运动控制系统课件

1.1

先说说：运动地面常见的运动形式

轮式，履带式，腿式运动：双足行走，多足行走一些常见的特殊运动方式：自平衡车，蛇形机器人，滑冰，飞行，水里游动1.2几种地面运动形式的比较主要从路面适应性，结构复杂性，以及控制要求角度来比较：路面适应性：多足运动>双足运动>履带运动>轮式运动结构复杂性：多足运动>双足运动>履带运动>轮式运动控制难度：双足运动>多足运动>履带运动>轮式运动问题：为什么自然界的生物，不能进化出轮子？都是腿式运动？几点结论：人类双足行走，是目前已知能量消耗最小的双足运行方式自然界的进化，就是能量最优的进化轮式运动，结构简单，控制容易，虽然对路面要求高，不过还是我们制作初级机器人的最好选择1.3轮式运动分析双轮差速控制方式速度方向独立控制方式万向运动方式1.4双轮差速双轮差速：

特点：两个电机分别控制两个不同的轮子，通过控制轮子转速的差别，来实现机器人的速度与方向控制。两个轮子布置在机器人轴线上，穿过机器人相应方向的几何中心。要求机器人的重心必须与机器人的几何中心在水平面投影重合。运动特点：可以实现回转半径为零1.5速度方向独立控制轮子，与方向，分别控制，常见的例子包括：汽车，三轮车结构稳定，驱动力大。缺点：回转半径>零1.6万向运动运动控制复杂；可以在水平移动的同时，进行旋转；任何方向的移动与转动，都需要合成三个轮子的运动来实现；有三轮方式，以及四轮方式。不过最少也需要三轮，四轮方式是冗余配置；1.7

万向特色由于旋转与平移的独立控制，可以实现机器人一边运动一边旋转。机器人到任意两点间的运动，都是直线；机器人可以在曲线运动中，正方向始终面向一个方向。应用：机器人守门员，无论如何移动，可以永远盯着球的方向；1.8

电机与运动机器人的运动，就是通过控制电机的转速与转向来实现；机器人运动问题，本质上就是电机控制问题；电机控制的三个层面：速度控制：通过控制速度，使机器人的运动速度恒定；位移控制：通过控制电机速度与转过的角度，来实现机器人位移（应用于万向运动）；电流控制：通过控制电机的电流，来实现电机输出恒定扭矩；（应用于精密加工领域）1.9

机器人常用的直流电机直流减速电机；步进电机；无刷电机；1.10

直流减速电机两个重要结论：电机转速，与施加给电机的电压，成正比；电机的输出扭矩，与通过电机转子线圈的电流，成正比；减速箱的作用：电机的转速，通过减速箱，除以减速比，降低转速；电机的输出扭矩，通过减速箱，乘以减速比，提高输出扭矩；电机控制方法：通过控制施加给电机的电压，以及正负极性的改变，来控制电机的转速与转向；控制器，与驱动器的概念。控制方式：PWM，驱动方式：H桥开环控制，与闭环控制；通过检测电机的当前运转情况，反馈给控制器，然后来调节控制信号，就是闭环控制；1.11

直流减速电机的控制器控制方式：脉宽调制信号(PulseWidthModerm,PWM)；控制器：只要是可以输出PWM信号的设备，可以包括：单片机，DSP，FPGA，PLC，等等电机PWM控制：电机控制的难题：电机的转速与转向，与电压大小与极性有关。所以要控制电机转速与转向，就必须控制电机两端的电压大小与方向。而电压是模拟信号，而所有的控制器，都是数字式的，也就是只能输出脉冲。解决办法：通过调节脉冲的占空比，也就是脉冲宽度，来调节施加给电机的等效电压。前提：电机是时滞器件，而且是大延时响应详细原理，如下图所示；1.12电机驱动器驱动方式：H桥驱动器：各种H桥电路，根据PWM信号，来实现电机电压大小与方向的变化；原理如下。参考：/article/87/82/2009/2009071678033.html1.13

直流减速电机的闭环控制闭环控制可以达到的三个层面：速度闭环：电机可以在任何外界环境下，保持恒定的转速；位移闭环：电机可以在允许的最大速度情况下，转过恒定的角度，然后停止；电流闭环：电机可以在不同负载情况下，保持恒定的扭矩输出；电机反馈信号检测用传感器：编码器：检测电机轴转动的角速度，以及转过的角度

