第05章-電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

1、第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-1-第第5 5章章 電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-2- 本章在系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方面，首先根據(jù)調(diào)速控制系本章在系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方面，首先根據(jù)調(diào)速控制系統(tǒng)與位置控制系統(tǒng)的不同特點(diǎn)，分別定義系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性統(tǒng)與位置控制系統(tǒng)的不同特點(diǎn)，分別定義系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動態(tài)性能指標(biāo)，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出基本的要求。能指標(biāo)和動態(tài)性能指標(biāo)，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出基本的要求。簡要介紹經(jīng)典的系統(tǒng)分析方法：頻域分析法、時域分析簡要介紹經(jīng)典的系統(tǒng)分析方法：頻域分析法、時域

2、分析法和法和Z Z域分析法。對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題域分析法。對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，以及數(shù)字的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，以及數(shù)字PIDPID控制算法進(jìn)行深入分析?？刂扑惴ㄟM(jìn)行深入分析。最后介紹基于最后介紹基于MATLABMATLAB的系統(tǒng)仿真方法，并給出系統(tǒng)分析的系統(tǒng)仿真方法，并給出系統(tǒng)分析實(shí)例。實(shí)例。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-3-5.1 5.1 系統(tǒng)性能指標(biāo)系統(tǒng)性能指標(biāo) 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-4- 在生產(chǎn)實(shí)際中，對電力拖動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和在生產(chǎn)實(shí)際中，對電力拖動控制系統(tǒng)的穩(wěn)

3、態(tài)性能和動態(tài)性能都有一定的要求，例如要求系統(tǒng)起動迅速，運(yùn)動態(tài)性能都有一定的要求，例如要求系統(tǒng)起動迅速，運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速方便，響應(yīng)快捷等。所有這些要求都可以行平穩(wěn)，調(diào)速方便，響應(yīng)快捷等。所有這些要求都可以轉(zhuǎn)化為電力拖動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動態(tài)性能指轉(zhuǎn)化為電力拖動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動態(tài)性能指標(biāo)，作為系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。調(diào)速控制系統(tǒng)和標(biāo)，作為系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。調(diào)速控制系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)有所不同，下面分別予以介紹。位置控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)有所不同，下面分別予以介紹。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-5-5.1.1 5.1.1 電力傳

4、動系統(tǒng)的控制要求電力傳動系統(tǒng)的控制要求 1. 1. 調(diào)速控制的基本要求調(diào)速控制的基本要求 各種生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速控制系統(tǒng)都有一定的要求，歸各種生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速控制系統(tǒng)都有一定的要求，歸納起來可分為以下三個方面：納起來可分為以下三個方面： (1) (1) 調(diào)速調(diào)速 在一定的最高速度與最低速度范圍之內(nèi)，在一定的最高速度與最低速度范圍之內(nèi)，能夠分檔（有級）地或平滑（無級）地調(diào)節(jié)速度。能夠分檔（有級）地或平滑（無級）地調(diào)節(jié)速度。 (2) (2) 穩(wěn)速穩(wěn)速 以一定的精度在所需速度上穩(wěn)定地運(yùn)行，以一定的精度在所需速度上穩(wěn)定地運(yùn)行，不因各種可能的外來干擾（如負(fù)載突變、電網(wǎng)電壓波動不因各種可能的外來干擾（如負(fù)載突變

5、、電網(wǎng)電壓波動等）而產(chǎn)生過大的速度波動。等）而產(chǎn)生過大的速度波動。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-6- (3) (3) 加、減速加、減速 對頻繁起、制動的生產(chǎn)機(jī)械要求盡對頻繁起、制動的生產(chǎn)機(jī)械要求盡快地加、減速，縮短起、制動時間，提高生產(chǎn)率；對不快地加、減速，縮短起、制動時間，提高生產(chǎn)率；對不宜經(jīng)受劇烈速度變化的生產(chǎn)機(jī)械，則要求起、制動盡量宜經(jīng)受劇烈速度變化的生產(chǎn)機(jī)械，則要求起、制動盡量平穩(wěn)。平穩(wěn)。 以上三個方面有時都必須具備，有時只要求滿足其以上三個方面有時都必須具備，有時只要求滿足其中兩項(xiàng)或一項(xiàng)，并且其中有些方面還可能是相互制約的，中兩項(xiàng)或一項(xiàng)，并且

6、其中有些方面還可能是相互制約的，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場合來定。為了定量地分析問題，需要應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場合來定。為了定量地分析問題，需要定義相應(yīng)的性能指標(biāo)。定義相應(yīng)的性能指標(biāo)。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-7-2. 2. 位置控制的基本要求位置控制的基本要求 位置控制系統(tǒng)的根本任務(wù)就是使輸出量快速而又準(zhǔn)位置控制系統(tǒng)的根本任務(wù)就是使輸出量快速而又準(zhǔn)確地跟隨給定量的變化，其基本要求主要包括以下三個確地跟隨給定量的變化，其基本要求主要包括以下三個方面：方面： (1) (1) 快速性快速性 輸出量應(yīng)快速地響應(yīng)給定指令。輸出量應(yīng)快速地響應(yīng)給定指令。 (2) (2) 準(zhǔn)確

7、性準(zhǔn)確性 輸出量應(yīng)控制在目標(biāo)值所允許的誤差輸出量應(yīng)控制在目標(biāo)值所允許的誤差范圍之內(nèi)。范圍之內(nèi)。 (3) (3) 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 當(dāng)受到各種外部干擾時，系統(tǒng)應(yīng)能保當(dāng)受到各種外部干擾時，系統(tǒng)應(yīng)能保持穩(wěn)定工作的狀態(tài)。持穩(wěn)定工作的狀態(tài)。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-8-5.1.2 5.1.2 電力傳動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)電力傳動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)1. 1. 調(diào)速控制的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)調(diào)速控制的穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)又稱為靜態(tài)指標(biāo)，調(diào)速控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指穩(wěn)態(tài)指標(biāo)又稱為靜態(tài)指標(biāo)，調(diào)速控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)包括調(diào)速范圍與靜差率，由第標(biāo)包括調(diào)速范圍與靜差率，由第1 1章的式（章的式

