第七章第3节控制系统分析实例

1、(1)双向资料请资料请资料请晶闸管工作原理资料请资料请n 在自动中，有许多要求具有一定精度 的位置，例如机床的自动、仿形机床和数控机床的定位，轧钢机的压下装置的定位、船舵的位置、火 的瞄准、天线的跟踪等等，伺服系统主要解决位置的自动跟随 ，因此伺服系统也获得广泛应用。下面将通过由晶闸管交流调压供电的伺服系统，来说明交流调压电路的应用和伺服系统的组成、工作原理和 特点。资料请资料请1、晶闸管交流调压伺服系统的工作原理资料请资料请§7-3系统分析实例资料请资料请当VT正组导通工作时，变压器T2的一次侧a绕组便有电i正通过（设它从异名端流入），电源交流电压经变压器T2变压后提供给绕组，使电

2、转动（设此方向为正转）资料请资料请当VT反组导通工作时，变压器T2 的一次侧b绕组的电流i反将从同名端“ 流入”（i反和i正相位差180°），电源交流电压经变压器T2变压，在二次侧产生的电压Us与VT正导通时反相（相位差180°）。此电压供给 绕组、将使电反转。资料请资料请2）主电路n 系统的主电路为单相双向晶闸管交流调压电路。由于伺服系统的位置偏差可能为正，也可能为负；要消除位置偏差，便要求电能作正、反两个方向的可逆运行。因此，调压电路便为由VT正和VT反构成的正、反两组供电电路。两组电路的联接，VT正与VT反均设有阻容吸收电路。资料请资料请1）交流伺服电机图中的被控对象

3、是交流伺服电SM。A为励磁绕组，为使励磁电流与电流互差90°电角，励磁回路中串接了电容C1，它通过变压器T1由交流电源供电；B 为绕组，它通过变压器T2经交流调压电路接于同一交流电源。供电的电源为115V、400Hz交流电源。n 系统的被控量为角位移q0 。资料请资料请资料请(2) 系统的组成要实现较高精度的位置，必须采用反馈，所以伺服系统和自动调速系统一样，也是一种反馈系统。它和调速系统的主要区别在于调速系统的输入量是恒量，输出量为转速；而伺服系统的输入量是变化的，输出量则为位置。因此，它在构造上和特点上都与调速系统有很多的不同。下图为一小功率晶闸管交流调压伺服系统原理图。资料请资

4、料请n 调节双向晶闸管VT正（或VT反）的导通程度， 如果导通角增大，则交流调压线路输出的电压Us便增大。由交流伺服电的调节特性可知，电的转速n将升高，角位移的增长加快。n= 2p 60tò由角位移qndt 可知，伺服电的n0转速n愈大，或运转的时间t 愈长，则角位移量将愈大。资料请资料请n 位置负反馈环节此伺服系统的输出量为角位移q0 ，因此其主反馈应为角位移负反馈。检测到的输出量 q0 通过伺服电位器 RPd 转换成反馈信号电压 U fq （U fq = Kq0 ）。由于Uqi 与 U fq 极性相反，因此为位置负反馈，其偏差电压DU = Uqi - U fq = K (qi -

5、 q0 )DU 为电路的输入信号资料请资料请4）电路n 给定信号设位置给定量为qi ，它通过伺服电位器RPs 转换成电压信号Uqi ，Uqi = Kqi资料请资料请因此，在正、反两组触发电路中要增设互锁环节，以保证在正、反两组触发电路中，只能 有一组发出触发脉冲（一组发出触发脉冲时， 另一组将被）。资料请资料请n 由于在主电路中，VT正和VT反不 同时导通（若同时导通，由于i正和i反反相，它们在变压器一次绕组中产生的磁通势将相互抵消，绕组中的自感电动势将消失；而绕组的电阻是很小的，一次绕组接在交流电源上便相当于短路，会形成很大的电流，烧坏晶闸管元件、线路和变压器）。资料请资料请3）触发电路与主

