位置隨動系統(tǒng)的MATLAB計算及仿真畢業(yè)設(shè)計說明書

1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書位置隨動系統(tǒng)的matlab計算及仿真引 言位置隨動系統(tǒng)是應(yīng)用非常廣泛的一類工程控制系統(tǒng)，它屬于自動控制系統(tǒng)中的一類反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在實際中位置隨動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，位置隨動系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)、國防和高科技領(lǐng)域中不可缺少的設(shè)備，是電力拖動自動控制系統(tǒng)的一個重要分支。本次設(shè)計研究的是經(jīng)典的三環(huán)位置隨動系統(tǒng)，即在轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加位置環(huán)的三環(huán)位置隨動系統(tǒng)。位置隨動系統(tǒng)需要實現(xiàn)位置反饋，所以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上必定要有位置環(huán)，位置環(huán)是隨動系統(tǒng)重要的組成部分，位置隨動系統(tǒng)的基本特征體現(xiàn)在位置環(huán)上，根據(jù)給定

2、信號與位置檢測反饋信號綜合比較的不同原理，位置隨動系統(tǒng)分為模擬與數(shù)字式兩類，本次設(shè)計的系統(tǒng)屬于模擬式隨動系統(tǒng)，本次設(shè)計選用的模型是大功率三環(huán)位置隨動系統(tǒng)。這種三環(huán)系統(tǒng)適用于大功率隨動系統(tǒng)，特點是給定量是一個隨機(jī)變化的量，要求輸出量準(zhǔn)確跟隨給定量的變化，同傳統(tǒng)的電力拖動中的調(diào)速系統(tǒng)一樣，穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定也是系統(tǒng)必備的，在動態(tài)性能中，調(diào)速系統(tǒng)多強(qiáng)調(diào)抗擾性，而位置隨動系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)快速跟隨性能。同其它的單環(huán)還是兩環(huán)位置隨動系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)優(yōu)點突出，在跟隨性能上，控制精度高，輸出響應(yīng)的靈敏性和準(zhǔn)確性都要好于其它的隨動系統(tǒng)，僅有輸出響應(yīng)的快速性不如單環(huán)位置隨動系統(tǒng)。然后我們要按工程法設(shè)計電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的

3、調(diào)節(jié)器，首先要設(shè)計的是直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可參考電力拖動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，調(diào)節(jié)器按工程設(shè)計方法，轉(zhuǎn)速和電流環(huán)都采用典型i型系統(tǒng)，都采用pi調(diào)節(jié)器，位置環(huán)采用pid調(diào)節(jié)器同時選用典型ii型系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)系統(tǒng)快速性差的不足，這種最終校正成ii型系統(tǒng)的好處是沒有系統(tǒng)誤差。matlab軟件在學(xué)術(shù)和許多實際領(lǐng)域中都得到廣泛的應(yīng)用，具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計算和繪圖功能，尤其在動態(tài)系統(tǒng)仿真方面更有獨到的優(yōu)勢。它提供的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具是眾多仿真軟件中功能最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易實現(xiàn)的一種，可以有效地解決仿真技術(shù)中的一些難題。所以，在將系統(tǒng)設(shè)計完善之后，我們要用到matlab軟件進(jìn)行結(jié)果仿真，matlab軟件能很好的體

4、現(xiàn)三環(huán)位置隨動系統(tǒng)的特點。第一章 位置隨動系統(tǒng)的概述1.1 位置隨動系統(tǒng)的概念位置隨動系統(tǒng)也稱伺服系統(tǒng)，是輸出量對于給定輸入量的跟蹤系統(tǒng)，它實現(xiàn)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)對于位置指令的準(zhǔn)確跟蹤。位置隨動系統(tǒng)的被控量(輸出量)是負(fù)載機(jī)械空間位置的線位移和角位移，當(dāng)位置給定量(輸入量)作任意變化時，該系統(tǒng)的主要任務(wù)是使輸出量快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量的變化，所以位置隨動系統(tǒng)必定是一個反饋控制系統(tǒng)。 位置隨動系統(tǒng)是應(yīng)用非常廣泛的一類工程控制系統(tǒng)。它屬于自動控制系統(tǒng)中的一類反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在實際中位置隨動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。例如，數(shù)控機(jī)床的定位控制和加工軌跡控制，船舵的自動操縱，火炮方位的自動

5、跟蹤，宇航設(shè)備的自動駕駛，機(jī)器人的動作控制等等。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，位置隨動系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)、國防和高科技領(lǐng)域中不可缺少的設(shè)備，是電力拖動自動控制系統(tǒng)的一個重要分支。1.2 位置隨動系統(tǒng)的特點及品質(zhì)指標(biāo)位置隨動系統(tǒng)與拖動控制系統(tǒng)相比都是閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，即通過對輸出量和給定量的比較，組成閉環(huán)控制，這兩個系統(tǒng)的控制原理是相同的。對于拖動調(diào)速系統(tǒng)而言，給定量是恒值，要求系統(tǒng)維持輸出量恒定，所以抗擾動性能成為主要技術(shù)指標(biāo)。對于隨動系統(tǒng)而言，給定量即位置指令是經(jīng)常變化的，是一個隨機(jī)變量，要求輸出量準(zhǔn)確跟隨給定量的變化，因而跟隨性能指標(biāo)即系統(tǒng)輸出響應(yīng)的快速性、靈敏性與準(zhǔn)確性成為它的主要性能指標(biāo)。