8、（1-481-48）和）和（1-491-49）表示。而且，調(diào)速范圍）表示。而且，調(diào)速范圍D D與靜差率與靜差率 兩項(xiàng)性能兩項(xiàng)性能指標(biāo)是互相制約的，其相互關(guān)系如式（指標(biāo)是互相制約的，其相互關(guān)系如式（1-501-50）所述，即）所述，即NN(1)nDn（5-1）第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-9- 例例5-15-1 某一開環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)電動機(jī)的額定某一開環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速為1500r/min1500r/min，額定速降，額定速降n nN N=100r/min=100r/min，當(dāng)要求靜，當(dāng)要求靜差率差率30% 30% 時，允許多

9、大的調(diào)速范圍？當(dāng)要求靜差率時，允許多大的調(diào)速范圍？當(dāng)要求靜差率20% % 時，允許多大的調(diào)速范圍？如果希望調(diào)速范圍時，允許多大的調(diào)速范圍？如果希望調(diào)速范圍為為1010，所能滿足的靜差率是多少？，所能滿足的靜差率是多少？ 解：當(dāng)要求靜差率解：當(dāng)要求靜差率30%時，調(diào)速范圍為時，調(diào)速范圍為 當(dāng)要求靜差率當(dāng)要求靜差率20%20%時，調(diào)速范圍為時，調(diào)速范圍為 若調(diào)速范圍達(dá)到若調(diào)速范圍達(dá)到1010，則靜差率只能是，則靜差率只能是NN0.3 15006.43(1- )(1-0.3) 100nDn75. 3001.2)0-(115002 . 0DNNN10 10040%1500 10 100D nnD n第

10、第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-10-2. 2. 位置控制的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)位置控制的穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 位置控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)主要是指控制精度或控制位置控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)主要是指控制精度或控制誤差。假定輸出量跟蹤給定指令的過渡過程結(jié)束后進(jìn)入誤差。假定輸出量跟蹤給定指令的過渡過程結(jié)束后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，在輸出量與給定量之間所具有的恒定偏差，就是穩(wěn)態(tài)，在輸出量與給定量之間所具有的恒定偏差，就是控制精度的度量，稱為控制誤差，用字母控制精度的度量，稱為控制誤差，用字母e esxsx表示，即表示，即*sxxxeUU（5-2）位置變量位置變量x x的給定電壓的給定電壓位置變量位置變量x x的

11、輸出電壓的輸出電壓第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-11-5.1.3 5.1.3 電力傳動控制系統(tǒng)的的動態(tài)性能指標(biāo)電力傳動控制系統(tǒng)的的動態(tài)性能指標(biāo) 電力傳動控制系統(tǒng)對系統(tǒng)在動態(tài)過程中的系統(tǒng)響應(yīng)電力傳動控制系統(tǒng)對系統(tǒng)在動態(tài)過程中的系統(tǒng)響應(yīng)要求稱為動態(tài)性能指標(biāo)，其衡量標(biāo)準(zhǔn)大致分為系統(tǒng)跟隨要求稱為動態(tài)性能指標(biāo)，其衡量標(biāo)準(zhǔn)大致分為系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類。性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類。1 1跟隨性能指標(biāo)跟隨性能指標(biāo) 一般來說，系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)是指動態(tài)過程在給定輸一般來說，系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)是指動態(tài)過程在給定輸入時，隨時間變化的系統(tǒng)輸出狀態(tài)，通常用系統(tǒng)對單位入時，

12、隨時間變化的系統(tǒng)輸出狀態(tài)，通常用系統(tǒng)對單位階躍輸入信號的動態(tài)響應(yīng)來衡量。對圖階躍輸入信號的動態(tài)響應(yīng)來衡量。對圖5-15-1所示的典型所示的典型單位階躍響應(yīng)曲線，電力傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括單位階躍響應(yīng)曲線，電力傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間等。上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間等。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-12-第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-13- （1 1）上升時間上升時間是指電力傳動系統(tǒng)輸出量（轉(zhuǎn)速或是指電力傳動系統(tǒng)輸出量（轉(zhuǎn)速或位置）從零起始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過的時間，記位置）從零

13、起始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過的時間，記作作t tr r，它表示系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性。，它表示系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性。 （2 2）超調(diào)量超調(diào)量是指電力傳動系統(tǒng)輸出量的最大值與是指電力傳動系統(tǒng)輸出量的最大值與穩(wěn)態(tài)值相對差值的百分?jǐn)?shù)稱為超調(diào)量，記作穩(wěn)態(tài)值相對差值的百分?jǐn)?shù)稱為超調(diào)量，記作，即，即max100%yyn（5-3）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。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。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-14- （3 3）調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間 是指電力傳動系統(tǒng)輸出量到達(dá)并保是指電力傳動系統(tǒng)輸出量到達(dá)并保持在

14、穩(wěn)態(tài)值或更小范圍內(nèi)所需的時間，記作持在穩(wěn)態(tài)值或更小范圍內(nèi)所需的時間，記作t ts s。調(diào)節(jié)時。調(diào)節(jié)時間又稱為間又稱為過渡過程時間過渡過程時間，它衡量輸出量整個調(diào)節(jié)過程的，它衡量輸出量整個調(diào)節(jié)過程的快慢，且又包含系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？炻?，且又包含系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2 2抗擾性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo) 除此以外，電力傳動控制系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)還需考慮除此以外，電力傳動控制系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)還需考慮系統(tǒng)在外加擾動情況下的抗擾性能，設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，系統(tǒng)在外加擾動情況下的抗擾性能，設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，突加一個擾動量突加一個擾動量F F，如果系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線如圖，如果系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線如圖5-25-2所所示，其動態(tài)降落和恢復(fù)時

15、間定義為：示，其動態(tài)降落和恢復(fù)時間定義為： 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-15-第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-16- （1 1）動態(tài)降落動態(tài)降落 為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，突加擾動后所為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，突加擾動后所引起的系統(tǒng)的輸出量（轉(zhuǎn)速或位置）的最大降落值稱為引起的系統(tǒng)的輸出量（轉(zhuǎn)速或位置）的最大降落值稱為動態(tài)降落，記作動態(tài)降落，記作 y ymaxmax。 一般用一般用 y ymaxmax占輸出量原穩(wěn)態(tài)值占輸出量原穩(wěn)態(tài)值y y11的百分?jǐn)?shù)來表示，即的百分?jǐn)?shù)來表示，即max1max1100%yyyy（5-4）第第5 5