说明：编码器应该与电机同轴，并且安装在减速前端，而不是在减速后，否则精度大大降低；

编码器有光电式，或者霍尔式，不同原理。单位：线/分钟(PPM)1.14

闭环控制原理控制器通过编码器，实时检测当前电机运动信息，如果电机运动状态，和期望值不一致，那么就调整PWM输出，直到电机运动与期望值一致为止。经典控制方法：比例微分积分控制（PID）先进控制方法：模糊控制，神经元网络控制，模糊神经元控制，等等。1.15PID控制绪论内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统

？运动控制系统的发展过程与趋势2、什么是运动控制系统？控制系统自动控制系统运动控制系统2.1控制系统人工控制自动控制系统自动控制定义所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例如：数控车床按照预定程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；无人飞机按照预定航迹自动升降和飞行等等.工业自动化过程控制：针对六大参数控制，时间常数较大运动控制：针对机械运动过程，时间常数小运动控制的研究内容：处理机械系统中一个或多个坐标上的运动以及这些运动之间的协调，涉及各轴上运动速度的调节以及形成准确的定位或遵循特定的轨迹等诸如此类的问题在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动运动控制系统按照被控物理量可划分为：调速系统(以转速为被控量)；伺服系统(以位移为被控量)2.2运动控制系统定义

以电动机及其拖动的机械设备为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率转换装置为执行机构，在控制理论等指导下可实现电气传动功能的自动控制系统,称为运动控制系统(MotionControlSystems),也为称电力拖动控制系统（ControlSystemsofElectricDrive）;电机控制系统（MotorControlSystems）典型运动控制系统结构(交流)电源控制器电力电子变化器电动机机械系统反馈装置PID调节器数字控制器（PC、PLC、DSP）晶闸管PWM控制电路（弱电）(他励)直流电动机

(异步)交流电动机（笼型、绕线型）测速发电机（TG）电流互感器（TA）

电压互感器（TU）编码器（数控）传动装置定位平台旋转平台给定研究对象电动机直流电动机交流电动机异步电动机同步电动机直流电机系列步进电机系列接收数字控制信号，把电脉冲信号转换成角位移交流电机系列直流电机直流电机(电动机)是以直流电作为电源，使线圈通过电流，线圈旁有永久磁铁，以电磁感应感应出转距使其旋转。直流电机基本上有三种永磁式电机、串激式电机、并激式电机。直流电机的优点：一般而言同样的体积直流电机可以输出较大功率，直流电机转速不受电源频率限制可以制做出高速电机，速度控制只要控制电压较简单容易。缺点：电机上的碳刷使用一段时间会磨损消耗掉须更换,电枢会磨损。用途：造纸机械、车床、起重机、升降机、电气铁道车等需要调整转速的地方。交流电机交流电机是用途最广的电动机，其优点：价格低廉、构造简单、维修容易、速率变动小。它的转速与频率成正比，频率愈高转速愈快，常见输送带上的交流电机旁边有变频器，用来控制传动转速。交流电机的优点：结构简单生产容易，无接触零件较不用保养使用期限长。缺点：是转速受电源频率固定,使用一般交流频率无法使电机高速运转,最高仅达3600rpm高速电机必需用变频器来产生需要的工作频率，速度控制须改变频率或加装其它回授器较麻烦。用途：冷气机、吹风机、电风扇、抽水泵等。直流和交流电机区别最大的区别在于有没有碳刷，转动轴有没有线圈。直流电机一定要有碳刷来将电流导入转轴线圈并切换产生磁场相位。闭环控制策略转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统位置控制器速度控制器转矩控制器电流控制功能电动机转矩检测器机械负载＋－＋－＋－＋－s位置控制将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到

另一确定的空间位置速度控制以确定的速度曲线使负载产生运动转矩控制维持转矩的恒定或遵循某一变化规律闭环控制策略

并非所有控制系统都需要三个闭环，伺服系统一般是三闭环结构，调速系统一般是双闭环结构转矩控制

对转矩的控制通常通过控制电流来实现

性能评价：稳态精度、动态响应速度速度控制开、闭环（交、直流电动机）位置控制开环（步进电机）、闭环（伺服电机）闭环控制策略控制器：通用控制方法

古典自控原理（PID控制）、现代控制理论（自适应控制、鲁棒控制）、先进控制方法（智能控制、NeuralNetworks、Fuzzy

Cotrol）等特定控制策略针对交流电动机的转矩控制有：变频控制（VVVF）、矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)闭环控制策略2.3运动控制系统的分类按驱动电机分：直流传动系统－－用直流电机带动生产机械；