6、位置隨動系統(tǒng)需要實現(xiàn)位置反饋，所以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上必定要有位置環(huán)。位置環(huán)是隨動系統(tǒng)重要的組成部分，位置隨動系統(tǒng)的基本特征體現(xiàn)在位置環(huán)上。根據(jù)給定信號與位置檢測反饋信號綜合比較的不同原理，位置隨動系統(tǒng)分為模擬與數(shù)字式兩類。總結(jié)后可得位置隨動系統(tǒng)的主要特征如下：1位置隨動系統(tǒng)的主要功能是使輸出位移快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定位移。2必須具備一定精度的位置傳感器，能準(zhǔn)確地給出反映位移誤差的電信號。3電壓和功率放大器以及拖動系統(tǒng)都必須是可逆的。4控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)快速響應(yīng)的要求，其中快速響應(yīng)中，更強(qiáng)調(diào)快速跟隨性能。1.3 位置隨動系統(tǒng)的基本組成1.3.1 電位器式位置隨動系統(tǒng)的組成下面通過一個簡單的例子

7、說明位置隨動系統(tǒng)的基本組成，其原理圖如圖1-1所示。這是一個電位器式的小功率位置隨動系統(tǒng)，有以下五個部分組成：圖1-1 電位器式位置隨動系統(tǒng)原理圖1位置傳感器 由電位器和組成位置傳感器。是給定位置傳感器,其轉(zhuǎn)軸與操縱輪連接，發(fā)出轉(zhuǎn)角給定信號；是反饋位置傳感器，其轉(zhuǎn)軸通過傳動機(jī)構(gòu)與負(fù)載的轉(zhuǎn)軸相連，得到轉(zhuǎn)角反饋信號。兩個電位器由同一個直流電源供電，使電位器輸出電壓和，直接將位置信號轉(zhuǎn)換成電壓量。誤差電壓反映了給定與反饋的轉(zhuǎn)角誤差，通過放大器等環(huán)節(jié)拖動負(fù)載，最終消滅誤差。2電壓比較放大器（a） 兩個電位器輸出的電壓信號和在放大器a中進(jìn)行比較與放大，發(fā)出控制信號。由于是可正可負(fù)的，放大器必須具有鑒別電

8、壓極性的能力。輸出的控制電壓也是可逆的。3電力電子變換器（upe） 它主要起功率放大的作用（同時也放大了電壓），而且必須是可逆的。在小功率直流隨動系統(tǒng)中多用p-mosfet或igbt橋式pwm變換器。對于大功率位置隨動系統(tǒng)，會用到可逆的脈寬調(diào)制式pwm變換器。4伺服電機(jī)（sm） 在小功率直流隨動系統(tǒng)中多用永磁式直流伺服電機(jī)，在不同情況下也可采用其它直流或交流伺服電機(jī)。大功率隨動系統(tǒng)中也可采用永磁式直流伺服電機(jī)，由伺服電機(jī)和電力電子變換器構(gòu)成可逆拖動系統(tǒng)是位置隨動系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。5減速器與負(fù)載 在一般情況下負(fù)載的轉(zhuǎn)速是很低的，在電機(jī)與負(fù)載之間必須設(shè)有傳動比為的減速器。在現(xiàn)代機(jī)器人、汽車電子機(jī)械等

9、大功率設(shè)備中，為了減少機(jī)械裝置，傾向于采用低速電機(jī)直接傳動，可以取消減速器。以上五個部分是各種位置隨動系統(tǒng)都有的，在不同情況下，由于具體條件和性能要求的不同，所采用的具體元件、裝置和控制方案可能有較大的差異。1.3.2 位置傳感器的分類和簡單介紹精確而可靠地發(fā)出位置給定信號并檢測被控對象的位置是位置隨動系統(tǒng)工作良好的基本特征。位置傳感器將具體的直線或角位移轉(zhuǎn)換成模擬的或數(shù)字的電量，再通過信號處理電路或算法，形成與控制器輸入量相匹配的位置誤差信號。位置傳感器的分類很多，常用的有以下幾種：1電位器電位器是最簡單的位移電壓傳感器，可以直接給出電壓信號，價格便宜、使用方便，但滑臂與電阻間有滑動接觸，容

