位置隨動(dòng)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì).docx

1、.第一章位置隨動(dòng)系統(tǒng)的概述1.1位置隨動(dòng)系統(tǒng)的概念位置隨動(dòng)系統(tǒng)也稱伺服系統(tǒng)， 是輸出量對(duì)于給定輸入量的跟蹤系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)于位置指令的準(zhǔn)確跟蹤。位置隨動(dòng)系統(tǒng)的被控量 (輸出量 )是負(fù)載機(jī)械空間位置的線位移和角位移，當(dāng)位置給定量 (輸入量 )作任意變化時(shí)，該系統(tǒng)的主要任務(wù)是使輸出量快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量的變化， 所以位置隨動(dòng)系統(tǒng)必定是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。位置隨動(dòng)系統(tǒng)是應(yīng)用非常廣泛的一類工程控制系統(tǒng)。它屬于自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一類反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 在實(shí)際中位置隨動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。例如，數(shù)控機(jī)床的定位控制和加工軌跡控制，船舵的自動(dòng)操縱，火炮方位的自動(dòng)跟蹤， 宇航設(shè)

2、備的自動(dòng)駕駛， 機(jī)器人的動(dòng)作控制等等。 隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展， 位置隨動(dòng)系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)、國防和高科技領(lǐng)域中不可缺少的設(shè)備，是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要分支。1.2位置隨動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及品質(zhì)指標(biāo)位置隨動(dòng)系統(tǒng)與拖動(dòng)控制系統(tǒng)相比都是閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)， 即通過對(duì)輸出量和給定量的比較， 組成閉環(huán)控制， 這兩個(gè)系統(tǒng)的控制原理是相同的。 對(duì)于拖動(dòng)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(dòng)性能成為主要技術(shù)指標(biāo)。 對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)而言， 給定量即位置指令是經(jīng)常變化的， 是一個(gè)隨機(jī)變量，要求輸出量準(zhǔn)確跟隨給定量的變化， 因而跟隨性能指標(biāo)即系統(tǒng)輸出響應(yīng)的快速性、靈敏性與準(zhǔn)確性成為它的

3、主要性能指標(biāo)。 位置隨動(dòng)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)位置反饋，所以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上必定要有位置環(huán)。 位置環(huán)是隨動(dòng)系統(tǒng)重要的組成部分， 位置隨動(dòng)系統(tǒng)的基本特征體現(xiàn)在位置環(huán)上。 根據(jù)給定信號(hào)與位置檢測(cè)反饋信號(hào)綜合比較的不同原理， 位置隨動(dòng)系統(tǒng)分為模擬與數(shù)字式兩類。 總結(jié)后可得位置隨動(dòng)系統(tǒng)的主要特征如下：1位置隨動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是使輸出位移快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定位移。2必須具備一定精度的位置傳感器，能準(zhǔn)確地給出反映位移誤差的電信號(hào)。3電壓和功率放大器以及拖動(dòng)系統(tǒng)都必須是可逆的。4控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)快速響應(yīng)的要求，其中快速響應(yīng)中，更強(qiáng)調(diào)快速跟隨性能。1.3位置隨動(dòng)系統(tǒng)的基本組成.1.3.1電位器式位置隨動(dòng)系統(tǒng)的組

4、成下面通過一個(gè)簡單的例子說明位置隨動(dòng)系統(tǒng)的基本組成，其原理圖如圖1-1所示。這是一個(gè)電位器式的小功率位置隨動(dòng)系統(tǒng)，有以下五個(gè)部分組成：圖1-1電位器式位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖1位置傳感器由電位器 RP1 和 RP2 組成位置傳感器。RP1 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(hào)m* ； RP2 是反饋位置傳感器，其轉(zhuǎn)軸通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與負(fù)載的轉(zhuǎn)軸相連，得到轉(zhuǎn)角反饋信號(hào)m 。兩個(gè)電位器由同一個(gè)直流電源 U s 供電，使電位器輸出電壓 U * 和 U ，直接將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓量。誤差電壓 U U*U 反映了給定與反饋的轉(zhuǎn)角誤差mm ，通過放大器等環(huán)節(jié)拖動(dòng)負(fù)載，最終消滅誤差。2電壓比較放大

