电力拖动自动控制系统第10课

2024/1/9No.1/62电气传动控制系统ElectricalDriveControlSystem伺服系统自动化专业、电气工程专业选修课2024/1/9No.2/62第六章伺服系统§6-1伺服系统的特征及组成本章小结§6-2伺服系统控制对象的数学模型§6-3伺服系统的设计特征及组成2024/1/9No.3/62前言伺服〔Servo〕意味着“伺候〞和“服从〞。广义的伺服系统是准确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。狹义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量〔输出量〕是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量〔输入量〕作恣意变化时，系统的主要义务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。2024/1/9No.4/62概述伺服系统的功能是使输出快速而准确地复现给定，对伺服系统具有如下的根本要求：稳定性好伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡过程后，到达新的平衡形状，或者恢复到原先的平衡形状。精度高伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的准确程度，如精细加工的数控机床，要求很高的定位精度。动态呼应快动态呼应是伺服系统重要的动态性能目的，要求系统对给定的跟随速度足够快、超调小，甚至要求无超调。抗扰动才干强在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。2024/1/9No.5/62伺服系统的特征必需具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号。功率放大器以及控制系统都必需是可逆的。足够大的调速范围及足够强的低速带载性能。快速的呼应才干和较强的抗干扰才干。2024/1/9No.6/62伺服系统的组成伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。除了位置传感器外，能够还需求电压、电流和速度传感器。图9-1位置伺服系统构造表示图A〕开环系统b〕半闭环系统c〕全闭环系统2024/1/9No.7/62伺服系统的组成旋转编码器图9-2绝对值式编码器的码盘a)二进制码盘b)循环码码盘2024/1/9No.8/62伺服系统的性能目的伺服系统的实践位置与目的值之间的误差，称作系统的稳态跟踪误差。由系统构造和参数决议的稳态跟踪误差可分为两类：检测误差与系统误差。伺服系统在动态调理过程中性能目的称为动态性能目的，如超调量、跟随速度及时间、调理时间、振荡次数、抗扰动才干等。2024/1/9No.9/62伺服系统的性能目的图9-4位置伺服系统的典型输入信号a〕位置阶跃输入b〕速度输入c〕加速度输入2024/1/9No.10/62伺服系统的性能目的伺服系统在三种单位输入信号的作用下给定稳态误差：2024/1/9No.11/62伺服系统的动态构造图图9-3线性位置伺服系统普通动态构造图2024/1/9No.12/62第六章伺服系统§6-1伺服系统的特征及组成本章小结§6-2伺服系统控制对象的数学模型§6-3伺服系统的设计数学模型2024/1/9No.13/62概述根据伺服电动机的种类，伺服系统可分为直流和交流两大类。伺服系统控制对象包括伺服电动机、驱动安装和机械传动机构。2024/1/9No.14/62直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统的执行元件为直流伺服电动机，中、小功率的伺服系统采用直流永磁伺服电动机，当功率较大时，也可采用电励磁的直流伺服电动机。直流无刷电动机与直流电动机有一样的控制特性，也可归入直流伺服系统。2024/1/9No.15/62直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服电动机的形状方程机械传动机构的形状方程Id：电枢电流RΣ：包括驱动器内阻的电枢回路电阻LΣ：电枢回路电感2024/1/9No.16/62直流伺服系统控制对象的数学模型驱动安装的近似等效传送函数形状方程2024/1/9No.17/62直流伺服系统控制对象的数学模型控制对象的数学模型2024/1/9No.18/62直流伺服系统控制对象的数学模型图9-5直流伺服系统控制对象构造图2024/1/9No.19/62直流伺服系统控制对象的数学模型采用电流闭环后，电流环的等效传送函数为惯性环节，故带有电流闭环控制的对象数学模型为2024/1/9No.20/62直流伺服系统控制对象的数学模型图9-6带有电流闭环控制的对象构造图2024/1/9No.21/62交流伺服系统控制对象的数学模型用交流伺服电动机作为伺服系统的执行电动机，称作交流伺服系统。常用的交流伺服电动机有三相异步电动机、永磁式同步电动机和磁阻式步进电动机等，也可用电励磁的同步伺服电动机。无论是异步电动机，还是同步电动机，经过矢量变换、磁链定向和电流闭环控制均可等效为电流控制的直流电动机。2024/1/9No.22/62交流伺服系统控制对象的数学模型异步电动机按转子磁链定向的数学模型为2024/1/9No.23/62交流伺服系统控制对象的数学模型采用电流闭环控制后，对象的数学模型为2024/1/9No.24/62交流伺服系统控制对象的数学模型CT为包含磁链作用在内的转矩系数，电流转矩分量相当于直流电动机的电枢电流，电流闭环控制的交流伺服电动机构造图与直流电动机相仿。对于同步伺服电动机也可得到一样结论，不反复论述。采用电流闭环控制后，交流伺服系统与直流伺服系统具有一样的控制对象数学模型。称作在电流闭环控制下交、直流伺服系统控制对象的一致模型。