位置隨動系統(tǒng)課程設計

1、<p>　　第一章 位置隨動系統(tǒng)的概述</p><p>　　1.1 位置隨動系統(tǒng)的概念</p><p>　　位置隨動系統(tǒng)也稱伺服系統(tǒng)，是輸出量對于給定輸入量的跟蹤系統(tǒng)，它實現(xiàn)的是執(zhí)行機構對于位置指令的準確跟蹤。位置隨動系統(tǒng)的被控量(輸出量)是負載機械空間位置的線位移和角位移，當位置給定量(輸入量)作任意變化時，該系統(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，所以位置隨

2、動系統(tǒng)必定是一個反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　位置隨動系統(tǒng)是應用非常廣泛的一類工程控制系統(tǒng)。它屬于自動控制系統(tǒng)中的一類反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。隨著科學技術的發(fā)展，在實際中位置隨動系統(tǒng)的應用領域非常廣泛。例如，數(shù)控機床的定位控制和加工軌跡控制，船舵的自動操縱，火炮方位的自動跟蹤，宇航設備的自動駕駛，機器人的動作控制等等。隨著機電一體化技術的發(fā)展，位置隨動系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)、國防和高科技領域中不可缺少的設備，是電力拖

3、動自動控制系統(tǒng)的一個重要分支。</p><p>　　1.2 位置隨動系統(tǒng)的特點及品質(zhì)指標</p><p>　　位置隨動系統(tǒng)與拖動控制系統(tǒng)相比都是閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，即通過對輸出量和給定量的比較，組成閉環(huán)控制，這兩個系統(tǒng)的控制原理是相同的。對于拖動調(diào)速系統(tǒng)而言，給定量是恒值，要求系統(tǒng)維持輸出量恒定，所以抗擾動性能成為主要技術指標。對于隨動系統(tǒng)而言，給定量即位置指令是經(jīng)常變化的，是一個隨機變量

4、，要求輸出量準確跟隨給定量的變化，因而跟隨性能指標即系統(tǒng)輸出響應的快速性、靈敏性與準確性成為它的主要性能指標。位置隨動系統(tǒng)需要實現(xiàn)位置反饋，所以系統(tǒng)結構上必定要有位置環(huán)。位置環(huán)是隨動系統(tǒng)重要的組成部分，位置隨動系統(tǒng)的基本特征體現(xiàn)在位置環(huán)上。根據(jù)給定信號與位置檢測反饋信號綜合比較的不同原理，位置隨動系統(tǒng)分為模擬與數(shù)字式兩類?？偨Y后可得位置隨動系統(tǒng)的主要特征如下：</p><p>　　1．位置隨動系統(tǒng)的主要功能是使輸

5、出位移快速而準確地復現(xiàn)給定位移。</p><p>　　2．必須具備一定精度的位置傳感器，能準確地給出反映位移誤差的電信號。</p><p>　　3．電壓和功率放大器以及拖動系統(tǒng)都必須是可逆的。</p><p>　　4．控制系統(tǒng)應能滿足穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)快速響應的要求，其中快速響應中，更強調(diào)快速跟隨性能。</p><p>　　1.3 位置隨動系統(tǒng)

6、的基本組成</p><p>　　1.3.1 電位器式位置隨動系統(tǒng)的組成</p><p>　　下面通過一個簡單的例子說明位置隨動系統(tǒng)的基本組成，其原理圖如圖1-1所示。這是一個電位器式的小功率位置隨動系統(tǒng)，有以下五個部分組成：</p><p>　　圖1-1 電位器式位置隨動系統(tǒng)原理圖</p><p>　　1．位置傳感器 由電位器和組成位置

