第二章 直流开环调速系统
直流调速系统
（2-49）
2020/9/29
35
（3）如果所要求的静差率一定，则 闭环系统可以大大提高调速范围
• 如 率果都电是s动，机可的得最高转速都是nN，最低速静差
开环时，
Dop
nN s nop (1 s)
闭环时，
Dcl
nN s ncl (1
s)
• 得到
Dcl (1 K )Dop （2-50）
2020/9/29
• 比例与积分控制的比较
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。
• 比例积分控制规律
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
2020/9/29作用，积分部分则最终消除稳态偏差。
2020/9/29
40
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） 。
在图2-25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。
• 这样的控制系统叫做有静差控制系统。
2020/9/29
39
（2）反馈控制系统的作用是：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，
• 对于给定作用的变化唯命是从。
• 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”。
开环直流调速系统
电气测量综合控制系统设计报告设计名称：直流电动机开环调速系统仿真姓名：田雪峰学号：20214680专业班级：自动化13-02指导教师：侯淑萍、勇系〔院〕：信息工程学院设计时间：2021.05.22~2021.06.03课程设计成绩评定表〔在相应栏目打√〕评价质量评价项目优秀良好一般及格不及格工作量和态度实验、计算可靠性目录1 绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1.1技术数据．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1.2设计任务．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 开环系统直流调速系统的工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2.1开环直流调速系统的组成与原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2.2开环直流调速系统的静特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2.3开环直流调速系统的稳态构造图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2.4开环直流调速系统的数学模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 开环系统直流调速系统的硬件电路设计与实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.1晶闸管整流电路及保护电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.2触发控制电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.3系统给定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.4检测电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 转速、电流调节器的设计与实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4.1电流调节器的设计与实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4.2转速调节器的设计与实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 开环直流调速系统仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 设计心得体会．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．附录：开环直流调速系整体电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 绪论1.1技术数据1.1.1开环控制的作用开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程,按这种式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，不具备自动修正的能力。
第2章 直流可逆调速系统和弱磁控制 《电机运动控制系统》课件
升降机可逆调速原理图
二 负载转矩随转向改变时的可逆调速 晶闸管变流器
可逆电路
PWM变流器 H型电路
2.1.2 反并联可逆系统的环流
