备的监测和控制。
离散控制系统的稳定性判据
劳斯-赫尔维茨稳定性判据
通过计算离散控制系统的传递函数的极点和零点，判断系统的稳定性。如果所有极点都位于复平面的左半部分，则系 统稳定；否则系统不稳定。
奈奎斯特稳定性判据
通过分析离散控制系统的频率响应，判断系统的稳定性。如果频率响应的相位曲线在-π~π范围内，则系统稳定；否则系 统不稳定。
系统实现
将设计好的控制器应用于实际系统中，并进 行实验验证。
离散控制系统设计的常用方法
状态方程
状态方程是描述线性离散控制系统动态行为的数学模型，其形 式为 X(k+1) = A*X(k) + B*U(k)，其中X(k)表示在时刻k的系统 状态向量，U(k)表示在时刻k的控制输入向量，A和B是系统矩 阵。
自动控制原理第7章 线性离散控制系统
目录
CONTENTS
• 引言 • 线性离散控制系统的数学模型 • 线性离散控制系统的稳定性分析 • 线性离散控制系统的性能分析 • 线性离散控制系统的设计方法 • 线性离散控制系统的应用案例
01
引言
线性离散控制系统的定义与特点
定义
线性离散控制系统是指系统的动态行为由差分方程或离散状态方程描述的一类控制系统。
适性。
常见的智能家居控制系统包括智 能照明、智能安防、智能环境监
测等。
案例三：工业自动化控制系统设计
工业自动化控制系统是线性离散 控制系统的另一个重要应用领域， 主要用于实现生产过程的自动化
和智能化。
工业自动化控制系统通常采用分 布式控制结构，通过各种传感器、 执行器和主控制器实现对生产设
备的监测和控制。
离散控制系统的稳定性判据
劳斯-赫尔维茨稳定性判据
通过计算离散控制系统的传递函数的极点和零点，判断系统的稳定性。如果所有极点都位于复平面的左半部分，则系 统稳定；否则系统不稳定。
奈奎斯特稳定性判据
通过分析离散控制系统的频率响应，判断系统的稳定性。如果频率响应的相位曲线在-π~π范围内，则系统稳定；否则系 统不稳定。
系统实现
将设计好的控制器应用于实际系统中，并进 行实验验证。
离散控制系统设计的常用方法
自动控制原理第七章
作用后，运动仍然保持原来的频率和振幅，即这种周期运动 具有稳定性，这种现象称为自持振荡，这是非线性系统独有 的现象。
2013-12-13
<<自动控制原理>>第七章
9
4、非线性系统不适用叠加原理
在线性系统中，若干个信号作用于系统上，我们可以分 别求单独信号作用的响应，然后再叠加就可以求出总的响应。
这给分析综合线性系统带来了很大方便。通常在典型输入函
<<自动控制原理>>第七章
22
2013-12-13
<<自动控制原理>>第七章
23Leabharlann 二、相平面图的分析 1．线性系统奇点的类型 假设奇点在相平面的原点上， f ( x, x) 是解析函数，可用泰勒 级数将其在原点附近展开：
f ( x, x) f ( x, x) f ( x, x) f ( x, x) x 0 x 0 x x 0 x g ( x, x ) x x x 0 x 0 x 0 其中，g ( x, x) 是包含 x, x 二次以上的项，在原点附近，x, x 都很小，g ( x, x) 可以忽略。注意到在奇点处有
即
dx d ( x) dx dx
表示在 ( x, x) 点和 ( x, x) 点相轨迹曲线的斜率大小相等，符 号相反，故关于 x 轴对称。