7、傳感器。是給定位置傳感器,其轉(zhuǎn)軸與操縱輪連接，發(fā)出轉(zhuǎn)角給定信號；是反饋位置傳感器，其轉(zhuǎn)軸通過傳動機構與負載的轉(zhuǎn)軸相連，得到轉(zhuǎn)角反饋信號。兩個電位器由同一個直流電源供電，使電位器輸出電壓和，直接將位置信號轉(zhuǎn)換成電壓量。誤差電壓反映了給定與反饋的轉(zhuǎn)角誤差，通過放大器等環(huán)節(jié)拖動負載，最終消滅誤差。</p><p>　　2．電壓比較放大器（A） 兩個電位器輸出的電壓信號和在放大器A中進行比較與放大，發(fā)出控制信號。由于是

8、可正可負的，放大器必須具有鑒別電壓極性的能力。輸出的控制電壓也是可逆的。</p><p>　　3．電力電子變換器（UPE） 它主要起功率放大的作用（同時也放大了電壓），而且必須是可逆的。在小功率直流隨動系統(tǒng)中多用P-MOSFET或IGBT橋式PWM變換器。對于大功率位置隨動系統(tǒng)，會用到可逆的脈寬調(diào)制式PWM變換器。</p><p>　　4．伺服電機（SM） 在小功率直流隨動系統(tǒng)中多用永磁式

9、直流伺服電機，在不同情況下也可采用其它直流或交流伺服電機。大功率隨動系統(tǒng)中也可采用永磁式直流伺服電機，由伺服電機和電力電子變換器構成可逆拖動系統(tǒng)是位置隨動系統(tǒng)的執(zhí)行機構。</p><p>　　5．減速器與負載 在一般情況下負載的轉(zhuǎn)速是很低的，在電機與負載之間必須設有傳動比為的減速器。在現(xiàn)代機器人、汽車電子機械等大功率設備中，為了減少機械裝置，傾向于采用低速電機直接傳動，可以取消減速器。</p>&

10、lt;p>　　以上五個部分是各種位置隨動系統(tǒng)都有的，在不同情況下，由于具體條件和性能要求的不同，所采用的具體元件、裝置和控制方案可能有較大的差異。</p><p>　　1.3.2 位置傳感器的分類和簡單介紹</p><p>　　精確而可靠地發(fā)出位置給定信號并檢測被控對象的位置是位置隨動系統(tǒng)工作良好的基本特征。位置傳感器將具體的直線或角位移轉(zhuǎn)換成模擬的或數(shù)字的電量，再通過信號處理電路

11、或算法，形成與控制器輸入量相匹配的位置誤差信號。位置傳感器的分類很多，常用的有以下幾種：</p><p><b>　　1．電位器</b></p><p>　　電位器是最簡單的位移—電壓傳感器，可以直接給出電壓信號，價格便宜、使用方便，但滑臂與電阻間有滑動接觸，容易磨損或接觸不良，可靠性較差。</p><p>　　2．基于電磁感應原理的位置傳感器

12、</p><p>　　屬于這一類的位置傳感器有自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器等，是應用比較廣泛的模擬式位置傳感器，可靠性和精度都較好。</p><p><b>　　3．光電編碼器</b></p><p>　　光電編碼器由光源、光柵碼盤和光敏元件三部分組成，直接輸出數(shù)字式電脈沖信號，是現(xiàn)代數(shù)字式隨動系統(tǒng)主要采用的位置傳感器。碼盤一般為圓形，由電

13、動機帶動旋轉(zhuǎn)，也有用直線形的，由電動機構傳動。按照輸出脈沖與對應位置關系的不同，光電編碼器有增量式和絕對值式兩種，也有將兩者結合為一體的混合式編碼器。1）增量式編碼器。脈沖數(shù)值直接與位移的增量成正比時稱作增量式編碼器，常用的圓形增量式碼盤每轉(zhuǎn)發(fā)出個脈沖，高精度碼盤可達數(shù)萬個脈沖。通過信號處理電路和可逆計數(shù)器可以輸出位置增量信號，再經(jīng)過測速算法，可以給出轉(zhuǎn)速信號；2）絕對值式編碼器。絕對值式編碼器碼盤的圖案由若干個同心圓環(huán)組成，稱作碼道。

