积分调节器

nullnull2.3.3 比例积分控制的无静差直流调速系统nullUc = Kp Un 因此，采用比例调节器控制的自动控制系统中，输入偏差是维系系统运行的基础，必然要产生静差，因此是有静差系统。Uc = 0，电动机停止； Uc  0，电动机运行，即Un  0。null 消除系统误差(稳态偏差)：采用积分(Integration)调节器或比例积分(PI)调节器来代替比例放大器。null_ + +MTGUn*R0R0RP2UcUPEUd+-RbalUn+Id- 采用积分调节器I或比例积分调节器PI来代替比例放大器。null 采用比例积分（PI）调节器来代替比例放大器，PI调节器不仅使系统稳定，还有进一步提高稳态性能，达到消除稳态速差。消除稳态速差无静差调速系统：有静差调速系统：带比例放大器的反馈控制闭环调速系统。带比例积分放大器的反馈控制闭环调速系统。1、积分调节器和积分控制规律 1、积分调节器和积分控制规律 1）原理图2）传递函数: I3）输入输出关系3）输入输出关系积分调节器的控制作用：控制电压Uc是转速偏差电压Un的积分，即：MUnnull4)积分调节器输入和输出动态过程每一时刻的Uc大小和Un与横轴所包围的面积成正比UnUc负载变化Ucf图2-26 积分调节器的输入和输出动态过程 a) 阶跃输入 b) 负载变化5)积分调节器特性5)积分调节器特性注：当 Un = 0时，Uc并不是零，而是一个终值 Ucf ；如果 Un 不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点。1）在动态过程中，当 Un 变化时，只要其极性不变，即只要仍是 Un*  Un ， Un >0，积分调节器的输出 Uc 便一直增长；2）只有达到 Un* = Un ，Un = 0时，Uc 才停止上升；3）Un 变负，Un <0，Uc 下降。UnnullUn = 0终值 Ucf 积分调节器的输出 Uc 一直增长Un >0 当 Un = 0时，Uc并不是零，而是一个终值 Ucf ；如果 Un 不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点。Un < 0null_ + +MTGUn*R0R0RP2UcUPEUd+-RbalUn+Id-转速负反馈闭环控制无静差直流调速系统原理图UnnTeTL6)采用积分调节器的转速负反馈闭环直流调速系统中，在突加负载时的动态过程。Un 采用积分调节器的转速负反馈闭环直流调速系统中，在突加负载时的动态过程。 采用积分调节器的转速负反馈闭环直流调速系统中，在突加负载时的动态过程。图2-27 无静差调速系统突加负载过程控制电压 Uc的改变并非仅依靠Un 本身，而是依靠Un在一段时间内的积累。Inull 虽然现在Un = 0，只要历史上有过 Un ，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压 Uc。null将以上的归纳起来，可得下述结论： 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史，虽然现在Un = 0，只要历史上有过 Un ，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压 Uc。积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。null 采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，使系统在无静差情况下保持恒速运行，实现无静差调速。 _ + +MTGUn*R0R0C1RP2UcUPEUd+-RbalUn+Id-转速负反馈闭环控制无静差直流调速系统原理图UnnTeTLUn分析结果两种调节器(P、I)特性比较两种调节器(P、I)特性比较 tUinUexOb) I调节器tUinUexO两种调节器I/O特性曲线2. 比例积分控制规律 a) P调节器1）PI调节器1）PI调节器 按照运算放大器的输入输出关系，可得_ + +Un*R0UcRbalUn2）PI输入输出关系 — PI调节器比例部分的放大 系数；— PI调节器的积分时间常数。 由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成(PI=P+I)。null3）PI调节器的传递函数 — PI调节器比例部分的放大系数；— PI调节器的积分时间常数。τ1=R1C1 W(S)=4）PI调节器输出时间特性4）PI调节器输出时间特性 保证了一定的快速性图2-31 PI调节器输出电压 的时间特性(阶跃输入)图2-30 PI调节器的输入输出动态过程（一般输入、负载变化） PIPIUcPI调节器在动态时:有比例分量，能迅速反应输出量的变化，对系统可立即起调节作用，解决了积分调节器输出时间延缓使动态响应慢的问题；在静态时:由积分分量的记忆作用使系统实现无静差，得到较高的调速精度。分析结果分析结果 由此可见，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作用，积分部分则最终消除稳态偏差。 2.5 转速反馈控制直流调速系统的限流保护2.5 转速反馈控制直流调速系统的限流保护1、 问题的提出 闭环调速系统突加给定起动的冲击电流=惯性小 过大的起动与堵转电流对晶闸管及电动机都是不利的。