10、易磨損或接觸不良，可靠性較差。2基于電磁感應(yīng)原理的位置傳感器屬于這一類的位置傳感器有自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等，是應(yīng)用比較廣泛的模擬式位置傳感器，可靠性和精度都較好。3光電編碼器光電編碼器由光源、光柵碼盤和光敏元件三部分組成，直接輸出數(shù)字式電脈沖信號，是現(xiàn)代數(shù)字式隨動系統(tǒng)主要采用的位置傳感器。碼盤一般為圓形，由電動機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，也有用直線形的，由電動機(jī)構(gòu)傳動。按照輸出脈沖與對應(yīng)位置關(guān)系的不同，光電編碼器有增量式和絕對值式兩種，也有將兩者結(jié)合為一體的混合式編碼器。1）增量式編碼器。脈沖數(shù)值直接與位移的增量成正比時稱作增量式編碼器，常用的圓形增量式碼盤每轉(zhuǎn)發(fā)出個脈沖，高精度碼盤可達(dá)數(shù)萬個脈沖

11、。通過信號處理電路和可逆計數(shù)器可以輸出位置增量信號，再經(jīng)過測速算法，可以給出轉(zhuǎn)速信號；2）絕對值式編碼器。絕對值式編碼器碼盤的圖案由若干個同心圓環(huán)組成，稱作碼道。碼道的道數(shù)與二進(jìn)制的位數(shù)相同，有固定的零點，每個位置對應(yīng)著距零點不同位置的絕對值。絕對值式碼盤一周的總計數(shù)為，其中n為碼盤的位數(shù)，一般，粗精結(jié)合的碼盤可達(dá)。絕對值式編碼器的碼盤又分為二進(jìn)制碼盤和循環(huán)碼碼盤兩種。這里就不做介紹。4磁性編碼器和光電編碼器一樣，磁性編碼器也是由位移量變換成數(shù)字式電脈沖信號的傳感器，近年來發(fā)展相當(dāng)迅速，已有磁敏電阻式、勵磁磁環(huán)式、霍耳元件式等多種類型。與光電編碼器相比，磁性編碼器的突出優(yōu)點是：適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，

12、不怕灰塵、油污和水露，結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，響應(yīng)速度快，壽命長；不足之處是制成高分辨率有一定困難。磁性編碼器也可以做成增量式或絕對值式，在數(shù)字隨動系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。 1.4 位置隨動系統(tǒng)的分類隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了各類隨動系統(tǒng)由于位置隨動系統(tǒng)的特征體現(xiàn)在位置上，體現(xiàn)在位置給定信號和位置反饋信號及兩個信號綜合比較方面，因此可根據(jù)這個特征將它劃分為兩個類型，一類是模擬式隨動系統(tǒng)，一類是數(shù)字式隨動系統(tǒng)。數(shù)字式隨動系統(tǒng)又可分為數(shù)字相位隨動系統(tǒng)和數(shù)字脈沖隨動系統(tǒng)。由于本次設(shè)計研究的是模擬隨動系統(tǒng)，數(shù)字隨動系統(tǒng)就不做介紹。對于模擬隨動系統(tǒng)可按閉環(huán)系統(tǒng)分為三類。1多環(huán)位置隨動系統(tǒng)這里只詳細(xì)介紹經(jīng)典的位

13、置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，這類系統(tǒng)適用廣泛。多環(huán)系統(tǒng)還包括只有位置環(huán)、電流環(huán)，沒有轉(zhuǎn)速環(huán)；或是只有位置環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)，沒有電流環(huán)，其實同三環(huán)系統(tǒng)大同小異，分析和設(shè)計方法相同。位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)系統(tǒng)在電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，外邊再加一個位置控制環(huán)，便形成一個三環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1-2所示。三環(huán)的調(diào)節(jié)器分別稱為位置調(diào)節(jié)器（apr）、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（asr）、電流調(diào)節(jié)器（acr）。其中位置環(huán)屬外環(huán)，是最主要的環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)即是位置環(huán)的內(nèi)環(huán)，又是電流環(huán)的外環(huán)，電流環(huán)是系統(tǒng)內(nèi)環(huán)。在設(shè)計調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器可按原雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計和整定方法來解決。其中位置調(diào)節(jié)器apr就是位置環(huán)校正裝置，

14、它的類型和參數(shù)決定了位置隨動系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和動態(tài)跟隨性能，其輸出限幅值決定了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。位置、轉(zhuǎn)速、電流三個閉環(huán)都畫成單位反饋，反饋系數(shù)都已計入各調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)中去。和雙閉環(huán)控制系統(tǒng)一樣，多環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法也是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，逐個設(shè)計各環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器。按此規(guī)律，對于如圖1-2所示的三環(huán)位置隨動系統(tǒng)，應(yīng)首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器acr，然后將電流環(huán)簡化成轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的控制對象，再設(shè)計asr。最后，再把整個轉(zhuǎn)速環(huán)簡化為位置環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，從而設(shè)計位置調(diào)節(jié)器apr。逐環(huán)設(shè)計可以使每個控制環(huán)都是穩(wěn)定的，從而保證整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的對象

