電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)概述課件

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)概述2023/1/3No.1/62電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)概述2022/12/29No.1/622023/1/3No.2/62第六章伺服系統(tǒng)§6-1伺服系統(tǒng)的特征及組成本章小結(jié)§6-2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型§6-3伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特征及組成2022/12/29No.2/62第六章伺服系統(tǒng)§6-12023/1/3No.3/62前言伺服（Servo）意味著“伺候”和“服從”。廣義的伺服系統(tǒng)是精確地跟蹤或復(fù)現(xiàn)某個(gè)給定過程的控制系統(tǒng)，也可稱作隨動(dòng)系統(tǒng)。狹義伺服系統(tǒng)又稱位置隨動(dòng)系統(tǒng)，其被控制量（輸出量）是負(fù)載機(jī)械空間位置的線位移或角位移，當(dāng)位置給定量（輸入量）作任意變化時(shí)，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。2022/12/29No.3/62前言伺服（Servo）2023/1/3No.4/62概述伺服系統(tǒng)的功能是使輸出快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定，對伺服系統(tǒng)具有如下的基本要求：穩(wěn)定性好伺服系統(tǒng)在給定輸入和外界干擾下，能在短暫的過渡過程后，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，或者恢復(fù)到原先的平衡狀態(tài)。精度高

伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量跟隨給定值的精確程度，如精密加工的數(shù)控機(jī)床，要求很高的定位精度。動(dòng)態(tài)響應(yīng)快

動(dòng)態(tài)響應(yīng)是伺服系統(tǒng)重要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，要求系統(tǒng)對給定的跟隨速度足夠快、超調(diào)小，甚至要求無超調(diào)?？箶_動(dòng)能力強(qiáng)

在各種擾動(dòng)作用時(shí)，系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)變化小，恢復(fù)時(shí)間快，振蕩次數(shù)少，甚至要求無振蕩。2022/12/29No.4/62概述伺服系統(tǒng)的功2023/1/3No.5/62伺服系統(tǒng)的特征必須具備高精度的傳感器，能準(zhǔn)確地給出輸出量的電信號。功率放大器以及控制系統(tǒng)都必須是可逆的。足夠大的調(diào)速范圍及足夠強(qiáng)的低速帶載性能?？焖俚捻憫?yīng)能力和較強(qiáng)的抗干擾能力。2022/12/29No.5/62伺服系統(tǒng)的特征必須具備高精2023/1/3No.6/62伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)器、控制器和傳感器四大部分組成。除了位置傳感器外，可能還需要電壓、電流和速度傳感器。圖9-1位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖A）開環(huán)系統(tǒng)b）半閉環(huán)系統(tǒng)c）全閉環(huán)系統(tǒng)2022/12/29No.6/62伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)由伺2023/1/3No.7/62伺服系統(tǒng)的組成旋轉(zhuǎn)編碼器圖9-2絕對值式編碼器的碼盤a)二進(jìn)制碼盤b)循環(huán)碼碼盤2022/12/29No.7/62伺服系統(tǒng)的組成旋轉(zhuǎn)編碼器圖2023/1/3No.8/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)伺服系統(tǒng)的實(shí)際位置與目標(biāo)值之間的誤差，稱作系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差可分為兩類：檢測誤差與系統(tǒng)誤差。伺服系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中性能指標(biāo)稱為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，如超調(diào)量、跟隨速度及時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、振蕩次數(shù)、抗擾動(dòng)能力等。2022/12/29No.8/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)伺服系統(tǒng)2023/1/3No.9/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)圖9-4位置伺服系統(tǒng)的典型輸入信號a）位置階躍輸入b）速度輸入c）加速度輸入2022/12/29No.9/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)圖9-42023/1/3No.10/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)伺服系統(tǒng)在三種單位輸入信號的作用下給定穩(wěn)態(tài)誤差：

