位置隨動系統(tǒng)課程設計

1、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)行機構對于位置指令的準確跟蹤。位置隨動系統(tǒng)的被控量(輸出量)是負載機械空間位置的線位移和角位移，當位置給定量(輸入量)作任意變化時，該系統(tǒng)的主要任務是使輸出量快速而準確地復現(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)。隨著科學技術的發(fā)展，在實際中位置隨動系統(tǒng)的應用領域非常廣泛。例如，數(shù)控機床的定位控制和加工軌跡控制，船舵的自動操縱，火炮方位的自動跟蹤，宇航設備的自動駕駛，

2、機器人的動作控制等等。隨著機電一體化技術的發(fā)展，位置隨動系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)、國防和高科技領域中不可缺少的設備，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)的特點及品質指標位置隨動系統(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指標。對于隨動系統(tǒng)而言，給定量即位置指令是經(jīng)常變化的，是一個隨機變量，要求輸出量準確跟隨給定量的變化，因而跟隨性能指標即系統(tǒng)輸出響應的快速性、靈敏性與準確性成為它的主要性能指標。位置隨動系統(tǒng)需要實現(xiàn)位置反

3、饋，所以系統(tǒng)結構上必定要有位置環(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確地復現(xiàn)給定位移。2必須具備一定精度的位置傳感器，能準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)應能滿足穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)快速響應的要求，其中快速響應中，更強調快速跟隨性能。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說明位置隨動系統(tǒng)的基本組成

4、，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,其轉軸與操縱輪連接，發(fā)出轉角給定信號；是反饋位置傳感器，其轉軸通過傳動機構與負載的轉軸相連，得到轉角反饋信號。兩個電位器由同一個直流電源供電，使電位器輸出電壓和，直接將位置信號轉換成電壓量。誤差電壓反映了給定與反饋的轉角誤差，通過放大器等環(huán)節(jié)拖動負載，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中進行比較與放大，發(fā)出控制信號。由于是可正可負的，放大器必須具有鑒別電壓極性的能力。輸出的控制電

5、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制式PWM變換器。4伺服電機（SM） 在小功率直流隨動系統(tǒng)中多用永磁式直流伺服電機，在不同情況下也可采用其它直流或交流伺服電機。大功率隨動系統(tǒng)中也可采用永磁式直流伺服電機，由伺服電機和電力電子變換器構成可逆拖動系統(tǒng)是位置隨動系統(tǒng)的執(zhí)行機構。5減速器與負載 在一般情況下負載的轉速是很低的，在電機與負載之間必須設有傳動比為的減速器。在現(xiàn)代機器人、汽車電子機械等大功率設備中，為了減少機械

6、裝置，傾向于采用低速電機直接傳動，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，容易磨損或接觸不良，可靠性較

7、差。2基于電磁感應原理的位置傳感器屬于這一類的位置傳感器有自整角機、旋轉變壓器、感應同步器等，是應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，由電動機帶動旋轉，也有用直線形的，由電動機構傳動。按照輸出脈沖與對應位置關系的不同，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發(fā)出個脈沖，高精度碼盤可達數(shù)萬個脈沖。通過信號處理電路和可逆計

8、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)與二進制的位數(shù)相同，有固定的零點，每個位置對應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，粗精結合的碼盤可達。絕對值式編碼器的碼盤又分為二進制碼盤和循環(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：適應環(huán)境能力強，不怕灰塵、油污和水露，結構

9、簡單，堅固耐用，響應速度快，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)中有很好的應用前景。 1.4 位置隨動系統(tǒng)的分類隨著科學技術的發(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)這里只詳細介紹經(jīng)典的位置、轉速、電流三環(huán)控制系統(tǒng)

10、轉速，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)，沒有轉速環(huán)；或是只有位置環(huán)、轉速環(huán)，沒有電流環(huán)，其實同三環(huán)系統(tǒng)大同小異，分析和設計方法相同。位置、轉速、電流三環(huán)系統(tǒng)在電流環(huán)、轉速環(huán)雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的基礎上，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)的調節(jié)器分別稱為位置調節(jié)器（APR）、轉速調節(jié)器（ASR）、電流調節(jié)器（ACR）。其中位置環(huán)屬外環(huán)，是最主要的環(huán)，轉速環(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)。在設計調節(jié)器時，轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器可按原雙閉環(huán)系統(tǒng)的設計和整定方法來解決。其中位置調節(jié)器APR就是位置環(huán)校正裝置，它的類型和參數(shù)決定了位置隨

