《运动控制系统》课程教学资源（案例）东风7型内燃机车中的比例积分调节器实用案例分析.pdf_大学文库

东风 7 型内燃机车中的比例积分调节器实用案例分析摘要：分析了东风 7 型内燃机车结构与性能，分析了积分调节器的组成、工作原理与特点，研究了积分调节器在调节过程中的等效放大系数 Ki，详细分析了比例积分调节器的原理与特点，研究了比例积分调节器在调节过程中的等效放大系数 Kpi，最后从调节调零点，抑制零点漂移和锁零电路，消除寄生振荡，调节器的输入、输出限幅电路和输入滤波电路，调节器的输出功率放大电路，比例调节器与积分（或 PI）调节器对调速系统的不同作用等 5 个方面详细分析了 FC54 运算放大器构成的比例积分调节器。 0 案例研究思维导图：东风7型内燃机车中的比例积分调节器实用案例 1 案例说明 2 积分调节器 4 带输出限幅电路的 PI（或I）调节器 5 比例积分调节器的实用电路分析 3 比例积分调节器 6 比例调节器与积分（或PI）调节器对调速系统的不同作用 2.2积分调节器的特点 3.1 比例积分调节器的原理 5.1 调节调零点、抑制零点漂移和锁零电路 2.1 积分调节器的工作原理 2）记忆作用 1）积累作用 3）延缓作用 2.3 积分调节器在调节过程中的等效放大系数Ki 3.2 比例积分调节器的特点 3.3比例积分调节器在调节过程中的等效放大系数 5.2 消除寄生振荡 5.3调节器的输入、输出限幅电路和输入滤波电路 5.4 调节器的输出功率放大电路 1 案例说明东风 7 型内燃机车（DF7），是中国铁路使用的柴油机车车型之一，是北京二七机车工厂于 1982 年研制成功的调车兼小运转用机车。在东风 7 型机车的基础上，北京二七机车厂根据铁路发展需要，先后研制了提高柴油机装车功率、增加电阻制动、适用于干线货运的东风 7B 型机车，采用 12V240/275 系列柴油机的东风 7C 型机车，用于山区铁路和高寒地区的东风 7D

型机车，提高柴油机装车功率、轴重25吨的东风7E型重型调车机车，为大型工矿企业铁路专用线研制的东风℉型重型调车机车，以及采用交流传动技术的东风刀型机车，形成了一个庞大的东风7型柴油机车家族系列。机车标称功率1180千瓦，最高速度100公里/小时，可根据用户需要加装低恒速装置。机车采用交一直流电传动，柴油机通过弹性联轴节直接驱动一台三相交流同步牵引发电机，通过硅整流装置把牵引发电机发出的三相交流电整流为直流电，再将电能输送给两台转向架上的六台并联的直流串励牵引电动机，通过传动齿轮驱动车轮。东风7型机车的传动系统与东风4B型、东风5型机车大致相同，均采用技术成熟的TQR-3000型同步牵引发电机、 ZODR410型牵引电动机。东风7型机车也是中国第一种采用电子恒功率励磁控制的闲产柴油机车，依靠电子控制快速、准确地实现牵引发电机的恒功率，从而达到柴油机的恒功率控制。在其功率控制电路中，采用了由FC54运算放大器构成的比例积分调节器，如图1所示。本文将对其进行详细的分析与研究。 3DJ6 锁安电路sD 0锁零信号零漂抑制 200p 200k2 -15v 输入滤波输入限幅 RP2T 02 0 115 Co 太虫 FC546 限流电 24 VT2 RP 3.3k2RP1 输出限幅功率放大图1由FC54运算放大器构成的比例积分调节器 2积分调节器 2.1积分调节器的工作原理由线性集成运算放大器构成的积分调节器的原理图如图2所示。根据“虚短”“虚断”的概念可以很容易得出输入信号与输出信号之间的运算关系为：式中，=R,C,为积分调节器的积分时间常数。上式表明，调节器的输出电压U6为输入电压对时间的积分，故称为积分调节器(1调节器)。如果不考虑输入输出之间的相位关系，当为阶跃输入时，通过对输入进行积分计算