15、參數(shù)變化或擾動時，電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋都能夠起到及時的抑制作用，使之對位置環(huán)的工作影響很小。同時每個環(huán)節(jié)都有自己的控制對象，分工明確，易于調(diào)整。但這樣的逐環(huán)設(shè)計的多環(huán)控制系統(tǒng)也有明顯的不足，即對外環(huán)的控制作用的響應(yīng)不會很快。這是因為設(shè)計每個環(huán)節(jié)時，都要將內(nèi)環(huán)等效成其中的一個環(huán)節(jié)，而這種等效環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之所以能夠成立，是以外環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)環(huán)為前提的。在一般模擬控制的隨動系統(tǒng)中，電流環(huán)的截圖1-2位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)位置隨動系統(tǒng)的原理圖bq-光電位置傳感器 dsp-數(shù)字轉(zhuǎn)速信號形成環(huán)節(jié)止頻率約，轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率約在2030之間，最高不超過50，照此推算，位置環(huán)的截止頻率只有左右。位置環(huán)的截止

16、頻率被限制的太低，會影響系統(tǒng)的快速性，因為這類三環(huán)控制的位置隨動系統(tǒng)只適用于對快速跟隨性能要求不高的場合，例如點位控制的機(jī)床隨動系統(tǒng)。在近代數(shù)字控制的隨動系統(tǒng)中，控制對象的快速響應(yīng)性能已經(jīng)大大提高，各控制環(huán)的采樣周期也可以大大縮短，其轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率達(dá)，因而位置環(huán)的截止頻率也可以提高，在要求高動態(tài)性能的數(shù)控機(jī)床軌跡控制和機(jī)器人控制中都取得了很好的應(yīng)用效果。在位置、轉(zhuǎn)速 、電流三環(huán)系統(tǒng)中，位置調(diào)節(jié)器的輸出是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入，速度調(diào)節(jié)器是電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出直接控制功率變換單元，也就是脈寬調(diào)制系統(tǒng)。這三個環(huán)的反饋信號都是負(fù)反饋，三個環(huán)都是反相放大器。三環(huán)相制約，使控制達(dá)到極其完美的地

17、步。2單環(huán)位置隨動系統(tǒng)如果要提高位置隨動系統(tǒng)的快速跟隨性，可以舍去多環(huán)結(jié)構(gòu)，采用單位置環(huán)控制。這時，為了避免在過渡過程中電流沖擊過大，可以采用電流截止反饋保護(hù)，或者選擇允許過載倍數(shù)比較高的伺服電機(jī)。作為動態(tài)校正和快速跟隨作用的位置調(diào)節(jié)器常選用pd或pid調(diào)節(jié)器，其中微分控制都是為了提高加快作用的。對于中小功率的隨動系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的快速性，可以采用只有位置反饋的單環(huán)結(jié)構(gòu)。這是因為在小功率隨動系統(tǒng)中，電機(jī)的電樞電阻一般比較大，其允許的過載倍數(shù)也比較高，可以不必過多限制過渡過程的電流，應(yīng)避免采用多環(huán)結(jié)構(gòu)，所以這里不設(shè)置電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，而采用只有轉(zhuǎn)角反饋的單環(huán)結(jié)構(gòu)。單環(huán)隨動系統(tǒng)的原理圖如圖1-3所

18、示。3復(fù)合控制的隨動系統(tǒng)無論是多環(huán)還是單環(huán)隨動系統(tǒng)，都是通過位置調(diào)節(jié)器apr來實現(xiàn)反饋控制的。這圖1-3 單環(huán)位置隨動系統(tǒng)的原理圖時，給定信號的變化要經(jīng)過apr才能起作用，在設(shè)計apr時，為了保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不可能過分照顧快速跟隨作用。如果要進(jìn)一步加強(qiáng)跟隨性能，可以從給定信號直接引出開環(huán)的前饋控制，和閉環(huán)的反饋控制一起，構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1-4所示。利用結(jié)構(gòu)圖變換可以求出復(fù)合控制位置隨動系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) （1-1）上述的復(fù)合控制系統(tǒng)是從給定輸入信號引出前饋補(bǔ)償?shù)?，從而提高了系統(tǒng)跟隨給定的精度，可以稱作按給定輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制。與此相仿，當(dāng)擾動信號可測時，也可以從擾動作用

19、上引出前饋補(bǔ)償信號，從而減少或消除擾動誤差，形成按擾動補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)，如圖1-5所示。由圖不難求出按擾動補(bǔ)償?shù)耐耆蛔冃詶l件為 （1-2）須注意式（1-2）中的是圖1-5中的，不是圖1-4中的，它是控制對象中位于擾動作用點以前的一部分，與圖1-4中標(biāo)明的含義完全不同，不要混淆。圖1-4 復(fù)合控制位置隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖圖1-5 按擾動補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制位置隨動系統(tǒng)1.5 位置隨動系統(tǒng)的誤差分析位置隨動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，希望其輸出位置盡量準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入位置信號，或者說，要求系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)態(tài)精度，所以產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差越小越好。例如，某薄鋼板軋機(jī)壓下裝置隨動系統(tǒng)的定位精度要求0.01，否則軋制出來的薄鋼