2022/12/29No.10/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)伺服系2023/1/3No.11/62伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖9-3線性位置伺服系統(tǒng)一般動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2022/12/29No.11/62伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖92023/1/3No.12/62第六章伺服系統(tǒng)§6-1伺服系統(tǒng)的特征及組成本章小結(jié)§6-2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型§6-3伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型2022/12/29No.12/62第六章伺服系統(tǒng)§6-12023/1/3No.13/62概述根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)的種類，伺服系統(tǒng)可分為直流和交流兩大類。伺服系統(tǒng)控制對象包括伺服電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。2022/12/29No.13/62概述根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)的2023/1/3No.14/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型直流伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為直流伺服電動(dòng)機(jī)，中、小功率的伺服系統(tǒng)采用直流永磁伺服電動(dòng)機(jī)，當(dāng)功率較大時(shí)，也可采用電勵(lì)磁的直流伺服電動(dòng)機(jī)。直流無刷電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)有相同的控制特性，也可歸入直流伺服系統(tǒng)。2022/12/29No.14/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.15/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型直流伺服電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)方程

Id：電樞電流RΣ：包括驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻的電樞回路電阻LΣ：電樞回路電感2022/12/29No.15/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.16/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型驅(qū)動(dòng)裝置的近似等效傳遞函數(shù)狀態(tài)方程

2022/12/29No.16/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.17/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型控制對象的數(shù)學(xué)模型

2022/12/29No.17/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.18/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型圖9-5直流伺服系統(tǒng)控制對象結(jié)構(gòu)圖2022/12/29No.18/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.19/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型采用電流閉環(huán)后，電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)為慣性環(huán)節(jié)，故帶有電流閉環(huán)控制的對象數(shù)學(xué)模型為2022/12/29No.19/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.20/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型圖9-6帶有電流閉環(huán)控制的對象結(jié)構(gòu)圖2022/12/29No.20/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.21/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，稱作交流伺服系統(tǒng)。常用的交流伺服電動(dòng)機(jī)有三相異步電動(dòng)機(jī)、永磁式同步電動(dòng)機(jī)和磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等，也可用電勵(lì)磁的同步伺服電動(dòng)機(jī)。無論是異步電動(dòng)機(jī)，還是同步電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過矢量變換、磁鏈定向和電流閉環(huán)控制均可等效為電流控制的直流電動(dòng)機(jī)。2022/12/29No.21/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.22/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的數(shù)學(xué)模型為2022/12/29No.22/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.23/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型采用電流閉環(huán)控制后，對象的數(shù)學(xué)模型為2022/12/29No.23/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.24/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型CT為包含磁鏈作用在內(nèi)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，電流轉(zhuǎn)矩分量相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流，電流閉環(huán)控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖與直流電動(dòng)機(jī)相仿。對于同步伺服電動(dòng)機(jī)也可得到相同結(jié)論，不重復(fù)論述。采用電流閉環(huán)控制后，交流伺服系統(tǒng)與直流伺服系統(tǒng)具有相同的控制對象數(shù)學(xué)模型。稱作在電流閉環(huán)控制下交、直流伺服系統(tǒng)控制對象的統(tǒng)一模型。用相同的方法設(shè)計(jì)交流或直流伺服系統(tǒng)。

2022/12/29No.24/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.25/62第六章伺服系統(tǒng)§6-1伺服系統(tǒng)的特征及組成本章小結(jié)§6-2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型§6-3伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)2022/12/29No.25/62第六章伺服系統(tǒng)§6-12023/1/3No.26/62概述伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)因系統(tǒng)的具體要求而異，對于閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，常用串聯(lián)校正或并聯(lián)校正方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能的調(diào)整。校正裝置串聯(lián)配置在前向通道的校正方式稱為串聯(lián)校正，一般把串聯(lián)校正單元稱作調(diào)節(jié)器，所以又稱為調(diào)節(jié)器校正。若校正裝置與前向通道并行，則稱為并聯(lián)校正；信號流向與前向通道相同時(shí)，稱作前饋校正；信號流向與前向通道相反時(shí)，則稱作反饋校正。2022/12/29No.26/62概述伺服系統(tǒng)的結(jié)2023/1/3No.27/62調(diào)節(jié)器校正及其傳遞函數(shù)常用的調(diào)節(jié)器有比例－微分（PD）調(diào)節(jié)器、比例－積分（PI）調(diào)節(jié)器以及比例－積分－微分（PID）調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際伺服系統(tǒng)的特征進(jìn)行選擇。2022/12/29No.27/62調(diào)節(jié)器校正及其傳遞函數(shù)常2023/1/3No.28/62PD調(diào)節(jié)器校正在系統(tǒng)的前向通道上串聯(lián)PD