交流传动系统－－用交流电机带动生产机械；按被控物理量分：调速系统－－以转速为被控量；

位置随动系统（伺服系统）－－以角位移或直线位移为被控量；按控制器的类型分：模拟控制系统－－以模拟电路构成控制器；

数字控制系统－－以数字电路构成控制器（PC、PLC、DSP）；按闭环数分：单环，双环，多环系统对某一实际运动控制系统可能是这些分类的交叉：如：用单片机实现的数字式双闭环直流调速系统；伺服系统

伺服系统(servomechanism)是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称（位置）随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统。其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。绪论内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统

？运动控制系统的发展过程与趋势3、为什么要学习运动控制系统?运动控制系统的主要应用领域机械加工，冶金，交通运输，石油加工，航天航空、国防工业、家电生产、轻工、农业等领域。具体应用例子：

工业领域：制造业：钢厂连轧、电炉、加工车间的各种（数控）机床，起重机、传送带，矿山、油田、林场等等用电力拖动机械。印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，机械手放置器件；

国防领域：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制等；

家电领域：冰箱，空调，洗衣机，电脑光盘驱动器，电风扇等；

机器人：机械手、足球机器人、搬运机器人、各种机器人的移动及关节姿态控制等；其他高新技术产业：电梯、电动汽车，高速列车、无轨电车的调速系统等加工车间--鹏辉电池有限公司数控车床数控铣床机械手六自由度机械手取物六自由度机械手运动分体式变频空调控制电路原理框图变频空调微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图据统计，我国电动机装机容量约为4亿多千瓦，其用电量占当年全国发电量的60%~70%。当前，能源紧张！！！合理、经济、有效的利用电能，是运动控制系统设计者的责任。绪论内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统

？运动控制系统的发展过程与趋势

运动控制系统的发展历史19世纪80年代以前－－仅有直流电气传动19世纪末，出现交流电机（鼠笼式异步交流电机）－－开始逐步使用交流电气传动20世纪30年代起，形成直流调速，交流不调速的格局20世纪后期，交流调速兴起运动控制系统的发展趋势高频化、集成化交流化数字化、智能化和网络化5252调速：人为改变速度的方法可以用机械的方法或电气的方法实现调速电气调速：人为地改变电气参数，有意识地使电动机工作点由一条机械特性曲线转换到另一条机械特性曲线上，为了生产需要而对电动机调速进行的一种控制调速与电动机在负载或电压随机波动时而引起的转速扰动变化是两个不同的概念引言第1部分直流调速系统53直流电动机的优点：具有极好的运行性能和控制特性，良好的起、制动性能，易于在广范围内平滑调速。应用：在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到广范应用。长期以来直流调速系统一直占据垄断地位。引言第1部分直流调速系统54直流电机的工作原理和主要结构1、直流电机的物理模型图解及基本结构第1部分直流调速系统552、直流电机的工作原理：第1部分直流调速系统56第1部分直流调速系统57

将直流电动机的工作原理归结如下：将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。电机内部有磁场存在(可以由永磁体或定子励磁电流im产生（他励），磁动势F=imN)。载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f

的作用f=Bli（左手定则）所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转。5858电机的基本结构59591.风扇2.机座3.电枢4.主磁极5.刷架6.换向器7.接线板8.出线盒9.换向极10.端盖直流电机的结构图602024/4/1260直流电动机的铭牌数据6161直流电动机的铭牌数据额定运行情况：根据电机的设计和试验数据，按照国家标准规定的电机的正常运行状态和条件额定值（铭牌数据）：表征电机额定运行情况的各种数据62直流电动机的等效电路图M+_dUdIRL+_EnLTeT瞬时电压平衡方程式：第1部分直流调速系统电磁转矩方程式：63式中

—转速（r/min）；

—电机电枢电压（V）；

—电枢电流（A）；

—电机电枢电阻（

）；

—励磁磁通（Wb）；

—由电机结构决定的电动势常数；

—由电机结构决定的转矩常数；

—电机在恒定磁通下的电动势转速比第1部分直流调速系统nUdIdR

KeKTCe64：电动机提供的电磁转矩（动力转矩）：负载对运动力的反抗作用表现为负载转矩（阻力转矩）第1部分直流调速系统：工作机械系统折算到电动机轴上的总转动惯量：电动机的角速度（rad/s）（）运动平衡方程：eTLT65系统加速系统减速系统恒速或静止第1部分直流调速系统66