用一样的方法设计交流或直流伺服系统。2024/1/9No.25/62第六章伺服系统§6-1伺服系统的特征及组成本章小结§6-2伺服系统控制对象的数学模型§6-3伺服系统的设计工程设计2024/1/9No.26/62概述伺服系统的构造因系统的详细要求而异，对于闭环伺服控制系统，常用串联校正或并联校正方式进展动态性能的调整。校正安装串联配置在前向通道的校正方式称为串联校正，普通把串联校正单元称作调理器，所以又称为调理器校正。假设校正安装与前向通道并行，那么称为并联校正；信号流向与前向通道一样时，称作前馈校正；信号流向与前向通道相反时，那么称作反响校正。2024/1/9No.27/62调理器校正及其传送函数常用的调理器有比例－微分〔PD〕调理器、比例－积分〔PI〕调理器以及比例－积分－微分〔PID〕调理器，设计中可根据实践伺服系统的特征进展选择。2024/1/9No.28/62PD调理器校正在系统的前向通道上串联PD调理器校正安装，可以使相位超前，以抵消惯性环节和积分环节使相位滞后而产生的不良后果。PD调理器的传送函数为2024/1/9No.29/62PI调理器校正假设系统的稳态性能满足要求，并有一定的稳定裕量，而稳态误差较大，那么可以用PI调理器进展校正。PI调理器的传送函数为2024/1/9No.30/62PID调理器校正将PD串联校正和PI串联校正结合运用，构成PID调理器。假设合理设计那么可以综合改善伺服系统的动态和静态特性。PID串联校正安装的传送函数为2024/1/9No.31/62单环位置伺服系统对于直流伺服电动机可以采用单位置环控制方式，直接设计位置调理器APR。为了防止在过渡过程中电流冲击过大，应采用电流截止反响维护，或者选择允许过载倍数比较高的伺服电动机。2024/1/9No.32/62单环位置伺服系统图9-7单环位置伺服系统APR—位置调理器UPE—驱动安装SM—直流伺服电动机BQ—位置传感器2024/1/9No.33/62单环位置伺服系统忽略负载转矩，直流伺服系统控制对象传送函数为机电时间常数2024/1/9No.34/62单环位置伺服系统图9-8直流伺服系统控制对象构造图采用PD调理器，其传送函数为2024/1/9No.35/62单环位置伺服系统伺服系统开环传送函数系统开环放大系数2024/1/9No.36/62单环位置伺服系统图9-9单位置环控制直流伺服系统构造图?2024/1/9No.37/62单环位置伺服系统用系统的开环零点消去惯性时间常数最大的开环极点，以加快系统的呼应过程。系统的开环传送函数2024/1/9No.38/62单环位置伺服系统伺服系统的闭环传送函数闭环传送函数的特征方程式2024/1/9No.39/62单环位置伺服系统图9-10单位置环伺服系统开环传送函数对数幅频特性用Routh稳定判据，为保证系统稳定，须使:2024/1/9No.40/62双环位置伺服系统在电流闭环控制的根底上，设计位置调理器，构成位置伺服系统，位置调理器的输出限幅是电流的最大值。以直流伺服系统为例，对于交流伺服系统也适用，只须对伺服电动机和驱动安装应作相应的改动。2024/1/9No.41/62双环位置伺服系统图9-11双环位置伺服系统2024/1/9No.42/62双环位置伺服系统忽略负载转矩时，带有电流闭环控制对象的传送函数为为了消除负载扰动引起的静差，APR选用PI调理器，其传送函数2024/1/9No.43/62双环位置伺服系统图9-12双环位置伺服系统构造图系统的开环传送函数为系统的开环放大系数2024/1/9No.44/62双环位置伺服系统伺服系统的闭环传送函数为特征方程式特征方程式未出现s的二次项，由Routh稳定判据可知，系统不稳定。2024/1/9No.45/62双环位置伺服系统将APR改用PID调理器，其传送函数伺服系统的开环传送函数2024/1/9No.46/62双环位置伺服系统闭环传送函数系统特征方程式2024/1/9No.47/62双环位置伺服系统由Routh稳定判据求得系统稳定的条件图9-13采用PID控制的双环控制伺服系统开环传送函数对数幅频特性2024/1/9No.48/62双环位置伺服系统假设APR仍采用PI调理器，可在位置反响的根底上，再加上微分负反响，即转速负反响。图9-14带有微分负反响的伺服系统2024/1/9No.49/62双环位置伺服系统图9-15带有微分负反响的伺服系统构造图2024/1/9No.50/62三环位置伺服系统在调速系统的根底上，再设一个位置环，构成三环控制的位置伺服系统。图9-16三环位置伺服系统APR—位置调理器ASR—转速调理器ACR—电流调理器BQ—光电位置传感器DSP—数字转速信号构成环节2024/1/9No.51/62三环位置伺服系统直流转速闭环控制系统按典型II型系统设计，开环传送函数矢量控制系统开环传送函数两者构造一样。2024/1/9No.52/62三环位置伺服系统图9-17直流转速环构造图图9-18矢量控制系统构造表示图2024/1/9No.53/62三环位置伺服系统图9-19位置环的控制对象构造图图9-20位置闭环控制构造图2024/1/9No.54/62三环位置伺服系统位置环控制对象的传送函数开环传送函数2024/1/9No.55/62三环位置伺服系统给定输入为阶跃时，APR选用P调理器就可实现稳态无静差，那么系统的开环传送函数开环放大系数2024/1/9No.56/62三环位置伺服系统伺服系统的闭环传送函数特征方程式2024/1/9No.57/62三环位置伺服系统用Routh稳定判据，可求得系统的稳定条件2024/1/9No.58/62复合控制的伺服系统为了提高随动性能，从给定信号直接引出开环的前馈控制，和闭环的反响控制一同，构成复合控制系统图9-21复合控制位置伺服系统的构造原理图2024/1/9No.59/62复合控制的伺服系统前馈控制器的传送函数选为得到2024/1/9No.60/62复合控制的伺服系统理想的复合控制随动系统的输出量可以完全复现给定输入量，其稳态和动态的给定误差