電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課

2023/2/1No.1/62電氣傳動控制系統(tǒng)ElectricalDriveControlSystem伺服系統(tǒng)自動化專業(yè)、電氣工程專業(yè)選修課2023/2/1No.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)計特征及組成2023/2/1No.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)某個給定過程的控制系統(tǒng)，也可稱作隨動系統(tǒng)。狹義伺服系統(tǒng)又稱位置隨動系統(tǒng)，其被控制量（輸出量）是負(fù)載機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，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。2023/2/1No.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)控機床，要求很高的定位精度。動態(tài)響應(yīng)快

動態(tài)響應(yīng)是伺服系統(tǒng)重要的動態(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)。抗擾動能力強

在各種擾動作用時，系統(tǒng)輸出動態(tài)變化小，恢復(fù)時間快，振蕩次數(shù)少，甚至要求無振蕩。2023/2/1No.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)速范圍及足夠強的低速帶載性能。快速的響應(yīng)能力和較強的抗干擾能力。2023/2/1No.6/62伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)由伺服電動機、功率驅(qū)動器、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)2023/2/1No.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2023/2/1No.8/62伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)伺服系統(tǒng)的實際位置與目標(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)在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中性能指標(biāo)稱為動態(tài)性能指標(biāo)，如超調(diào)量、跟隨速度及時間、調(diào)節(jié)時間、振蕩次數(shù)、抗擾動能力等。2023/2/1No.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2023/2/1No.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：

2023/2/1No.11/62伺服系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖9-3線性位置伺服系統(tǒng)一般動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2023/2/1No.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)計數(shù)學(xué)模型2023/2/1No.13/62概述根據(jù)伺服電動機的種類，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機、驅(qū)動裝置和機械傳動機構(gòu)。2023/2/1No.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機，中、小功率的伺服系統(tǒng)采用直流永磁伺服電動機，當(dāng)功率較大時，也可采用電勵磁的直流伺服電動機。直流無刷電動機與直流電動機有相同的控制特性，也可歸入直流伺服系統(tǒng)。2023/2/1No.15/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型直流伺服電動機的狀態(tài)方程機械傳動機構(gòu)的狀態(tài)方程

Id：電樞電流RΣ：包括驅(qū)動器內(nèi)阻的電樞回路電阻LΣ：電樞回路電感2023/2/1No.16/62直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型驅(qū)動裝置的近似等效傳遞函數(shù)狀態(tài)方程

2023/2/1No.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

2023/2/1No.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2023/2/1No.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2023/2/1No.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2023/2/1No.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機作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電動機，稱作交流伺服系統(tǒng)。常用的交流伺服電動機有三相異步電動機、永磁式同步電動機和磁阻式步進(jìn)電動機等，也可用電勵磁的同步伺服電動機。無論是異步電動機，還是同步電動機，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機。2023/2/1No.22/62交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型異步電動機按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的數(shù)學(xué)模型為2023/2/1No.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2023/2/1No.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)于直流電動機的電樞電流，電流閉環(huán)控制的交流伺服電動機結(jié)構(gòu)圖與直流電動機相仿。對于同步伺服電動機也可得到相同結(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)計交流或直流伺服系統(tǒng)。

2023/2/1No.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)計工程設(shè)計2023/2/1No.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，稱作前饋校正；信號流向與前向通道相反時，則稱作反饋校正。2023/2/1No.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)計中可根據(jù)實際伺服系統(tǒng)的特征進(jìn)行選擇。2023/2/1No.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2023/2/1No.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2023/2/1No.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)計則可以綜合改善伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性。PID

串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)為2023/2/1No.31/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)對于直流伺服電動機可以采用單位置環(huán)控制方式，直接設(shè)計位置調(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)比較高的伺服電動機。2023/2/1No.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)動裝置SM—直流伺服電動機BQ—位置傳感器2023/2/1No.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)為機電時間常數(shù)

2023/2/1No.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2023/2/1No.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)

2023/2/1No.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?2023/2/1No.37/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)用系統(tǒng)的開環(huán)零點消去慣性時間常數(shù)最大的開環(huán)極點，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)過程。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)2023/2/1No.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

2023/2/1No.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:2023/2/1No.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，只須對伺服電動機和驅(qū)動裝置應(yīng)作相應(yīng)的改動。2023/2/1No.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)2023/2/1No.42/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，帶有電流閉環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)為為了消除負(fù)載擾動引起的靜差，APR

選用PI

調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)2023/2/1No.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)

2023/2/1No.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，由Routh穩(wěn)定判據(jù)可知，系統(tǒng)不穩(wěn)定。2023/2/1No.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)

2023/2/1No.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2023/2/1No.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2023/2/1No.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)

2023/2/1No.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2023/2/1No.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)2023/2/1No.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，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。2023/2/1No.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2023/2/1No.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

2023/2/1No.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)

2023/2/1No.55/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)給定輸入為階躍時，APR選用P調(diào)節(jié)器就可實現(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)

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