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1、一 、教學(xué)目的與教學(xué)要求,2.2.3單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)的分析,三 、教學(xué)時間 2-4學(xué)時,二、 教學(xué)內(nèi)容,1、掌握無靜差調(diào)速系統(tǒng)的概念 2、掌握積分、比例積分調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性 3、掌握PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu) 4、具備分析PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的能力 5、具備分析PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性的能力 6、掌握無靜差調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算,第二章 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng),四 、教學(xué)思路流程,無靜差調(diào)速系統(tǒng)組成分析,五、 教學(xué)過程,積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律,比例積分控制規(guī)律,無靜差調(diào)速系統(tǒng)舉例及穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算,無靜差調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)分析,2.2.3 比例積
2、分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng),本節(jié)將討論，采用積分（I）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器代替比例放大器，構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。,采用比例（P）放大器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有一定的穩(wěn)定裕度，同時還能滿足一定的穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)。但是，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng)。,采用采用比例（P）調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)為什么是有靜差系統(tǒng)？,而采用積分（I）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器為什么可構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)呢？,2.2.3.1 問題的分析,采用采用比例（P）調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)為什么是有靜差系統(tǒng)？？？,Uct = Kp Un,Un 0 ，Uc t 0，即電動機(jī)運(yùn)行,Un = 0， Uc t
3、= 0，即電動機(jī)停止,,因此，在采用比例調(diào)節(jié)器控制的自動系統(tǒng)中，輸入偏差是維持系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，沒有偏差就沒有系統(tǒng)的控制!!,由于采用比例調(diào)節(jié)器， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為：,控制的輸出與當(dāng)前的偏差大小成正比，偏差是控制的基礎(chǔ)，故而系統(tǒng)是有靜差系統(tǒng)。,而采用積分（I）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器為什么可構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)呢？,可見，如果要消除系統(tǒng)偏差（誤差），采用P調(diào)節(jié)器是無能為力的，必須尋找其他控制方法。,積分調(diào)節(jié)器輸入輸出特點(diǎn)：為積分調(diào)節(jié)器的控制輸出不僅取決于輸入偏差，還取決于輸入偏差的“歷史”積累。,實(shí)現(xiàn)了DU=0，但控制輸出Uct 0，即無靜差控制輸出（調(diào)節(jié)過程中有動態(tài)偏差，穩(wěn)態(tài)時沒偏差）！
4、！,,2.2.3.2積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律,1. 積分調(diào)節(jié)器的組成與工作原理分析,由運(yùn)算放大器可構(gòu)成一個積分電路， 如圖所示：,根據(jù)電子電路技術(shù)可知：A點(diǎn)為虛地點(diǎn)即UA=0，則,（1） 積分調(diào)節(jié)器的組成,（2） 積分調(diào)節(jié)器的工作原理分析,其電路方程為：,為積分時間常數(shù),式中:,可見，積分調(diào)節(jié)器的輸出和輸入Uin的當(dāng)前狀態(tài)和歷史狀態(tài)相關(guān)！,當(dāng)前狀態(tài)不等于零，即Uin 0 時 ，則輸出Uex大小要隨時間積分增加；,當(dāng)前狀態(tài)等于零，即Uin = 0 時，則輸出Uex大小保持積分結(jié)果恒值輸出。,2. 積分調(diào)節(jié)器的特性,當(dāng)初始值為零時，在階躍輸入Uin作用下，系統(tǒng)的輸出如何變化？,在電路上，對電容C充