11、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的最高轉速。位置、轉速、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)調節(jié)器的設計方法也是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，逐個設計各環(huán)節(jié)的調節(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)，應首先設計電流調節(jié)器ACR，然后將電流環(huán)簡化成轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，和其它環(huán)節(jié)一起構成轉速調節(jié)器ASR的控制對象，再設計ASR。最后，再把整個轉速環(huán)簡化為位置環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，從而設計位置調節(jié)器APR。逐環(huán)設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。當電流環(huán)和轉速環(huán)內(nèi)的對象參數(shù)變化或擾動時，電流反饋

12、和轉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，易于調整。但這樣的逐環(huán)設計的多環(huán)控制系統(tǒng)也有明顯的不足，即對外環(huán)的控制作用的響應不會很快。這是因為設計每個環(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)的截止頻率遠遠低于內(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)字轉速信號形成環(huán)節(jié)止頻率約，轉速環(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)的截止頻率被限制的太低，會影響系

13、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，其轉速環(huán)的截止頻率達，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)控機床軌跡控制和機器人控制中都取得了很好的應用效果。在位置、轉速 、電流三環(huán)系統(tǒng)中，位置調節(jié)器的輸出是轉速調節(jié)器的輸入，速度調節(jié)器是電流調節(jié)器的輸入，電流調節(jié)器的輸出直接控制功率變換單元，也就是脈寬調制系統(tǒng)。這三個環(huán)的反饋信號都是負反饋，三個環(huán)都是反相放大器。三環(huán)相制約，使控制達到極其完美的地步。第二章 三環(huán)隨動系統(tǒng)的

14、數(shù)學模型的建立和參數(shù)計算2,1 三環(huán)隨動系統(tǒng)的基本組成及其數(shù)學模型的建立2.1.1 三環(huán)隨動系統(tǒng)的基本組成 系統(tǒng)可分為以下八個部分：1位置環(huán)我們只分析它的數(shù)學模型，不會把它作具體介紹?？梢越茷橐浑A慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為 （2-1） 2位置傳感器 模擬隨動系統(tǒng)的位置傳感器如前所述，大體可以分為兩種，電位器和基于電磁感應原理的位置傳感器?；陔姶鸥袘淼奈恢脗鞲衅饔凶哉菣C、旋轉變壓器、感應同步器等，是應用比較廣泛的模擬式位置傳感器，可靠性和精度都比較高。本次設計采用的位置傳感器是自整角機。自整角機是角位移傳感器，在隨動系統(tǒng)中總是成對應用的。與指令軸相聯(lián)的自整角機稱為發(fā)送機，與執(zhí)行軸相聯(lián)的稱作接

15、收機。按用途不同，自整角機可分為力矩式自整角機和控制式自整角機兩類。力矩式自整角機可以不經(jīng)中間放大環(huán)節(jié)，直接傳遞轉角信息，一般用于微功率同步旋轉系統(tǒng)。對功率較大的負載，力矩式自整角機帶動不了，可采用控制式自整角機，將自整角接收機接成變壓器狀態(tài)，其輸出電壓通過中間放大環(huán)節(jié)帶動負載，組成自整角機隨動系統(tǒng)。下面簡單分析本次設計使用的控制式自整角機的工作原理和使用。先看單相自整角機的結構和工作原理。它具有個單相勵磁繞組和一個三相整步繞組，單相勵磁繞組安置在轉子上，通過兩個滑環(huán)引入交流勵磁電流，勵磁磁極通常做成隱極式。這樣可使輸入阻抗不隨轉子位置而變化。整步繞組是三相繞組，一般為分布繞組，安置在定子上，

16、它們被此在空間相隔，并接成Y形。BST為自整角發(fā)送機，BSR為自整角接收機。本次模型中采用的自整角機的放大系數(shù)。自整角機本身的檢測誤差。傳遞函數(shù)為式（4-2），是簡單的線性函數(shù)在數(shù)學模型將不會出現(xiàn)，但在計算穩(wěn)態(tài)誤差時將會用到自整角機的參數(shù)。自整角機還包括相敏整流器URP，可以把它當作自整角機的一部分，相當于一個電壓放大器，并反映的極性，放大系數(shù)2，當然它在數(shù)學模型中也不會出現(xiàn)。3電壓比較放大器（A）這是位置隨動系統(tǒng)所必須有的裝置。它的作用是發(fā)出控制信號，由于可正可負。放大器必須具有鑒別電壓極性的能力，輸出的控制的電壓也是可逆的。放大系數(shù)，函數(shù)關系。這個簡單的函數(shù)關系也不會在數(shù)學模型中出現(xiàn)。4電

17、力電子變換器（UPE） 起功率放大作用，而且是可逆的。PWM變換器有可逆和不可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等。在本次大功率隨動系統(tǒng)中選取雙極式控制的橋式可逆PWM變換器，因為是大功率系統(tǒng)變換器采用可關斷晶閘管。采用PWM的調速系統(tǒng)發(fā)展越來越成熟，用途也很廣，與單純的晶閘管調速系統(tǒng)相比有很多優(yōu)點1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬，可達1:10000左右；4）若與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率