14、碼道的道數(shù)與二進制的位數(shù)相同，有固定的零點，每個位置對應著距零點不同位置的絕對值。絕對值式碼盤一周的總計數(shù)為，其中n為碼盤的位數(shù)，一般，粗精結合的碼盤可達。絕對值式編碼器的碼盤又分為二進制碼盤和循環(huán)碼碼盤兩種。這里就不做介紹。</p><p><b>　　4．磁性編碼器</b></p><p>　　和光電編碼器一樣，磁性編碼器也是由位移量變換成數(shù)字式電脈沖信號的傳感器

15、，近年來發(fā)展相當迅速，已有磁敏電阻式、勵磁磁環(huán)式、霍耳元件式等多種類型。與光電編碼器相比，磁性編碼器的突出優(yōu)點是：適應環(huán)境能力強，不怕灰塵、油污和水露，結構簡單，堅固耐用，響應速度快，壽命長；不足之處是制成高分辨率有一定困難。磁性編碼器也可以做成增量式或絕對值式，在數(shù)字隨動系統(tǒng)中有很好的應用前景。</p><p>　　1.4 位置隨動系統(tǒng)的分類</p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展出現(xiàn)

16、了各類隨動系統(tǒng)由于位置隨動系統(tǒng)的特征體現(xiàn)在位置上，體現(xiàn)在位置給定信號和位置反饋信號及兩個信號綜合比較方面，因此可根據(jù)這個特征將它劃分為兩個類型，一類是模擬式隨動系統(tǒng)，一類是數(shù)字式隨動系統(tǒng)。數(shù)字式隨動系統(tǒng)又可分為數(shù)字相位隨動系統(tǒng)和數(shù)字脈沖隨動系統(tǒng)。由于本次設計研究的是模擬隨動系統(tǒng)，數(shù)字隨動系統(tǒng)就不做介紹。對于模擬隨動系統(tǒng)可按閉環(huán)系統(tǒng)分為三類。</p><p>　　1．多環(huán)位置隨動系統(tǒng)</p><

17、p>　　這里只詳細介紹經(jīng)典的位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，這類系統(tǒng)適用廣泛。多環(huán)系統(tǒng)還包括只有位置環(huán)、電流環(huán)，沒有轉(zhuǎn)速環(huán)；或是只有位置環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)，沒有電流環(huán)，其實同三環(huán)系統(tǒng)大同小異，分析和設計方法相同。</p><p>　　位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)系統(tǒng)在電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎上，外邊再加一個位置控制環(huán)，便形成一個三環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1-2所示。三環(huán)的調(diào)節(jié)器分別稱為位置調(diào)節(jié)器（APR）、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（

18、ASR）、電流調(diào)節(jié)器（ACR）。其中位置環(huán)屬外環(huán)，是最主要的環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)即是位置環(huán)的內(nèi)環(huán)，又是電流環(huán)的外環(huán)，電流環(huán)是系統(tǒng)內(nèi)環(huán)。在設計調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器可按原雙閉環(huán)系統(tǒng)的設計和整定方法來解決。其中位置調(diào)節(jié)器APR就是位置環(huán)校正裝置，它的類型和參數(shù)決定了位置隨動系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和動態(tài)跟隨性能，其輸出限幅值決定了電機的最高轉(zhuǎn)速。位置、轉(zhuǎn)速、電流三個閉環(huán)都畫成單位反饋，反饋系數(shù)都已計入各調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)中去。</p>&

19、lt;p>　　和雙閉環(huán)控制系統(tǒng)一樣，多環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設計方法也是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，逐個設計各環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器。按此規(guī)律，對于如圖1-2所示的三環(huán)位置隨動系統(tǒng)，應首先設計電流調(diào)節(jié)器ACR，然后將電流環(huán)簡化成轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，和其它環(huán)節(jié)一起構成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的控制對象，再設計ASR。最后，再把整個轉(zhuǎn)速環(huán)簡化為位置環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，從而設計位置調(diào)節(jié)器APR。逐環(huán)設計可以使每個控制環(huán)都是穩(wěn)定的，從而保證整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)

