電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課

電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課2023/12/27電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課第六章伺服系統(tǒng)§6-1伺服系統(tǒng)的特征及組成本章小結§6-2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型§6-3伺服系統(tǒng)的設計特征及組成2023/12/272電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課前言伺服（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）是負載機械空間位置的線位移或角位移，當位置給定量（輸入量）作任意變化時，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。2023/12/273電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課概述伺服系統(tǒng)的功能是使輸出快速而準確地復現(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，達到新的平衡狀態(tài)，或者恢復到原先的平衡狀態(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)響應快

動態(tài)響應是伺服系統(tǒng)重要的動態(tài)性能指標，要求系統(tǒng)對給定的跟隨速度足夠快、超調小，甚至要求無超調?？箶_動能力強

在各種擾動作用時，系統(tǒng)輸出動態(tài)變化小，恢復時間快，振蕩次數(shù)少，甚至要求無振蕩。2023/12/274電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課伺服系統(tǒng)的特征必須具備高精度的傳感器，能準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。足夠大的調速范圍及足夠強的低速帶載性能?？焖俚捻憫芰洼^強的抗干擾能力。2023/12/275電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)由伺服電動機、功率驅動器、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)結構示意圖A）開環(huán)系統(tǒng)b）半閉環(huán)系統(tǒng)c）全閉環(huán)系統(tǒng)2023/12/276電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課伺服系統(tǒng)的組成旋轉編碼器圖9-2絕對值式編碼器的碼盤a)二進制碼盤b)循環(huán)碼碼盤2023/12/277電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課伺服系統(tǒng)的性能指標伺服系統(tǒng)的實際位置與目標值之間的誤差，稱作系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。由系統(tǒng)結構和參數(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)調節(jié)過程中性能指標稱為動態(tài)性能指標，如超調量、跟隨速度及時間、調節(jié)時間、振蕩次數(shù)、抗擾動能力等。2023/12/278電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課伺服系統(tǒng)的性能指標圖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2023/12/279電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課伺服系統(tǒng)的性能指標伺服系統(tǒng)在三種單位輸入信號的作用下給定穩(wěn)態(tài)誤差：

2023/12/2710電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課伺服系統(tǒng)的動態(tài)結構圖圖9-3線性位置伺服系統(tǒng)一般動態(tài)結構圖2023/12/2711電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課第六章伺服系統(tǒng)§6-1伺服系統(tǒng)的特征及組成本章小結§6-2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型§6-3伺服系統(tǒng)的設計數(shù)學模型2023/12/2712電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課概述根據(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、驅動裝置和機械傳動機構。2023/12/2713電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型直流伺服系統(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)。2023/12/2714電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型直流伺服電動機的狀態(tài)方程機械傳動機構的狀態(tài)方程

Id：電樞電流RΣ：包括驅動器內阻的電樞回路電阻LΣ：電樞回路電感2023/12/2715電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型驅動裝置的近似等效傳遞函數(shù)狀態(tài)方程

2023/12/2716電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型控制對象的數(shù)學模型

2023/12/2717電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型圖9-5直流伺服系統(tǒng)控制對象結構圖2023/12/2718電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型采用電流閉環(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)學模型為2023/12/2719電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型圖9-6帶有電流閉環(huán)控制的對象結構圖2023/12/2720電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學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。2023/12/2721電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型異步電動機按轉子磁鏈定向的數(shù)學模型為2023/12/2722電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型采用電流閉環(huán)控制后，對象的數(shù)學模型為2023/12/2723電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型CT為包含磁鏈作用在內的轉矩系數(shù)，電流轉矩分量相當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構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論，不重復論述。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。用相同的方法設計交流或直流伺服系統(tǒng)。

2023/12/2724電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課第六章伺服系統(tǒng)§6-1伺服系統(tǒng)的特征及組成本章小結§6-2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型§6-3伺服系統(tǒng)的設計工程設計2023/12/2725電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課概述伺服系統(tǒng)的結構因系統(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)校正方式進行動態(tài)性能的調整。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)校正單元稱作調節(jié)器，所以又稱為調節(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。2023/12/2726電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課調節(jié)器校正及其傳遞函數(shù)常用的調節(jié)器有比例－微分（PD）調節(jié)器、比例－積分（PI）調節(jié)器以及比例－積分－微分（PID）調節(jié)器，設計中可根據(jù)實際伺服系統(tǒng)的特征進行選擇。2023/12/2727電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課PD調節(jié)器校正在系統(tǒng)的前向通道上串聯(lián)PD調節(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)使相位滯后而產生的不良后果。PD調節(jié)器的傳遞函數(shù)為2023/12/2728電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課PI調節(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調節(jié)器進行校正。PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為2023/12/2729電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課PID調節(jié)器校正將PD串聯(lián)校正和PI串聯(lián)校正聯(lián)合使用，構成PID調節(jié)器。如果合理設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2023/12/2730電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課單環(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，直接設計位置調節(jié)器APR。為了避免在過渡過程中電流沖擊過大，應采用電流截止反饋保護，或者選擇允許過載倍數(shù)比較高的伺服電動機。2023/12/2731電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-7單環(huán)位置伺服系統(tǒng)APR—位置調節(jié)器UPE—驅動裝置SM—直流伺服電動機BQ—位置傳感器2023/12/2732電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課單環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負載轉矩，直流伺服系統(tǒng)控制對象傳遞函數(shù)為機電時間常數(shù)

2023/12/2733電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-8直流伺服系統(tǒng)控制對象結構圖采用PD調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為2023/12/2734電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課單環(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)

2023/12/2735電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課單環(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)結構圖?2023/12/2736電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課單環(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)的響應過程。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)2023/12/2737電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課單環(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

2023/12/2738電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課單環(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:2023/12/2739電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)在電流閉環(huán)控制的基礎上，設計位置調節(jié)器，構成位置伺服系統(tǒng)，位置調節(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動裝置應作相應的改動。2023/12/2740電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-11雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)2023/12/2741電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負載轉矩時，帶有電流閉環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)為為了消除負載擾動引起的靜差，APR選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)2023/12/2742電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)結構圖系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)

2023/12/2743電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課雙環(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。2023/12/2744電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)將APR改用PID調節(jié)器，其傳遞函數(shù)伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

2023/12/2745電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)特征方程式2023/12/2746電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課雙環(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2023/12/2747電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)若APR仍采用PI調節(jié)器，可在位置反饋的基礎上，再加上微分負反饋，即轉速負反饋。圖9-14帶有微分負反饋的伺服系統(tǒng)

2023/12/2748電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-15帶有微分負反饋的伺服系統(tǒng)結構圖2023/12/2749電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課三環(huán)位置伺服系統(tǒng)在調速系統(tǒng)的基礎上，再設一個位置環(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—位置調節(jié)器ASR—轉速調節(jié)器ACR—電流調節(jié)器BQ—光電位置傳感器DSP—數(shù)字轉速信號形成環(huán)節(jié)2023/12/2750電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課三環(huán)位置伺服系統(tǒng)直流轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)按典型II型系統(tǒng)設計，開環(huán)傳遞函數(shù)矢量控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)兩者結構相同。2023/12/2751電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課三環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-17直流轉速環(huán)結構圖圖9-18矢量控制系統(tǒng)結構示意圖2023/12/2752電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課三環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-19位置環(huán)的控制對象結構圖圖9-20位置閉環(huán)控制結構圖

2023/12/2753電力拖動自動控制系統(tǒng)第10課三環(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)

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