16、章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-17- （2 2）恢復(fù)時間恢復(fù)時間 是指從階躍擾動作用開始，到輸出是指從階躍擾動作用開始，到輸出量恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值量恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值y y22的系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間，記的系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間，記作作t tv v。一般以系統(tǒng)輸出。一般以系統(tǒng)輸出y y( (t t) ) 進(jìn)入進(jìn)入y y22或某基準(zhǔn)值或某基準(zhǔn)值y yb b的的 或更小范圍之內(nèi)所需的時間?；鶞?zhǔn)值或更小范圍之內(nèi)所需的時間?；鶞?zhǔn)值y yb b的選擇視對系統(tǒng)的選擇視對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的要求情況而定。穩(wěn)態(tài)精度的要求情況而定。 一般而言，要求系統(tǒng)的一般而言，要求系統(tǒng)的t tr r、 和和

17、t ts s要小，且要小，且 y ymaxmax及及t tv v也要小，這說明系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)快和抗干擾性高。但也要小，這說明系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)快和抗干擾性高。但是，實(shí)際控制系統(tǒng)對于各種穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)的要求是，實(shí)際控制系統(tǒng)對于各種穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)的要求各不相同。各不相同。%5第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-18- 例如，可逆軋鋼機(jī)需要連續(xù)正反向軋制許多道次，例如，可逆軋鋼機(jī)需要連續(xù)正反向軋制許多道次，因而對轉(zhuǎn)速的動態(tài)跟隨性能和抗擾性能都有較高的要求，因而對轉(zhuǎn)速的動態(tài)跟隨性能和抗擾性能都有較高的要求，而一般生產(chǎn)中用的不可逆調(diào)速系統(tǒng)則主要要求一定的轉(zhuǎn)而一般生

18、產(chǎn)中用的不可逆調(diào)速系統(tǒng)則主要要求一定的轉(zhuǎn)速抗擾性能，其跟隨性能如何沒有多大關(guān)系。工業(yè)機(jī)器速抗擾性能，其跟隨性能如何沒有多大關(guān)系。工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床用的位置控制系統(tǒng)需要很強(qiáng)的跟隨性能，人和數(shù)控機(jī)床用的位置控制系統(tǒng)需要很強(qiáng)的跟隨性能，而大型天線的隨動系統(tǒng)除需要良好的跟隨性能外，對抗而大型天線的隨動系統(tǒng)除需要良好的跟隨性能外，對抗擾性能也有一定的要求。擾性能也有一定的要求。 總之，總之，穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性是兩種系統(tǒng)都必須具穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性是兩種系統(tǒng)都必須具備的備的，而，而在動態(tài)指標(biāo)方面，調(diào)速控制系統(tǒng)以抗擾性能為在動態(tài)指標(biāo)方面，調(diào)速控制系統(tǒng)以抗擾性能為主，位置控制系統(tǒng)以跟隨性能為主。主，位置控

19、制系統(tǒng)以跟隨性能為主。不過有時系統(tǒng)的穩(wěn)不過有時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標(biāo)是矛盾的，需要折中考慮態(tài)和動態(tài)指標(biāo)是矛盾的，需要折中考慮。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-19-5.2 5.2 系統(tǒng)分析方法系統(tǒng)分析方法 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-20- 如果要知道系統(tǒng)的性能，就需要進(jìn)行系統(tǒng)分析。但如果要知道系統(tǒng)的性能，就需要進(jìn)行系統(tǒng)分析。但是，由于電力拖動控制系統(tǒng)都是由電動機(jī)、電力電子變是，由于電力拖動控制系統(tǒng)都是由電動機(jī)、電力電子變流器、系統(tǒng)檢測與控制器等部件組成，這些裝置多種多流器、系統(tǒng)檢測與控制器等部件組成，這些裝置

20、多種多樣，其不同的組合或者變化都可以構(gòu)成模型各異、性能樣，其不同的組合或者變化都可以構(gòu)成模型各異、性能不同的控制系統(tǒng)，且大都屬于多輸入多輸出的高階非線不同的控制系統(tǒng)，且大都屬于多輸入多輸出的高階非線性系統(tǒng)，因此要通過解析方法來求解高階非線性微分方性系統(tǒng)，因此要通過解析方法來求解高階非線性微分方程是十分困難的，而且在許多情況下也是不可能的。目程是十分困難的，而且在許多情況下也是不可能的。目前，根據(jù)控制理論的知識，系統(tǒng)分析方法主要有前，根據(jù)控制理論的知識，系統(tǒng)分析方法主要有頻域分頻域分析法、時域分析法和析法、時域分析法和z z域分析法域分析法。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控

21、制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-21-5.2.1 5.2.1 系統(tǒng)時域分析法系統(tǒng)時域分析法 時域分析法就是直接以系統(tǒng)微分方程為求解對象，時域分析法就是直接以系統(tǒng)微分方程為求解對象，在時域內(nèi)進(jìn)行分析、仿真和設(shè)計(jì)，其結(jié)果直觀明了。時在時域內(nèi)進(jìn)行分析、仿真和設(shè)計(jì)，其結(jié)果直觀明了。時域分析法可以研究大擾動下系統(tǒng)各種非線性因素的影響，域分析法可以研究大擾動下系統(tǒng)各種非線性因素的影響，用時域仿真來驗(yàn)證控制系統(tǒng)的性能是非常必要的。時域用時域仿真來驗(yàn)證控制系統(tǒng)的性能是非常必要的。時域分析法可分為分析法可分為諧波分析法諧波分析法和和狀態(tài)變量法狀態(tài)變量法。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

22、-22-1 1諧波分析法諧波分析法 諧波分析是電工技術(shù)中最常用的方法之一，它是將諧波分析是電工技術(shù)中最常用的方法之一，它是將周期性變化的非正弦量利用傅立葉變換分解為一系列的周期性變化的非正弦量利用傅立葉變換分解為一系列的正弦量和余弦量之和，利用疊加原理對各次諧波分量分正弦量和余弦量之和，利用疊加原理對各次諧波分量分別求解，然后再對結(jié)果進(jìn)行合成。別求解，然后再對結(jié)果進(jìn)行合成。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-23- 諧波分析法的優(yōu)點(diǎn)是，可用類比的辦法，將基波參諧波分析法的優(yōu)點(diǎn)是，可用類比的辦法，將基波參數(shù)及等效電路推廣到諧波，并可利用計(jì)算基波的一整套數(shù)及等