調(diào)節(jié)器校正裝置，可以使相位超前，以抵消慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)使相位滯后而產(chǎn)生的不良后果。PD

調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為2022/12/29No.28/62PD調(diào)節(jié)器校正在系統(tǒng)的2023/1/3No.29/62PI調(diào)節(jié)器校正如果系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能滿足要求，并有一定的穩(wěn)定裕量，而穩(wěn)態(tài)誤差較大，則可以用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正。PI

調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為2022/12/29No.29/62PI調(diào)節(jié)器校正如果系統(tǒng)2023/1/3No.30/62PID調(diào)節(jié)器校正將PD

串聯(lián)校正和PI串聯(lián)校正聯(lián)合使用，構(gòu)成PID

調(diào)節(jié)器。如果合理設(shè)計(jì)則可以綜合改善伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。PID

串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)為2022/12/29No.30/62PID調(diào)節(jié)器校正將P2023/1/3No.31/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)對于直流伺服電動(dòng)機(jī)可以采用單位置環(huán)控制方式，直接設(shè)計(jì)位置調(diào)節(jié)器APR。為了避免在過渡過程中電流沖擊過大，應(yīng)采用電流截止反饋保護(hù)，或者選擇允許過載倍數(shù)比較高的伺服電動(dòng)機(jī)。2022/12/29No.31/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)對于直流2023/1/3No.32/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-7單環(huán)位置伺服系統(tǒng)APR—位置調(diào)節(jié)器UPE—驅(qū)動(dòng)裝置SM—直流伺服電動(dòng)機(jī)BQ—位置傳感器2022/12/29No.32/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-72023/1/3No.33/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩，直流伺服系統(tǒng)控制對象傳遞函數(shù)為機(jī)電時(shí)間常數(shù)

2022/12/29No.33/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負(fù)載2023/1/3No.34/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-8直流伺服系統(tǒng)控制對象結(jié)構(gòu)圖采用PD

調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為2022/12/29No.34/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-82023/1/3No.35/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)

系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)

2022/12/29No.35/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)2023/1/3No.36/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-9單位置環(huán)控制直流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖?2022/12/29No.36/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-92023/1/3No.37/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)用系統(tǒng)的開環(huán)零點(diǎn)消去慣性時(shí)間常數(shù)最大的開環(huán)極點(diǎn)，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)過程。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)2022/12/29No.37/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)用系統(tǒng)的2023/1/3No.38/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程式

2022/12/29No.38/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)2023/1/3No.39/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-10單位置環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)對數(shù)幅頻特性用Routh穩(wěn)定判據(jù)，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，須使:2022/12/29No.39/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12023/1/3No.40/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)在電流閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)位置調(diào)節(jié)器，構(gòu)成位置伺服系統(tǒng)，位置調(diào)節(jié)器的輸出限幅是電流的最大值。以直流伺服系統(tǒng)為例，對于交流伺服系統(tǒng)也適用，只須對伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)作相應(yīng)的改動(dòng)。2022/12/29No.40/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)在電流閉2023/1/3No.41/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-11雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)2022/12/29No.41/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12023/1/3No.42/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，帶有電流閉環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)為為了消除負(fù)載擾動(dòng)引起的靜差，APR

選用PI

調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)2022/12/29No.42/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負(fù)載2023/1/3No.43/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)

2022/12/29No.43/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12023/1/3No.44/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為特征方程式特征方程式未出現(xiàn)s的二次項(xiàng)，由Routh穩(wěn)定判據(jù)可知，系統(tǒng)不穩(wěn)定。2022/12/29No.44/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)2023/1/3No.45/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)將APR

