2直流电动机转速负反馈单闭环调速的静特性(精)
实验一 不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究
南昌大学实验报告学生姓名：学号：专业班级：自动化121班实验类型：■验证□综合□设计□创新实验日期：实验成绩：实验一不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究一．实验目的1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。
2．研究直流调速系统中速度调节器ASR 的工作及其对系统静特性的影响。
3．学习反馈控制系统的调试技术。
二．预习要求1．了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性。
2．弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。
三．实验线路及原理见图6-7。
四．实验设备及仪表1．MCL 系列教学实验台主控制屏。
2．MCL—18 组件（适合MCL—Ⅱ)或MCL—31 组件（适合MCL—Ⅲ）。
3．MCL—33(A)组件或MCL—53 组件。
4．MEL-11 挂箱5．MEL—03 三相可调电阻（或自配滑线变阻器）。
6．电机导轨及测速发电机、直流发电机M01（或电机导轨及测功机、MEL—13 组件）。
7．直流电动机M03。
8．双踪示波器。
五．注意事项1．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。
2．接入ASR 构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR 的RP3 电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR 的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。
3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。
4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。
5．电源开关闭合时，过流保护发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1 即可正常工作。
6．系统开环连接时，不允许突加给定信号U g 起动电机。
7．起动电机时，需把MEL-13 的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。
8．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。
9．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。
2.1转速负反馈有静差调速系统
由测速发电机引出与被调量转速成正比的负反馈电压 与给定电压（与给定转速对应）相比较，得到偏差电压 （为转速偏差信号），经放大器产生触发装置的控制电压， 从而控制电动机的转速。该系统用转速偏差信号进行调速， 产生自动纠正转速偏差的作用，从而减小了转速降落。
系统只有一个转速反馈环，为转速负反馈单闭环 调速系统。
静差率与机械特性硬度的区别
调压调速系统在 不同转速下的机械 特性互相平行 。 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 稳定度越差。
n n0a ∆ nNa
a n0b
∆ nNb b 0 O
TN
Te
举例
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%。
调速系统的静差率指标是以最低速时所能 达到的数值为准。也就是说系统的静差率 指的是最低速时的静差率。
调速范围、静差率和额定速降之间的关系
电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，系 统的静差率应该是最低速时的静差率，即
nN nN s n0 min nmin nN
于是，最低转速为
的。
4. 闭环控制系统的精度依赖于给定和反馈检测精度
如果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。
6-4
触发电路
作用：是向晶闸管门极提供所需的触发信号，并能根据 控制要求使晶闸管可靠导通，实现整流装置的控制。
电力拖动自动控制系统的重点复习,考试必过(优选.)
压Un
也相应下降，而转速给定电压
U
* n
不变，
∆U
n
=
U
* n
−U n
增加。转速调节器 ASR 输出 U c
增加，
使控制角α 减小，晶闸管整流装置输出电压 U d 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可
简述为：
TL ↑→ Id ↑→ Id (RΣ + Rd ) ↑→ n ↓→ U fn ↑→ ∆U ↑→ Uc ↑→
保产品质量。
3）加、减速-频繁起、制动的设备要求尽量快的加、减速以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则
要求起、制动尽量平稳。
6.解 释 反 馈 控 制 规 律 ？
答（1）被调量有静差（2）抵抗扰动与服从给定（3）系统精度依赖于给定和反馈检测精度
7.闭环空载转速 n0cl 比开环空载转速 n0op 小多少?
