電力拖動自動控制系統(tǒng)(第3版)(陳伯時)第1講

運動控制系統(tǒng)湖南科技大學(xué)陳敏ahgmcm@2014年版緒論運動控制系統(tǒng)概述（定義、分類、發(fā)展過程、發(fā)展趨勢）控制系統(tǒng)的計算機仿真調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標（靜態(tài)指標、動態(tài)指標）本課程特點與學(xué)習(xí)方法一、運動控制系統(tǒng)概述定義：以機械運動的驅(qū)動設(shè)備－－電動機為被控對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論指導(dǎo)下組成的電力傳動自動控制系統(tǒng)。分類：（1）按被控物理量分：以轉(zhuǎn)速為被控量的系統(tǒng)叫調(diào)速系統(tǒng)，以角位移或直線位移為被控量的系統(tǒng)叫隨動系統(tǒng)（或伺服系統(tǒng)）。（2）按驅(qū)動電動機的類型分：用直流電動機帶動生產(chǎn)機械的為直流傳動系統(tǒng)，用交流電動機帶動生產(chǎn)機械的為交流傳動系統(tǒng)。（3）按控制器的類型分：用模擬電路構(gòu)成控制器的系統(tǒng)為模擬控制系統(tǒng)，用數(shù)字電路構(gòu)成控制器的系統(tǒng)為數(shù)字控制系統(tǒng)。一、運動控制系統(tǒng)概述運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程：19世紀80年代以前，直流電氣傳動是唯一的電氣傳動方式；19世紀末出現(xiàn)了交流電，解決了三相制交流電的輸送和分配問題，研制了鼠籠式異步電機；（結(jié)實、少維護，適應(yīng)環(huán)境寬、容量大，電壓和轉(zhuǎn)速高，但轉(zhuǎn)矩控制非線性）20世紀30年代，開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)20世紀70年代以來，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和電機理論促進了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。到目前，交流調(diào)速系統(tǒng)已占據(jù)電機速度控制系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。一.運動控制系統(tǒng)概述運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：驅(qū)動的交流化驅(qū)動系統(tǒng)的高速化和超小、超大型化

高轉(zhuǎn)速－－上萬轉(zhuǎn)／分鐘超小型化－－應(yīng)用于微型機器人、微型飛行器超大型化－－數(shù)MKW系統(tǒng)的集成化控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化二.控制系統(tǒng)的計算機仿真控制系統(tǒng)計算機仿真的基本概念1.計算機仿真是用來幫助設(shè)計人員進行設(shè)計的一種新技術(shù)，它包含控制系統(tǒng)分析、綜合、設(shè)計、檢驗等多方面的計算機處理。計算機仿真是基于計算機的高速而精確的計算，來實現(xiàn)各種功能的。2.自動控制系統(tǒng)的計算機仿真，是一門涉及到計算機技術(shù)、計算數(shù)學(xué)與控制理論、系統(tǒng)辨識、控制工程以及系統(tǒng)科學(xué)的綜合性學(xué)科。他為控制系統(tǒng)的分析、計算、研究、綜合設(shè)計以及自動控制的計算機輔助教學(xué)提供了快速、經(jīng)濟、科學(xué)以及有效的手段.3.應(yīng)用MATLAB的TOOLBOX工具箱及其SIMULINK仿真集成環(huán)境作仿真工具，這就是MATLAB仿真。它是控制系統(tǒng)計算機仿真一個特殊軟件工具的子集.二.控制系統(tǒng)的計算機仿真先進的軟件MATLAB1.功能強大適用范圍廣2.編程效率高3.界面友好、用戶使用方便4.擴充能力強5.強大方便的圖形功能6.MATLAB的活筆記本功能7.功能齊備的自動控制軟件工具包常用庫PowersystemApplication電源電路元件擴展模塊電機測量單元功率模塊三.調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標輸入信號和擾動是一個系統(tǒng)典型的外作用，但希望系統(tǒng)只受輸入信號的控制，而絲毫不受擾動的影響，所以我們只研究在輸入信號作用下，對系統(tǒng)性能的要求?？刂破鲌?zhí)行機構(gòu)被控對象測量變速器-r給定值e偏差被控量c測量信號