2013-12-13 <<自动控制原理>>第七章 14
若 f ( x, x)是 x 的奇函数，即 f ( x, x) f ( x, x)
2013-12-13
<<自动控制原理>>第七章
17
c.系统的状态沿相轨迹曲线转移的方向
2013-12-13
<<自动控制原理>>第七章
9
4、非线性系统不适用叠加原理
在线性系统中，若干个信号作用于系统上，我们可以分 别求单独信号作用的响应，然后再叠加就可以求出总的响应。
这给分析综合线性系统带来了很大方便。通常在典型输入函
<<自动控制原理>>第七章
22
2013-12-13
<<自动控制原理>>第七章
23Leabharlann 二、相平面图的分析 1．线性系统奇点的类型 假设奇点在相平面的原点上， f ( x, x) 是解析函数，可用泰勒 级数将其在原点附近展开：
f ( x, x) f ( x, x) f ( x, x) f ( x, x) x 0 x 0 x x 0 x g ( x, x ) x x x 0 x 0 x 0 其中，g ( x, x) 是包含 x, x 二次以上的项，在原点附近，x, x 都很小，g ( x, x) 可以忽略。注意到在奇点处有
即
dx d ( x) dx dx
表示在 ( x, x) 点和 ( x, x) 点相轨迹曲线的斜率大小相等，符 号相反，故关于 x 轴对称。
2013-12-13 <<自动控制原理>>第七章 14
若 f ( x, x)是 x 的奇函数，即 f ( x, x) f ( x, x)
2013-12-13
<<自动控制原理>>第七章
17
c.系统的状态沿相轨迹曲线转移的方向
自动控制原理第七章采样控制系统
第三节 信号复现与零阶保持器
一. 信号保持 把离散信号转换为连续信号，称为信号保持，该装置称
保持器。 保持器：用离散时刻信号复现连续时刻信号。
二. 零阶保持器
1. 作用：把采样信号e*(t) 每一个采样瞬时值e(kT)一直保持到下一个采 样瞬间e[(k+1)T], 从而使采样信号 e*(t)变成 阶梯信号eh(t)。
一阶保持器比零阶保持器信号恢复更
0 T 2T 3T 4T 5T 6T t
精确, 但相位滞后增加, 对稳定性不利.
图7-11 一阶保持器输出特性
第四节 Z变换理论
同拉氏变换一样, 是一种数学变换. 离散信号e*(t)的 拉氏变换为:
E*(s) e(nT )enTs n0
各项均含有 esT 因子，为S的超越函数。为便于应用，对 离散系统的分析一般采用Z变换.
G 0 ( s ) 1 s [ 1 e s] T 1 s 1 e 1 s T 1 s 1 1 s 1 T 1 T sT
零阶保持器的频率特性
信号e(t)在t = nT 及t = (n+1)T 之间的数值可以用一个级数来描述
单位脉冲响应
G h(s)L [gh(t) ]S 1S 1e TS 1 Se TS
G 0(j
)1ejT2sin T/(2 )ejT2 j
幅频特性： G 0(j)Tsi( n/ / ( s)s)2 s si( n/ / ( s)s)
上式是 eTs 的有理函数. 但 eTs是含变量S的超越函数，不便进行分析和运算， 因此常用Z变换代替拉氏变换。
三. 采样定理
从理论上指明了从采样信号中不失真的复现原连续信号 所必需的理论上的最小采样周期T.