5、器（ A） 兩個(gè)電位器輸出的電壓信號(hào) U * 和 U 在放大器 A 中進(jìn)行比較與放大， 發(fā)出控制信號(hào) U c 。由于 U 是可正可負(fù)的， 放大器必須具有鑒別電壓極性的能力。輸出的控制電壓U c 也是可逆的。3電力電子變換器 （ UPE）它主要起功率放大的作用 （同時(shí)也放大了電壓） ，而且必須是可逆的。在小功率直流隨動(dòng)系統(tǒng)中多用 P-MOSFET或IGBT橋式 PWM變換器。對(duì)于大功率位置隨動(dòng)系統(tǒng)，會(huì)用到可逆的脈寬調(diào)制式 PWM變換器。4伺服電機(jī)（ SM） 在小功率直流隨動(dòng)系統(tǒng)中多用永磁式直流伺服電機(jī)，在不同情況下也可采用其它直流或交流伺服電機(jī)。大功率隨動(dòng)系統(tǒng)中也可采用永磁式直流伺服電機(jī)， 由伺

6、服電機(jī)和電力電子變換器構(gòu)成可逆拖動(dòng)系統(tǒng)是位置隨動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。5減速器與負(fù)載在一般情況下負(fù)載的轉(zhuǎn)速是很低的，在電機(jī)與負(fù)載之間必須設(shè)有傳動(dòng)比為 i 的減速器。在現(xiàn)代機(jī)器人、汽車電子機(jī)械等大功率設(shè)備中，.為了減少機(jī)械裝置，傾向于采用低速電機(jī)直接傳動(dòng)，可以取消減速器。以上五個(gè)部分是各種位置隨動(dòng)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。1.3.2位置傳感器的分類和簡單介紹精確而可靠地發(fā)出位置給定信號(hào)并檢測(cè)被控對(duì)象的位置是位置隨動(dòng)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(hào)處理電路或算法，形

7、成與控制器輸入量相匹配的位置誤差信號(hào)。位置傳感器的分類很多，常用的有以下幾種：1電位器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(hào)，價(jià)格便宜、使用方便，但滑臂與電阻間有滑動(dòng)接觸，容易磨損或接觸不良，可靠性較差。2基于電磁感應(yīng)原理的位置傳感器屬于這一類的位置傳感器有自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、 感應(yīng)同步器等， 是應(yīng)用比較廣泛的模擬式位置傳感器，可靠性和精度都較好。3光電編碼器光電編碼器由光源、 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(hào)，是現(xiàn)代數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)主要采用的位置傳感器。 碼盤一般為圓形， 由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)， 也有用直線形的， 由電動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。 按照輸出脈沖與對(duì)應(yīng)位置關(guān)

8、系的不同，光電編碼器有增量式和絕對(duì)值式兩種， 也有將兩者結(jié)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(shí)稱作增量式編碼器，常用的圓形增量式碼盤每轉(zhuǎn)發(fā)出N500 5000 個(gè)脈沖，高精度碼盤可達(dá)數(shù)萬個(gè)脈沖。 通過信號(hào)處理電路和可逆計(jì)數(shù)器可以輸出位置增量信號(hào)， 再經(jīng)過測(cè)速算法，可以給出轉(zhuǎn)速信號(hào)； 2）絕對(duì)值式編碼器。絕對(duì)值式編碼器碼盤的圖案由若干個(gè)同心圓環(huán)組成， 稱作碼道。碼道的道數(shù)與二進(jìn)制的位數(shù)相同， 有固定的零點(diǎn)，每個(gè)位置對(duì)應(yīng)著距零點(diǎn)不同位置的絕對(duì)值。 絕對(duì)值式碼盤一周的總計(jì)數(shù)為 N 2 n ，其中 n為碼盤的位數(shù)，一般 n 4 20 ，粗精結(jié)合的碼盤可達(dá) n 2