(设U的初始值为零)，得积分调节器的输出与时间表达式为 U。=- 此式表明了输出电压U是随时间线性增长的，且每一时刻的U6值和U与横轴所包围的面积成正比。阶跃输入下积分调节器的输入输出特性曲线如图3所示。积分调节器图2积分调节器的原理图图3阶跃输入下积分调节器的输入输出特性曲线当U,=((）)为图4a所示的输入信号（调速系统突加负载时，其偏差电压△U即为此波形)时，同样按着和U与横轴所包围的面积成正比的关系可求出相应的U%∫(1)曲线如图 4b所示，图中U的最大值对应于Uo∫()曲线的拐点。应该指出，只要在调节器输入端有U作用，即：>0，电容就不断积分，U也不断上升。实际上，输出量U0不会无限制地增长，这是由于系统工作的需要，调节器都设有输出限幅装置，当输出电压Uo上升至限幅值Uom时，Uo停止上升，并保持在Uom上。通常把调节器输出最大电压Um称为调节器的限幅值或饱和值，如图3所示。而当U,=0时，U%便停止增长，并保持前一时刻的输出不变。只有U,<0,U才会下降。 2.2积分调节器的特点从上面积分调节器的输入输出特性可以看出，积分调节器具有以下特点。 1)积累作用。只要输入端有信号，即输入信号不为零，积分调节器的输出就一直增长这是一个积累的过程。只有输入信号为零时，输出才停止增长。利用积分调节器的这个积累特性，就可以完全消除系统中的稳态偏差。 2)记忆作用。在积分过程中，输入信号衰减为零时，输出并不为零，而是始终保持在输入信号为零前的那个输出瞬时值上，即能够记忆输入信号变化前的那个瞬间输出值，这是积分控制明显区别于比例控制的地方。正因如此，积分控制可以使系统在偏差电压为零时保持恒速运行。 3)延缓作用。当积分调节器的输入信号有一阶跃变化时，其输出却不能随之跳变到U, 而是由0开始积分逐渐增长到Uom。这个过程的时间1，就是积分调节器的动态调节时间，它由x决定，并与x成反比。这说明积分调节器有明显的滞后作用，且时间常数x越大，滞后作用越严重。这种滞后的特性就是积分调节器的延缓作用，它将影响系统控制的快速性。 2.3积分调节器在调节过程中的等效放大系数K 在动态过程中，因为调节器的输出电压U是对输入电压U的积分，所以，积分调节器

（设 U0的初始值为零），得积分调节器的输出与时间表达式为： 0= Ui U t t − 此式表明了输出电压 U0是随时间线性增长的，且每一时刻的 U0值和 Ui与横轴所包围的面积成正比。阶跃输入下积分调节器的输入输出特性曲线如图 3 所示。图 2 积分调节器的原理图图 3 阶跃输入下积分调节器的输入输出特性曲线当 Ui =f（t）为图 4a 所示的输入信号（调速系统突加负载时，其偏差电压△Un即为此波形）时，同样按着和 Ui与横轴所包围的面积成正比的关系可求出相应的 U0 =f（t）曲线如图 4b 所示，图中 Ui的最大值对应于 U0 =f（t）曲线的拐点。应该指出，只要在调节器输入端有 Ui作用，即 Ui >0，电容就不断积分，U0也不断上升。实际上，输出量 U0不会无限制地增长，这是由于系统工作的需要，调节器都设有输出限幅装置，当输出电压 U0上升至限幅值 U0m时，U0停止上升，并保持在 U0m上。通常把调节器输出最大电压 U0m称为调节器的限幅值或饱和值，如图 3 所示。而当 Ui =0 时，U0 便停止增长，并保持前一时刻的输出不变。只有 Ui <0，U0才会下降。 2.2 积分调节器的特点从上面积分调节器的输入输出特性可以看出，积分调节器具有以下特点。 1）积累作用。只要输入端有信号，即输入信号不为零，积分调节器的输出就一直增长，这是一个积累的过程。只有输入信号为零时，输出才停止增长。利用积分调节器的这个积累特性，就可以完全消除系统中的稳态偏差。 2）记忆作用。在积分过程中，输入信号衰减为零时，输出并不为零，而是始终保持在输入信号为零前的那个输出瞬时值上，即能够记忆输入信号变化前的那个瞬间输出值，这是积分控制明显区别于比例控制的地方。正因如此，积分控制可以使系统在偏差电压为零时保持恒速运行。 3）延缓作用。当积分调节器的输入信号有一阶跃变化时，其输出却不能随之跳变到 U0m，而是由 0 开始积分逐渐增长到 U0m。这个过程的时间 tv就是积分调节器的动态调节时间，它由τ 决定，并与τ 成反比。这说明积分调节器有明显的滞后作用，且时间常数τ 越大，滞后作用越严重。这种滞后的特性就是积分调节器的延缓作用，它将影响系统控制的快速性。 2.3 积分调节器在调节过程中的等效放大系数 Ki 在动态过程中，因为调节器的输出电压 U0是对输入电压 Ui的积分，所以，积分调节器