23、效電路推廣到諧波，并可利用計(jì)算基波的一整套方法求解。方法簡單，容易掌握；但也有缺點(diǎn)，即方法方法求解。方法簡單，容易掌握；但也有缺點(diǎn)，即方法本身是近似的，它是建立在疊加原理的基礎(chǔ)之上，嚴(yán)格本身是近似的，它是建立在疊加原理的基礎(chǔ)之上，嚴(yán)格講僅適用于線性系統(tǒng)。另外，求解精度與計(jì)算中所取的講僅適用于線性系統(tǒng)。另外，求解精度與計(jì)算中所取的諧波次數(shù)有關(guān)。一般來說，取的諧波次數(shù)越多，計(jì)算精諧波次數(shù)有關(guān)。一般來說，取的諧波次數(shù)越多，計(jì)算精度就越高，但計(jì)算工作量也越大。諧波分析法較適合于度就越高，但計(jì)算工作量也越大。諧波分析法較適合于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析，難以用于系統(tǒng)的動態(tài)分析。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析，難以用于系統(tǒng)的動態(tài)分析

24、。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-24-2 2狀態(tài)變量法狀態(tài)變量法 狀態(tài)變量法是將高階微分方程轉(zhuǎn)換為一階微分方程狀態(tài)變量法是將高階微分方程轉(zhuǎn)換為一階微分方程組，也就是狀態(tài)方程的標(biāo)準(zhǔn)形式，借助于數(shù)字計(jì)算機(jī)，組，也就是狀態(tài)方程的標(biāo)準(zhǔn)形式，借助于數(shù)字計(jì)算機(jī)，采用數(shù)值法進(jìn)行求解。采用數(shù)值法進(jìn)行求解。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-25- 狀態(tài)變量法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛運(yùn)用而受到重狀態(tài)變量法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛運(yùn)用而受到重視的一種方法，它是采用數(shù)值分析的方法直接求解系統(tǒng)視的一種方法，它是采用數(shù)值分析的方法直接求解系統(tǒng)的狀

25、態(tài)方程（一階微分方程組）。的狀態(tài)方程（一階微分方程組）。 不僅適合于穩(wěn)態(tài)分不僅適合于穩(wěn)態(tài)分析，也適用于動態(tài)分析。對于線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)均析，也適用于動態(tài)分析。對于線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)均可以準(zhǔn)確計(jì)算出系統(tǒng)各物理量（包括電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、可以準(zhǔn)確計(jì)算出系統(tǒng)各物理量（包括電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等）隨時間變化的詳細(xì)波形。狀態(tài)變量法求解的精轉(zhuǎn)速等）隨時間變化的詳細(xì)波形。狀態(tài)變量法求解的精度與求解步長有關(guān)，一般來說，步長越小，計(jì)算精度就度與求解步長有關(guān)，一般來說，步長越小，計(jì)算精度就越高，但計(jì)算工作量也越大。越高，但計(jì)算工作量也越大。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

26、-26-5.2.2 5.2.2 系統(tǒng)頻域分析法系統(tǒng)頻域分析法 頻域分析法就是采用工程數(shù)學(xué)的拉氏變換將系統(tǒng)中頻域分析法就是采用工程數(shù)學(xué)的拉氏變換將系統(tǒng)中各裝置或部件的微分方程轉(zhuǎn)變?yōu)榇鷶?shù)方程，建立相應(yīng)的各裝置或部件的微分方程轉(zhuǎn)變?yōu)榇鷶?shù)方程，建立相應(yīng)的傳遞函數(shù)，再導(dǎo)出系統(tǒng)的頻率特性。傳遞函數(shù)，再導(dǎo)出系統(tǒng)的頻率特性。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-27- 系統(tǒng)的頻率特性具有明確的物理意義，幅頻特性表系統(tǒng)的頻率特性具有明確的物理意義，幅頻特性表示穩(wěn)態(tài)正弦輸出與輸入幅值之比隨頻率變化的規(guī)律，相示穩(wěn)態(tài)正弦輸出與輸入幅值之比隨頻率變化的規(guī)律，相頻特性表示輸入輸出的相位

27、差隨頻率變化的規(guī)律。對于頻特性表示輸入輸出的相位差隨頻率變化的規(guī)律。對于一些不便于列出微分方程的情況，可以通過實(shí)驗(yàn)手段得一些不便于列出微分方程的情況，可以通過實(shí)驗(yàn)手段得到較準(zhǔn)確的頻率特性模型。系統(tǒng)的頻率特性便于使用圖到較準(zhǔn)確的頻率特性模型。系統(tǒng)的頻率特性便于使用圖形分析的方法，比如：形分析的方法，比如：BodeBode圖等。其好處是信息量較大，圖等。其好處是信息量較大，而計(jì)算量相對較小，因此可以簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，特而計(jì)算量相對較小，因此可以簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，特別是對于復(fù)雜的高階系統(tǒng)。別是對于復(fù)雜的高階系統(tǒng)。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-28- 頻域

28、分析法也有一定的局限性，它只適合于線性定頻域分析法也有一定的局限性，它只適合于線性定常系統(tǒng)的分析，或者是線性化假設(shè)有效前提下的非線性常系統(tǒng)的分析，或者是線性化假設(shè)有效前提下的非線性系統(tǒng)的小信號擾動分析，而且主要用于單輸入單輸出系系統(tǒng)的小信號擾動分析，而且主要用于單輸入單輸出系統(tǒng)。對于時變或非線性系統(tǒng)，一般不適合應(yīng)用頻域分析統(tǒng)。對于時變或非線性系統(tǒng)，一般不適合應(yīng)用頻域分析法。法。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-29-5.2.3 5.2.3 系統(tǒng)系統(tǒng)z z域分析法域分析法 以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱微機(jī)數(shù)字以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱微機(jī)數(shù)

29、字控制系統(tǒng)）的主要特點(diǎn)是離散化。一般控制系統(tǒng)的控制控制系統(tǒng)）的主要特點(diǎn)是離散化。一般控制系統(tǒng)的控制量和反饋量都是模擬的連續(xù)信號，為了把它們輸入計(jì)算量和反饋量都是模擬的連續(xù)信號，為了把它們輸入計(jì)算機(jī)，必須首先在具有一定周期的采樣時刻對它們進(jìn)行實(shí)機(jī)，必須首先在具有一定周期的采樣時刻對它們進(jìn)行實(shí)時采樣，形成一連串的脈沖信號，即離散的模擬信號。時采樣，形成一連串的脈沖信號，即離散的模擬信號。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-30- 離散時間系統(tǒng)可用類似于分析連續(xù)時間系統(tǒng)所采用離散時間系統(tǒng)可用類似于分析連續(xù)時間系統(tǒng)所采用的變換域方法進(jìn)行分析。在分析連續(xù)時間系統(tǒng)中，其