20、板將成廢品；在一架高射炮雷達(dá)的隨動系統(tǒng)中，要求瞄準(zhǔn)精度2密位，否則高射炮將不能命中目標(biāo)，貽誤戰(zhàn)機(jī)。由此可見，對位置隨動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的分析是十分重要的。影響隨動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的因素主要來自以下兩個方面：1）檢測誤差，包括給定位置和反饋位置傳感器的誤差；2）系統(tǒng)誤差，包括系統(tǒng)造成的給定誤差和擾動誤差，與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、以及給定和擾動輸入量的類型、大小與作用點有關(guān)。下面分別討論這兩種誤差。1檢測誤差檢測誤差取決與于傳感器的原理和制造精度，是傳感器本身所固有的，控制系統(tǒng)無法克服。常用的位置傳感器誤差量列級于表1-1中，供選擇和計算時參考。表1-1 位置傳感器的誤差范圍位置傳感器誤

21、差量級 電位器自整角機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器圓盤式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器光電和磁性編碼器 度 角分（） 角秒（） 微米（） 2系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差包括由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)造成的穩(wěn)態(tài)給定誤差和在擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。實際的位置隨動系統(tǒng)可能承受的擾動有負(fù)載變化、電源電壓變化、參數(shù)變化、放大器零漂、噪聲干擾等，它們在系統(tǒng)上的作用點各不相同，分析時可以用一種擾動作為代表。假定系統(tǒng)是線性的，則考慮某一種擾動作用時隨動系統(tǒng)的的一般動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-6所示，圖中，和是給定輸入和系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)角，是輸入和輸出之間的系統(tǒng)誤差，代表擾動輸入，和分別是系統(tǒng)在擾動作用點以前和以后部分的傳遞函數(shù)，而且，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （1

22、-3）圖1-6 線性位置隨動系統(tǒng)的一般動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由圖1-6可得 （1-4） 而 （1-5）以式（1-3）和式（1-4）帶入式（1-5）整理后得 （1-6）式中給定誤差的象函數(shù)，； 擾動誤差的象函數(shù)，。由式（1-6）可以看出系統(tǒng)誤差由給定誤差和擾動誤差兩部分組成，它們分別取決于給定輸入和擾動輸入信號，也和系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)有關(guān)。根據(jù)拉氏變換的終值定理可以求出給定誤差和擾動誤差的穩(wěn)態(tài)值 = 將傳遞函數(shù)的分母和分子都寫成積分環(huán)節(jié)和的多項式，則線性傳遞函數(shù)和可分別寫成 ，式中和為，中所含積分環(huán)節(jié)的數(shù)目；，均為單位項為1的多項式；，分別為，的增益 ，且令。當(dāng)趨近于0時，各項多項式均趨近于1，則給定誤

23、差和擾動誤差的表達(dá)式可以改寫成 （1-7） （1-8）式（1-7）和式（1-8）表明：1）給定誤差與系統(tǒng)的開環(huán)增益和前項通道中所有積分環(huán)節(jié)的總數(shù)有關(guān)；2）擾動誤差則只與擾動作用點以前部分的增益及其積分環(huán)節(jié)數(shù)目有關(guān)。在自動控制原理中，根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中的積分環(huán)節(jié)的數(shù)目，對于，1，2，3等不同數(shù)值分別稱作0型、i型、ii型、系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)誤差就決定于這樣定義的系統(tǒng)類型。對于位置隨動系統(tǒng)來說，由于轉(zhuǎn)角是轉(zhuǎn)速對時間的積分，控制對象中的最后一個環(huán)節(jié)一定是積分環(huán)節(jié)，所以， 不可能出現(xiàn)0型系統(tǒng)。而iii型和iii型以上的系統(tǒng)是很難穩(wěn)定的，因此，通常多用i型和ii型系統(tǒng)。但是， 和最終為何值還要看和所含

24、的階次，也就是說，還取決于給定和擾動輸入信號的類型。位置隨動系統(tǒng)的典型給定輸入信號有以下三種類型，位置階躍輸入、速度輸入、加速度輸入。我們把它們的給定穩(wěn)態(tài)誤差一起列于表1-2中。表1-2 給定穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號單位階躍輸入單位速度輸入單位加速度輸入給定誤差系統(tǒng)類型i型系統(tǒng)0 ii型系統(tǒng)00表1-2給定誤差的物理意義是，i型位置隨動系統(tǒng)只有轉(zhuǎn)速到位移之間的一個積分環(huán)節(jié)。在位置階躍輸入下，只要就有控制電壓，電機(jī)就要轉(zhuǎn)動，由于負(fù)載等擾動的影響已計入擾動誤差，現(xiàn)在不考慮任何擾動，電機(jī)將一直轉(zhuǎn)到偏差電壓等于零時為止，因此穩(wěn)態(tài)的給定誤差為零。如果是速度輸入，給定位置信號不斷增長，要實現(xiàn)準(zhǔn)確跟蹤，輸出軸必須與