改用PID

調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

2022/12/29No.45/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)將AP2023/1/3No.46/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)特征方程式2022/12/29No.46/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)閉環(huán)傳遞2023/1/3No.47/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)由Routh穩(wěn)定判據(jù)求得系統(tǒng)穩(wěn)定的條件

圖9-13采用PID控制的雙環(huán)控制伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)對數(shù)幅頻特性2022/12/29No.47/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)由Ro2023/1/3No.48/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)若APR

仍采用PI

調(diào)節(jié)器，可在位置反饋的基礎(chǔ)上，再加上微分負(fù)反饋，即轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。圖9-14帶有微分負(fù)反饋的伺服系統(tǒng)

2022/12/29No.48/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)若AP2023/1/3No.49/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-15帶有微分負(fù)反饋的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2022/12/29No.49/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12023/1/3No.50/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)在調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再設(shè)一個(gè)位置環(huán)，形成三環(huán)控制的位置伺服系統(tǒng)。圖9-16三環(huán)位置伺服系統(tǒng)APR—位置調(diào)節(jié)器ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR—電流調(diào)節(jié)器BQ—光電位置傳感器DSP—數(shù)字轉(zhuǎn)速信號形成環(huán)節(jié)2022/12/29No.50/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)在調(diào)速系2023/1/3No.51/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)直流轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開環(huán)傳遞函數(shù)矢量控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)兩者結(jié)構(gòu)相同。2022/12/29No.51/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)直流轉(zhuǎn)速2023/1/3No.52/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-17直流轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖9-18矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2022/12/29No.52/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12023/1/3No.53/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-19位置環(huán)的控制對象結(jié)構(gòu)圖圖9-20位置閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

2022/12/29No.53/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12023/1/3No.54/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù)

2022/12/29No.54/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)控2023/1/3No.55/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)給定輸入為階躍時(shí)，APR選用P調(diào)節(jié)器就可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)開環(huán)放大系數(shù)

2022/12/29No.55/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)給定輸入2023/1/3No.56/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程式

2022/12/29No.56/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)2023/1/3No.57/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)用Routh穩(wěn)定判據(jù)，可求得系統(tǒng)的穩(wěn)定條件

2022/12/29No.57/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)用Ro2023/1/3No.58/62復(fù)合控制的伺服系統(tǒng)為了提高隨動(dòng)性能，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)

圖9-21復(fù)合控制位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖2022/12/29No.58/62復(fù)合控制的伺服系統(tǒng)為了提2023/1/3No.59/62復(fù)合控制的伺服系統(tǒng)前饋控制器的傳遞函數(shù)選為得到2022/12/29No.59/62復(fù)合控制的伺服系統(tǒng)前饋控2023/1/3No.60/62復(fù)合控制的伺服系統(tǒng)理想的復(fù)合控制隨動(dòng)系統(tǒng)的輸出量能夠完全復(fù)現(xiàn)給定輸入量，其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的給定誤差都為零。系統(tǒng)對給定輸入實(shí)現(xiàn)了“完全不變性”。需要引入輸入信號的各階導(dǎo)數(shù)作為前饋控制信號，但同時(shí)會(huì)引入高頻干擾信號，嚴(yán)重時(shí)將破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這時(shí)不得不再加上濾波環(huán)節(jié)。2022/12/29No.60/62復(fù)合控制的伺服系統(tǒng)理想的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)概述2023/1/3No.61/62電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)概述2022/12/29No.1/622023/1/3No.62/62第六章伺服系統(tǒng)§6-1伺服系統(tǒng)的特征及組成本章小結(jié)§6-2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型§6-3伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特征及組成2022/12/29No.2/62第六章伺服系統(tǒng)§6-12023/1/3No.63/62前言伺服（Servo）意味著“伺候”和“服從”。廣義的伺服系統(tǒng)是精確地跟蹤或復(fù)現(xiàn)某個(gè)給定過程的控制系統(tǒng)，也可稱作隨動(dòng)系統(tǒng)。狹義伺服系統(tǒng)又稱位置隨動(dòng)系統(tǒng)，其被控制量（輸出量）是負(fù)載機(jī)械空間位置的線位移或角位移，當(dāng)位置給定量（輸入量）作任意變化時(shí)，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。2022/12/29No.3/62前言伺服（Servo）2023/1/3No.64/62概述伺服系統(tǒng)的功能是使輸出快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定，對伺服系統(tǒng)具有如下的基本要求：穩(wěn)定性好伺服系統(tǒng)在給定輸入和外界干擾下，能在短暫的過渡過程后，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，或者恢復(fù)到原先的平衡狀態(tài)。精度高

伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量跟隨給定值的精確程度，如精密加工的數(shù)控機(jī)床，要求很高的定位精度。動(dòng)態(tài)響應(yīng)快

動(dòng)態(tài)響應(yīng)是伺服系統(tǒng)重要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，要求系統(tǒng)對給定的跟隨速度足夠快、超調(diào)小，甚至要求無超調(diào)?？箶_動(dòng)能力強(qiáng)

在各種擾動(dòng)作用時(shí)，系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)變化小，恢復(fù)時(shí)間快，振蕩次數(shù)少，甚至要求無振蕩。2022/12/29No.4/62概述伺服系統(tǒng)的功2023/1/3No.65/62伺服系統(tǒng)的特征必須具備高精度的傳感器，能準(zhǔn)確地給出輸出量的電信號。功率放大器以及控制系統(tǒng)都必須是可逆的。足夠大的調(diào)速范圍及足夠強(qiáng)的低速帶載性能?？焖俚捻憫?yīng)能力和較強(qiáng)的抗干擾能力。2022/12/29No.5/62伺服系統(tǒng)的特征必須具備高精2023/1/3No.66/62伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)器、控制器和傳感器四大部分組成。除了位置傳感器外，可能還需要電壓、電流和速度傳感器。圖9-1位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖A）開環(huán)系統(tǒng)b）半閉環(huán)系統(tǒng)c）全閉環(huán)系統(tǒng)2022/12/29No.6/62伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)由伺2023/1/3No.67/62伺服系統(tǒng)的組成旋轉(zhuǎn)編碼器圖9-2絕對值式編碼器的碼盤a)二進(jìn)制碼盤b)循環(huán)碼碼盤2022/12/29No.7/62伺服系統(tǒng)的組成旋轉(zhuǎn)編碼器圖2023/1/3No.68/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)伺服系統(tǒng)的實(shí)際位置與目標(biāo)值之間的誤差，稱作系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差可分為兩類：檢測誤差與系統(tǒng)誤差。伺服系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中性能指標(biāo)稱為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，如超調(diào)量、跟隨速度及時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、振蕩次數(shù)、抗擾動(dòng)能力等。2022/12/29No.8/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)伺服系統(tǒng)2023/1/3No.69/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)圖9-4位置伺服系統(tǒng)的典型輸入信號a）位置階躍輸入b）速度輸入c）加速度輸入2022/12/29No.9/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)圖9-42023/1/3No.70/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)伺服系統(tǒng)在三種單位輸入信號的作用下給定穩(wěn)態(tài)誤差：

2022/12/29No.10/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)伺服系2023/1/3No.71/62伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖9-3線性位置伺服系統(tǒng)一般動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2022/12/29No.11/62伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖92023/1/3No.72/62第六章伺服系統(tǒng)§6-1伺服系統(tǒng)的特征及組成本章小結(jié)§6-2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型§6-3伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型2022/12/29No.12/62第六章伺服系統(tǒng)§6-12023/1/3No.73/62概述根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)的種類，伺服系統(tǒng)可分為直流和交流兩大類。伺服系統(tǒng)控制對象包括伺服電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。2022/12/29No.13/62概述根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)的2023/1/3No.74/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型直流伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為直流伺服電動(dòng)機(jī)，中、小功率的伺服系統(tǒng)采用直流永磁伺服電動(dòng)機(jī)，當(dāng)功率較大時(shí)，也可采用電勵(lì)磁的直流伺服電動(dòng)機(jī)。直流無刷電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)有相同的控制特性，也可歸入直流伺服系統(tǒng)。2022/12/29No.14/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.75/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型直流伺服電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)方程