为解决反馈闭环调速系统的起动和堵转电流过大问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。Idnull引入电流截止负反馈加积分给定环节限制起动(堵转)电流电流截止负反馈作用机理电流截止负反馈作用机理 为了充分利用设备的过流能力，又保证设备的安全运行，对调速系统来讲应具备以下两点：1）起动过程中和堵转状态下能自动保持电流不超过允许值；2）在稳定运行时仍具备闭环调速系统的一切优越性。 采用电流截止负反馈环节2、电流截止负反馈环节2、电流截止负反馈环节电流截止负反馈：当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。电流截止负反馈环节的作用：（1）当电枢电流大于某一截止电流（ Id >Idcr ），电流负反馈起作用，限制电流不能过大；（2）当电枢电流不大于截止电流值（ Id ≤ Idcr ）时，电流负反馈作用被截止，对系统的稳定运行无任何影响，使之具有较硬的静特性。临界截止电流null电流截止负反馈环节工作原理 图2-38 电流截止负反馈环节a）利用独立直流电源作比较电压M++-- UdId RsVDUi Ucom接放大器MnullIdcr：临界截止电流； 调节Ucom的大小，即可改变临界截止电流Idcr的大小，从而实现了系统对电流截止负反馈的控制要求。Ucom：电流截止比较电压。Ucom ＝ Idcr Rsnull图2-38 电流截止负反馈环节a）利用独立直流电源作比较电压M++-- UdId RsVDUi Ucom接放大器M 系统正常工作时， Id Rs ≤Ucom，即Id ≤ Idcr ，二极管截止，电流反馈信号Ui被切断。此时系统就是一般的转速负反馈闭环调速系统，其静特性很硬。Ucom ＝ Idcr RsUi= IdRS-Ucom= IdRS- IdcrRSnull 当系统起动或堵转产生过流时， Id Rs > Ucom，即Id >Idcr ，二极管导通，电流反馈信号Ui= Id Rs -Ucom加至放大器的输入端，此时偏差电压△ U=Un*-Un-Ui，随Id的增大而增大。-Ui= IdRS-Ucom= IdRS- IdcrRS电流截止负反馈环节的输入－输出特性曲线 电流截止负反馈环节的输入－输出特性曲线 1)IdRS≤Ucom,Ui=0 2)IdRS>Ucom,Ui= IdRS-Ucom图2-39 电流截止负反馈环节的I/O特性 null 利用稳压管VS的击穿电压Ubr作为比较电压，线路简单，但不能平滑调节截止电流值Idcr 。3.带电流截止负反馈环节的闭环调速系统的稳态结构图和静特性3.带电流截止负反馈环节的闭环调速系统的稳态结构图和静特性（1）稳态结构图图2-40 带电流截止负反馈的 闭环直流调速稳态结构框图Ui RSUcomId Rs - Ucom-+U*nUcIdEUd0Un++---+n3.带电流截止负反馈环节的闭环调速系统的稳态结构图和静特性3.带电流截止负反馈环节的闭环调速系统的稳态结构图和静特性 写出该系统两段静特性的方程式: （2）静特性方程图2-40 带电流截止负反馈的 闭环直流调速稳态结构框图1)当 Id ≤ Idcr 时,2)当 Id  Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成,(3)静特性曲线(3)静特性曲线图1-32 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性 1)当 Id ≤ Idcr 时,2)当 Id  Idcr时，Idbln0IdOABCn'0n A点：为两段特性的自动转折点，对应于截止电流Idcr。静特性两个特点 静特性两个特点 （1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致，好象把理想空载转速提高到n'0这样的两段式静特性常称 作下垂特性或挖土机特性。这样的两段式静特性常称 作下垂特性或挖土机特性。 当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，令 n = 0，得一般 Kp Ks Rs >> R，因此：堵转电流1）无静差直流调速系统的组成1）无静差直流调速系统的组成++-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcTA:交流互感器IdUnUd图2-42带电流截止负反馈的无静差直流调速系统 +++-UPE～4. 带电流截止的无静差直流调速系统电流检测电路null2）工作原理 当电流超过截止电流时，高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管VBT导通，则PI调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的。 Idcr图2-42带电流截止负反馈的无静差直流调速系统 null 当电动机电流低于其截止值时，电流截止负反馈回路不起作用，系统是转速负反馈的无静差直流调速系统。≤ Idcr2）工作原理图2-42带电流截止负反馈的无静差直流调速系统 3）稳态结构与静特性（Id