之比，称作静差率 s ，即 s
=
∆n N n0
或用百分比表示
s=
∆nN n0
× 100%
在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速 N n
则
s
=
∆nN n0
=
∆nN nmin + ∆nN
∴ nmin
=
∆nN s
− ∆nN
=
(1 −
s)∆nN s
D
=
nmax nmin
=
nN s ∆nN (1 −
（2）改变给定电压会改变电动机的转速，因为反馈控制系统完全服从给定作用。 （3）如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比或测速发电机的励磁发生了变化，它不能得到反 馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。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。 （ 2-13） 为 什 么 用 积 分 控 制 的 调 速 系 统 是 无 静 差 的 ？ 在 转 速 单 闭 环 调 速 系 统 中 ， 当 积 分 调 节 器 的 输入偏差电压 ∆U = 0 时，调节器的输出电压是多少？它取决于那些因素？
运动控制期末必考题
运动控制期末必考题⼀、填空题1、直流电动机有三种调速⽅案：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通Φ；（3）改变电枢回路电阻R。
2、当电流⼤到⼀定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截⽌负反馈。
3、额定励磁状态下的直流电动机电枢电流与直流电动机的电磁转矩成正⽐。
4、他励直流电动机的调速⽅法中，调压调速是从基速（额定转速）往下调，在不同转速下容许的输出恒定，所以⼜称为恒转矩调速。
调磁调速是从基速往上调，励磁电流变⼩，也称为弱磁调速，在不同转速时容许输出功率基本相同，称为恒功率调速。
5、直流调速系统的静态性能指标主要包括静差率和调速范围。
6、在⽐例积分调节调节过程中，⽐例部分的作⽤是迅速响应控制，积分部分的作⽤是消除稳态误差。
7、采⽤积分速度调节器的闭环调速系统是⽆静差的。
8、直流调速系统中常⽤的可控直流电源主要有旋转变流机组、静⽌式可控整流器和直流斩波器或脉宽调制变换器三种。
9、所谓稳态是指电动机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态。
10、在额定负载下，⽣产⼯艺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。
11、负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落与理想空载转速之⽐叫做静差率。
12、⼀个调速系统的调速范围，是指在最低转速时还能满⾜所需静差率的转速的可调范围。
13、反馈控制的作⽤是抵抗扰动、服从给定。
14、脉宽调制的⽅法是把恒定的直流电源电压调制成幅值相同、频率⼀定、宽度可变脉冲序列，从⽽可以改变平均输出电压的⼤⼩，以调节转速。
15、调速系统的要求有调速、稳速、加，减速。
16、直流电动机在调速过程中，若额定转速相同，则转速越低时，静差率越⼤。
17、在转速、电流双闭环直流调速系统中转速调节器的输出作为电流调节器的输⼊，再⽤电流调节器的输出去控制电⼒电⼦变换器。
18、双闭环调速系统在正常运⾏时， ACR 调节器是不会达到饱和的。
19、反馈控制系统所能抑制的知识被反馈环包围的前向通道上的扰动。
晶闸管-直流电动机单闭环调速系统
1.直流调速系统的动态指标对于一个调速系统，电动机要不断地处于启动、制动、反转、调速以及突然加减负载的过渡过程，此时，必须研究相关电机运行的动态指标，如稳定性、快速性、动态误差等。
这对于提高产品质量和劳动生产率，保证系统安全运行是很有意义的。
（1）跟随指标：系统对给定信号的动态响应性能，称为“跟随”性能，一般用最大超调量σ，超调时间t和震荡次数N三个指标来衡量，图s2.1是突加给定作用下的动态响应曲线。
最大超调量反映了系统的动态精度，超调量越小，则说明系统的过渡过程进行得平稳。
不同的调速系统对最大超调量的要求也不同。
一般调速系统σ可允许10%~35%；轧钢机中的初轧机要求小于10%，连轧机则要求小于2%~5%，；而在张力控制的卷曲机反映了系统的快速性。
系统（造纸机），则不允许有超调量。
调整时间ts为0.2s~0.5s，造纸机为0.3s。
振荡次数也反映了系统的例如，连轧机ts稳定性。
例如，磨床等普通机床允许震荡3次，龙门刨及轧机则允许振荡1次，而造纸机不允许有振荡。
图2.1突加给定作用下的动态响应曲线（2）抗扰指标：对扰动量作用时的动态响应性能，称为“抗扰”性能。
一般用最大动态速降Δnmax ，恢复时间tf和振荡次数N三个指标来衡量。
用图2.2是突加负载时的动态响应曲线。
最大动态速降反映了系统抗扰动能力和系统的稳定性。
由于最大动态速降及扰动量的大小是有关的，因此必须同时注明扰动量的大小。
恢复时间反映了系统的抗扰动能力和快速性。
振荡次数N同样代表系统的稳定性及抗扰动能力图2.2突加负载时的动态响应曲线2.晶闸管电动机直流调速系统存在的问题图2.3 V-M系统的运行范围晶闸管整流器也有它的缺点。
首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
由半控整流电路构成的V-M 系统只允许单象限运行（图2.3a），全控整流电路可以实现有源逆变，允许电动机工作在反转制动状态，因而能获得二象限运行（图2.3b）。
(完整版)转速负反馈单闭环直流调速系统.