9、0 。絕對(duì)值式編碼器的碼盤又分為二進(jìn)制碼盤和循環(huán)碼碼盤兩種。這里就不做介紹。4磁性編碼器和光電編碼器一樣，磁性編碼器也是由位移量變換成數(shù)字式電脈沖信號(hào)的傳感器，近年來發(fā)展相當(dāng)迅速，已有磁敏電阻式、勵(lì)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(diǎn)是：適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，不怕灰.塵、油污和水露，結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，響應(yīng)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(duì)值式，在數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。1.4位置隨動(dòng)系統(tǒng)的分類隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了各類隨動(dòng)系統(tǒng)由于位置隨動(dòng)系統(tǒng)的特征體現(xiàn)在位置上，體現(xiàn)在位置給定信號(hào)和位置反饋信號(hào)及兩個(gè)信號(hào)綜

10、合比較方面， 因此可根據(jù)這個(gè)特征將它劃分為兩個(gè)類型， 一類是模擬式隨動(dòng)系統(tǒng)， 一類是數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)又可分為數(shù)字相位隨動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)字脈沖隨動(dòng)系統(tǒng)。 由于本次設(shè)計(jì)研究的是模擬隨動(dòng)系統(tǒng)， 數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)就不做介紹。 對(duì)于模擬隨動(dòng)系統(tǒng)可按閉環(huán)系統(tǒng)分為三類。1多環(huán)位置隨動(dòng)系統(tǒng)這里只詳細(xì)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(shí)同三環(huán)系統(tǒng)大同小異，分析和設(shè)計(jì)方法相同。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(chǔ)上，外邊再加一個(gè)位置控制環(huán)，便形成一個(gè)三環(huán)控制系統(tǒng)，如圖 1

11、-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（ 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(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)， 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(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和動(dòng)態(tài)跟隨性能， 其輸出限幅值決定了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。位置、轉(zhuǎn)速、電流三個(gè)閉環(huán)都畫成單位反饋，反饋系數(shù)都已計(jì)入各調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)中去。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(shè)計(jì)方法也是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，逐個(gè)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器。按此規(guī)律

12、，對(duì)于如圖 1-2 所示的三環(huán)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)首先設(shè)計(jì)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(gè)環(huán)節(jié)，和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的控制對(duì)象，再設(shè)計(jì) ASR。最后，再把整個(gè)轉(zhuǎn)速環(huán)簡化為位置環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，從而設(shè)計(jì)位置調(diào)節(jié)器 APR。逐環(huán)設(shè)計(jì)可以使每個(gè)控制環(huán)都是穩(wěn)定的， 從而保證整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 當(dāng)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的對(duì)象參數(shù)變化或擾動(dòng)時(shí)， 電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋都能夠起到及時(shí)的抑制作用， 使之對(duì)位置環(huán)的工作影響很小。 同時(shí)每個(gè)環(huán)節(jié)都有自己的控制對(duì)象， 分工明確，易于.調(diào)整。但這樣的逐環(huán)設(shè)計(jì)的多環(huán)控制系統(tǒng)也有明顯的不足，即對(duì)外環(huán)的控制作用的響應(yīng)不會(huì)很快。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)每個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)，