5、電，電容兩端電壓逐漸上升；,在運(yùn)算公式中是進(jìn)行積分累加運(yùn)算。,在時域坐標(biāo)中，我們共同分析積分調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性呢？,應(yīng)用中積分調(diào)節(jié)器輸出要加限幅環(huán)節(jié)，即當(dāng)輸出達(dá)到一定數(shù)值后，輸出不在隨輸入的增加而增加了！,圖中，Uexm是輸出限幅值,如下圖所示：當(dāng) t t1 后，輸出恒定，不隨輸入增加而變化！,3. 積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)與BODE圖（幅頻、相頻特性）,,積分調(diào)節(jié)器 傳遞函數(shù),積分調(diào)節(jié)器 幅頻、相頻特性,4. 積分調(diào)節(jié)器在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)中的控制規(guī)律分析,如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差電壓Un的積分，應(yīng)有：,如果是Un是由負(fù)載變化引起的偏差信號，數(shù)學(xué)分析上，每一時刻控制電壓（積分調(diào)節(jié)器
6、的輸出） Uc 的大小和 Un 的積分相關(guān)。,數(shù)值計算分析上，積分?jǐn)?shù)值大小與橫軸所包圍的面積成正比?。?（1）數(shù)學(xué)分析,（2）輸入和輸出動態(tài)過程分析,當(dāng)0
7、；,當(dāng)t2
8、的動態(tài)過程,偏差電壓 Un 2 Un 1；,控制電壓 Uc 2 Uc 1的變化過程示于；,變化過程中控制電壓跟隨偏差電壓的變化而變化。,轉(zhuǎn)速變化 n2 < n1 ；,可見，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 TL1 突增到 TL2 時：,(2)無靜差（積分）調(diào)速系統(tǒng),可見，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 TL1 突增到 TL2進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時 ：,當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時，無靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓 Un 和控制電壓 Uc 的變化過程如右圖所示。,偏差電壓 Un = 0；,控制電壓 Uc 2 Uc1 （在這里，Uc 的改變并非僅僅依靠 Un 本身，而是依靠 Un 在一段時間內(nèi)的積累）；,變化過程中控制電壓Uc跟隨偏差電壓的變
9、化而變化，當(dāng)偏差電壓=0時，控制電壓維持恒定不變。,轉(zhuǎn)速變化 n2 = n1 ；,比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀； 而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。,特別注意：,2.2.3.3 比例積分控制規(guī)律,積分調(diào)節(jié)器可以消除靜差，比例調(diào)節(jié)器依靠靜差控制，故而積分調(diào)節(jié)器可以構(gòu)成無靜差控制系統(tǒng)。,但是，積分調(diào)節(jié)器的工作原理本質(zhì)上是“電容充電”作用，而電容兩端的電壓不能跳變，這樣會帶來什么問題呢？,影響系統(tǒng)的快速性問題?。。?！,比如，在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地增加。,在控制的快速性上，比例控制是優(yōu)于積分控制的！,如圖可見，
10、在相同的階躍輸入作用下，當(dāng)t0時，比例調(diào)節(jié)器即可快速輸出；而積分調(diào)節(jié)器的輸出要經(jīng)過一個上升時間。,,比如，積分調(diào)節(jié)器要達(dá)到比例調(diào)節(jié)器相同的輸出，要經(jīng)歷一個延時時間t1 。,能否構(gòu)造一個即能具有比例調(diào)節(jié)器的快速性特性，又有積分調(diào)節(jié)器的無靜差特性的調(diào)節(jié)器呢？,兩種調(diào)節(jié)器快速性比較：,比例積分（PI）調(diào)節(jié)器具備這樣的特性的??！,1、比例積分（PI）調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)組成,在模擬電子技術(shù)中，學(xué)過可采用運(yùn)用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，具體線路如圖所示。,電路器件包括運(yùn)算放大器、電阻、電容等。,2、PI輸入輸出解析關(guān)系分析,按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得：,式中：, PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；, PI調(diào)節(jié)器
11、的積分時間常數(shù)。,由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成。,兩側(cè)的拉氏變換，移項(xiàng)后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。,則傳遞函數(shù)也可以寫成如下形式：,3. PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),當(dāng)初始條件為零時，取式,令：,形式上：PI調(diào)節(jié)器也可以用一個積分環(huán)節(jié)和一個比例微分環(huán)節(jié)來表示， 1 是微分項(xiàng)中的超前時間常數(shù)，它和積分時間常數(shù) 的物理意義是不同的。,4. PI調(diào)節(jié)器輸出特性分析,（1） 階躍輸入的輸出響應(yīng)特性,在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時間特性示于下圖所示。,突加輸入信號時，由于電容C1兩端電壓不能突變，相當(dāng)于兩端瞬間短路，在運(yùn)算放大器反饋回路中只剩下電阻R1，電路等效于
12、一個放大系數(shù)為 Kpi 的比例調(diào)節(jié)器，在輸出端立即呈現(xiàn)電壓 Kpi Uin ，實(shí)現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長處。,從這個特性上可以看出比例積分作用的物理意義。,因此，PI調(diào)節(jié)器輸出是由比例和積分兩部分相加而成的。,隨著電容C1被充電，輸出電壓Uex 開始積分，其數(shù)值不斷增長，直到穩(wěn)態(tài)。,穩(wěn)態(tài)時， C1兩端電壓等于Uex，R1已不起作用，又和積分調(diào)節(jié)器一樣了，這時又能發(fā)揮積分控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無靜差。,（2）一般輸入情況（擾動輸入）作用下的輸出響應(yīng)特性,右圖繪出了一般輸入作用下，比例積分調(diào)節(jié)器的動態(tài)輸出過程。,假設(shè)輸入偏差電壓Un的波形如圖所示：,輸出波形中，紅色曲線1為比例作用部分，該部