20、內(nèi)的對象參數(shù)變化或擾動時，電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋都能夠起到及時的抑制作用，使之對位置環(huán)的工作影響很小。同時每個環(huán)節(jié)都有自己的控制對象，分工明確，易于調(diào)整。但這樣的逐環(huán)設計的多環(huán)控制系統(tǒng)也有明顯的不足，即對外環(huán)的控制作用的響應不會很快。這是因為設計每個環(huán)節(jié)時，都要將內(nèi)環(huán)等效成其中的一個環(huán)節(jié)，而這種等效環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之所以能夠成立，是以外環(huán)的截止頻率遠遠低于內(nèi)環(huán)為前提的。在一般模擬控制的隨動系統(tǒng)中，電流環(huán)的截</p><p&g

21、t;　　圖1-2　位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)位置隨動系統(tǒng)的原理圖</p><p>　　BQ-光電位置傳感器 DSP-數(shù)字轉(zhuǎn)速信號形成環(huán)節(jié)</p><p>　　止頻率約，轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率約在20~30之間，最高不超過50，照此推算，位置環(huán)的截止頻率只有左右。位置環(huán)的截止頻率被限制的太低，會影響系統(tǒng)的快速性，因為這類三環(huán)控制的位置隨動系統(tǒng)只適用于對快速跟隨性能要求不高的場合，例如點位控制的

22、機床隨動系統(tǒng)。在近代數(shù)字控制的隨動系統(tǒng)中，控制對象的快速響應性能已經(jīng)大大提高，各控制環(huán)的采樣周期也可以大大縮短，其轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率達，因而位置環(huán)的截止頻率也可以提高，在要求高動態(tài)性能的數(shù)控機床軌跡控制和機器人控制中都取得了很好的應用效果。</p><p>　　在位置、轉(zhuǎn)速 、電流三環(huán)系統(tǒng)中，位置調(diào)節(jié)器的輸出是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入，速度調(diào)節(jié)器是電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出直接控制功率變換單元，也就是脈寬調(diào)制系統(tǒng)。

23、這三個環(huán)的反饋信號都是負反饋，三個環(huán)都是反相放大器。三環(huán)相制約，使控制達到極其完美的地步。</p><p>　　第二章 三環(huán)隨動系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立和參數(shù)計算</p><p>　　2,1 三環(huán)隨動系統(tǒng)的基本組成及其數(shù)學模型的建立</p><p>　　2.1.1 三環(huán)隨動系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　系統(tǒng)可分為以下八個部分：<

24、/p><p><b>　　1．位置環(huán)</b></p><p>　　我們只分析它的數(shù)學模型，不會把它作具體介紹?？梢越茷橐浑A慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為 </p><p>　?。?-1） </p><p><b>　　2．位置傳感器 </b></p><p>　　模擬隨動

25、系統(tǒng)的位置傳感器如前所述，大體可以分為兩種，電位器和基于電磁感應原理的位置傳感器?；陔姶鸥袘淼奈恢脗鞲衅饔凶哉菣C、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器等，是應用比較廣泛的模擬式位置傳感器，可靠性和精度都比較高。本次設計采用的位置傳感器是自整角機。自整角機是角位移傳感器，在隨動系統(tǒng)中總是成對應用的。與指令軸相聯(lián)的自整角機稱為發(fā)送機，與執(zhí)行軸相聯(lián)的稱作接收機。按用途不同，自整角機可分為力矩式自整角機和控制式自整角機兩類。力矩式自整角機可以不經(jīng)中間

26、放大環(huán)節(jié)，直接傳遞轉(zhuǎn)角信息，一般用于微功率同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。對功率較大的負載，力矩式自整角機帶動不了，可采用控制式自整角機，將自整角接收機接成變壓器狀態(tài)，其輸出電壓通過中間放大環(huán)節(jié)帶動負載，組成自整角機隨動系統(tǒng)。下面簡單分析本次設計使用的控制式自整角機的工作原理和使用。</p><p>　　先看單相自整角機的結構和工作原理。它具有—個單相勵磁繞組和一個三相整步繞組，單相勵磁繞組安置在轉(zhuǎn)子上，通過兩個滑環(huán)引入交流勵磁電