30、變的變換域方法進(jìn)行分析。在分析連續(xù)時間系統(tǒng)中，其變換域方法就是前面提到的拉氏變換和頻域分析法，拉氏換域方法就是前面提到的拉氏變換和頻域分析法，拉氏變換可以將微分方程變換為代數(shù)方程，使系統(tǒng)分析簡化。變換可以將微分方程變換為代數(shù)方程，使系統(tǒng)分析簡化。而在離散時間系統(tǒng)中，其變換域方法就是而在離散時間系統(tǒng)中，其變換域方法就是z z變換，稱為變換，稱為z z域分析法。域分析法。 z z變換的地位和作用類似于連續(xù)系統(tǒng)中的拉變換的地位和作用類似于連續(xù)系統(tǒng)中的拉氏變換，利用氏變換，利用z z變換把系統(tǒng)差分方程變換為代數(shù)方程，變換把系統(tǒng)差分方程變換為代數(shù)方程，從而使離散系統(tǒng)的分析大為簡化。從而使離散系統(tǒng)的分析大

31、為簡化。 一般對于模擬控制的電力傳動系統(tǒng)采用經(jīng)典的頻域一般對于模擬控制的電力傳動系統(tǒng)采用經(jīng)典的頻域分析方法或時域分析方法，而對于采用微機(jī)控制的電力分析方法或時域分析方法，而對于采用微機(jī)控制的電力傳動系統(tǒng)，可采用傳動系統(tǒng)，可采用z z域分析方法。域分析方法。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-31-5.3 5.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-32- 從例從例5-15-1可知，可知， 采用開環(huán)控制的電力傳動系統(tǒng)往往采用開環(huán)控制的電力傳動系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，解決問題的辦法就是采用反不

32、能滿足生產(chǎn)工藝的要求，解決問題的辦法就是采用反饋控制。但是，為了使反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)滿足所需的饋控制。但是，為了使反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)滿足所需的靜、動態(tài)性能指標(biāo)，必須正確設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器。這是因?yàn)樵陟o、動態(tài)性能指標(biāo)，必須正確設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)電力拖動控制系統(tǒng)時，往往會遇到穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能設(shè)計(jì)電力拖動控制系統(tǒng)時，往往會遇到穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能指標(biāo)之間發(fā)生矛盾的情況，這時需要選擇合適的調(diào)節(jié)器指標(biāo)之間發(fā)生矛盾的情況，這時需要選擇合適的調(diào)節(jié)器類型和整定控制參數(shù)，通過動態(tài)校正來改造被控系統(tǒng)，類型和整定控制參數(shù)，通過動態(tài)校正來改造被控系統(tǒng)，使之同時滿足各項(xiàng)指標(biāo)的要求。使之同時滿足各項(xiàng)指標(biāo)的要求。第第5 5章電力拖

33、動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-33-5.3.1 5.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和方法系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和方法 電力拖動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本過程是，根據(jù)實(shí)際的電力拖動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本過程是，根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)工藝需求、系統(tǒng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，通過分析生產(chǎn)工藝需求、系統(tǒng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，通過分析各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)達(dá)到要求。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)達(dá)到要求。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。就是調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制

34、系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-34- 控制理論與控制技術(shù)今天已取得了令人矚目的成就，控制理論與控制技術(shù)今天已取得了令人矚目的成就，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，一些先特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，一些先進(jìn)控制策略不斷推出，過去難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜算法得到應(yīng)進(jìn)控制策略不斷推出，過去難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜算法得到應(yīng)用。盡管如此，用。盡管如此， PIDPID調(diào)節(jié)器仍然是迄今為止最基本和最調(diào)節(jié)器仍然是迄今為止最基本和最常用的控制方法，也是電力拖動控制系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用最常用的控制方法，也是電力拖動控制系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用最多最廣泛的控制方案。多最廣泛的控制方案。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控

35、制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-35- 基于基于PIDPID控制的電力傳動系統(tǒng)可以用圖控制的電力傳動系統(tǒng)可以用圖5-35-3所示，這所示，這里將電動機(jī)和電力電子變換器等裝置都看作系統(tǒng)的被控里將電動機(jī)和電力電子變換器等裝置都看作系統(tǒng)的被控對象對象G G( (s s) )，PIDPID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)C C( (s s) )可表示為可表示為 PDI( )1( )(1)( )U sC sKT sE sT s（5-5）第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-36- 在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)控制對象的特性和要求，可以在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)控制對象的特性和要求，可以靈活選擇調(diào)節(jié)器

36、結(jié)構(gòu)，靈活選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)， 取其中一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)取其中一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律，如比例（律，如比例（P P）調(diào)節(jié)器、比例積分（）調(diào)節(jié)器、比例積分（PIPI）調(diào)節(jié)器、比）調(diào)節(jié)器、比例積分微分（例積分微分（PIDPID）調(diào)節(jié)器等。這樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本）調(diào)節(jié)器等。這樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本問題就是選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和確定控制參數(shù)：比例系數(shù)問題就是選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和確定控制參數(shù)：比例系數(shù)K KP P、積分時間常數(shù)積分時間常數(shù)T TI I或微分時間常數(shù)或微分時間常數(shù)T TD D。 然而，由于然而，由于PIDPID調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)存在多種的組合調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)存在多種的組合可能，相互之間又有影響，使得參數(shù)整定過程

37、復(fù)雜煩瑣，可能，相互之間又有影響，使得參數(shù)整定過程復(fù)雜煩瑣，一直困擾著工程技術(shù)人員，因此尋求簡潔的一直困擾著工程技術(shù)人員，因此尋求簡潔的PIDPID參數(shù)整參數(shù)整定方法具有十分重要的工程實(shí)際意義。定方法具有十分重要的工程實(shí)際意義。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-37- 為此，為此，ZieglerZiegler和和NicholsNichols于于19421942年首先提出了一種年首先提出了一種求解方法，現(xiàn)被稱為求解方法，現(xiàn)被稱為Ziegler-NicholsZiegler-Nichols整定法。整定法。 該方法該方法的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：如果假定系統(tǒng)被控對象可以近