Id：電樞電流RΣ：包括驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻的電樞回路電阻LΣ：電樞回路電感2022/12/29No.15/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.76/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型驅(qū)動(dòng)裝置的近似等效傳遞函數(shù)狀態(tài)方程

2022/12/29No.16/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.77/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型控制對象的數(shù)學(xué)模型

2022/12/29No.17/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.78/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型圖9-5直流伺服系統(tǒng)控制對象結(jié)構(gòu)圖2022/12/29No.18/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.79/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型采用電流閉環(huán)后，電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)為慣性環(huán)節(jié)，故帶有電流閉環(huán)控制的對象數(shù)學(xué)模型為2022/12/29No.19/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.80/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型圖9-6帶有電流閉環(huán)控制的對象結(jié)構(gòu)圖2022/12/29No.20/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.81/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，稱作交流伺服系統(tǒng)。常用的交流伺服電動(dòng)機(jī)有三相異步電動(dòng)機(jī)、永磁式同步電動(dòng)機(jī)和磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等，也可用電勵(lì)磁的同步伺服電動(dòng)機(jī)。無論是異步電動(dòng)機(jī)，還是同步電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過矢量變換、磁鏈定向和電流閉環(huán)控制均可等效為電流控制的直流電動(dòng)機(jī)。2022/12/29No.21/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.82/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的數(shù)學(xué)模型為2022/12/29No.22/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.83/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型采用電流閉環(huán)控制后，對象的數(shù)學(xué)模型為2022/12/29No.23/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.84/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型CT為包含磁鏈作用在內(nèi)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，電流轉(zhuǎn)矩分量相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流，電流閉環(huán)控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖與直流電動(dòng)機(jī)相仿。對于同步伺服電動(dòng)機(jī)也可得到相同結(jié)論，不重復(fù)論述。采用電流閉環(huán)控制后，交流伺服系統(tǒng)與直流伺服系統(tǒng)具有相同的控制對象數(shù)學(xué)模型。稱作在電流閉環(huán)控制下交、直流伺服系統(tǒng)控制對象的統(tǒng)一模型。用相同的方法設(shè)計(jì)交流或直流伺服系統(tǒng)。

2022/12/29No.24/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)2023/1/3No.85/62第六章伺服系統(tǒng)§6-1伺服系統(tǒng)的特征及組成本章小結(jié)§6-2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型§6-3伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)2022/12/29No.25/62第六章伺服系統(tǒng)§6-12023/1/3No.86/62概述伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)因系統(tǒng)的具體要求而異，對于閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，常用串聯(lián)校正或并聯(lián)校正方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能的調(diào)整。校正裝置串聯(lián)配置在前向通道的校正方式稱為串聯(lián)校正，一般把串聯(lián)校正單元稱作調(diào)節(jié)器，所以又稱為調(diào)節(jié)器校正。若校正裝置與前向通道并行，則稱為并聯(lián)校正；信號流向與前向通道相同時(shí)，稱作前饋校正；信號流向與前向通道相反時(shí)，則稱作反饋校正。2022/12/29No.26/62概述伺服系統(tǒng)的結(jié)2023/1/3No.87/62調(diào)節(jié)器校正及其傳遞函數(shù)常用的調(diào)節(jié)器有比例－微分（PD）調(diào)節(jié)器、比例－積分（PI）調(diào)節(jié)器以及比例－積分－微分（PID）調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際伺服系統(tǒng)的特征進(jìn)行選擇。2022/12/29No.27/62調(diào)節(jié)器校正及其傳遞函數(shù)常2023/1/3No.88/62PD調(diào)節(jié)器校正在系統(tǒng)的前向通道上串聯(lián)PD