自动控制原理第七章非线性控制系统的分析
X X
这里，M=3，h=1
负倒描述函数为
N 1 X
X
12 1 1 2
X
X 1
X 1, N 1 X , N 1
必有极值
d N 1X 令
0 dX
得 X 2
N 1 2
2
0.523
12
1
1 2
2
6
X： 1 2
-N-1(X)： 0.523
2.自振的稳定性分析
在A点，振幅XA，频率A。
扰动：
X : A点 C点 C点被G(j)轨迹包围，不稳定，
振幅 ，工作点由C点向B点运动；
A点一个不稳 定的极限环。
X : A点 D点 D点不被G(j)轨迹包围，稳定，
振幅 ，工作点由D点左移。
在B点，振幅XB，频率B 。 扰动：
X : B点 E点 E点不被G(j) 轨迹包围，稳定，
振幅 ，工作点由E点到B点；
X : B点 F点 F点被G(j)轨迹包围，不稳定，
振幅 ，工作点由F回到B点。
B点呈现稳定的自激振荡:振幅XB ,频率B。
3.闭环系统稳定性判别步骤
1）绘制非线性部分的负倒描述函数曲线和线 性部分的频率特性曲线。
2）若G(j)曲线不包围“-N-1(X)”曲线，则系统稳定。 若G(j)曲线包围“-N-1(X) ”曲线，系统不稳定。 若G(j)曲线与“-N-1(X)”曲线相交，系统出现自振。
3）若G(j )曲线与“-N-1(X)”曲线有交点，做以 下性能分析：
（1）不稳定的极限环
（2）稳定的极限环 计算自振频率和幅值。
例1：非线性系统如图所示,其中非线性特性为 具有死区的继电器,分析系统的稳定性。
0e
这里，M=3，h=1
负倒描述函数为
N 1 X
X
12 1 1 2
X
X 1
X 1, N 1 X , N 1
必有极值
d N 1X 令
0 dX
得 X 2
N 1 2
2
0.523
12
1
1 2
2
6
X： 1 2
-N-1(X)： 0.523
2.自振的稳定性分析
在A点，振幅XA，频率A。
扰动：
X : A点 C点 C点被G(j)轨迹包围，不稳定，
振幅 ，工作点由C点向B点运动；
A点一个不稳 定的极限环。
X : A点 D点 D点不被G(j)轨迹包围，稳定，
振幅 ，工作点由D点左移。
在B点，振幅XB，频率B 。 扰动：
X : B点 E点 E点不被G(j) 轨迹包围，稳定，
振幅 ，工作点由E点到B点；
X : B点 F点 F点被G(j)轨迹包围，不稳定，
振幅 ，工作点由F回到B点。
B点呈现稳定的自激振荡:振幅XB ,频率B。
3.闭环系统稳定性判别步骤
1）绘制非线性部分的负倒描述函数曲线和线 性部分的频率特性曲线。
2）若G(j)曲线不包围“-N-1(X)”曲线，则系统稳定。 若G(j)曲线包围“-N-1(X) ”曲线，系统不稳定。 若G(j)曲线与“-N-1(X)”曲线相交，系统出现自振。
3）若G(j )曲线与“-N-1(X)”曲线有交点，做以 下性能分析：
（1）不稳定的极限环
（2）稳定的极限环 计算自振频率和幅值。
例1：非线性系统如图所示,其中非线性特性为 具有死区的继电器,分析系统的稳定性。
0e
自动控制原理第7章离散控制系统
差分方程描述了系统在离散时间点的行为，通过求解差分方程可 以预测系统未来的输出。
Z变换
01
Z变换是分析离散时间信号和系统 的有力工具，它将离散时间信号 或系统转化为复平面上的函数或 传递函数。
02
Z变换的基本思想是通过将离散时 间信号或系统进行无限次加权和 ，将其转化为一个复数域上的函 数或传递函数。
离散状态方程
离散状态方程是描述离散控制系统动 态行为的数学模型，它的一般形式为 $mathbf{dot{x}}(k) = Amathbf{x}(k) + Bu(k)$，其中 $mathbf{x}(k)$表示在时刻$k$的系 统状态向量，$u(k)$表示在时刻$k$ 的输入向量，$A$和$B$是系统的系 数矩阵。
稳态误差主要来源于系统本身的结构 和参数，以及外部干扰和测量噪声。