38、似為一階的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：如果假定系統(tǒng)被控對象可以近似為一階慣性加延時環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)表示為慣性加延時環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)表示為 1sKeG sTs（5-6）K K 被控系統(tǒng)開環(huán)增益；被控系統(tǒng)開環(huán)增益； 被控系統(tǒng)延時時間常數(shù)；被控系統(tǒng)延時時間常數(shù)；T T 被控系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)。被控系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-38- 若采用若采用PIDPID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)由式（調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)由式（5-55-5）表示，）表示，則可按如下則可按如下Ziegler-NicholsZiegler-Nichols整定公式來選取整定公式來選取PIDPID調(diào)

39、節(jié)器調(diào)節(jié)器參數(shù)，即有參數(shù)，即有 PID1.220.5TKKTT（5-7）第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-39- 在實(shí)際使用時，通常根據(jù)被控系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線在實(shí)際使用時，通常根據(jù)被控系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（見圖（見圖5-45-4），從圖中測量出被控系統(tǒng)參數(shù)），從圖中測量出被控系統(tǒng)參數(shù)K K、T T和和 ，然，然后按式（后按式（5-95-9）計(jì)算）計(jì)算PIDPID調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)K KP P、T TI I和和T TD D。 如果利如果利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，則可以通過系統(tǒng)辨識確定被控用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，則可以通過系統(tǒng)辨識確定被控系統(tǒng)的參數(shù)。系統(tǒng)的參數(shù)。

40、第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-40-5.3.2 5.3.2 調(diào)節(jié)器最佳整定設(shè)計(jì)法調(diào)節(jié)器最佳整定設(shè)計(jì)法 Ziegler-NicholsZiegler-Nichols整定法是基于線性控制理論的時整定法是基于線性控制理論的時域分析來設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的，另一種解決方法是基于頻域分域分析來設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的，另一種解決方法是基于頻域分析，利用系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性的波德圖（析，利用系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性的波德圖（Bode Bode DiagramDiagram），通過系統(tǒng)校正來設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器。），通過系統(tǒng)校正來設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器。 典型的典型的BodeBode圖如圖圖如圖5-55-5所

41、示，它具有以下反映系統(tǒng)所示，它具有以下反映系統(tǒng)性能的特征：性能的特征： （1 1）中頻段截止頻率）中頻段截止頻率 c c（又稱交界頻率、剪切頻率）（又稱交界頻率、剪切頻率）附近的斜率應(yīng)為附近的斜率應(yīng)為20dB/dec20dB/dec，而且這一斜率具有足夠的，而且這一斜率具有足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好； （2 2） c c越大，系統(tǒng)的快速性越好；越大，系統(tǒng)的快速性越好；第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-41- （3 3）低頻段的斜率陡、增益高，表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精）低頻段的斜率陡、增益高，表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度好；度好； （4 4）

42、高頻段衰減得越快，則系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的）高頻段衰減得越快，則系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。能力越強(qiáng)。 在實(shí)際系統(tǒng)中，上述四方面往往是互相矛盾的，設(shè)在實(shí)際系統(tǒng)中，上述四方面往往是互相矛盾的，設(shè)計(jì)時須用多種手段，反復(fù)試湊，才能獲得比較滿意的結(jié)計(jì)時須用多種手段，反復(fù)試湊，才能獲得比較滿意的結(jié)果。果。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-42- 工程界針對這類系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)提出了各種簡便工程界針對這類系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)提出了各種簡便的設(shè)計(jì)方法，在已知控制對象數(shù)學(xué)模型及其參數(shù)的前提的設(shè)計(jì)方法，在已知控制對象數(shù)學(xué)模型及其參數(shù)的前提下，只要進(jìn)行簡單的分析和計(jì)算，就可以確定

43、調(diào)節(jié)器的下，只要進(jìn)行簡單的分析和計(jì)算，就可以確定調(diào)節(jié)器的類型和參數(shù)，從而避免了繁瑣的繪圖與試湊。在這方面，類型和參數(shù)，從而避免了繁瑣的繪圖與試湊。在這方面，SiemensSiemens公司早在公司早在2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代提出了年代提出了“調(diào)節(jié)器最佳整調(diào)節(jié)器最佳整定設(shè)計(jì)法定設(shè)計(jì)法”，作為其工程設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)與調(diào)試準(zhǔn)則，作為其工程設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)與調(diào)試準(zhǔn)則，該 方 法 簡 單 好 記 ， 使 用 方 便 ， 至 今 仍 在 沿 用 。該 方 法 簡 單 好 記 ， 使 用 方 便 ， 至 今 仍 在 沿 用 。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-43- 在

44、最佳整定設(shè)計(jì)法中，作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)也分為在最佳整定設(shè)計(jì)法中，作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)也分為兩類，即（兩類，即（1 1）模最佳整定（二階最佳系統(tǒng)），（）模最佳整定（二階最佳系統(tǒng)），（2 2）對）對稱最佳整定（三階最佳系統(tǒng)）。所謂稱最佳整定（三階最佳系統(tǒng)）。所謂“最佳最佳”，在德文，在德文原文中的含義是：調(diào)節(jié)器參數(shù)的原文中的含義是：調(diào)節(jié)器參數(shù)的“最佳整定最佳整定”，與控制，與控制理論中的理論中的“最佳（最優(yōu)）控制最佳（最優(yōu)）控制”的意義完全不同。的意義完全不同。1 1 模最佳（二階最佳）整定模最佳（二階最佳）整定 模最佳最佳整定法的基本原理是設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，使得模最佳最佳整定法的基本原理是設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，使得

45、閉環(huán)系統(tǒng)的幅頻特性閉環(huán)系統(tǒng)的幅頻特性G Gclcl(j(j ) ) 的模的模M M( ( ) )恒等于恒等于1 1，即，即 1clMGj（5-8）第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-44- 對于標(biāo)準(zhǔn)的二階系統(tǒng)，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為對于標(biāo)準(zhǔn)的二階系統(tǒng)，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 2n22nns2cly sGsr s（5-9）其中，其中， n n為無阻尼自然振蕩角頻率，或稱固有角頻率；為無阻尼自然振蕩角頻率，或稱固有角頻率； 為阻尼比，或稱衰減系數(shù)。它的幅頻特性的模為為阻尼比，或稱衰減系數(shù)。它的幅頻特性的模為 2n222222nn4clMGj 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)