18、適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 橋式可逆PWM變換器的原理圖本次設計采用的PWM變換器的開關頻率=2500，即失控時間=0.4，失控時間已經(jīng)非常小，大大提高了系統(tǒng)的快速性，所以時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)（其中=），傳遞函數(shù)為 5電流調節(jié)器（ACR）按工程設計法選擇典型I型系統(tǒng)，PI調節(jié)器。傳遞函數(shù)為 （4-5）6轉速調節(jié)器（ASR）按工程設計法選擇典型I型系統(tǒng)，選用PI調節(jié)器。傳遞函數(shù)為 （2-6）7位置調節(jié)器（AWR）按工程設計法和位置系統(tǒng)的校正，典型II型系統(tǒng)，選用PID調節(jié)器。傳遞函數(shù)為 （2

19、-7）8伺服電機（SM）基于本次設計的大功率隨動系統(tǒng)選擇永磁式直流伺服電機，即直流他勵電動機，型號為Z2-21，銘牌參數(shù)，。伺服電機可視為一個二階系統(tǒng)，分為兩個傳遞函數(shù),，一部分為電機電樞近似成一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為 一部分為傳動裝置近似為積分環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為 9負載負載就不做具體介紹，它也是系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的被控位置對象，我們主要研究它的數(shù)學模型。傳遞函數(shù)近似為積分環(huán)節(jié) 三環(huán)隨動系統(tǒng)功率大，采用低轉速的直流伺服電機，所以本設計取消減速器。 2.1.2 三環(huán)隨動系統(tǒng)的數(shù)學模型三環(huán)隨動系統(tǒng)結構圖2.2 三環(huán)隨動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算已知直流他勵電動機，型號為Z2-21，銘牌參數(shù)，。電力電子變換器的增

20、益，電壓放大器的增益，相敏整流器的放大系數(shù)由計算決定。自整角機的放大系數(shù)。計算過程如下：電動機的額定效率為 電動機的電樞電阻為 電動機的電動勢系數(shù)為 電動機的轉矩系數(shù)為 位置隨動系統(tǒng)的靜態(tài)結構框圖（未考慮校正裝置）2.4 按工程設計方法設計三環(huán)隨動系統(tǒng)的電流和轉速調節(jié)器圖4-5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖應用如前所述的工程設計方法來設計轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器。按照設計多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)節(jié)看作是三環(huán)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器，最后是位置調節(jié)器。本系統(tǒng)唯一的改動是取消了電流環(huán)和

21、轉速環(huán)之前的兩個濾波環(huán)節(jié)。但設計方法一樣。如圖4-5所示為雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，因為本次設計的系統(tǒng)沒有設計濾波環(huán)節(jié)，電流環(huán)和轉速環(huán)的濾波環(huán)節(jié)已經(jīng)省去。2.4.1 電流調節(jié)器的設計1電流環(huán)結構圖的簡化 在圖2-4中，在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠小于機電時間常數(shù)，因此轉速的變化往往比電流變化慢的多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即 。這樣在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，也就是說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結構框圖，可以證明，忽略反電動勢對電流作用的近似條件是 （2-11）

22、式中電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 由于比小的多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 （2-12）電流環(huán)簡化的近似條件為 （2-13） 2電流調節(jié)器的結構選擇 首先考慮應把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，可以看出，采用I型就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即應選擇典型I型系統(tǒng)。 如圖4-6所示,為電流環(huán)的動態(tài)結構框圖。圖4-6表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典

23、型I型系統(tǒng)，顯然采用PI型的電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 電流環(huán)的動態(tài)結構框圖則電流環(huán)的動態(tài)結構框圖便成典型形式，其中 繪出了校正后的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。上述結果是在假定條件下得到的，現(xiàn)將用過的假定條件歸納如下，以便具體設計時校驗。電力電子變換器純滯后近似處理 忽略反電動勢變化的動態(tài)影響 電流環(huán)的小慣性群的近似處理 如果實際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標不同，參數(shù)當然應作相應的改變。3電流調節(jié)器的參數(shù)計算可以看出，電流調節(jié)器的參數(shù)是和其中已選定，待定的只有比例系數(shù)可根據(jù)所要的動態(tài)性能指標選取。在三環(huán)隨動系統(tǒng)中，已知有，,電流反饋系數(shù)。希望電流超調量