离散控制系统的动态响应分析
动态响应定义
动态响应是指系统在输入信号作 用下，系统输出信号随时间变化 的特性。
动态响应的描述方
式
动态响应可以通过系统的传递函 数、频率特性、根轨迹图等方式 进行描述。
优化动态响应的方
法
通过调整系统参数、改变系统结 构、引入反馈控制等方法，可以 优化系统的动态响应。
离散控制系统的仿真工具与实例
仿真工具介绍
离散控制系统的仿真工具用于模拟和测试系统的性能和稳定性。常见的仿真工具包括MATLAB/Simulink、 LabVIEW等。这些工具提供了丰富的数学函数库和图形化界面，方便用户进行系统建模和仿真。
仿真实例分析
通过具体的仿真实例，可以深入了解离散控制系统的性能和特点。例如，可以设计一个温度控制系统，通过调整 系统参数和控制算法，观察系统在不同工况下的响应特性和稳定性。通过对比不同方案，可以评估各种参数和控 制策略对系统性能的影响，为实际应用提供参考和依据。
Z变换
01
Z变换是分析离散时间信号和系统 的有力工具，它将离散时间信号 或系统转化为复平面上的函数或 传递函数。
02
Z变换的基本思想是通过将离散时 间信号或系统进行无限次加权和 ，将其转化为一个复数域上的函 数或传递函数。
离散状态方程
离散状态方程是描述离散控制系统动 态行为的数学模型，它的一般形式为 $mathbf{dot{x}}(k) = Amathbf{x}(k) + Bu(k)$，其中 $mathbf{x}(k)$表示在时刻$k$的系 统状态向量，$u(k)$表示在时刻$k$ 的输入向量，$A$和$B$是系统的系 数矩阵。
稳态误差主要来源于系统本身的结构 和参数，以及外部干扰和测量噪声。
离散控制系统的动态响应分析
动态响应定义
动态响应是指系统在输入信号作 用下，系统输出信号随时间变化 的特性。
动态响应的描述方
式
动态响应可以通过系统的传递函 数、频率特性、根轨迹图等方式 进行描述。
优化动态响应的方
法
通过调整系统参数、改变系统结 构、引入反馈控制等方法，可以 优化系统的动态响应。
离散控制系统的仿真工具与实例
仿真工具介绍
离散控制系统的仿真工具用于模拟和测试系统的性能和稳定性。常见的仿真工具包括MATLAB/Simulink、 LabVIEW等。这些工具提供了丰富的数学函数库和图形化界面，方便用户进行系统建模和仿真。
仿真实例分析
通过具体的仿真实例，可以深入了解离散控制系统的性能和特点。例如，可以设计一个温度控制系统，通过调整 系统参数和控制算法，观察系统在不同工况下的响应特性和稳定性。通过对比不同方案，可以评估各种参数和控 制策略对系统性能的影响，为实际应用提供参考和依据。
自动控制原理第7章离散系统题库习题
⾃动控制原理第7章离散系统题库习题7-1已知下列时间函数()c t ，设采样周期为T 秒，求它们的z 变换()C z 。
（a ）2()1()c t t t = （b ）()()1()c t t T t =- （c ）()()1()c t t T t T =-- （d ）()1()atc t t te -=（e ）()1()sin atc t t et ω-= （f ）()1()cos atc t t te t ω-=7-2已知()x t 的拉⽒变换为下列函数，设采样周期为T 秒，求它们的z 变换()X z 。
（a ）21()C s s = （b ）()()aC s s s a =+（c ）2()()aC s s s a =+（d ）1()()()()C s s a s b s c =+++（e ）2221()()C s s s a =+（f ）()1()1sT C s e s-=-7-3求下列函数的z 反变换。