27、流，勵磁磁極通常做成隱極式。這樣可使輸入阻抗不隨轉(zhuǎn)子位置而變化。整步繞組是三相繞組，一般為分布繞組，安置在定子上，它們被此在空間相隔，并接成Y形。BST為自整角發(fā)送機，BSR為自整角接收機。本次模型中采用的自整角機的放大系數(shù)。自整角機本身的檢測誤差。傳遞函數(shù)為式（4-2），是簡單的線性函數(shù)在數(shù)學模型將不會出現(xiàn)，但在計算穩(wěn)態(tài)誤差時將會用到自整角機的參數(shù)。自整角機還包括相敏整流器URP，可以把它當作自整角機的一部分，相當于一個電壓放大器，并

28、反映的極性，放大系數(shù)2，當然它在數(shù)學模型中也不會出現(xiàn)。</p><p>　　3．電壓比較放大器（A）</p><p>　　這是位置隨動系統(tǒng)所必須有的裝置。它的作用是發(fā)出控制信號，由于可正可負。放大器必須具有鑒別電壓極性的能力，輸出的控制的電壓也是可逆的。放大系數(shù)，函數(shù)關系。這個簡單的函數(shù)關系也不會在數(shù)學模型中出現(xiàn)。</p><p>　　4．電力電子變換器（UPE）

29、</p><p>　　起功率放大作用，而且是可逆的。PWM變換器有可逆和不可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等。在本次大功率隨動系統(tǒng)中選取雙極式控制的橋式可逆PWM變換器，因為是大功率系統(tǒng)變換器采用可關斷晶閘管。</p><p>　　采用PWM的調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展越來越成熟，用途也很廣，與單純的晶閘管調(diào)速系統(tǒng)相比有很多優(yōu)點</p><p>　　1）主電路線

30、路簡單，需用的功率器件少；</p><p>　　2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小；</p><p>　　3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右；</p><p>　　4）若與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；</p><p>　　5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通

31、損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；</p><p>　　6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。</p><p>　　橋式可逆PWM變換器的原理圖</p><p>　　本次設計采用的PWM變換器的開關頻率=2500，即失控時間=0.4，失控時間已經(jīng)非常小，大大提高了系統(tǒng)的快速性，所以時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個

32、一階慣性環(huán)節(jié)（其中=），傳遞函數(shù)為</p><p>　　5．電流調(diào)節(jié)器（ACR）</p><p>　　按工程設計法選擇典型I型系統(tǒng)，PI調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　6．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）</p><p>　　按工程設計法選擇典型I型系統(tǒng)

33、，選用PI調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　7．位置調(diào)節(jié)器（AWR）</p><p>　　按工程設計法和位置系統(tǒng)的校正，典型II型系統(tǒng)，選用PID調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為 （2-7）</p><p>　　8．伺服電機（SM）<

34、;/p><p>　　基于本次設計的大功率隨動系統(tǒng)選擇永磁式直流伺服電機，即直流他勵電動機，型號為Z2-21，銘牌參數(shù)，，，，。伺服電機可視為一個二階系統(tǒng)，分為兩個傳遞函數(shù),，一部分為電機電樞近似成一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為</p><p>　　一部分為傳動裝置近似為積分環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　9．負載</b></p>

35、<p>　　負載就不做具體介紹，它也是系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的被控位置對象，我們主要研究它的數(shù)學模型。傳遞函數(shù)近似為積分環(huán)節(jié)</p><p>　　三環(huán)隨動系統(tǒng)功率大，采用低轉(zhuǎn)速的直流伺服電機，所以本設計取消減速器。 </p><p>　　2.1.2 三環(huán)隨動系統(tǒng)的數(shù)學模型</p><p><b>　　三環(huán)隨動系統(tǒng)結構圖</b></