稳定运行的含义：（1）使系统以一定的速度匀速运转，即；（2）系统受到干扰转速稍有变化时，应保证干扰消除后仍能以原来的转速运行。

要使系统稳定运行，必须使电动机的电磁转矩和负载转矩大小相等（必要条件），方向相反，相互平衡。即第1部分直流调速系统直流电动机稳定运行时的电压平衡方程：67机械特性：直流电动机的机械特性:在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系。第1部分直流调速系统n0nNTLTnn斜率大，特性软斜率小，特性硬68直流调速方法：根据直流电动机转速方程：式中—

转速（r/min）；

—

电机电枢电压（V）；

—

电枢电流（A）；

—

电机电枢电阻（

）；

—

励磁磁通（Wb）；

—

由电机结构决定的电动势常数；

—

电机在恒定磁通下的电动势转速比RnUdId

KeCe第1部分直流调速系统69有三种方法可以调节电动机的转速：

（1）调节电枢供电电压Ud；（2）减弱励磁磁通

；（3）改变电枢回路电阻R；第1部分直流调速系统70（1）调压调速

工作条件：保持励磁

=N；保持电阻R=Ra

调节过程：改变电压UN

U

Un，n0

调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线第1部分直流调速系统71（2）调阻调速工作条件：保持励磁

=N

；保持电压U=UN

；调节过程：增加电阻Ra

R

Rn，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。OIILnn0RaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特性曲线第1部分直流调速系统72（3）调磁调速工作条件：保持电压U=UN；保持电阻R=Ra；调节过程：减小励磁

N

n，n0

调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3调压调速特性曲线第1部分直流调速系统73三种调速方法的性能与比较：对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。第1部分直流调速系统第1章单闭环调速系统本章着重讨论基本的单闭环控制系统及其分析与设计方法。内容提要：1.1直流调速系统的构成1.2单闭环调速系统的稳态分析与设计1.3单闭环调速系统的动态分析与设计1.4无静差调速系统1.5电压反馈电流补偿控制的调速系统直流调速系统用的可控直流电源

根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。本节介绍几种主要的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。1.1.1旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）

G-M系统工作原理

由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2G-M系统机械特性

1.1.2静止式可控整流器图1-3晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）

V-M系统工作原理

晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc

来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud

，从而实现平滑调速。V-M系统的特点与G-M系统相比较：晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。V-M系统的问题由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路M1.直流斩波器的基本结构图1-5直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形

1.1.3直流斩波器或脉宽调制变换器

2.斩波器的基本控制原理

在原理图中，VT表示电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-5b，好像是电源电压Us在ton时间内被接上，又在T–ton

时间内被斩断，故称“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为

3.输出电压计算式中T—晶闸管的开关周期；

ton—开通时间；

—占空比，

=ton/T=tonf；其中f为开关频率。

为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-PulseWidthModulation）。

4.斩波电路三种控制方式根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）；ton不变，变T—脉冲频率调制（PFM）；ton和T都可调，改变占空比—混合型。PWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。小结三种可控直流电源，V-M系统在上世纪60-70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。本章提要本章着重讨论基本的单闭环控制系统及其分析与设计方法。1.1直流调速系统的构成1.2单闭环调速系统的稳态分析与设计

1.3单闭环调速系统的动态分析与设计1.4无静差调速系统1.5电压反馈电流补偿控制的调速系统921.2单闭环调速系统的稳态分析与设计1.2.0晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题本小节讨论V-M系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制（2）晶闸管的触发电路（3）V-M系统等效电路分析（4）电流脉动及其波形的连续与断续（5）抑制电流脉动的措施；晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）图1-3晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）

KGAVTTRa)u1u2uVTudidaqwtp2pwwwwt0tttu2uguduVT0b)c)d)e)00（1）触发脉冲相位控制（电阻负载）在如图可控整流电路中，调节触发装置GT输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器VT输出瞬时电压ud

的波形，以及输出平均电压Ud

的数值（1）触发脉冲相位控制（阻感负载）

晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向导通同时必备两个条件：

(1)阳极与阴极之间加上正向电压；

(2)门极与阴极之间加上适当的正向电压。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。晶闸管导通条件