去掉擾動后的自動控制系統(tǒng)原理圖三.調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標當輸入信號突然發(fā)生跳變時，這時輸出量還處在原有的平衡狀態(tài)，這樣就出現(xiàn)了偏差，這個偏差控制輸出量達到新的平衡，這就是一個調(diào)節(jié)過程。t01輸入r(t)t01輸入c(t)12理想的調(diào)節(jié)過程實際三.調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標整個調(diào)節(jié)過程分為兩個階段:過渡過程反映系統(tǒng)的動態(tài)特性(輸出量處于激烈變化之中）穩(wěn)態(tài)過程反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性(輸出量穩(wěn)定在新的平衡狀態(tài)，并保持不變。）

t01輸入c(t)12理想的調(diào)節(jié)過程實際

陰影部分表示的是實際調(diào)節(jié)過程與理想調(diào)節(jié)過程的差異，差異越小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量越高。三.調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標典型外作用：為了能對不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標準來恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用。選取原則（1）在現(xiàn)場及實驗中容易產(chǎn)生（2）系統(tǒng)在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外作用。（3）數(shù)學(xué)表達式簡單，便于理論分析三.調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標對系統(tǒng)性能的基本要求階躍輸入是變化最劇烈，對系統(tǒng)最不利的外作用，如果系統(tǒng)在階躍函數(shù)作用下能滿足自動控制任務(wù)。那么，系統(tǒng)在其它緩慢變化的外作用下更能滿足要求。所以，常選用階躍函數(shù)作用典型輸入來研究系統(tǒng)的性能。階躍響應(yīng)的某些特征值，就是性能指標，可以統(tǒng)一評價系統(tǒng)的性能。總的來說，希望實際的調(diào)節(jié)過程盡可能接近于理想的調(diào)節(jié)過程。工程上把它歸結(jié)為穩(wěn)、準、快三個方面.穩(wěn)定性——就是指系統(tǒng)重新恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)的能力，即過渡過程的收斂情況。三.調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標系統(tǒng)是否穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的首要條件?？焖傩浴高^渡過程進行的時間長短。三.調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標

動態(tài)過程持續(xù)時間長，說明系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的指令信號，如圖中曲線①所示。穩(wěn)定性和快速性反映了系統(tǒng)的動態(tài)性能的優(yōu)劣。三.調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標準確性——用穩(wěn)態(tài)誤差衡量：指過渡過程結(jié)束后，也就是進入穩(wěn)態(tài)過程后，希望的輸出量與實際輸出量之間的誤差，是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差越小越好。同一系統(tǒng)這三方面的性能是相互制約的。提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，可能使動態(tài)性能變壞；快速性的改善可能會引起系統(tǒng)的強烈振蕩；平穩(wěn)性好的系統(tǒng)又可能很遲緩。分析和解決這些矛盾，是本課程的重要內(nèi)容之一。

調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)指標調(diào)速范圍：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即（1-31）

其中nmin

和nmax

一般都指電機額定負載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉(zhuǎn)速。

靜差率：當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落

nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s

，即或用百分數(shù)表示

（1-32）

（1-33）

式中

nN=n0-nN

0TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

nO圖1-23不同轉(zhuǎn)速下的靜差率靜差率與機械特性硬度的區(qū)別

然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。

因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準。靜差率與機械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系

設(shè)：電機額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為

nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為

而調(diào)速范圍為

將上面的式代入nmin，得

（1-34）

式（1-34）表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，

nN

值一定，由式（1-34）可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。

結(jié)論1：

一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標

自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括：跟隨性能指標抗擾性能指標

系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線±5%（或±2%）

0Otrts圖2-12典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(1).跟隨性能指標：

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指標來描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標有tr

—上升時間

—超調(diào)量ts

—調(diào)節(jié)時間突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標圖2-13突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標±5%（或±2%）

O

tmtvCb(2).抗擾性能指標

抗擾性能指標標志著控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力。常用的抗擾性能指標有

Cmax

—動態(tài)降落tv

—恢復(fù)時間一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。四.本課程特點與學(xué)習(xí)方法核心專業(yè)課程以運動控制系統(tǒng)為核心的系統(tǒng)原理的分析與設(shè)計課程特點多學(xué)科的交叉學(xué)科電力電子學(xué)、電機拖動、自動控制原理、電子學(xué)、計算機控制技術(shù)等工程系統(tǒng)學(xué)科應(yīng)用系統(tǒng)分析方法解決系統(tǒng)的構(gòu)成、系統(tǒng)控制方法、設(shè)計方法等問題知識面廣、實用性強

源于工程系統(tǒng)，解決工程系統(tǒng)四.本課程特點與學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)方法關(guān)注系統(tǒng)的工程背景

學(xué)習(xí)一些問題提出的背景和解決思路,有助于創(chuàng)新性思維和能力的提高;應(yīng)用理論解決實際問題掌握一些具體的知識點

系統(tǒng)的穩(wěn)定性\動靜態(tài)特性\建模方法\分析方法\控制方法和設(shè)計方法掌握重點系統(tǒng)(單輸入單輸出系統(tǒng),多輸入單輸出系統(tǒng))相關(guān)知識的綜合應(yīng)用多看\多想\多問\多做\多實踐參考書唐永哲.電力傳動自動控制系統(tǒng).西安電子科技大學(xué)出版社.1998.4易繼鍇等.電氣傳動自動控制原理與設(shè)計.北京工業(yè)大學(xué)出版社.1997.10倪忠