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ks
Ud0 + _ E
1/Ce
n
Un
n
开环机械特性
闭环静特性
B
C
A
A’
D
Ud4 Ud3 Ud2 Ud1
O
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
图2.19 闭环系统静特性和开环机械特性的关系
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。
运动控制系统
第2 章
直流调速系统
2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统
2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性 2.3.2 单闭环调速系统的动态分析 2.3.3 无静差调速系统的积分控制规律 2.3.4 单闭环调速系统的限流保护
2.3.1 单闭环调速系统的组网 功率驱动装置 电动机
3. 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
n Ud0 IdR Ce
单闭环直流调速系统
模块一 单闭环直流调速系统
• 项目一 单闭环直流调速系统的概念 和性能指标
• 项目二 转速负反馈有静差直流调速 系统
• 项目二 转速负反馈有静差直流调速 系统
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项目一 单闭环直流调速系统的 概念和性能指标
• 任务一 直流调速系统的基本概念
• 直流电动机调速系统在电力拖动调速系统中占据很重 要 的 地 位 ， 由 于 直 流 电 动 机 具 有 良好 的 运 行 和 控 制 特 性，并且直流调速系统的理论和实践都很成熟，因此 在 许 多 工 业 领 域 得 到广 泛 的 应 用 ， 如 挖 掘 、 轧 钢 、 造 纸、纺织等诸多领域。
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项目一 单闭环直流调速系统的 概念和性能指标
• ２. 抗 扰 性 能 指 标 • 当控制系统在稳定运行过程中受到电动机负载变化、
电 网 电 压 波 动 等 干 扰 因 素 的 影 响时 ， 会 引 起 输 出 量 的 变 化，经历一段动态过程后，系统总能达到新的稳态。 这 一 恢 复 过 程 就是 系 统 的 抗 扰 过 程 。 一 般 以 系 统 稳 定 运 行 中 突 加 负 载 的 阶 跃 扰 动 后 的 过 渡 过 程 作 为 典 型 的 抗扰 过 程 ， 如 图 １ －４ 所 示 。 • （ １） 动 态 降 落 Δｎ ｍａｘ ％。 系 统 稳 定 运 行 时 ， 突 加 一 个 扰 动 量 后 引 起 的 最 大 转 速 降 落 Δｎ ｍａｘ称 为 动 态 降 落 ， 用 输 出 量 的 原 稳 态 值 ｎ∞１的 百 分 数 来 表 示 。 当 输 出 量 在 动 态 降 落 后 又 恢 复 到新 的 稳 态 值 ｎ∞２时 ， 偏 差 （ ｎ • ∞１－ ｎ∞２） 表 示 系 统 在 该 扰 动 作 用 下 的 稳 态 降 落 ， 一 般 动 态 降 落都 大 于 稳 态 降 落 。
《电力拖动自动控制系统》习题解答(前三章)
《电力拖动自动控制系统》部分习题解答第一章1. 什么叫调速范围、静差率？它们之间有什么关系？怎样才能扩大调速范围？ 答：①调速范围——电动机在额定负载下调速时，允许的最高转速max n 与最低转速minn 之比叫做调速范围，用D 表示，即min max n nD =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所对应的转速降落N n ∆与理想空载转速0n 之比，称作静差率S ，即0N n nS ∆=③直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系为)1(s n s n D N N -∆=④采用闭环控制方式，使转速降落N n ∆能够大幅度下降，才能保证在静差率S 不变的前提下扩大调速范围。
2. 某一调速系统，测得的最高转速特性为n 0max ＝1500 r/min ，带额定负载时的速降N n ∆＝15 r/min ，最低速特性为n 0min ＝100 r/min ，额定速降不变，试问系统能达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？解：已知N n ∆＝15 r/min ，有n max ＝n 0max －N n ∆＝1500 r/min －15 r/min ＝1485 r/min n min ＝n 0min －N n ∆＝100 r/min －15 r/min ＝85 r/min 于是调速范围47.17851585minmax ===n n D静差率%15%10010015%100min0=⨯=⨯∆=n n s N答：系统能达到的调速范围是17.47；允许的静差率是15%。