晶闸管一旦导通，控制极(门极)即失去控制作用。要使晶闸管重新关断，必须满足晶闸管关断的条件：使流过晶闸管的阳极电流小于晶闸管规定的维持电流。

关断实现的方式之一：（1）减小阳极电压（到零）（2）增大负载电阻（将阳极电流减小到小于维持电流）（3）加反向阳极电压晶闸管关断条件

(2)晶闸管的触发电路

相控电路晶闸管可控整流电路，通过控制触发角α的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。相控电路的驱动控制为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角α的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发信号。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路（触发装置、触发器、驱动电路）。对于触发电路的基本要求：触发信号的形式：常用脉冲信号，如下图触发信号的触发功率：要求脉冲必须具有足够的功率，且不超过晶闸管门极最大允许功率触发脉冲的宽度：要求脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡触发脉冲的移相范围：要求能满足主电路移相范围的要求触发脉冲与主电路的相位关系：要求触发电路必须与晶闸管的主电压保持同步其它正弦波尖脉冲方脉冲强触发脉冲脉冲序列图

常见的触发脉冲电压波形

常见的触发脉冲电压波形如下：集成触发电路三相全控桥式集成触发电路

3个KJ004（KC04）集成块和1个KJ041（KC41C）集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。

图

三相全控桥式整流电路的集成触发电路实例：V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（3）V-M系统等效电路分析

图1-3V-M直流调速系统，如果把整流装置（晶闸管+触发装置）内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值ud0和平均值Ud0

来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。图V-M系统主电路的等效电路图

Ud0IdE

式中

—电动机反电动势；

—整流电流瞬时值；

—主电路总电感（包括：电机电枢电感+平波电抗器电感）；

—主电路等效电阻；且有R=Rs+Ra（包括：整流内阻+电机电枢电阻)(平波电抗器电阻可忽略不计）EidLR瞬时电压平衡方程对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0

。用触发脉冲的相位角

控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与触发脉冲相位角

的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0=f(

)可用下式表示整流电压的平均值计算

式中—从自然换相点算起的触发脉冲控制角；

—

=

0时的整流电压波形峰值；

—交流电源一周内的整流电压脉波数；对于不同的整流电路，它们的数值如下表所示。

Umm(1-2)acosπsinπmd0mUmU=表

不同整流电路的整流电压值*U2是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。（4）电流脉动及其波形的连续与断续

由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。当V-M系统主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形。当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便造成电流波形断续的情况。V-M系统主电路的输出图V-M系统的电流波形a）电流连续b）电流断续OuaubucaudOiaibicic

tEUd

tOuaubucaudOiaibicicEUdud

t

tudidid（5）抑制电流脉动的措施

在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施。设置平波电抗器，可以使得电流连续且脉动小。平波电抗器的设置与计算单相桥式全控整流电路

三相半波整流电路

三相桥式整流电路

式中

—电动机反电动势；

—整流电流瞬时值；

—主电路总电感（包括：电机电枢电感+平波电抗器电感）；

—主电路等效电阻；且有R=Rs+Ra

（包括：整流内阻+电机电枢电阻）EidLR瞬时电压平衡方程1.2.1V-M系统的开环机械特性图V-M系统主电路的等效电路图

Ud0IdE113对应平均电压Ud0的电压平衡方程式：114

开环调速系统的机械特性在形式上与直流电动机的电动势平衡方程式类似，但是两者有本质的不同115

改变晶闸管控制角，就可以改变Ud0。晶闸管整流装置可以看成是一个线性的可控电压源通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，输出转速并不影响控制电压，属于开环调速系统开环调速系统适用于生产机械对静差率要求不高的场合，结构简单，能实现一定范围内的无级调速开环调速系统及其存在的问题

若可逆直流脉宽调速系统是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。但是，许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能允许很大的静差率，此时，开环调速系统不能满足较高的性能指标要求。转速控制要求（1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或平滑地（无级）调节转速；（2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。

调速系统的转速控制要求

任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即

其中nmax

和

nmin一般都指电机额定负载时的最高转速和最低转速。对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速。设计调速系统时，通常将nmax视为电动机的额定转速nN。

调速系统的两个稳态指标静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值（指额定负载）时所对应的转速降落

nN

，与理想空载转速n0之比，称作静差率s（或电动机在一条机械特性上的额定负载时的转速降与该机械特性的理想空载转速之比），即或用百分数表示

（1-5）

（1-6）

式中

nN=n0-nN

调速系统的两个稳态指标0TeNTen0an0bab∆nNa

∆nNb

nO图1-8不同转速下的静差率静差率与机械特性硬度的区别静差率和机械特性硬度又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时同样降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。