25、輸入軸同步旋轉(zhuǎn)，因此電機(jī)電樞兩端必須有一定數(shù)值的電壓來保證所需的轉(zhuǎn)速，這時偏差電壓就必須維持一定的數(shù)值，即輸入信號與輸出信號之間一定是有差的，系統(tǒng)開環(huán)增益越大，誤差可以越小，所以給定誤差是開環(huán)增益的倒數(shù)。如果是ii型系統(tǒng)，則一般在控制器中還有一個積分環(huán)節(jié)，可以在的情況下保持一定的控制電壓，以滿足電機(jī)不斷轉(zhuǎn)動的需要，因而給定誤差又為零。第二章 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的簡單介紹 本次所要設(shè)計的位置隨動系統(tǒng)是一個三環(huán)隨動系統(tǒng)，是基于直流雙閉環(huán)系統(tǒng)加一個位置環(huán)。所以在對位置隨動系統(tǒng)的設(shè)計和仿真之前簡單介紹和分析一下直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性2.1.1 轉(zhuǎn)速、電

26、流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實行串級連接，如圖2-1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器upe。從閉換結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。圖2-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) asr-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr-電流調(diào)節(jié)器 tg-測速發(fā)電機(jī) ta-電流互感器 upe-電力電子變換器 -轉(zhuǎn)速給定電壓 -轉(zhuǎn)速反饋電壓 -電流給定電壓 -電流反饋電壓 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，

27、轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用pi調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如圖2-2所示。圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器的輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器acr的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。 圖2-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖2.1.2 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，先繪出穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-3所示。它可以很方便的根據(jù)電路原理圖畫出來，只要注意用帶限

28、幅的輸出特性表示pi調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的pi調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值，不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，pi的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。實際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此 由第一個關(guān)系式可得 （2-1）從

29、而得到圖2-4所示靜特性的ca段。與此同時，由于asr不飽和，從上述第二個關(guān)系式可知。這就是說，ca段特性從理想空載狀態(tài)的一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行階段，它是一 圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 -轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) -電流反饋系數(shù)條水平的特性。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，asr輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 （2-2）其中，最大電流是由設(shè)計者選定的，取決于電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。式（2-2）所描述的靜特性對應(yīng)于圖2-4中的ab段，它是一條垂直的特性。

30、這樣的下垂特性只適用于的情況，因為如果，則，asr將退出飽和狀態(tài)。圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到的過電流的自動保護(hù)。這就是采用了兩個pi調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)要好。然而，實際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點漂移而采用了pi調(diào)節(jié)器，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜誤差。見圖2-4中的虛線。2.1.3 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的

31、穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù) 由圖2-3可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān)系 （2-3） （2-4） （2-5）上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定的，asr的輸出量是由負(fù)載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于和，或者說，同時取決于和。這些關(guān)系反映了pi調(diào)節(jié)器不同于p調(diào)節(jié)器的特點。p調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而pi調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面的環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要pi調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。鑒于這一點，雙閉環(huán)系

32、統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) （2-6） 電流反饋系數(shù) （2-7）兩個給定電壓的最大值和由設(shè)計者選定，受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)態(tài)電源的限制。2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖和動態(tài)性能分析2.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)圖如圖2-3，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-5所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來。 圖2

33、-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.2.2 起動過程分析前面已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要探討它的起動過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的起動態(tài)過程如圖2-6所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的i、ii、iii三個階段。第i階段（0）是電流上升階段。突加給定電壓后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用，、都跟著上升，但是在沒有達(dá)到負(fù)載電流以前，電動機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng) 后，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，

34、因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升。直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，asr很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而acr一般不飽和。第ii階段（）是恒流升速階段，是起動過程中的主要階段。在這個階段中，asr始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持的恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電動機(jī)的反電動勢也按線性增長（見圖2-6），對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，是一個線性漸增的擾動量（見圖2-6）。為了克服這個擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。當(dāng)acr采用p

35、i調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于（見圖2-6）。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中acr不應(yīng)飽和，電力圖2-6 雙閉環(huán)直流調(diào)素系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形電子裝置upe的最大輸出電壓也需留有余地，這些都是設(shè)計時必須注意的。第iii階段（以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。但轉(zhuǎn)速超調(diào)后，asr輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到時，轉(zhuǎn)矩，則，轉(zhuǎn)速

36、才達(dá)到峰值（時）。此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此對應(yīng)，在時間內(nèi)，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩過程。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，asr和acr都不飽和，asr起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而acr則力圖使盡快地跟隨其給定值，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：1飽和非線性控制。隨著asr的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法分析，不能簡單地用線性控制理論來分析起動過程，也不能簡單地用線性控制理論來籠統(tǒng)地設(shè)計這樣的控制系統(tǒng)。2轉(zhuǎn)速超調(diào)。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器a