3. 为什么加负载后直流电动机的转速会降低，它的实质是什么？答：当负载电流增大后，电枢电阻上压降增大，使E 减小，导致转速n 必然下降。
实质是电枢电阻的存在导致压降增大。
4. 某调速系统的调速范围是1500 ~ 150 r/min ，要求静差率为s ＝2% ，那么系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100 r/min ，则闭环系统的开环放大系数应有多大？解：①已知101501500==D ，又)1(s n s n D N N -∆=06.3)02.01(1002.01500)1(N N =-⨯=-=∆s D s n n r/min也可以这样计算n n n n n s NNN ∆+∆=∆=min 0 min r/06.302.0102.01501min N =-⨯=-=∆s s n n ②因为 K1op cl +∆=∆n n所以 68.31106.31001K clop =-=-∆∆=n n答：要求静差率为s ＝2%时，系统允许的静态速降是3.06r/min ；如果开环系统的静态速降是100 r/min ，则闭环系统的开环放大系数应有31.68。
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转速负反馈单闭环直流调速系统的静特性
转速负反馈单闭环调速系统的静特性为一直线，其特性硬度较开环系统机械特性为大。
硬度的大小取决于闭环系统的结构及有关参数的选取。
为了分析方便起见，对系统作如下假定：
(1)忽略系统中各种非线性因素，假定系统为纯线性系统；
(2)假定晶闸管变流器提供的电流是连续的；
(3)忽略电位器的等效内阻。
在以上的假定下 , 转速负反馈系统中各环节的静态(稳态)方程式如下：
电压比较环节 fn gd U U U -=∆
放大器 U K U p c ∆=
晶闸管变流器 c v d U K U =0 晶闸管—电动机系统的开环机械特性φ
C R R I U n n d )(0+-= 测速发电机 n K U fn fn ⋅=
式中 c U ——触发器的移相控制电压
0d U ——晶闸管变流器的空载电压
fn K ——测速发电机的转速反馈系数
消去上式中的中间变量U ∆，c U ，0d U ，fn U ，并经过整理后，即可求得转速负反馈单闭环调速系统的静特性方程为 b b d n gd
v p n n K C I R R K C U K K n ∆-=++-+=0)
1()()1(φφ （1.2） 式中 φ
C K K K K fn v p /=——闭环系统开环放大倍数 由上式可见，闭环系统的静特性方程是斜率为)1()(K C I R R d n ++φ、截距为)
1(K C U K K gd v p +φ的直线方程，当gd U 变化时，截距改变，但斜率恒定。
故改变给定电压gd U 进行调速时，静特性将平行移动。
当断开反馈回路，系统为开环工作状态是，其机械特性方程应为
k k d n gd
v p n n C I R R C U K K n ∆-=+-=0)(φ
φ （1.3） 比较式(1.2)及式(1.3)可看出：
⑴ 在gd U 相同时，开环系统机械特性的理想空载转速0n 为闭环系统静特性的理想空载转速b n 0的(1+K)倍。
这是由于负反馈电压fn U 抵消了大部分给定电压，使加在放大器输入端的电压为fn gd U U U -=∆，这是—个较小的电压，为了保证闭环时电动机工作转速仍能按要求转速基本不变，即使k b n n 00≈，这就需要增大闭环系统给定电压。
然而gd U 是由专门设置的稳压电源提供的，一般都在15V 以下，无法使U 更高。
因此，提高b n 0的任务就落在放大器身上了。
事实上，在gd U 不变的情况下，通过提高P K 值就可以达到提高b n 0的目的。
⑵ 当负载相同时，闭环系统的静态降速b n ∆仅为开环系统静态降速k n ∆的K
+11倍，即闭环系统静特性的硬度大大提高了，这是闭环系统的突出优点。
闭环系统开环放大系数K 越大，b n ∆就越小，则静特性硬度越大。
(注意：K 值的上限受闭环系统稳定性的限制。
为了提高K ，应在系统中引入校正环节)。
⑶ 如果开环系统和闭环系统的电动机的最高转速都是n ，而要求最低静差率相同，那么闭环系统的调速范围可达开环时调速范围的(1+K)倍。
总之，闭环控制可以获得比开环控制硬得多的特性，从而可以保证在限定的静差率要求下，提高调速范围。
值得提出的是：转速负反馈系统不仅能抑制因负载变化对转速带来的影响，而且因闭环系统前向通道中的各种扰动(如：电网电压波动、参数变化…等)对转速的影响均有抑制作用。
这是负反馈闭环系统的基本性能。
共原理在自动控制理论中已有分析，此处不再重复。