（a ）0.5(1)(0.4)zz z --（b ）2()()T T zz e z e ----（c ）22(1)(2)z z z ++7-4已知0k <时，()0c k =，()C z 为如下所⽰的有理分式120121212()1nn nn b b z b z b z C z a z a z a z------++++=++++L L 则有0(0)c b =以及[]1()()nk i i c kT b a c k i T ==--∑式中k n >时，0k b =。
（a ）试证明上⾯的结果。
（b ）设23220.5()0.5 1.5z z C z z z z +-=-+-应⽤（a ）的结论求(0)c 、()c T 、(2)c T 、(3)c T 、(4)c T 、(5)c T 。
7-5试⽤部分分式法、幂级数法和反演积分法，求下列函数的z 反变换：（a ）10()(1)(2) zE z z z =--（b ）1123()12z E z z z ----+=-+（c ）2()(1)(31)zE z z z =++（d ）2()(1)(0.5)zE z z z =-+7-6⽤z 变换法求下⾯的差分⽅程(2)3(1)2()0,(0)0,(1)1x k x k x k x x ++++===并与⽤迭代法得到的结果(0)x 、(1)x 、(2)x 、(3)x 、(4)x 相⽐较。
自动控制原理与系统第7章直流调速系统
若略去平波电抗器Ld的电压降落ULd，则电枢电压Ua可近似等于
Ud(Ud=Ua+ULd)。当电枢电压Ua增加时，转速n将增加。因此，调节 给定电压Us，即可调节转速n的数值。
图 7-2 具有转速反馈的直流调速系统组成框图
• 当负载转矩TL发生变化时（今设TL增加），则 电动机的转速将下降（n ），则反馈环节的反
•Tn------速度调节器时间常数 T=RnCn ；
•Ke--------电动机电动势恒量 •Φ--------电动机工作磁通量(磁极磁通
•Ki------电流调节增益.Ki=Ri/R0 量） ；
•Ti-------电流调节器时间常数 Ti=RiCi ；
•JG--------电动机及机械负载折合到电 动机转轴上的机械转速惯量；
系统的动态性能分析
• 适当降低增益（即调低比例系数Kk），将使系 统的稳定性改善（ 、 N ），但稳态误差
（ ess ）将有所增大。
实例分析
分析晶闸管调速系统线路的一般顺序是: 主电路→触发电路→控制电路→辅助电路
(包括保护、指示、报警等）
7.2 转速和电流双闭环直流调速系统
系统的组成：
假设 n Usn / ，其自动调节过程如下：
直至
n Usn
，Un 0
调节过程才结束
图 7-8 速度环的自动调节过程
图 7-9 转速、 电流双闭环直流调速系统框图
框图中的系统结构参数有共13个
•Kn-----速度调节增益。Kn=Rn/R0 ；•KT-------电动机电磁转矩恒量；
馈电压将减小（ U fn ），于是偏差电压 将增U 大Us(Ufn )，经电压U放 大和功率放大后，整
流输出电压Ud也将增大，而
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• 正组VF处于整流状态，即αF<90°，让反组VR处于逆变状 态αR>90°，则整流装置输出电压的极性如图b)所示。
• 这时如果UdF >UdR,两组晶闸管装置之间存在直流电压差 ΔU=UdF -UdR，由于回路直流电阻很小，也将在两组晶闸 管装置之间引起很大的环流。这种由两组晶闸管装置之间 直流电压差引起的环流，称为直流环流。
100%
磁场可逆线路
• 磁场可逆线路中，磁场回路容量较小(一般为电动机额 定容量的1%～5%)，采用正反两组晶闸管装置进行切换， 投资减小。
• 但电动机的磁场回路电感较大，磁场的反向过程要慢得 多。另外，在磁场反向过程中，当磁通ф变化时，应使电 枢电压Ud为零，以防止电动机在反向过程中，因磁通减弱 而出现弱磁升速，甚至“飞车”的现象。
• 电枢可逆线路与磁场可逆线路比较，各有其优缺点。