因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准（正确理解调速范围的静差率中的理想空载转速指的是稳定运转的最低转速对应的理想空载转速，这就将调速范围和静差率联系起来了）。静差率与机械特性硬度的区别（续）（3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系

假设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为

nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即于是，最低转速为而调速范围为

将上面的式代入nmin，得（1-7）

式（1-7）表示调压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于同一个调速系统，

nN值一定，由式（1-7）可见，如果对静差率要求越严，即要求s值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。

例题：某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18Ω，电动机电动势系数Ce=0.2。如果要求调速范围D=20，静差率5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？解：当电流连续时，V-M系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为

这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低速了。

如果要求D=20，s

≤

5%，则由式（1-7）可知由上例可以看出，开环调速系统的额定速降是275r/min，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎百倍！由此可见，开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。1.2.2转速负反馈单闭环调速系统

的组成及其静特性根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。图1-10转速负反馈单闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un∆UnUnUcUPE+-MTGIdUnUdUcUngdtg

系统组成

调节原理

在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un

，与给定电压Ugd

相比较后，得到转速偏差电压

Un

，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc

，用以控制电动机转速n。UPE的组成

图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc

。UcUd0u~ACDCUd0UcUPE的组成（续）目前，组成UPE的电力电子器件有如下几种选择方案：对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器（第四章讨论）；对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等；对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置（本章主要讨论V-M系统）。

稳态分析条件

下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段；（2）忽略控制电源和电位器的内阻。转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：电压比较环节

放大器

电力电子变换器

调速系统开环机械特性

测速反馈环节

稳态关系

稳态关系（续）以上各关系式中

—

放大器的电压放大系数；

—

电力电子变换器的电压放大系数；

—

转速反馈系数，（V·min/r）；

—UPE的理想空载输出电压；

—

电枢回路总电阻（主电路总的等效电阻，包括：整流装置内阻+电机电枢电阻）。KpKsR

Ud0

从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式（1-8）

静特性方程

静特性方程（续）

式中闭环系统的开环放大系数K为它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。电动机环节放大系数为:注意：闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为“静特性”，以示区别。KpKs

1/CeUgdUc∆UnEnUd0Un++-IdR-UnKs

闭环系统的稳态结构框图图1-12转速负反馈单闭环直流调速系统稳态结构图

图中各方块内的符号代表该环节的放大系数。运用结构图运算法同样可以推出式（1-8）所表示的静特性方程式，方法如下：将给定量和扰动量看成两个独立的输入量，先按它们分别作用下的系统求出各自的输出与输入关系式，b）只考虑给定作用时的闭环系统c）只考虑扰动作用时的闭环系统U*nKpKs

1/CeUc∆UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-E

由于已认为系统是线性的，可以把二者叠加起来，即得系统的静特性方程式(1-8)

1.2.3开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系

比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为而闭环时的静特性可写成

(1-8)

(1-9)

比较式（1-8）和式（1-9）不难得出以下的论断：（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。

在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为和它们的关系是

(1-10)

系统特性比较

系统特性比较（续）（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为

和

当

n0op=n0cl

时，（1-11）

系统特性比较（续）（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。

如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速静差率的要求相同，那么：开环时， 闭环时，

再考虑式（1-10），得(1-12)

（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。上述三项优点若要有效，都取决于一点，即K

要足够大，因此必须设置放大器。（5）此外，应注意，当给定电压相同时，闭环系统的理想空载转速大大降低。

系统特性比较（续）把以上四点概括起来，可得下述结论：结论2：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。

系统特性比较（续）1.2.4闭环系统的基本性质转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律，各种不另加其他调节器的基本反馈控制系统都服从于这些规律。1.应用比例调节器的闭环系统是有静差的控制系统从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。然而，Kp=常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。只有K=

，才能使

ncl

=0，而这是不可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。

反馈控制系统一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。2.闭环系统绝对服从于给定输入图1-13闭环调速系统的给定作用和扰动作用

励磁变化Id变化电源波动Kp变化电阻变化检测误差KpKs

1/CeUgdUk∆UEnUdUf++--

R

3.闭环系统对于被包围在负反馈环内的一切主通道上的扰动作用都能有效地加以抑制

抗扰能力

反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。例如：Us

Ud0

n

Un

Un

n

Ud0

Uc

抗扰能力（续）

但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。例如：

Un

Un

Uc

Ud0

n

因此，反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。4.对给定电源和反馈检测元件中的误差无力克服

给定精度——由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。1.1.2限流保护——电流截止负反馈

问题的提出起动时的冲击电流——直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许。闭环调速系统突加给定时的冲击电流——采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，这样的话电枢电压很快就达到它的最大值，对电动机来说就相当于全压启动。