“环流”是不经过电动机，只在两台变流器中流通的电流。 环流有“直流环流”和“脉动环流”两种，
直流环流是由两台变流器输出的平均电压不等而产生的， 脉动环流是两台变流器输出电压的瞬时值不等而产生的。
正向电流下降到 0，本桥(VF）逆变结束，
反组变流器控制角为 要开始输出电流 ，电枢电流
从0上升且方向改变，系统进入反桥建流阶段
三 回馈制动阶段
反桥建流中，当反向电流上升到允许的最大值时，由系统
的控制将使反组变流器的控制角从
反组变流器从整流改变为逆变状态，电动机进入了回馈制动 阶段。电动机动能转化为电能经反组变流器回馈电源，转速 迅速下降
弱磁控制过程
在转速没有达到额定转速时， 电动势反馈信号
Ue
U
e
电动势调节器AER饱和，
励磁电流给定信号 Uif 为限幅值 ，经励磁电流调节器
AFR 和励磁变流器UPEF控制电动机励磁电流为额定值
提高转速给定，当转速高于额定转速时，电动势反
馈信号
Ue
U
e
AER退饱和，励磁电流给定 Uif下降
，
DLC逻辑切换的条件（1）
U i
极性改变——逻辑切换的必要条件，
Ui 0
——逻辑切换的充分条件
逻辑控制器的组成包括电平检测，逻辑判断，延时控制和连锁
保护四部分
1. 电平检测
检测
U
i
极性和
Ui
的零电流信号。
U
电气传动第二章
电气传动
3. 解决思路
为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得 一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。
按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可 以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能 够得到近似的恒流过程。
电气传动
现在的问题是，我们希望能实现控制： 起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。 稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。
Ks Tss+1
-
Ud0
1/R Tl s+1
-IdL
Id
R
+
Tms
1/Ce E
n
图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构框图
电气传动
2. 数学模型
图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流 调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有
WASR(s)Kn
ns1 ns
WACR(s)Ki
is1 is
ASR U*i
Ui -
ACR Uc UPE Ud0 +
-IdR
n
+
Ks
E 1/Ce
- Un
为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它
的稳态结构图。只要注意用带限幅的输出特性表示PI
调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI
调节器的稳态特征。
电气传动
2. 限幅作用
存在两种状况：
饱和——输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影
电气传动
静特性的水平特性
与此同时，由于ASR不饱和，U*i > U*im，从上述第二个 关系式可知: Id < Idm。
这就是说， CA段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一 直延续到 Id = Idm ，而 Idm 一般都是大于额定电流 IdN 的。 这就是静特性的运行段，它是水平的特性。
电力拖动自动控制系统 第二章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
反馈系数计算
鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参 数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是 和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调 节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：
转速反馈系数
U
* nm
(2-6)
nm ax
电流反馈系数
U
* im
(2-7)
I dm
两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设 计者选定，设计原则如下：
2.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算
双闭环调速系统在稳态工作中，当两个 调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系
U
* n
Un
n
n0
(2-3)
U
* i
Ui
Id
IdL
(2-4)
Uc
Ud0 Ks
Cen IdR Ks
CeU
* n
/