的动态放大系数 Ki是变化的，随时间的增长而增大。若 I 调节器的初始状态为零，当积分开始时，电容相当于短路状态，则放大系数 Ki接近于零。随着时间的增长，输出值不断增大，放大系数不断加大。最后达稳态时，电容相当于断路状态，调节器的放大系数 Ki很大，从理论上讲可为无穷大，实际上等于放大器本身的开环放大系数 K0，在 104 以上。积分调节器这一特点，使其在自动调速系统中，作为校正环节极为有效，它能使系统在稳态情况下有极大的放大系数，从而使静态偏差极小，实现了无差调节。在动态情况下，又使系统放大系数大为降低，保证系统具有良好的动态稳定特性。故积分调节器能巧妙地处理系统稳定性与静态误差这对动态和静态之间的矛盾。图 4 突加负载时积分调节器的输出特性曲线图 5 比例积分调节器的原理图 3 比例积分调节器由于积分调节器的输出相对于输入有明显的滞后延缓作用，尤其当 R0较大时，输出电压增长太慢，将使系统的过渡过程变得很长。因此，使用单纯的积分调节器虽能满足静态无差调节的要求，但其不足之处是动态响应太迟缓，在控制的快速性上不如比例调节器。为了弥补积分调节器的缺陷，将快速性良好的比例调节与它结合起来，组成比例积分调节器，简称 PI 调节器。 3.1 比例积分调节器的原理由线性集成运算放大器构成的比例积分调节器的原理图如图 1-32 所示。同样，根据“虚短”、“虚断”的概念可以很容易得出输入信号与输出信号之间的运算关系为 f 0 0 0 1 1 1 = 1 1 i i pi i f pi p i pi p i p R U U U dt K U U dt R RC K U K U dt K U K U dt K t t t − − =− − =− − =− − ∫ ∫ ∫ ∫ 式中， K RR p = f 0 为 PI 调节器比例部分的比例系数； =R C0 f τ 为 PI 调节器的积分时间常数；

=K,=K,R,C,为PI调节器的超前时间常数。此式表明，调节器的输出电压Uo为输入电压 U,的比例部分与输入电压U对时间的积分部分之和。在不考虑输入输出之间的相位时，同样可得到在阶跃信号输入作用下所对应的输出特性曲线，如图6所示。从图中可以看出比例积分调节器的控制规律：当突加恒定输入电压U 时，比例部分先起作用，输出电压突跳为K,U,以保证一定的快速控制。随着时间增长，积分部分的作用逐渐增大，调节器的输出U在K,U,基础上线性增长，直至达到运算放大器的限幅值。当输入电压U,=∫(t)为图7a所示的信号（调速系统突加负载时，其偏差电压△Un即为此波形)时，PI调节器的输出U6(系统中为U:)波形（见图7b)中比例部分①(U)和 △Un成正比，为K△Un,积分部分②(U)是△Un对时间的积分，为△U,r,输出电压 U。(U)为这两部分之和③（即①+②=③）。由此可见，比例部分能迅速响应，积分部分则最终消除稳态偏差。图6阶跃输入下比例积分调节器的输出特性曲线图7突加负载时比例积分调节器的输出特性 3.2比例积分调节器的特点由于比例积分调节器具有比例与积分两种控制作用，所以它与积分调节器一样都有积累、记忆、延缓三大特点。但它的延缓过程对应的时间（即调节时间）是输出电压从K。U,增加到 Uo的时间1，而积分调节器的延缓时间是输出电压从0增加到Uom。的时间t,当两种调节器的积分时间常数相同时，比例积分调节器的调节速度比积分调节器的调节速度快，调节时间1比1，短。 3.3比例积分调节器在调节过程中的等效放大系数K。从PI调节器控制的物理意义上看，当突加输入信号时，由于电容两端不能突变，电容相当于瞬间短路，此时调节器相当于一个放大系数为K。=R/R的比例调节器，在其输出端呈现电压K,U,实现快速控制。此后，随着电容C被充电，输出电压U开始积分，其数值在K,V 的基础上不断增长，直至稳态。稳态时，电容C相当于开路，和积分调节器一样，调节器可