46、的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-45-上式可寫成上式可寫成 242224nn1142M（5-10）顯然，要使式（顯然，要使式（5-105-10）在低頻帶內(nèi)趨近于）在低頻帶內(nèi)趨近于1 1的條件是：的條件是： n242010.7072（5-11）第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-46- 當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)的模恒為當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)的模恒為1 1時，時， 系統(tǒng)的輸出與輸入相系統(tǒng)的輸出與輸入相等，這表明系統(tǒng)動態(tài)誤差為零，跟隨性能最好，這就是等，這表明系統(tǒng)動態(tài)誤差為零，跟隨性能最好，這就是二階系統(tǒng)參數(shù)的模最佳整定原理。然而實(shí)際系統(tǒng)總有慣二階系統(tǒng)參數(shù)的模最佳整定原理。然而

47、實(shí)際系統(tǒng)總有慣性或滯后，不可能完全滿足這個條件，只能是在頻率較性或滯后，不可能完全滿足這個條件，只能是在頻率較低時使低時使M M( ( ) ) 趨近于趨近于1 1。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-47-2. 2. 對稱最佳（三階最佳）整定對稱最佳（三階最佳）整定 對于標(biāo)準(zhǔn)的三階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)寫成對于標(biāo)準(zhǔn)的三階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)寫成 211KsG ssTs（5-12） 對稱最佳整定法是以開環(huán)對數(shù)頻率特性的相角穩(wěn)定對稱最佳整定法是以開環(huán)對數(shù)頻率特性的相角穩(wěn)定余量最大余量最大 maxmax作為調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為此，對式（作為調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為此，對式（5

48、-5-1212）表示的三階系統(tǒng)求其開環(huán)對數(shù)頻率特性的相角穩(wěn)定）表示的三階系統(tǒng)求其開環(huán)對數(shù)頻率特性的相角穩(wěn)定余量，有余量，有 ccarctgarctgT （5-13）第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-48-再令再令d d /d/d c c=0=0，解出滿足，解出滿足 maxmax的截止頻率的截止頻率 c c為為 （5-14）c1T 式（式（5-145-14）表明，此時）表明，此時 c c恰好位于開環(huán)對數(shù)幅頻特恰好位于開環(huán)對數(shù)幅頻特性兩個轉(zhuǎn)折頻率性兩個轉(zhuǎn)折頻率1/1/ 和和1/1/T T的中點(diǎn)，也就是說，在的中點(diǎn)，也就是說，在BodeBode圖圖上的系統(tǒng)開環(huán)對

49、數(shù)幅頻特性的兩個拐點(diǎn)在上的系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性的兩個拐點(diǎn)在 c c左右對稱，左右對稱，所以按所以按 maxmax的參數(shù)整定叫做的參數(shù)整定叫做“對稱最佳整定對稱最佳整定”。進(jìn)一步。進(jìn)一步推導(dǎo)可得推導(dǎo)可得“對稱最佳整定對稱最佳整定”參數(shù)關(guān)系為參數(shù)關(guān)系為4T218KT第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-49- 由式（由式（5-125-12）所表示的標(biāo)準(zhǔn)三階系統(tǒng)在）所表示的標(biāo)準(zhǔn)三階系統(tǒng)在“對稱最佳對稱最佳整定整定”參數(shù)關(guān)系下的階躍響應(yīng)跟隨性能可經(jīng)計(jì)算求得：參數(shù)關(guān)系下的階躍響應(yīng)跟隨性能可經(jīng)計(jì)算求得：超調(diào)量超調(diào)量 =43.4%=43.4%，上升時間，上升時間t tr r

50、=3.1=3.1T T。 這樣的超調(diào)量顯然太大，于是，對稱最佳整定法在這樣的超調(diào)量顯然太大，于是，對稱最佳整定法在閉環(huán)系統(tǒng)前面再加入一個給定濾波環(huán)節(jié)，并取其傳遞函閉環(huán)系統(tǒng)前面再加入一個給定濾波環(huán)節(jié)，并取其傳遞函數(shù)為數(shù)為 F11141GssTs（5-17）接入此給定濾波環(huán)節(jié)后恰好把原系統(tǒng)分子中的比例微分接入此給定濾波環(huán)節(jié)后恰好把原系統(tǒng)分子中的比例微分項(xiàng)消掉，從而降低了超調(diào)量，計(jì)算后得：項(xiàng)消掉，從而降低了超調(diào)量，計(jì)算后得： = 8.1% = 8.1%， t tr r=3.1=3.1T T。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-50- 最佳整定法把種類繁多的控制系

51、統(tǒng)概括為簡單的二最佳整定法把種類繁多的控制系統(tǒng)概括為簡單的二階和三階系統(tǒng)，意義明確；把計(jì)算復(fù)雜的頻率法轉(zhuǎn)變成階和三階系統(tǒng)，意義明確；把計(jì)算復(fù)雜的頻率法轉(zhuǎn)變成簡單的代數(shù)公式，簡明好記；這些優(yōu)點(diǎn)是它能夠得到廣簡單的代數(shù)公式，簡明好記；這些優(yōu)點(diǎn)是它能夠得到廣泛應(yīng)用的主要原因。但是，最佳整定法也存在一些缺陷，泛應(yīng)用的主要原因。但是，最佳整定法也存在一些缺陷，設(shè)計(jì)結(jié)果只有一種參數(shù)是設(shè)計(jì)結(jié)果只有一種參數(shù)是“最佳最佳”，使實(shí)際應(yīng)用時無法，使實(shí)際應(yīng)用時無法按照工藝要求有不同的選擇；只按線性系統(tǒng)規(guī)律進(jìn)行分按照工藝要求有不同的選擇；只按線性系統(tǒng)規(guī)律進(jìn)行分析，沒有考慮飽和非線性問題，使設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器參數(shù)往析，沒有考慮

52、飽和非線性問題，使設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器參數(shù)往往到實(shí)際應(yīng)用時還要重新進(jìn)行試湊性的整定，增加了現(xiàn)往到實(shí)際應(yīng)用時還要重新進(jìn)行試湊性的整定，增加了現(xiàn)場調(diào)試工作量。場調(diào)試工作量。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-51-5.3.3 5.3.3 基于典型系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法基于典型系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法 針對針對“最佳整定法最佳整定法”的一些不足，的一些不足，陳伯時教授陳伯時教授等學(xué)等學(xué)者在實(shí)踐的基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究和改進(jìn)，者在實(shí)踐的基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究和改進(jìn)，8080年代提出了年代提出了“基于典型系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法基于典型系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法”，具有更切合實(shí)際、，具有更切合實(shí)際、更有效的設(shè)