36、p><p>　　2.2 三環(huán)隨動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算</p><p>　　已知直流他勵電動機，型號為Z2-21，銘牌參數(shù)，，，，。電力電子變換器的增益，電壓放大器的增益，相敏整流器的放大系數(shù)由計算決定。自整角機的放大系數(shù)。</p><p><b>　　計算過程如下：</b></p><p><b>　　電動機的額定

37、效率為</b></p><p><b>　　電動機的電樞電阻為</b></p><p>　　電動機的電動勢系數(shù)為</p><p><b>　　電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)為</b></p><p>　　位置隨動系統(tǒng)的靜態(tài)結構框圖（未考慮校正裝置）</p><p>　　2.4

38、 按工程設計方法設計三環(huán)隨動系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　圖4-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖</p><p>　　應用如前所述的工程設計方法來設計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器。按照設計多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應首先設計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)節(jié)看作是三環(huán)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，最后是位置調(diào)節(jié)器

39、。本系統(tǒng)唯一的改動是取消了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)之前的兩個濾波環(huán)節(jié)。但設計方法一樣。如圖4-5所示為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，因為本次設計的系統(tǒng)沒有設計濾波環(huán)節(jié)，電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的濾波環(huán)節(jié)已經(jīng)省去。</p><p>　　2.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設計</p><p>　　1．電流環(huán)結構圖的簡化</p><p>　　在圖2-4中，在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠小于機電

40、時間常數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢的多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即 。這樣在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，也就是說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結構框圖，可以證明，忽略反電動勢對電流作用的近似條件是</p><p><b>　　（2-11）</b></p>

41、<p>　　式中——電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　由于比小的多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 （2-12）</p><p>　　電流環(huán)簡化的近似條件為</p><p>　?。?-13）

42、 </p><p>　　2．電流調(diào)節(jié)器的結構選擇</p><p>　　首先考慮應把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，可以看出，采用I型就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即應

43、選擇典型I型系統(tǒng)。</p><p>　　如圖4-6所示,為電流環(huán)的動態(tài)結構框圖。圖4-6表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成</p><p>　　為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇</p><p>　　電流環(huán)的動態(tài)結構框圖</p><p>　　則電流環(huán)的動態(tài)

44、結構框圖便成典型形式，其中</p><p>　　繪出了校正后的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。上述結果是在假定條件下得到的，現(xiàn)將用過的假定條件歸納如下，以便具體設計時校驗。</p><p>　　電力電子變換器純滯后近似處理</p><p>　　忽略反電動勢變化的動態(tài)影響</p><p>　　電流環(huán)的小慣性群的近似處理</p><p>

45、;　　如果實際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標不同，參數(shù)當然應作相應的改變。</p><p>　　3．電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算</p><p>　　可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是和其中已選定，待定的只有比例系數(shù)可根據(jù)所要的動態(tài)性能指標選取。在三環(huán)隨動系統(tǒng)中，已知有，，，,電流反饋系數(shù)。希望電流超調(diào)量，可以使動態(tài)響應更快。 </p><p>　　所以電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為</p&

46、gt;<p>　　所以有 </p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為</p><p><b>　　4．校驗的近似條件</b></p><p>　　已知電流環(huán)的截止頻率</p><p>　　電力電子變換器純滯后近似條件為</p><p>　　忽略反電動勢變化

47、的動態(tài)影響的近似條件為</p><p>　　電流環(huán)的小慣性群的近似處理的條件為</p><p>　　所以計算出的電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　=</b></p><p>　　但有兩個校驗條件不滿足，可知系統(tǒng)的參數(shù)需要整定。我們可以看出計算得到的電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)與給定的一致但時間常數(shù)不一致。我們要

48、通過仿真分析出兩個電流環(huán)的不同。</p><p>　　2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計</p><p>　　1．電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，我們可以求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　忽略高次項， 可降階近似為</p><p><b>　　近似條件為&