1 0 = = K K RC p pf ττ 为 PI 调节器的超前时间常数。此式表明，调节器的输出电压 U0为输入电压 Ui的比例部分与输入电压 Ui对时间的积分部分之和。在不考虑输入输出之间的相位时，同样可得到在阶跃信号输入作用下所对应的输出特性曲线，如图 6 所示。从图中可以看出比例积分调节器的控制规律：当突加恒定输入电压 Ui 时，比例部分先起作用，输出电压突跳为 K Up i，以保证一定的快速控制。随着时间增长，积分部分的作用逐渐增大，调节器的输出 U0在 K Up i基础上线性增长，直至达到运算放大器的限幅值。当输入电压 Ui =f（t）为图 7a 所示的信号（调速系统突加负载时，其偏差电压△Un即为此波形）时，PI 调节器的输出 U0 （系统中为 Uct）波形（见图 7b）中比例部分①（UctP）和 △Un成正比，为 K U p n ∆ ，积分部分②（UctI）是△Un对时间的积分，为 U tn ∆ t ，输出电压 U0 （Uct）为这两部分之和③（即①+②=③）。由此可见，比例部分能迅速响应，积分部分则最终消除稳态偏差。图 6 阶跃输入下比例积分调节器的输出特性曲线图 7 突加负载时比例积分调节器的输出特性 3.2 比例积分调节器的特点由于比例积分调节器具有比例与积分两种控制作用，所以它与积分调节器一样都有积累、记忆、延缓三大特点。但它的延缓过程对应的时间（即调节时间）是输出电压从 K Up i 增加到 U0m 的时间 ' vt ，而积分调节器的延缓时间是输出电压从 0 增加到U0m 。的时间 vt ，当两种调节器的积分时间常数相同时，比例积分调节器的调节速度比积分调节器的调节速度快，调节时间 ' vt 比 vt 短。 3.3 比例积分调节器在调节过程中的等效放大系数 Kpi 从 PI 调节器控制的物理意义上看，当突加输入信号时，由于电容两端不能突变，电容相当于瞬间短路，此时调节器相当于一个放大系数为 K RR p = f 0 的比例调节器，在其输出端呈现电压 K Up i ,实现快速控制。此后，随着电容 Cf被充电，输出电压 U0开始积分，其数值在 K Up i 的基础上不断增长，直至稳态。稳态时，电容 Cf相当于开路，和积分调节器一样，调节器可