13、分與Un 成正比；,輸出波形中，綠色曲線2是 Un 的積分曲線；,PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓 Uc 是上述兩部分的和（1+2）。,可見， Uc既具有快速響應(yīng)性能，又足以消除調(diào)速系統(tǒng)的靜差。因此，它在調(diào)速系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。,由此可見，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長避短，互相補(bǔ)充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。,5、分析結(jié)果綜合,2.2.3.4 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算,無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)組成,無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理,無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性,無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)計算,在掌握了積分、
14、比例積分輸入輸出特性的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步研究由比例積分放大器（或調(diào)節(jié)器）組成的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)問題。,主要內(nèi)容包括：,1、無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)組成,請識別圖中各部分的作用？,2、無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,系統(tǒng)采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無靜差，采用電流截止負(fù)反饋來限制動態(tài)過程的沖擊電流。,TA為檢測電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號。當(dāng)電流超過截止電流時，高于穩(wěn)壓管VST的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電子變換器UPE的輸出電壓急劇下降，達(dá)到限制電流的目的。,其中代表PI調(diào)節(jié)器的方框中無法用放大系數(shù)表示，一般畫出它的輸出特性，以表明是比
15、例積分作用。,3、無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性,當(dāng)電動機(jī)電流低于其截止值（Id < Idcr ）時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于右下圖所示：,（1）穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖分析,根據(jù)PI調(diào)節(jié)特性，系統(tǒng)無靜差系統(tǒng)的理想靜特性如右圖所示。,（2）無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)靜特性,當(dāng) Id < Idcr 時，系統(tǒng)無靜差，靜特性是不同轉(zhuǎn)速時的一族水平線。,當(dāng) Id Idcr 時，電流截止負(fù)反饋起作用，靜特性急劇下垂，基本上是一條垂直線。整個靜特性近似呈矩形。,嚴(yán)格地說，“無靜差”只是理論上的，實(shí)際系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，PI調(diào)節(jié)器積分電容兩端電壓不變，相當(dāng)于運(yùn)算放大器的反饋回路開路，其放大系數(shù)等于運(yùn)算放大器本身的開環(huán)放大系數(shù)，數(shù)值最大
16、，但并不是無窮大。因此其輸入端仍存在很小的Un ，而不是零。這就是說，實(shí)際上仍有很小的靜差，只是在一般精度要求下可以忽略不計而已。,“無靜差”的相對性,無靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算很簡單，在理想情況下，穩(wěn)態(tài)時 Un = 0，因而 Un = Un* ，可以按下式直接計算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù), 相應(yīng)的最高給定電壓。,nmax,U*nmax,4、 無靜差調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算, 電動機(jī)調(diào)壓時的最高轉(zhuǎn)速；,電流截止環(huán)節(jié)的參數(shù)可根據(jù)其電路和截止電流值 Idcr計算出。,PI調(diào)節(jié)器的參數(shù) Kpi和可按動態(tài)校正的要求計算。,5. 準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器簡介,在實(shí)際系統(tǒng)中，為了避免運(yùn)算放大器長期工作時的零點(diǎn)漂移，常常在 R1 C1兩端再并接一個電阻R1 ，其值為若干M ，以便把放大系數(shù)壓低一些。。,這樣的電路結(jié)構(gòu)是一個近似的PI調(diào)節(jié)器，或稱“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”（見右圖），系統(tǒng)也只是一個近似的無靜差調(diào)速系統(tǒng),如果采用準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器，其穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)為,由 Kp 可以計算實(shí)際的靜差率。,
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