• 电枢可逆线路中，由于电枢回路容量大，若采用正反两组 晶闸管装置，所用晶闸管功率大，数量多，投资较大。但 电枢回路电感小，切换速度快，适用于中小容量的，要求 过渡过程时间短，且起制动频繁的生产机械，如轧钢机、 龙门刨床等。
p%
Cmax C()
• 正向制动 如果电动机由正转电动状态进行制动，可让正组VF处
于阻断状态，而让反组VR处于逆变状态(αR>90°)，且使 逆变电压UdR小于电动机的反电势E，电流Id按E的方向流 动，把制动过程的机械能回馈电网，如上图b)所示。
可逆系统的Leabharlann 种工作状态• 反向运行 电动机的反向运行与正向运行类似，只是两组晶闸管
运行，可以采用接触器来切换电动机电枢电流的方向 。
• 结构简单，造价低。 • 缺点：接触器切换速度低，
约为0.1～0.2s。正反转换向 时有一段死区。接触器噪声 大，电流大时产生火花，触 点寿命短。
• 只适用于不经常切换的小容 量生产机械。
晶闸管作为开关的电枢可逆线路
• VTHF一对晶闸管导通时，电动机正转； VTHR一对晶闸管导通时，电动机反转。
它只适用于不要求经常改变电动机旋转方向和快速停 车制动的生产机械。
可逆调速系统不仅能够实现电动机的正反向运行，在 制动时除了缩短制动时间以外，还能将拖动系统的机械能 转换成电能回馈电网，节约能量。
第一节 实现可逆运行的电路
• 由电动机的电磁转矩Td=KTΦId可知，改变电动机电磁转矩 的方向有两种方法：
一个交流电源；图b)为交叉连接线路,正反两组晶闸管 装置的交流电源是相互独立的，它们分别来自两台整 流变压器或是同一台整流变压器的两组不同的二次侧。
磁场可逆线路
• 在磁场可逆线路中，电动机的电枢回路用一组晶闸管装置 供电，而磁场绕组采用另一组晶闸管装置供电，利用接触 器或晶闸管作为开关进行磁场电流的切换，也可在磁场绕 组中采用正反两组晶闸装置供电，分别提供正反向的磁场 电流，从而达到改变电动机转向的目的。
• 即使是不可逆运行，为了实现回馈制动，也需采用可逆电 路。
• 可逆系统有四种工作状态。
可逆系统的四种工作状态
可逆系统的四种工作状态
• 正向运行 正组VF处于整流状态（αF<90°），反组VR处于阻断
状态，整流电压UdF大于电动机的反电势E，电流Id按UdF的 方向流动，电能转换成机械能，电动机工作在正转电动状 态，如上图a)所示。
第七章 可逆直流调速系统
主要内容
• 第一节 实现可逆运行的电路 • 第二节 可逆系统中的环流 • 第三节 可控环流可逆调速系统的工作原理 • 第四节 逻辑无环流可逆调速系统 • 本章小结
第七章 可逆直流调速系统
晶闸管装置供电的直流电动机调速系统，受晶闸管单 向导电性的限制，电枢电流不能改变方向，电动机的电磁 转矩不能改变方向，所以电动机的旋转只有一个方向，即 是不可逆的直流调速系统。
第二节 可逆系统中的环流
1. 直流环流 如下图a)所示，如果正组VF和反组VR均处于整流状态，
即αF<90°，αR<90°，这样输出电压UdF与UdR形成顺极性 串联，这将在两组晶闸管装置中产生很大的短路电流，足 以烧坏晶闸管元件。 • 两组晶闸管装置组成的可逆系统，不能同时处于整流状态。
可逆系统中的环流
装置的工作状态互相交换，正组VF处于阻断状态，反组 VR处于整流状态，如上图c)所示。
• 反向制动 如果电动机由反转电动状态进行制动，则让反组VR
阻断，让正组VF处于逆变状态，制动过程的机械能通过 正组VF回馈电网，如上图d)所示。
• 环流 环流不经过负载，而在两组晶闸管装置中流过。采用
两组晶闸管装置供电的可逆系统，存在环流问题。对环流 可以采取不同的控制方法，构成各种可逆调速系统。
• 线路简单，切换速度 快，调节维护方便， 工作可靠性高，多用 于中小容量的可逆系 统中。
• 缺点：作为开关的四 只晶闸管，对其耐压 和过流有较高的要求。
两组晶闸管装置组成的电枢可逆线路