6、电路VT正与VT反相对应，触发电路也有正、反两组（具体触发线路略去未画出），它们由同步变压器T3提供同步信号电压。图中为正组触发输 出，送往VT正门极；为反组触发输出，送往VT反门极；为公共端。资料请资料请图中，A2为电压放大电路，它的输入信号即PID调节器的输出；它的输出信号即为正组触发电路的电压 Uc1 。而反组触发电路电路Uc2 的极性应与 Uc1 相反，因此增设了一个反相器A3。资料请资料请(3).系统方块图n 综上所述，可得到如前图所示的伺服系统的方块图。资料请资料请信号的综合两个反馈通路形成两个闭环，位置反馈外环，信号在PID调节器输入端进行综合，而把转速负反馈和转速微分负反馈内环

7、，信号在电压放大器输入端进行综合。如系统图所示。资料请资料请微分负反馈的特点是只在动态时起作用，而稳态时不起作用（这是因为稳态时，dn / dt =0，电容相C当¢ 开路， i）¢ =。0n 图中除了转速负反馈环节外，U fn 另一路还经电容C¢和电阻R¢ 后反馈到输入端，这就是微分负反馈环节。由于通过电容的电流i¢ µ dU fn µ dndtdt此式表明，反馈电流与转速的变化率成正比，由于此为负反馈，所以i¢ 将限制资n变料/请d ，亦即限制度过大。资料请转速负反馈和转速微分负反馈环节n有时为了系统的动态性能，

8、减小位置超调量，还设置转速负反馈环节，图中TG 为测速发电机，U fn 为转速负反馈电压，它主要是限制速度过快，亦即限制位置对时间的变化率（ w = dq / dt ）过快。资料请资料请n 调节器与电压放大器图中，A1为比例微分（PID）调节器，它是为伺服系统的动、静态性能而设置的串联校正环节它的输入信号为DU ，输出信号送往电压放大电路。资料请资料请(RPs )qiq0Uqi+DUUKUSn+-U fnU fqnq0(RPd )设有转速负反馈或者转速微分负反馈环节，转速环作为内环，起着转速的调节作用，起辅助调节作用。这时起主要作用的还是外环（位置环），主要依靠位置环消除位移偏差。目前，精密和

9、超精密机床大多采用如上所属的双闭环系统。资料请资料请n 综上所述，当输入量在不断变化时，伺服系统输出的角位移q o 将跟随给定的角位移q i 的变化而变化。n 若输入量在不断地变化着，则上述如图中的过程将不断的进行着；这些调节过程一方面使偏差缩小，但是也可能造成调节过度而出现超调甚至振荡。资料请资料请资料请系统自动调节过程n 同理可知，当q i ¯时，则Uc 2 > 0 ，VT反 导通， 电机反转，使 q o ¯ ，直到 q 0 = qi为止。 伺服系统的自动调节过程如下图所示 。资料请资料请(4)系统工作原理n 在稳态时，q o = q ，ÑU =0,Uc

10、1 =Uc2 =0,VT正与VT反 均关断，Us = 0 ，电停转。当位置给定信号q 改变，设 q i ­，则 Uqi = Kq i ­，偏i差电压DU = (Uqi - U fq ) > ，0 此信号电压经PID调节器和放大器后产生的 Uc1 >0，使正组触发电路发出触发脉冲，双向晶闸管VT正 导通，使电正转q O 。­ 这个调节过程一直要继续到q o = qi ，到达新的稳态，此时 Uq i - U f q = 0, DU = 0,Uc1 = 0,，关 VT正断，电机停转为止，如系统方框图所示。资料请资料请位置伺服系统方框图PIDQ j (s) K0Q0 (s)Uqi (s)+DU (s)US (s)KKUC (s)N (s)mKAKs2+Tm s +1s-U fn (s)U fq (s)转速负反馈K0位置负反馈资