49、lt;/b></p><p>　　式中——轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效的輸入量為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應等效為式（2-21）</p><p>　　這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)，這就表明，電流的閉環(huán)控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)

50、控制的一個重要功能。</p><p>　　2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇</p><p>　　在第三章已經(jīng)提到，同直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器選擇不同，在電流和轉(zhuǎn)速兩個環(huán)之外還有位置環(huán)，所以轉(zhuǎn)速環(huán)也應設計成典型I型系統(tǒng)，選擇PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為</p><p>　　3．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算</p><p>　　此時的轉(zhuǎn)速環(huán)可以等效為所示的結構圖。<

51、/p><p>　　同樣選擇，可滿足系統(tǒng)的快速響應，，。所以有轉(zhuǎn)速環(huán)的時間常數(shù)為 ,</p><p>　　按設計要求，選用PI調(diào)節(jié)器</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為</b></p><p>　　所以轉(zhuǎn)

52、速環(huán)的比例系數(shù)為 </p><p><b>　　131.7</b></p><p><b>　　檢驗近似條件</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速截止頻率為</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似

53、處理條件</p><p>　　所以經(jīng)工程計算法得到的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的模型為</p><p><b>　　=</b></p><p>　　計算后得到的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與給定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相比比例系數(shù)一樣，但是時間常數(shù)不一樣，同時不滿足電流環(huán)簡化的近似條件，我們也會在仿真中兩套參數(shù)下的系統(tǒng)做出比較。</p><p>　　第三章 三環(huán)隨動

54、系統(tǒng)的MATLAB仿真及其結果分析</p><p>　　3.1 三環(huán)位置隨動系統(tǒng)的MATLAB仿真</p><p>　　給定參數(shù)的三環(huán)隨動系統(tǒng)的結構圖如圖3-9所示。</p><p>　　圖5-9 三環(huán)隨動系統(tǒng)的結構框圖</p><p>　　用MATLAB仿真結果如圖3-10所示。</p><p>　　如圖3-10

55、 所示三環(huán)隨動系統(tǒng)的階躍響應曲線?？v坐標表示位移，單位為米。橫坐標表示時間，單位為秒。</p><p>　　圖3-10 三環(huán)隨動系統(tǒng)的仿真圖</p><p>　　由圖3-10可知系統(tǒng)的跟隨性能指標為：</p><p>　　超調(diào)量13.95%，調(diào)節(jié)時間0.0335，峰值時間0.0423。</p><p>　　如圖3-12所示三環(huán)隨動系統(tǒng)的階躍響

56、應曲線。縱坐標表示位移，單位為米。橫坐標表示時間，單位為秒。</p><p>　　由圖3-12可知系統(tǒng)的跟隨性能指標：</p><p>　　超調(diào)量12.5%，調(diào)節(jié)時間0.042，峰值時間0.046。</p><p>　　經(jīng)計算的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的三環(huán)隨動系統(tǒng)的結構圖如圖5-11所示。</p><p>　　圖3-11 經(jīng)計算的電流調(diào)節(jié)

57、器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的三環(huán)隨動系統(tǒng)的結構圖</p><p>　　用MATLAB仿真結果如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-12 經(jīng)計算的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的三環(huán)隨動系統(tǒng)的仿真圖</p><p>　　3.4 MATLAB仿真結果分析</p><p>　　首先比較電流環(huán)的仿真圖，圖5-2的階躍響應曲線的超調(diào)量要比圖5-4的要大

58、，而前者的調(diào)節(jié)時間要比后者小，峰值時間相差不大?？芍o定的電流環(huán)的動態(tài)響應要比經(jīng)計算得到的電流環(huán)的要慢，而且后者有系統(tǒng)誤差，可見前者的穩(wěn)定性和動態(tài)響都要好于后者。驗證計算時不滿足校驗近似條件的正確性。</p><p>　　再比較直流雙閉環(huán)的仿真圖，明顯看出經(jīng)計算得到的雙閉環(huán)系統(tǒng)的振蕩次數(shù)多，穩(wěn)定性不好，而且調(diào)節(jié)時間也比給定的雙閉環(huán)系統(tǒng)的要大，動態(tài)響應也相對慢。也可以驗證經(jīng)計算得到的直流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)的不穩(wěn)定，調(diào)