堵转电流——

有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。

解决办法1）电枢串电阻起动2）引入电流截止负反馈1)电流负反馈

为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。M+-UdIdRsUi接放大器a.电流检测与反馈

电枢回路串检测电阻。

电流检测与反馈电路b.系统稳态结构框图

转速和电流负反馈系统稳态结构框图KpKs

1/CeUgdUk∆UIdEnUd0Ufn++--

R

-

Rs

Ufic.静特性方程与转速闭环控制调速系统特性方程相比，该式多了一项由电流反馈引起的转速降落。d.稳态特性采用转速电流负反馈的调速系统静特性Idbl0n0A—转速负反馈特性B—转速电流负反馈特性Idn'02)电流截止负反馈

考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。a.电流截止负反馈环节图1-16电流截止负反馈环节a）利用独立直流电源作比较电压M++--UdId

RcVDUfi

Ubj接放大器Mb)利用稳压管产生比较电压

UwM+-UdIdVS接放大器MUfi

RcOUiIdRs-

Ubj图1.18电流截止负反馈环节的I/O特性

图1.19带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构框图nKpKs

1/CeUgdUkUfiIdEUd0Ufn+--RRc-Ubj-++b.系统稳态结构IdRs-

Ubjc.静特性方程与特性曲线由图1-19可写出该系统两段静特性的方程式。当Id

≤

Idj

时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式相同，现重写于下：

当Id

Idj时，引入了电流负反馈，静特性变成图1-20带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性IduIdjn0IdOn'0ABDC静特性两个特点（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻KpKsRc

，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。（2）比较电压Ubj

与给定电压U*n

的作用一致，好象把理想空载转速提高到

这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，在上式中，令n=0，得

一般KpKsRc>>R，因此d.电流截止负反馈环节参数设计Idu应小于电机允许的最大电流，一般取

Idu=（1.5~2）IN

从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取

Idj

≥（1.1~1.2）IN本章提要本章着重讨论基本的单闭环控制系统及其分析与设计方法。1.1直流调速系统的构成1.2单闭环调速系统的稳态分析与设计1.3单闭环调速系统的动态分析与设计1.4无静差调速系统1.5电压反馈电流补偿控制的调速系统1.3单闭环调速系统的动态分

析与设计

上一节讨论了单闭环调速系统的稳态性能。显然，从稳态精度看，系统的开环放大系数K越大越好。然而，由自动控制理论可知，为了保证系统的动态稳定性，K值不能随意增大，即在闭环系统中稳与准是互相矛盾的。为此，必须进一步分析系统的动态性能。1.3.1系统的动态数学模型

为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示。

取数学模型的步骤建立线性系统动态数学模型的步骤如下：(1)根据系统中各环节的物理规律，列写出描述该环节动态过程的微分方程；(2)求出各环节的传递函数；(3)组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。补充1：拉氏变换解：设回路电流为i(t)，由基尔霍夫电律可写出回路方程为：定义：在零初始条件下，线性定常系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比，称为系统的传递函数，即补充2：传递函数补充3：系统开环传递函数和闭环传递函数G(s)H(s)R(s)C(s)B(s)

开环传递函数:

等效为主反馈断开时，输入信号R(s)

到反馈信号B(s)之间的传递函数，即

B(s)/R(s)=G(s)H(s)闭环传递函数:传递函数的性质传递函数是复变量S的有理真分式函数，分子多项式的次数

m低于或等于分母多项的次数n，所有系数均为实数；2)传递函数只取决于系统和元件的结构，与输入信号无关；3)传递函数与微分方程有相通性，可经简单置换而转换；4)传递函数的拉氏反变换是系统的脉冲响应。传递函数是在零初始条件下定义的，它只反应系统的零状态特性；零初始条件含义要明确。

RLCi(t)ur(t)uc(t)1)零初始条件下取拉氏变换：2）传递函数：a)直流电动机的传递函数

建立系统各环节的微分方程和传递函数式中为负载电流。

Tl—电枢回路电磁时间常数(s)，Tm—电力拖动系统机电时间常数(s)