I dL R
Ks
(2-5)
上述关系表明，在稳态工作点上，
在单闭环直流调速系统动态数学 模型的基础上，考虑双闭环控制的 结构，即可绘出双闭环直流调速系 统的动态结构框图，如下图所示。
1. 系统动态结构
-IdL
U*n
+-
Un
U*i
WASR(s)
-
Ui
WACR(s) Uc
Ks Tss+1
-
Ud0
1/R Tl s+1
Id
+
R
n
Tms
1/Ce E
图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构框图
按照反馈控制规律，采用某个物理量 的负反馈就可以保持该量基本不变，那 么，采用电流负反馈应该能够得到近似 的恒流过程。
现在的问题是，我们希望能实现控制：
第二章 闭环控制直流调速系统的稳态分析与计算
带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系 统稳态分析（续）
U com
将电流截止负反馈环节画 在方框中，再和系统的其它部
- + Rs
Id
分连接起来，便得到带电流截
止负反馈的转速负反馈单闭环
R
调速系统的静态结构图
U
* n
- Ui ASR
+
+
PI
U ct
Ud0 -
Ks
+
E
n
1/Ce
图中 U i I d U com
图2-1 不同转速下的静差率
根据式(2-2)的定义，由于n0a n0b ，所以sa sb 。 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。例如：当理
想空载转速为1000r/min时，额定速降为10r/min， 静差率为1%；当理想空载转速为100r/min时，额 定速降同样为10r/min，则静差率却为10%。
的转速是无静差的，静
特性是平直的。
2、当 I d I dcr 时，A-B段 的静特性则很陡，静态 速降很大。
0
I dcr
B
I dbl
Id
图2-8 带电流截止负反馈的转速 负反馈单闭环调速系统的静特性
例题
带有电流截止负反馈的转速负反馈单闭环直流 调速系统如图所示：
图1-24 电流截止负反馈闭环直流调速系统的原理框图
要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范
围也越小。
例题2-1
某直流调速系统电动机额定转速为 nN 1430 r / min 额定速降 nN 115 r / min，当要求静差率 s 30% 时，允许多大的调速范围？如果要求静差率 s 20% ，试求最低运行速度及调速范围。
电力拖动自动控制系统第二章：转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
怎样才能做到这种既存在转速和电流两 种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶 段里起作用呢？
2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别 起作用，可在系统中设置两个调节器， 分别调节转速和电流，即分别引入转速 负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌 套（或称串级）联接如下图所示。
双闭环直流调速系统突加给定电压U*n 由静止状态起动时，转速和电流的动态 过程示于下图。
n
I
II
III
n*
O
t
Id
Idm
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
图2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形
1. 起动过程
由于在起动过程中转速调节器ASR经历 了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个 动态过程就分成图中标明的I、II、III三个 阶段。
Id n Idm
Idcr
n
IdL
O
t
图2-1 a) 带电流截止负反馈 的单闭环调速系统
性能比较（续）
理想起动过程波形 如图所示，这时， 起动电流呈方形波， 转速按线性增长。 这是在最大电流 （转矩）受限制时 调速系统所能获得 的最快的起动过程。
Id n Idm n
IdL
O
t
图2-1 b) 理想的快速起动过程
这就形成了转速、电流双闭环调速系 统。
2. 系统电路结构
为了获得良好的静、动态性能，转速 和电流两个调节器一般都采用 P I 调节 器，这样构成的双闭环直流调速系统的 电路原理图示于下图。图中标出了两个 调节器输入输出电压的实际极性，它们 是按照电力电子变换器的控制电压Uc为 正电压的情况标出的，并考虑到运算放 大器的倒相作用。
第二章下直流提升机调速系统控制
电枢同步信号电枢电流反馈 电枢同步信号 * 1号脉冲放大零电流检测 斜率调节器绝对值调节器电流调节器 二,,到到相器程序控制调节器脉冲_ _ 产2号脉冲放大程序控制调节器脉中形成比例放大器电流调节器逻辑无环流 f 磁场脉冲放大T 磁场换器磁场电流反馈磁场同步信号2.3直流提升机调速系统计算机控制算法对于一个具体的直流提升机系统来说， 通常总存在着一些不可变部分，例如 直流电动机、晶闸管供电电路、机械传动等，都是事先已确定了的，不可能随意 改变。
要实现直流提升机调速系统的计算机控制，首先遇到的就是设计问题。
