自动控制系统复习资料

Ud?KsUc失控时间和纯滞后环节

? 滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。 ? 失控时间是个随机值。

? 最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。 晶闸管触发电路与整流装置的传递函数

? 滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。 ? 输入输出关系为： d 0?KsUc?1(t?Ts)U传递函数为 Ud0(s)?TssW(s)??Kess

Uc(s)

Ks依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，把整流装置近似看作一阶惯性环节 W(s)?s1?Tss

直流PWM调速系统的电能回馈和泵升电压

? PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。 ? 当电动机工作在回馈制动状态时，电能不可能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波电容充电， ? 形成直流PWM变换器-电动机系统特有的电能回馈问题。

? 对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高，称作“泵升电压”。 ? 系统在制动时释放的动能将表现为电容储能的增加，

? 要适当地选择电容的电容量，或采取其它措施，以保护电力电子开关器件不被泵升电压击穿。

开环调速系统稳态结构图

带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图

*? 电压比较环节 ?Un?Un?Un

? 比例调节器 cpn

? 测速反馈环节 n

? 电力电子变换器 d0sc

U?K?UU??nU?KU? 直流电动机

Kp——比例调节器的比例系数α——转速反馈系数（V·min/r） 静特性方程式

** KpKs?KpKsUn?IdRKpKsUnRIdK??? n?CeC(1?KK?/C)C(1?K)C(1?K)epseee

闭环系统的开环放大系数 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。

n?Ud0?IdRCe

只考虑给定作用时的闭环系统 只考虑扰动作用时的闭环系统

转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图 闭环调速系统比例控制的直流调速系统

1．开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系

*

KKUU?IRRIdpsnd0d? 开环机械特性为 n????n0op??nop C e C e Ce

0 op 式中， 表示开环系统的理想空载转速，

op 表示开环系统的稳态速降。 *psnd? 比例控制闭环系统的静特性为

0clcl

ee 式中， n 0 cl 表示闭环系统的理想空载转速， ? n cl 表示闭环系统的稳态速降。

（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多

RId? 在同样的负载扰动下，开环系统的转速降落 ?nop?Ce RId 闭环系统的转速降落 ?ncl?C(1?K) ?nope? 它们的关系是 ? ncl ? 1 ? K （2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多

?ncl? 闭环系统的静差率为 scl? n0cl? 开环系统的静差率为 ?nopsop?

n0op

op? 当 时，

n?nRIn???n??nC(1?K)C(1?K)KKUn0op?n0clscl?s1?K

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

? 如果电动机的最高转速都是nN，最低速静差率都是s，可得

nNs开环时， D?op ? n op (1?s)闭环时， nNsD cl ? ?ncl(1?s)得到

clop

比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统 反馈控制系统的作用是：抵抗扰动, 服从给定 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度

D?(1?K)D

电流截止负反馈环节

（a）利用独立直流电源作比较电压（b）利用稳压管产生比较电压 电流截止负反馈环节

? 电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻Rs，IdRc正比于电流。 ? 图2-38(a)中用独立的直流电源作为比较电压Ucom，其大小可用电位器调节，

? 在IdRc与Ucom之间串接一个二极管VD，当IdRc> Ucom时，二极管导通，电流负反馈信号Ui即可加到放大器上

去；当IdRc≤ Ucom时，二极管截止， Ui消失。

? 图2-38(b)中利用稳压管VST的击穿电压Ubr作为比较电压Ucom 。 ? 截止电流 Idcr=Ucom/Rs

电流截止负反馈环节的输入输出特性 带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性

? 当输入信号IdRc-Ucom>0时，输出Ui=IdRc-Ucom， CA段 :电流负反馈被截止 ? 当IdRc-Ucom≤ 0时，输出Ui=0。 AB段 :电流负反馈起作用

*? 电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 KpKs(Un?Ucom)? 比较电压与给定电压的作用一致，好象把理想空载转速提高到 n'0?Ce(1?K)

双闭环直流调速系统的稳态结构图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数 转速调节器不饱和

两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。 U*?Unn??n??n0

* Ui?Ui??Id* Un?n0 n?ddm

转速调节器饱和

? ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。

*? 双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时

?I?IId?Uim??Idm? ?

? ? ? ? ?

AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，Id

在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。

当负载电流达到Idm时，转速调节器为饱和输出U*im，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差。 采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。

当ASR处于饱和状态时，Id=Idm，若负载电流减小，Idn0，Δn<0，ASR反向积分，使ASR调节器退出饱和。

双闭环直流调速系统的动态结构图

起动过程分析

? 电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。 ? 转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n*。 ? 起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，

? 转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。

第Ⅰ阶段：电流上升阶段（0~t1）电流从0到达最大允许值

? 在t=0时，系统突加阶跃给定信号Un*，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下， Id很快上升，在Id上升到Idl之

前，电动机转矩小于负载转矩，转速为零。

? 当 Id ≥ IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大， ASR很快

进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id = Idm ， Ui = U*im 。

第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）Id基本保持在Idm,电动机加速到了给定值n*。

? ASR调节器始终保持在饱和状态，转速环仍相当于开环工作。系统表现为使用PI调节器的电流闭环控制， ? 电流调节器的给定值就是ASR调节器的饱和值U*im，基本上保持电流Id = Idm不变， ? 电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是Id略低于Idm。 第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）起始时刻是n上升到了给定值n*。

? n上升到了给定值n*，ΔUn=0。因为Id>Idm，电动机仍处于加速过程，使n超过了n* ，称之为起动过程的转速超

调。

? 转速的超调造成了ΔUn<0，ASR退出饱和状态，Ui和Id很快下降。转速仍在上升，直到t=t3时，Id= Idl ，转速才

到达峰值。

? 在t3~t4时间内， Id

? 在第Ⅲ阶段中， ASR和ACR都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统。 双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点： （1）饱和非线性控制 （2）转速超调

（3）准时间最优控制 转速调节器的作用

? 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采用PI调节器，则可实现无静差。 ? 对负载变化起抗扰作用。

? 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 电流调节器的作用

? 在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 ? 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

? 在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。 ? 当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。 控制对象的工程近似处理方法 高频段小惯性环节的近似处理

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