53、計(jì)效果，在理論上也得到更清晰的闡述。更有效的設(shè)計(jì)效果，在理論上也得到更清晰的闡述。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-52-1 1典型系統(tǒng)的概念典型系統(tǒng)的概念 一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可表示一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為如下通用形式為如下通用形式 mj1n111jriiKsG ssTs（5-18）第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-53- 在式（在式（5-185-18）的分子和分母中還可能含有復(fù)數(shù)零點(diǎn)）的分子和分母中還可能含有復(fù)數(shù)零點(diǎn)和復(fù)數(shù)極點(diǎn)諸項(xiàng)，分母中和復(fù)數(shù)極點(diǎn)諸項(xiàng)，分母中s sr r項(xiàng)表

54、示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有r r重重極點(diǎn)，或者說，系統(tǒng)含有極點(diǎn)，或者說，系統(tǒng)含有r r個積分環(huán)節(jié)。通常按個積分環(huán)節(jié)。通常按r r=0=0、1 1、2 2、3 3來區(qū)分系統(tǒng)，分別稱作來區(qū)分系統(tǒng)，分別稱作0 0型、型、I I型、型、型型系統(tǒng)。系統(tǒng)。 0 0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而型和型和型以上的系統(tǒng)很型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了確保穩(wěn)定性并具有較好的穩(wěn)態(tài)精度，難穩(wěn)定。因此，為了確保穩(wěn)定性并具有較好的穩(wěn)態(tài)精度，多用多用I I型和型和型系統(tǒng)。型系統(tǒng)。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-54- 基于典型系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法是在基于典型系

55、統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法是在I I型和型和型系統(tǒng)型系統(tǒng)中各選擇一種系統(tǒng)作為典型，保證典型系統(tǒng)是穩(wěn)定的，中各選擇一種系統(tǒng)作為典型，保證典型系統(tǒng)是穩(wěn)定的，并有足夠的穩(wěn)定余量。設(shè)計(jì)時，首先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，并有足夠的穩(wěn)定余量。設(shè)計(jì)時，首先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，使閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)校正成典型系統(tǒng)，然后再確使閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)校正成典型系統(tǒng)，然后再確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)動態(tài)性能指標(biāo)。這定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)動態(tài)性能指標(biāo)。這樣做相當(dāng)于把四方面的矛盾關(guān)系分兩步來解決，第一步樣做相當(dāng)于把四方面的矛盾關(guān)系分兩步來解決，第一步先解決主要矛盾：動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，第二再進(jìn)一先解決主要矛盾：動態(tài)穩(wěn)

56、定性和穩(wěn)態(tài)精度，第二再進(jìn)一步滿足其它動態(tài)性能指標(biāo)。步滿足其它動態(tài)性能指標(biāo)。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-55- （1 1）典型）典型I I型系統(tǒng)型系統(tǒng) 在在I I型系統(tǒng)中，選擇一個結(jié)構(gòu)簡單的只包含一個積型系統(tǒng)中，選擇一個結(jié)構(gòu)簡單的只包含一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)作為典型分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)作為典型I I型系統(tǒng)，型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為其開環(huán)傳遞函數(shù)為 11KsG ss Ts（5-19） 典型典型I I型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性示于圖型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性示于圖5-65-6，由特，由特性可知性可知K K= = c c，當(dāng)，當(dāng) c c

57、1/1/T T，或，或 c cT T 1 1時，對數(shù)幅頻特性中時，對數(shù)幅頻特性中頻段以頻段以 20db/dec20db/dec的斜率穿越零分貝線，而且寬度極大，的斜率穿越零分貝線，而且寬度極大，系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)穩(wěn)定。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-56- 典型典型I I型系統(tǒng)是一階無差系統(tǒng)，型系統(tǒng)是一階無差系統(tǒng)，K K= = c c 1/T 1/T ，穩(wěn)定余，穩(wěn)定余量大，超調(diào)量小。調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)和簡單的定位伺服量大，超調(diào)量小。調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)和簡單的定位伺服系統(tǒng)經(jīng)簡化后都能等效成典型系統(tǒng)經(jīng)簡化后都能等效成典型I I型系統(tǒng)。型系統(tǒng)。 第第5 5章電力拖動

58、控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-57- （2 2）典型）典型型系統(tǒng)型系統(tǒng) 在各種在各種型系統(tǒng)中，現(xiàn)選擇包含兩個積分環(huán)節(jié)、一型系統(tǒng)中，現(xiàn)選擇包含兩個積分環(huán)節(jié)、一個慣性環(huán)節(jié)和一個比例微分環(huán)節(jié)的三階系統(tǒng)作為典型的個慣性環(huán)節(jié)和一個比例微分環(huán)節(jié)的三階系統(tǒng)作為典型的型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為（5-20） 211KsG ssTs 典型典型型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性示于圖型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性示于圖5-75-7， 只只要要 ，或，或 ，就可保證中頻段以，就可保證中頻段以 20db/dec20db/dec斜率穿越零分貝線，具有相當(dāng)大的相角穩(wěn)定裕度。斜率穿越零分貝線，具有

59、相當(dāng)大的相角穩(wěn)定裕度。 c11TT第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-58- 典型典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)雖然比典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)雖然比典型型系統(tǒng)復(fù)雜一些，型系統(tǒng)復(fù)雜一些，但屬于二階無差系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)精度高，而且抗擾性能好，但屬于二階無差系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)精度高，而且抗擾性能好，只是階躍響應(yīng)的超調(diào)量略大。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)和許多只是階躍響應(yīng)的超調(diào)量略大。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)和許多伺服系統(tǒng)經(jīng)簡化后都能等效成典型伺服系統(tǒng)經(jīng)簡化后都能等效成典型型系統(tǒng)。型系統(tǒng)。 第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)-59-2. 2. 典型系統(tǒng)性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系典型系統(tǒng)性能指

60、標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 （1 1）典型）典型型系統(tǒng)性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 1 1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 表表5-15-1給出了給出了I I型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，在階躍輸入下的誤差，在階躍輸入下的I I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無差的，在斜型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無差的，在斜坡輸入下則有與坡輸入下則有與K K值成反比的恒值穩(wěn)態(tài)誤差，在加速度值成反比的恒值穩(wěn)態(tài)誤差，在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為。因此，輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為。因此，I I型系統(tǒng)不能用于具有加速型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的伺服系統(tǒng)。度輸入的伺服系統(tǒng)。第第5 5章電力拖動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)