，

在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数:电流与电动势间的传递函数:动态结构框图Id(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsb)电流电动势间的结构框图E(s)Ud0(s)+-1/RTls+1Id(s)a)电压电流间的结构框图+图额定励磁下直流电动机动态结构框图n(s)1/CeUd0(s)IdL(s)

EId(s)E++--1/RTls+1RTms图1-21整个直流电动机的动态结构框图

由图1-21可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，得下图a。如果是理想空载，则IdL

=0，结构框图即简化成下图b。

n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)动态结构图的变换和简化a.IdL≠0n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0(s)动态结构图的变换和简化（续）b.IdL=0b)晶闸管触发电路及整流装置构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，其传递函数近似成一阶惯性环节：只是在不同场合下，放大系数Ks和失控时间Ts的数值不同而已。晶闸管触发与整流装置动态结构Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a)准确的b）近似的图晶闸管触发与整流装置动态结构框图

直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即

放大器测速反馈c)控制与检测环节的传递函数图1-23反馈控制单闭环直流调速系统动态结构框图n(s)Ugd(s)IdL(s)

Uct(s)Uf(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1

+-R(Tls+1)Ud0(s)△U

(s)a)单闭环直流调速系统动态结构框图

单闭环调速系统的动态结构图和传递函数b)调速系统的开环传递函数

由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是

式中

K=KpKs/Ce

（1-27）

设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是b)调速系统的闭环传递函数（1-28）

由式（1-28）可知，反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为

它的一般表达式为

（1-29）

1.3.2单闭环调速系统的稳定性分析

根据三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是式（1-29）的各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只要：

或整理后得

式（1-30）右边称作系统的临界放大系数Kcr，当K≥Kcr时，系统将不稳定。对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。（1-30）

补充说明稳定是控制系统能够正常运行的首要条件1、稳定性定义定义：设一线性定常系统原处于某一平衡状态，若它瞬间受到某一扰动作用而偏离了原来的平衡状态，当此扰动撤消后，系统仍能回到原有的平衡状态，则称该系统是稳定的。反之，系统为不稳定。线性系统的稳定性取决于系统的固有特征（结构、参数），与系统的输入信号无关。线性系统稳定的充分必要条件：闭环系统特征方程的所有根都具有负实部.（或者说闭环特征方程的根必须位于S平面的左半平面）电力拖动系统稳定运行的充要条件1、必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性有交点(即稳态工作点)，即存在：或者说：在交点的转速以上存在：在交点的转速以下存在：即：,ψ1,ψ2

分别为电动机特性与负载特性各自的切线与转速轴的夹角。（对于恒转矩负载，有,则一般要求tgψ1为负值。）2、充分条件：在交点处满足于：1.概述在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定和稳态指标两方面的要求。1.3.3动态校正——PI调节器的设计2.动态校正的方法串联校正；并联校正；反馈校正。而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动与运动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。PID调节器（PIDRegulator）的类型：比例微分（PD）(Proportional–Derivative)比例积分（PI）(Proportional–Integral)比例积分微分（PID）(Proportional–Integral–Derivative)

PID调节器的功能由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；用PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。

一般的调速系统要求以动态稳定和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI调节器；在随动系统中，快速性是主要要求，须用PD或PID调节器。3.系统设计工具

在设计校正装置时，主要的研究工具是伯德图（BodeDiagram），即开环对数频率特性的渐近线。它的绘制方法简便，可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。正因为如此，伯德图是自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法。

在定性地分析闭环系统性能时，通常将伯德图分成低、中、高三个频段，频段的分割界限是大致的，不同文献上的分割方法也不尽相同，这并不影响对系统性能的定性分析。下图绘出了自动控制系统的典型伯德图。典型伯德图从图中三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：0L/dB

c/s-1-20dB/dec低频段中频段高频段图1-24典型的控制系统伯德图

伯德图与系统性能的关系中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且这一斜率覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好；截止频率（或称剪切频率）越高，则系统的快速性越好；低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高；高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。

以上四个方面常常是互相矛盾的。对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可能牺牲快速性；提高截止频率可以加快系统的响应，又容易引入高频干扰；如此等等。设计时往往须在稳、准、快和抗干扰这四个矛盾的方面之间取得折中，才能获得比较满意的结果。4.系统设计要求

在实际系统中，动态稳定性不仅必须保证，而且还要有一定的裕度，以防参数变化和一些未计入因素的影响。在伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定裕度的指标是：相角裕度

和以