• 采用正反两组晶闸管装置构成可逆线路。 • 正转时 正组晶闸管装置VF提供正向电枢电流。 • 反转时 反组晶闸管装置VR提供反向电枢电流。 • 图a)为反并联连接线路，正反两组晶闸管装置采用同
• 当α>90°时，晶闸管装置处于逆变状态，输出电压为负， 因受晶闸管单向导电性的限制，电流不能反向，在电动机 制动时，不能把能量回馈电网。
采用两组晶闸管装置供电的可逆系统，正组VF处在整流状态 时，电动机工作在正转电动状态，在电动机正向制动时， 可反电让势反E组时V，R处则于可逆通变过状VR态将，电当动其机逆旋变转电的压机U械d 能小回于馈电电动网机， 这种制动方式称为回馈制动。
• 这样不仅增加了反向过程的死区，也增加了控制系统逻 辑关系的复杂性。因此，磁场可逆线路只适用于正反转不 太频繁，大容量的生产机械。例如卷扬机、电力机车等。
可逆系统的四种工作状态
由一组晶闸管装置供电的直流电动机系统，控制角α<90°时， 晶闸管装置处于整流状态，输出电压为正，电动机正常运 行，把电能转换成机械能；
• 一是改变电动机电枢电流Id的方向，亦即改变电动机电枢 电压Ud的极性；
• 二是改变电动机励磁磁通ф的方向，亦即改变电动机磁场 电流的方向，也就是改变励磁电压的极性。
• 实现直流电动机的可逆运行的电路，相应有两种方式，一 种是电枢可逆线路，另一种是磁场可逆线路。
电枢可逆线路
接触器切换的电枢可逆线路 由一组晶闸管装置供电的直流电动机系统，要实现可逆
• 这时如果UdF >UdR,两组晶闸管装置之间存在直流电压差 ΔU=UdF -UdR，由于回路直流电阻很小，也将在两组晶闸 管装置之间引起很大的环流。这种由两组晶闸管装置之间 直流电压差引起的环流，称为直流环流。
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磁场可逆线路
• 磁场可逆线路中，磁场回路容量较小(一般为电动机额 定容量的1%～5%)，采用正反两组晶闸管装置进行切换， 投资减小。
• 但电动机的磁场回路电感较大，磁场的反向过程要慢得 多。另外，在磁场反向过程中，当磁通ф变化时，应使电 枢电压Ud为零，以防止电动机在反向过程中，因磁通减弱 而出现弱磁升速，甚至“飞车”的现象。
• 电枢可逆线路与磁场可逆线路比较，各有其优缺点。
• 电枢可逆线路中，由于电枢回路容量大，若采用正反两组 晶闸管装置，所用晶闸管功率大，数量多，投资较大。但 电枢回路电感小，切换速度快，适用于中小容量的，要求 过渡过程时间短，且起制动频繁的生产机械，如轧钢机、 龙门刨床等。
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• 正向制动 如果电动机由正转电动状态进行制动，可让正组VF处
于阻断状态，而让反组VR处于逆变状态(αR>90°)，且使 逆变电压UdR小于电动机的反电势E，电流Id按E的方向流 动，把制动过程的机械能回馈电网，如上图b)所示。
可逆系统的Leabharlann 种工作状态• 反向运行 电动机的反向运行与正向运行类似，只是两组晶闸管
运行，可以采用接触器来切换电动机电枢电流的方向 。
• 结构简单，造价低。 • 缺点：接触器切换速度低，
约为0.1～0.2s。正反转换向 时有一段死区。接触器噪声 大，电流大时产生火花，触 点寿命短。
• 只适用于不经常切换的小容 量生产机械。
晶闸管作为开关的电枢可逆线路
• VTHF一对晶闸管导通时，电动机正转； VTHR一对晶闸管导通时，电动机反转。
它只适用于不要求经常改变电动机旋转方向和快速停 车制动的生产机械。
可逆调速系统不仅能够实现电动机的正反向运行，在 制动时除了缩短制动时间以外，还能将拖动系统的机械能 转换成电能回馈电网，节约能量。
第一节 实现可逆运行的电路
• 由电动机的电磁转矩Td=KTΦId可知，改变电动机电磁转矩 的方向有两种方法：