調(diào)節(jié)器校正裝置，可以使相位超前，以抵消慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)使相位滯后而產(chǎn)生的不良后果。PD

調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為2022/12/29No.28/62PD調(diào)節(jié)器校正在系統(tǒng)的2023/1/3No.89/62PI調(diào)節(jié)器校正如果系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能滿足要求，并有一定的穩(wěn)定裕量，而穩(wěn)態(tài)誤差較大，則可以用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正。PI

調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為2022/12/29No.29/62PI調(diào)節(jié)器校正如果系統(tǒng)2023/1/3No.90/62PID調(diào)節(jié)器校正將PD

串聯(lián)校正和PI串聯(lián)校正聯(lián)合使用，構(gòu)成PID

調(diào)節(jié)器。如果合理設(shè)計(jì)則可以綜合改善伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。PID

串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)為2022/12/29No.30/62PID調(diào)節(jié)器校正將P2023/1/3No.91/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)對于直流伺服電動(dòng)機(jī)可以采用單位置環(huán)控制方式，直接設(shè)計(jì)位置調(diào)節(jié)器APR。為了避免在過渡過程中電流沖擊過大，應(yīng)采用電流截止反饋保護(hù)，或者選擇允許過載倍數(shù)比較高的伺服電動(dòng)機(jī)。2022/12/29No.31/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)對于直流2023/1/3No.92/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-7單環(huán)位置伺服系統(tǒng)APR—位置調(diào)節(jié)器UPE—驅(qū)動(dòng)裝置SM—直流伺服電動(dòng)機(jī)BQ—位置傳感器2022/12/29No.32/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-72023/1/3No.93/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩，直流伺服系統(tǒng)控制對象傳遞函數(shù)為機(jī)電時(shí)間常數(shù)

2022/12/29No.33/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負(fù)載2023/1/3No.94/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-8直流伺服系統(tǒng)控制對象結(jié)構(gòu)圖采用PD

調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為2022/12/29No.34/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-82023/1/3No.95/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)

系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)

2022/12/29No.35/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)2023/1/3No.96/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-9單位置環(huán)控制直流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖?2022/12/29No.36/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-92023/1/3No.97/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)用系統(tǒng)的開環(huán)零點(diǎn)消去慣性時(shí)間常數(shù)最大的開環(huán)極點(diǎn)，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)過程。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)2022/12/29No.37/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)用系統(tǒng)的2023/1/3No.98/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程式

2022/12/29No.38/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)2023/1/3No.99/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-10單位置環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)對數(shù)幅頻特性用Routh穩(wěn)定判據(jù)，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，須使:2022/12/29No.39/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12023/1/3No.100/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)在電流閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)位置調(diào)節(jié)器，構(gòu)成位置伺服系統(tǒng)，位置調(diào)節(jié)器的輸出限幅是電流的最大值。以直流伺服系統(tǒng)為例，對于交流伺服系統(tǒng)也適用，只須對伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)作相應(yīng)的改動(dòng)。2022/12/29No.40/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)在電流閉2023/1/3No.101/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-11雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)2022/12/29No.41/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12023/1/3No.102/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，帶有電流閉環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)為為了消除負(fù)載擾動(dòng)引起的靜差，APR

選用PI

調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)2022/12/29No.42/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負(fù)載2023/1/3No.103/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)

2022/12/29No.43/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12023/1/3No.104/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為特征方程式特征方程式未出現(xiàn)s的二次項(xiàng)，由Routh穩(wěn)定判據(jù)可知，系統(tǒng)不穩(wěn)定。2022/12/29No.44/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)2023/1/3No.105/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)將APR

改用PID

調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

2022/12/29No.45/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)將AP2023/1/3No.106/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)特征方程式2022/12/29No.46/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)閉環(huán)傳遞2023/1/3No.107/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)由Routh穩(wěn)定判據(jù)求得系統(tǒng)穩(wěn)定的條件

圖9-13采用PID控制的雙環(huán)控制伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)對數(shù)幅頻特性2022/1