37、sr采用pi調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其它控制方法抑制超調(diào)。3準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。在設(shè)備允許的條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”，對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程i、iii兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想起動過程相比還有一些差距，不過這兩階段時間只占全部起動時間中很小的部分，無傷大局，可稱作“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。最后，應(yīng)該指出，對于不可逆的電力電子變換器，雙閉

38、環(huán)控制只能保證良好的起動性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。必須加快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁報閘。必須回饋制動時，可采用可逆的電力電子變換器。2.2.3 動態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。1抗負(fù)載擾動由圖2-5可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動作用。在設(shè)計asr時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。2抗電網(wǎng)電壓變化擾動電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生了擾動作用。首先來看單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。如圖2-7

39、a），圖中的和都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點不同，存在者能否及時調(diào)節(jié)的差別。負(fù)載擾動能夠比較快的反映到被調(diào)量上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量稍遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓的擾動性能要差一些。a) b)圖2-7 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用 a)單閉環(huán)系統(tǒng) b)雙閉環(huán)系統(tǒng) -電網(wǎng)電壓波動在可控電源電壓上的反映在圖2-7b）所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)

40、中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小的多。2.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下。1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用pi調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差；2）對負(fù)載變化起抗擾作用；3）其輸出限幅值決定電動機(jī)允許的最大電流。2電流調(diào)節(jié)器的作用1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化；2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾作用；3）轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機(jī)允許的最大電流，從

41、而加快動態(tài)過程；4）當(dāng)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。第三章 電力拖動系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)設(shè)計必須從動態(tài)校正的需要來解決。針對單閉環(huán)系統(tǒng)采用的借助伯德圖設(shè)計串聯(lián)校正裝置的方法，當(dāng)然也適用于雙閉環(huán)系統(tǒng)。問題是設(shè)計每一個調(diào)節(jié)器時，都必須先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性，再根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后的系統(tǒng)的預(yù)期特性，經(jīng)過反復(fù)試湊，才能確定調(diào)節(jié)器的特性，從而選定其結(jié)構(gòu)并計算參數(shù)。反復(fù)試湊過程也就是系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾諸方面矛

42、盾的正確解決過程，需要有熟練的設(shè)計技巧才行，于是便產(chǎn)生建立更簡便適用的工程設(shè)計方法?，F(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)，除電機(jī)外，都是由慣性很小的電力電子元件和集成電路組成。經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng)，而用運(yùn)算放大器或數(shù)字式微處理器可以精確地實現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。如果事先對這些典型系統(tǒng)作比較深入的研究，把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當(dāng)作預(yù)期的特性，弄清楚它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表，則在設(shè)計時，只要把實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進(jìn)行參數(shù)計算，設(shè)計

43、過程就要簡單的多。這樣，就有了建立工程設(shè)計方法的可能性。有了必要性和可能性，各種工程設(shè)計方法便相繼提出。其中有德國西門子公司提出的“調(diào)節(jié)器最佳整定”法，包括“模最佳”和“對稱最佳”兩種參數(shù)設(shè)計方法，傳入我國后，習(xí)慣上稱作“二階最佳”和“三階最佳”設(shè)計。這種方法已在國際上普遍應(yīng)用，其公式簡明好記，但也存在一些問題，例如，只有所謂的“最佳”參數(shù)計算公式，調(diào)試系統(tǒng)時，如果系統(tǒng)性能不夠滿意，不能明確調(diào)整參數(shù)的方向；特別是沒有考慮到調(diào)節(jié)器飽和這一關(guān)鍵問題，使計算結(jié)果存在不小的誤差。在經(jīng)過學(xué)者對該方法的深入分析研究，并吸取隨動設(shè)計用的“振蕩指標(biāo)法”和其他學(xué)者提出的“模型系統(tǒng)法”的長處，歸納出調(diào)節(jié)器的工程設(shè)

44、計方法。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法所遵循的原則是：1概念清楚、易懂。2計算公式簡明、好記。3不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向。4能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式。5適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。 如果要求更精確的動態(tài)性能，可參考“模型系統(tǒng)法”。對于復(fù)雜的不可能簡化成典型系統(tǒng)的情況，可采用高階系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)的計算機(jī)輔助分析和設(shè)計。3.1 工程設(shè)計方法的基本思路作為工程設(shè)計方法，首先使問題簡化，突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計分作兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動

45、態(tài)性能指標(biāo)的要求。這樣做就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾，即動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中再進(jìn)一步滿足其它動態(tài)性能指標(biāo)。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按照現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了。這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。3.2 典型系統(tǒng)一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可以用下式表示 （3-1）其中分子和分母上還有可能含有復(fù)數(shù)零點和負(fù)數(shù)極點。分母中的項表示該系統(tǒng)在原點有重極點，或者說，系統(tǒng)含有個積分環(huán)節(jié)。根據(jù)，1，2，的不同數(shù)值，分別稱作0型、