以获得极大的开环放大系数K。,在10以上，实现稳态无静差。所以I调节器的动态放大系数在调节过程中是变化的，刚开始调节时，K=R/R,调节结吏时K=0。 4带输出限幅电路的PI(或)调节器由于【、PI调节器的积累特点，只要输入量U不为零，输出量以就会无限制地增长。如果不加限制，让输出量U。一直增长下去，势必会超出调节器的承受能力以及触发电路需要的控制电压的范围，这样会造成调节器、触发电路的损坏，使系统无法正常工作。所以【、PI 调节器一般都设有输出限幅电路。当【、P1调节器输出电压U6上升至限幅电路给出的限幅值 UIom时，UJ停止上升并保特在Uom上。通常把周节器输出最大电压UJ称为调节器的限幅值或饱和值电压，这个电压的大小应根据调节器的承受能力和触发电路要求的最大控制电压U 来决定，这个电压的调整由限幅电路来完成。输出限幅电路分外限幅和内限幅两种，如图8所示。 C D木 VD Ro 6-15V a)外限幅电路 b)内限幅电路图8比例积分调节器及其限幅电路图8a为一种常用的外限幅电路。其中+15V、VD1、RP1提供正限幅电压值U+,-15V、 VD2、RP2提供负限幅电压值U.,Rm为限流电阻，正、负限幅电压的大小分别为 U.=UM+UrD U.=Ux+UrD2 式中，UM、Ux为电位器M、N点电位：Uo1、Uo2分别为二极管正向管压降。这种电路的优点是：限幅值电压可以调节M、N点电位获得，缺点是：仅限制输出电压，而运算放大器仍然上升至饱和状态，要使输出电压下降仍存在退饱和的放电时间，因此动态过程会受到影响。图8b为一种常用的内限幅电路。采用两个对接的稳压二极管并接在反馈阻抗两端，输出限幅电压由稳压二极营反向击穿电压提供。这种电路的优点是线路简单：缺点是限幅值不可以调节。 5比例积分调节器的实用电路分析针对图1（图9）所示由下℃54运算放大器构成的比例积分调节器，下面对它的组成环节和功能做分析

以获得极大的开环放大系数 K0，在 104 以上，实现稳态无静差。所以 PI 调节器的动态放大系数在调节过程中是变化的，刚开始调节时， K RR pi = f 0 ，调节结吏时 Kpi =∞。 4 带输出限幅电路的 PI（或 I）调节器由于 I、PI 调节器的积累特点，只要输入量 Ui不为零，输出量以就会无限制地增长。如果不加限制，让输出量 U0一直增长下去，势必会超出调节器的承受能力以及触发电路需要的控制电压的范围，这样会造成调节器、触发电路的损坏，使系统无法正常工作。所以 I、PI 调节器一般都设有输出限幅电路。当 I、PI 调节器输出电压 U0上升至限幅电路给出的限幅值 U0m时，U0停止上升并保持在 U0m上。通常把调节器输出最大电压 U0m称为调节器的限幅值或饱和值电压，这个电压的大小应根据调节器的承受能力和触发电路要求的最大控制电压 Uct 来决定，这个电压的调整由限幅电路来完成。输出限幅电路分外限幅和内限幅两种，如图 8 所示。 a）外限幅电路 b）内限幅电路图 8 比例积分调节器及其限幅电路图 8a 为一种常用的外限幅电路。其中+15V、VD1、RP1提供正限幅电压值 U+，-15V、 VD2、RP2提供负限幅电压值 U-，Rlim为限流电阻，正、负限幅电压的大小分别为 1 2 M VD N VD UU U UUU + − = + = + 式中，UM 、UN为电位器 M、N 点电位；UVD1、UVD2 分别为二极管正向管压降。这种电路的优点是：限幅值电压可以调节 M、N 点电位获得，缺点是：仅限制输出电压，而运算放大器仍然上升至饱和状态，要使输出电压下降仍存在退饱和的放电时间，因此动态过程会受到影响。图 8b 为一种常用的内限幅电路。采用两个对接的稳压二极管并接在反馈阻抗两端，输出限幅电压由稳压二极营反向击穿电压提供。这种电路的优点是线路简单；缺点是限幅值不可以调节。 5 比例积分调节器的实用电路分析针对图 1（图 9）所示由 FC54 运算放大器构成的比例积分调节器，下面对它的组成环节和功能做一分析