一个交流电源；图b)为交叉连接线路,正反两组晶闸管 装置的交流电源是相互独立的，它们分别来自两台整 流变压器或是同一台整流变压器的两组不同的二次侧。
磁场可逆线路
• 在磁场可逆线路中，电动机的电枢回路用一组晶闸管装置 供电，而磁场绕组采用另一组晶闸管装置供电，利用接触 器或晶闸管作为开关进行磁场电流的切换，也可在磁场绕 组中采用正反两组晶闸装置供电，分别提供正反向的磁场 电流，从而达到改变电动机转向的目的。
• 即使是不可逆运行，为了实现回馈制动，也需采用可逆电 路。
• 可逆系统有四种工作状态。
可逆系统的四种工作状态
可逆系统的四种工作状态
• 正向运行 正组VF处于整流状态（αF<90°），反组VR处于阻断
状态，整流电压UdF大于电动机的反电势E，电流Id按UdF的 方向流动，电能转换成机械能，电动机工作在正转电动状 态，如上图a)所示。
第七章 可逆直流调速系统
主要内容
• 第一节 实现可逆运行的电路 • 第二节 可逆系统中的环流 • 第三节 可控环流可逆调速系统的工作原理 • 第四节 逻辑无环流可逆调速系统 • 本章小结
第七章 可逆直流调速系统
晶闸管装置供电的直流电动机调速系统，受晶闸管单 向导电性的限制，电枢电流不能改变方向，电动机的电磁 转矩不能改变方向，所以电动机的旋转只有一个方向，即 是不可逆的直流调速系统。
第二节 可逆系统中的环流
1. 直流环流 如下图a)所示，如果正组VF和反组VR均处于整流状态，
即αF<90°，αR<90°，这样输出电压UdF与UdR形成顺极性 串联，这将在两组晶闸管装置中产生很大的短路电流，足 以烧坏晶闸管元件。 • 两组晶闸管装置组成的可逆系统，不能同时处于整流状态。
可逆系统中的环流
装置的工作状态互相交换，正组VF处于阻断状态，反组 VR处于整流状态，如上图c)所示。
• 反向制动 如果电动机由反转电动状态进行制动，则让反组VR
阻断，让正组VF处于逆变状态，制动过程的机械能通过 正组VF回馈电网，如上图d)所示。
• 环流 环流不经过负载，而在两组晶闸管装置中流过。采用
两组晶闸管装置供电的可逆系统，存在环流问题。对环流 可以采取不同的控制方法，构成各种可逆调速系统。
• 线路简单，切换速度 快，调节维护方便， 工作可靠性高，多用 于中小容量的可逆系 统中。
• 缺点：作为开关的四 只晶闸管，对其耐压 和过流有较高的要求。
两组晶闸管装置组成的电枢可逆线路
• 采用正反两组晶闸管装置构成可逆线路。 • 正转时 正组晶闸管装置VF提供正向电枢电流。 • 反转时 反组晶闸管装置VR提供反向电枢电流。 • 图a)为反并联连接线路，正反两组晶闸管装置采用同
• 当α>90°时，晶闸管装置处于逆变状态，输出电压为负， 因受晶闸管单向导电性的限制，电流不能反向，在电动机 制动时，不能把能量回馈电网。
采用两组晶闸管装置供电的可逆系统，正组VF处在整流状态 时，电动机工作在正转电动状态，在电动机正向制动时， 可反电让势反E组时V，R处则于可逆通变过状VR态将，电当动其机逆旋变转电的压机U械d 能小回于馈电电动网机， 这种制动方式称为回馈制动。
• 这样不仅增加了反向过程的死区，也增加了控制系统逻 辑关系的复杂性。因此，磁场可逆线路只适用于正反转不 太频繁，大容量的生产机械。例如卷扬机、电力机车等。
可逆系统的四种工作状态
由一组晶闸管装置供电的直流电动机系统，控制角α<90°时， 晶闸管装置处于整流状态，输出电压为正，电动机正常运 行，把电能转换成机械能；
• 一是改变电动机电枢电流Id的方向，亦即改变电动机电枢 电压Ud的极性；
• 二是改变电动机励磁磁通ф的方向，亦即改变电动机磁场 电流的方向，也就是改变励磁电压的极性。
• 实现直流电动机的可逆运行的电路，相应有两种方式，一 种是电枢可逆线路，另一种是磁场可逆线路。
电枢可逆线路
接触器切换的电枢可逆线路 由一组晶闸管装置供电的直流电动机系统，要实现可逆