46、i 型、ii型、系統(tǒng)。自動控制理論已證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而iii型和iii型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多用i型和ii型系統(tǒng)。i型和ii型系統(tǒng)還有多種多樣的結(jié)構(gòu)，下面各選一種作為典型。1典型i型系統(tǒng)作為典型i型系統(tǒng)，其開環(huán)的傳遞函數(shù)為 （3-2）式中 系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；系統(tǒng)的開環(huán)增益。它的閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1a）所示。而圖3-1b）表示它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。選擇它作為典型的i型系統(tǒng)是因為其結(jié)構(gòu)簡單，而且對數(shù)幅頻特性的中頻段的斜率穿越線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。顯然，要做到這一點，應(yīng)在選擇參數(shù)時

47、保證 或 于是，相角穩(wěn)定裕度。2典型ii型系統(tǒng)在各種ii型系統(tǒng)中，選擇一種結(jié)構(gòu)簡單而且能保證穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)作為典型ii型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為 （3-3） a) b)圖3-1 典型i型系統(tǒng) a) 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b) 開環(huán)對數(shù)頻率特性a) b)圖3-2 典型ii型系統(tǒng) a) 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b) 開環(huán)對數(shù)頻率特性它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和開環(huán)對數(shù)頻率特性如圖3-2所示，其中頻段也是的斜率穿越線。由于分母中相對應(yīng)的相頻特性是，后面還有一個慣性環(huán)節(jié)，如果不在分子添上一個比例微分環(huán)節(jié)，就無法把相頻特性提高到線以上，也就無法保證系統(tǒng)穩(wěn)定。要實現(xiàn)圖3-2b）的特性，顯然應(yīng)保證 或 而相角穩(wěn)定裕度為 比t大的

48、多，則系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。典型i型系統(tǒng)與典型ii型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和西門子方法中的“二階最佳系統(tǒng)”與“三階最佳系統(tǒng)”是一樣的，只是名稱不同。然而，階數(shù)上是三階或二階只是表面現(xiàn)象，因為經(jīng)過降階處理后，高階系統(tǒng)可以近似地降為低階，而i型和ii型以及由此表明的在穩(wěn)態(tài)精度上的差異才是這兩類系統(tǒng)本質(zhì)上的區(qū)別，所以采用現(xiàn)在的命名更妥當(dāng)。3.3 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達(dá)為動態(tài)性能指標(biāo)。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括對給定輸入信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)。1跟隨性能指標(biāo) 在給定信號或參考輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能描述

49、。當(dāng)給定信號變化方式不同時，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零時給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟蹤過程，這時的輸出量動態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。1）上升時間，圖3-3繪出了階躍響應(yīng)的跟隨過程，圖中的是輸出量的穩(wěn)定值。在跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到所經(jīng)過的時間稱作上升時間，它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性；2）超調(diào)量，與峰值時間在階躍響應(yīng)過程中，超過以后輸出量有可能繼續(xù)升高，到峰值時間時達(dá)到最大值，然后回落。超過穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)叫做超調(diào)量即 （3-4）超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定性越好； 圖3-3典型的階躍響應(yīng)過程

50、和跟隨性能指標(biāo)3）調(diào)節(jié)時間，調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量輸出量整個調(diào)節(jié)過程的快慢。理論上，線性系統(tǒng)的輸出過渡過程要到才穩(wěn)定，但實際上由于存在各種非線性因素，過渡過程到一定時間就終止了。為了線性系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線上表示調(diào)節(jié)時間，認(rèn)定穩(wěn)態(tài)值上下（或取）的范圍為允許誤差帶，將輸出量達(dá)到并不超出該誤差帶所需要的時間定義為調(diào)節(jié)時間。顯然，調(diào)節(jié)時間既反映了系統(tǒng)的快速性，也包含者它的穩(wěn)定性。2抗擾性能指標(biāo)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，突加一個使輸出量降低的擾動量后，輸出量由降低到恢復(fù)的過渡過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，如圖3-4。常用的抗擾性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時間。1）動態(tài)降落，系統(tǒng)運(yùn)行時，突加一個約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)抗擾

51、量，所引起的輸出量最大降落值稱作動態(tài)降落。一般用占輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，（）是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，即靜差。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動時轉(zhuǎn)速的動態(tài)降落稱作動態(tài)速降；2）恢復(fù)時間，從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入某基準(zhǔn)值的的 （或?。┓秶畠?nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間，見圖3-4。其中稱作抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況而定。如果允許的動態(tài)降落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值作為基準(zhǔn)值。如果允許的動態(tài)降落較小，例如小于5%（這是常有的情況），則按進(jìn)入范圍來定義的恢復(fù)時間只能為零，就沒有意義了，所以必須選擇一個比穩(wěn)態(tài)值更小的作為基準(zhǔn)。實際控制系統(tǒng)對于各種動態(tài)指標(biāo)的要求各有不同。例如，可逆軋鋼機(jī)需要連續(xù)正圖3-4 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)反向軋制許多道次，因而對轉(zhuǎn)速的動態(tài)跟隨