59、節(jié)時間需要調(diào)整。</p><p>　　最后比較整個三環(huán)隨動系統(tǒng)，經(jīng)PID校正后。兩個系統(tǒng)都是穩(wěn)定的，抗擾性能滿足要求，但給定參數(shù)的三環(huán)隨動系統(tǒng)跟隨性能指標中的動態(tài)響應要更快些，峰值時間短一些說明靈敏度和穩(wěn)定性也要好一點，兩個系統(tǒng)的超調(diào)差別不大。說明給定參數(shù)的系統(tǒng)跟隨性能更好，滿足跟隨性能指標的要求，經(jīng)計算得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)的三環(huán)系統(tǒng)需要參數(shù)調(diào)整，而且經(jīng)計算得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)的增益與給定的相等，只是時間常數(shù)不一樣，而且

60、經(jīng)整定后的理想?yún)?shù)即為給定的調(diào)節(jié)器參數(shù)。</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　通過本次設計，我們了解了三環(huán)位置隨動系統(tǒng)的基本組成和系統(tǒng)的基本原理。加深了對直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的認識，同時對用工程法設計隨動系統(tǒng)有了深入的了解。還有我們也能熟練的使用MATLAB軟件，增強了實踐動手能力。</p><p>　　本文首先介紹了位

61、置隨動系統(tǒng)的概念、特點、分類和誤差分析的方法，讓我們對位置隨動系統(tǒng)有個初步的了解， 然后對直流雙閉環(huán)系和工程法設計調(diào)節(jié)器作了一定的了解，最后在進入本次設計的重要環(huán)節(jié)三環(huán)隨動系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立和MATLAB仿真。我們可以知道以下結論：系統(tǒng)主要要求有良好的跟隨性能，可按典型I型系統(tǒng)設計；如果主要有良好的抗擾性能，則選擇典型II型系統(tǒng)。就三環(huán)位置隨動系統(tǒng)而言，內(nèi)環(huán)電流環(huán)要設計成典型I型系統(tǒng)，跟隨性能好，轉(zhuǎn)速環(huán)也要設計成典型I型系統(tǒng)，因為外面

62、還有位置環(huán)。一般都采用PI調(diào)節(jié)器。在工程法設計調(diào)節(jié)器時，如果被控對象為積分雙慣性環(huán)節(jié)，而設計任務便是校正成典型II型系統(tǒng)，采用PID調(diào)節(jié)器。在最佳調(diào)節(jié)器的整定中，一般要求，超調(diào)量，由表3-2，可選，。而在位置隨動系統(tǒng)中，本身的動態(tài)響應慢，所以要求，?？梢允箘討B(tài)響應更快。最后在仿真對比中我們可以看出兩個系統(tǒng)沒有穩(wěn)態(tài)誤差，同時跟隨性能指標也都滿足設計要求，只是通過計算的三環(huán)隨動系統(tǒng)快速響應上相對要慢，通過參數(shù)調(diào)整可以得到由給定參數(shù)組成系統(tǒng)的

63、仿真效果。綜上所述，三環(huán)位置隨動系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)精度能滿足系統(tǒng)的要求，同時在跟隨性能指標滿足要求的情況下，通過</p><p>　　利用simulink的函數(shù)庫控制模塊連接可以很容易地對系統(tǒng)見建模，按下仿真按鈕可以啟動對系統(tǒng)的仿真，而且仿真過程是相互的，因此可以隨意改變仿真參數(shù)，利用MATLAB對動態(tài)系統(tǒng)做適當?shù)倪m時校正可以增強系統(tǒng)的性能。總之，無論是在教學中研究還是在工程設計中，MATLAB軟件都起者十分重要的作用。