计 算机控制系统的设计包括两个任务： 其一是设计系统的硬件，其二是设计控制算 法，即软件设计。
前者是指选择系统各环节的电路和参数值， 选择输入量的检测 装置以及控制计算机的机种和接口等，使其与不可变部分（或称固有部分） ，组 成一个完整的控制系统。
后者则主要指确定采用的控制规律，选择各控制参数， 并以程序的形式输入计算机。
有关硬件设计内容在2.2小节中已经作了详细讨论，本节将以电枢电流单向、 励磁电流换向的直流提升机调速系统为例（如图 2-3-1所示），讨论如何用计算 机程序来实现直流提升机调速系统中电枢电流、转速、励磁电流的控制、可逆系 统无环流控制以及触发脉冲的产生（即图 2-3-1虚框里的功能）。
图2-3-1电枢电流单向、励磁电流换向的直流提升机调速系统原理结构 2.3.1直流提升机控制软件设计概述速度给定速度调节器流给定磁场切〒磁场永冲放大I切换器关于软件设计，即选择控制规律和控制参数，与模拟连续系统综合校正方D(S) U (S) E7S)法的步骤基本相似。
在对连续系统进行综合时，设计者根据对控制系统稳态和动态性能提出的要求，在时域中即是对动态误差(或误差系数) 、阶约响应的调节时间、超调量和振荡次数等的要求，在已知不可变部分的情况下，设计出系统的校正，使系统的实际性能指标达到预期的要求。
开环直流调速控制系统与仿真
《计算机仿真及应用B》答卷学号：姓名：班级：任课老师：开环直流调速控制系统的仿真1、开环直流调速控制系统的组成开环控制系统是根据给定的控制量进行控制，而被控制量在整个控制过程中对控制量不产生任何影响。
对于被控制量相对于其预期值可能出现的偏差，开环控制系统不具备修正能力。
而直流调速开环控制系统通常是采用调节电枢电压方案，具体实现在20世纪60年代晶闸管整流器的应用而采用由晶闸管整流器和电动机（V-M ）系统实现开环或闭环控制调速系统。
2、开环直流调速控制系统仿真（1）基于数学模型的开环直流调速系统仿真。
①开环直流调速控制系统数学模型。
开环直流调速控制系统主要包括给定信号、晶闸管触发装置及整流环节、平波电抗器和直流电动机等4个环节。
这里所说的基于数学模型的系统仿真主要是指基于传递函数的matlab 下的Simulink 下的实现，再通过机理法可以建立开环直流调速控制系统动态结构图，如图1-1所示。
然后，根据系统I 直接给出各个环节的传递函数及参数。
可以得到系统I 开环控制的动态结构图，如图1-2所示。
②开环直流调速系统仿真实现。
图1-1 开环直流调速控制系统动态结构图图1-2 系统I 的开环系统动态结构图根据系统I 的开环系统动态结构图及其参数值，在matlab 的Simulink 环境可以轻松的建立系统的仿真结构，如图1-3所示。
电动机的转速输出动态曲线，如图1-4所示。
I L (S) — n(s) U *n (s) 一 1/R a T d S+1 R a C e T m SC e K s T s S+1 U d (s) I d (s) I L (S) — n(s) U *n (s) 一1/0.08 0.025s+1 0.08 0.185×0.8s 0.185 23 0.0017s+1 U d (s) I d (s)图1-3 系统I仿真模型图1-4 电动机转速输出曲线通过改变给定信号的大小，来实现对电机输出转速的控制与调节的目的。
第二章上直流提升机调速系统控制
第2章 直流提升机调速系统计算机控制直流提升机调速系统是对提升机实施电力拖动控制的具体执行系统，它接收来自PLC 控制系统的操作指令和速度参考信号，并根据系统设定的各种运行指标，通过速度和电流双闭环PI 调节控制，最后产生整流器中可控硅的触发信号，使整流器输出直流电压，从而达到控制提升机拖动电机运转的目的。
2．1直流提升机转速、电流双闭环调速系统2．1．1直流提升机常用的晶闸管整流装置及谐波问题 1、三相全控桥三相全控桥是提升机晶闸管电力拖动系统中最基本的组成部分，其电路如图2-1所示。
d~图2-1 三相全控桥供电的直流调速系统（1）主电路三相全控桥主电路由六个晶闸管V 1~V 6组成。
通过每一个器件的电流波形是宽度为1200的方波，如图2-2a 所示。
通过每个器件的电流有效值为d I Iv 577.0= （2-1） 式中 I d — 直流负载电流（A ）。
通过交流侧相电流波形如图2-2b 所示。
交流电流有效值I 2d I I 816.02= （2-2） 每个晶闸管承受的最大正反向电压为22632U U U km =∙= （2-3） 式中 U 2—交流侧相电压有效值（V ）。
i Vi 2b)图2-2 三相桥桥臂电流i V 和交流侧电流i 2波形（2）保护电路晶闸管的缺点是过载能力很差，瞬时过电压和瞬时过电流都可能使它损坏，所以要设置过电压保护和过电流保护电路。
在图-1中，R b1~R b6，C 1~C 6为器件侧的阻容吸收电路，作用是以致换相过电压。
压敏电阻RV 1~RV 3是用来抑制三相桥交流侧产生的操作过电压。
快熔FU 1~FU 6是对晶闸管起高倍数过载或短路保护作用。
（3）三相整流桥输出电压在负载电流连续时，三相桥的输出电压（空载电压）平均值U d 为αc o s 34.22U Ud = （2-4） 式中， α —触发延迟角（ 0）。
（4）晶闸管—电动机机械特性如图2-3所示。
当电流I d 连续时，n=f （I d ）特性是一条随I d 增大而下垂的直线。