3DJ6 锁零电路s了D 一○锁零信号零漂抑制输入逃放入限 FC54 ,限流心 3.3 零点调节输出限幅功常放大图9由FC54运算放大器构成的比例积分调节器 5.1调节调零点、抑制零点漂移和锁零电路由运算放大器构成的调节器的基本要求之一是“零输入时，零输出”。若由于温度变化或其他原因而造成零输入时，输出不为零（零漂），则可调节调零电位器RP1,使输出为零。稳态时，电容器C1相当于开路，放大系数很大，这样运算放大器零点漂移的影响便很大，在由R,、C串联构成的反馈电路两端并联一个电阻R'1,可使零漂引起的输出电压的波动得到负反馈的抑制，如图9所示。R1一般取2~4M2。由于运算放大器的零漂，还可能使系统在“停车”时发生窜动（或蠕动），为此，采用锁零电路。即采用主令接触器的常闭触点在“停车”时将输出端与输入端短接：或采用电子开关将输出端与输入端短接，如图9所示。图中的电子开关采用N沟道耗尽型场效应晶体管（如 3D6)。当“停车”时，发出锁零信号，使栅极电压为零，则源、漏极间有较大电流通过（相当于短路)，相当于触点闭合，起锁委作用。当系统运行时，锁季信号消失，栅极在-15V电源作用下呈负压，当栅极负压大于或等于夹断电压后，源、漏极间相当开路，保证系统正常运行。栅极电路中的阻容滤波环节，主要起抗干扰作用，以防误动作。 5.2消除寄生振荡当运算放大器接成闭环后，由于放大系数很高，晶体管有结间电容，引线有电感和分布电容，使输出、输入间存在寄生耦合，产生高频寄生振荡。在FC54的3、10两端子间外接一补偿电容可以消除寄生振荡（见图9）。 5.3调节器的输入、输出限幅电路和输入滤波电路为防止过大的信号输入使运算放大器发生“堵塞现象”，在运算放大器的正、反相输入端间，外接两个反并联的二极管VD1和VD2,它们构成输入限幅电路（见图9）。为滤去输入信号中的谐波成分，在运算放大器的反相输入端外接了T形滤波电路，并起延缓作用。在稳态，电容C相当于开路，其输入回路电阻R=R,+R。(一般情况下 R,=R2=10~20k2)。在动态，T形滤波器相当于一个“惯性环节

图 9 由 FC54 运算放大器构成的比例积分调节器 5.1 调节调零点、抑制零点漂移和锁零电路由运算放大器构成的调节器的基本要求之一是“零输入时，零输出”。若由于温度变化或其他原因而造成零输入时，输出不为零（零漂），则可调节调零电位器 RP1，使输出为零。稳态时，电容器 C1相当于开路，放大系数很大，这样运算放大器零点漂移的影响便很大，在由 R1 、C1串联构成的反馈电路两端并联一个电阻 R'1，可使零漂引起的输出电压的波动得到负反馈的抑制，如图 9 所示。R'1一般取2~4MΩ。由于运算放大器的零漂，还可能使系统在“停车”时发生窜动（或蠕动），为此，采用锁零电路。即采用主令接触器的常闭触点在“停车”时将输出端与输入端短接；或采用电子开关将输出端与输入端短接，如图 9 所示。图中的电子开关采用 N 沟道耗尽型场效应晶体管（如 3DJ6）。当“停车”时，发出锁零信号，使栅极电压为零，则源、漏极间有较大电流通过（相当于短路），相当于触点闭合，起锁零作用。当系统运行时，锁零信号消失，栅极在-15V 电源作用下呈负压，当栅极负压大于或等于夹断电压后，源、漏极间相当开路，保证系统正常运行。栅极电路中的阻容滤波环节，主要起抗干扰作用，以防误动作。 5.2 消除寄生振荡当运算放大器接成闭环后，由于放大系数很高，晶体管有结间电容，引线有电感和分布电容，使输出、输入间存在寄生耦合，产生高频寄生振荡。在 FC54 的 3、10 两端子间外接一补偿电容可以消除寄生振荡（见图 9）。 5.3 调节器的输入、输出限幅电路和输入滤波电路为防止过大的信号输入使运算放大器发生“堵塞现象”，在运算放大器的正、反相输入端间，外接两个反并联的二极管 VD1和 VD2，它们构成输入限幅电路（见图 9）。为滤去输入信号中的谐波成分，在运算放大器的反相输入端外接了 T 形滤波电路，并起延缓作用。在稳态，电容 C0相当于开路，其输入回路电阻 RR R 0 01 02 = + （一般情况下 01 02 RR k = = Ω 10 ~ 20 ）。在动态，T 形滤波器相当于一个“惯性环节