24、，可以使動態(tài)響應更快。 所以電流調節(jié)器的參數(shù)為所以有 于是，ACR的比例系數(shù)為 4校驗的近似條件已知電流環(huán)的截止頻率電力電子變換器純滯后近似條件為 忽略反電動勢變化的動態(tài)影響的近似條件為 電流環(huán)的小慣性群的近似處理的條件為 所以計算出的電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)為 =但有兩個校驗條件不滿足，可知系統(tǒng)的參數(shù)需要整定。我們可以看出計算得到的電流調節(jié)器的比例系數(shù)與給定的一致但時間常數(shù)不一致。我們要通過仿真分析出兩個電流環(huán)的不同。2.4.2 轉速調節(jié)器的設計1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，我們可以求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù) 忽略高次項， 可降階近似為 近似條件為 式中轉速環(huán)的開環(huán)頻

25、率特性的截止頻率。接入轉速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效的輸入量為，因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等效為式（2-21） 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)，這就表明，電流的閉環(huán)控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)控制的一個重要功能。 轉速環(huán)的動態(tài)結構圖2轉速調節(jié)器的選擇 在第三章已經(jīng)提到，同直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的調節(jié)器選擇不同，在電流和轉速兩個環(huán)之外還有位置環(huán)，所以轉速環(huán)也應設計成典型I型系統(tǒng)，選擇PI調節(jié)器。其傳遞函數(shù)為 3轉速調節(jié)器參數(shù)的計算此時的轉速環(huán)可以等效為所示的結構圖。同樣選擇，可滿足系統(tǒng)的快速響應，。所以有轉速環(huán)的時間常數(shù)為 , 按設

26、計要求，選用PI調節(jié)器按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 轉速開環(huán)增益為 所以轉速環(huán)的比例系數(shù)為 131.7檢驗近似條件轉速截止頻率為電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 所以經(jīng)工程計算法得到的轉速調節(jié)器的模型為 =計算后得到的轉速調節(jié)器與給定轉速調節(jié)器相比比例系數(shù)一樣，但是時間常數(shù)不一樣，同時不滿足電流環(huán)簡化的近似條件，我們也會在仿真中兩套參數(shù)下的系統(tǒng)做出比較。第三章 三環(huán)隨動系統(tǒng)的MATLAB仿真及其結果分析3.1 三環(huán)位置隨動系統(tǒng)的MATLAB仿真 給定參數(shù)的三環(huán)隨動系統(tǒng)的結構圖如圖3-9所示。圖5-9 三環(huán)隨動系統(tǒng)的結構框圖用MATLAB仿

27、真結果如圖3-10所示。如圖3-10 所示三環(huán)隨動系統(tǒng)的階躍響應曲線?？v坐標表示位移，單位為米。橫坐標表示時間，單位為秒。圖3-10 三環(huán)隨動系統(tǒng)的仿真圖 由圖3-10可知系統(tǒng)的跟隨性能指標為：超調量13.95%，調節(jié)時間0.0335，峰值時間0.0423。如圖3-12所示三環(huán)隨動系統(tǒng)的階躍響應曲線。縱坐標表示位移，單位為米。橫坐標表示時間，單位為秒。 由圖3-12可知系統(tǒng)的跟隨性能指標： 超調量12.5%，調節(jié)時間0.042，峰值時間0.046。經(jīng)計算的電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器組成的三環(huán)隨動系統(tǒng)的結構圖如圖5-11所示。圖3-11 經(jīng)計算的電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器組成的三環(huán)隨動系統(tǒng)的結構圖用MA

28、TLAB仿真結果如圖3-12所示。圖3-12 經(jīng)計算的電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器組成的三環(huán)隨動系統(tǒng)的仿真圖3.4 MATLAB仿真結果分析首先比較電流環(huán)的仿真圖，圖5-2的階躍響應曲線的超調量要比圖5-4的要大，而前者的調節(jié)時間要比后者小，峰值時間相差不大。可知給定的電流環(huán)的動態(tài)響應要比經(jīng)計算得到的電流環(huán)的要慢，而且后者有系統(tǒng)誤差，可見前者的穩(wěn)定性和動態(tài)響都要好于后者。驗證計算時不滿足校驗近似條件的正確性。再比較直流雙閉環(huán)的仿真圖，明顯看出經(jīng)計算得到的雙閉環(huán)系統(tǒng)的振蕩次數(shù)多，穩(wěn)定性不好，而且調節(jié)時間也比給定的雙閉環(huán)系統(tǒng)的要大，動態(tài)響應也相對慢。也可以驗證經(jīng)計算得到的直流雙閉環(huán)調節(jié)器參數(shù)的不穩(wěn)定，調節(jié)時間需要調整。最后比較整個三環(huán)隨動系統(tǒng)，經(jīng)PID校正后。兩個系統(tǒng)都是穩(wěn)定的，抗擾性能滿足要求