13、 都要將內(nèi)環(huán)等效成其中的一個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)環(huán)為前提的。在一般模擬控制的隨動(dòng)系統(tǒng)中，電流環(huán)的截圖 1-2位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖BQ- 光電位置傳感器DSP-數(shù)字轉(zhuǎn)速信號(hào)形成環(huán)節(jié)止頻率約ci100 150Hz ，轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率cn 約在 2030 Hz 之間，最高不超過 50 Hz ，照此推算，位置環(huán)的截止頻率只有c10Hz 左右。位置環(huán)的截止頻率被限制的太低， 會(huì)影響系統(tǒng)的快速性， 因?yàn)檫@類三環(huán)控制的位置隨動(dòng)系統(tǒng)只適用于對(duì)快速跟隨性能要求不高的場合， 例如點(diǎn)位控制的機(jī)床隨動(dòng)系統(tǒng)。 在近代數(shù)字控制的隨動(dòng)系統(tǒng)中， 控制對(duì)象

14、的快速響應(yīng)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(dá) cn 100 200Hz ，因而位置環(huán)的截止頻率也可以提高， 在要求高動(dòng)態(tài)性能的數(shù)控機(jī)床軌跡控制和機(jī)器人控制中都取得了很好的應(yīng)用效果。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)。這三個(gè)環(huán)的反饋信號(hào)都是負(fù)反饋，三個(gè)環(huán)都是反相放大器。三環(huán)相制約，使控制達(dá)到極其完美的地步。第二章三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立和參數(shù)計(jì)算2,1三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的基本組成及其數(shù)學(xué)模型的建立2.1.1三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的基本組成系統(tǒng)可分

15、為以下八個(gè)部分：.1位置環(huán)我們只分析它的數(shù)學(xué)模型， 不會(huì)把它作具體介紹。 可以近似為一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為W jK j(s)T j s 1（2-1 ）2位置傳感器模擬隨動(dòng)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(yīng)原理的位置傳感器。 基于電磁感應(yīng)原理的位置傳感器有自整角機(jī)、 旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等， 是應(yīng)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(shè)計(jì)采用的位置傳感器是自整角機(jī)。 自整角機(jī)是角位移傳感器， 在隨動(dòng)系統(tǒng)中總是成對(duì)應(yīng)用的。 與指令軸相聯(lián)的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)， 與執(zhí)行軸相聯(lián)的稱作接收機(jī)。 按用途不同，自整角機(jī)可分為力矩式自整角機(jī)和控制式自整角

16、機(jī)兩類。力矩式自整角機(jī)可以不經(jīng)中間放大環(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(duì)功率較大的負(fù)載， 力矩式自整角機(jī)帶動(dòng)不了， 可采用控制式自整角機(jī)，將自整角接收機(jī)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(dòng)負(fù)載，組成自整角機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)。 下面簡單分析本次設(shè)計(jì)使用的控制式自整角機(jī)的工作原理和使用。先看單相自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。 它具有 個(gè)單相勵(lì)磁繞組和一個(gè)三相整步繞組，單相勵(lì)磁繞組安置在轉(zhuǎn)子上， 通過兩個(gè)滑環(huán)引入交流勵(lì)磁電流， 勵(lì)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 120o

17、，并接成 Y形。BST為自整角發(fā)送機(jī)， BSR為自整角接收機(jī)。本次模型中采用的自整角機(jī)的放大系數(shù) K bs 1.25 V ( o ) 。自整角機(jī)本身的檢測(cè)誤差 ed 0.5o 。傳遞函數(shù)為式 （4-2 ），是簡單的線性函數(shù)在數(shù)學(xué)模型將不會(huì)出現(xiàn)， 但在計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)將會(huì)用到自整角機(jī)的參數(shù)。自整角機(jī)還包括相敏整流器 URP，可以把它當(dāng)作自整角機(jī)的一部分，相當(dāng)于一個(gè)電壓放大器，并反映m 的極性，放大系數(shù)K rp2，當(dāng)然它在數(shù)學(xué)模型中也不會(huì)出現(xiàn)。3電壓比較放大器（ A）這是位置隨動(dòng)系統(tǒng)所必須有的裝置。它的作用是發(fā)出控制信號(hào)U c ，由于U可正可負(fù)。放大器必須具有鑒別電壓極性的能力，輸出的控制的電壓U

18、c 也是可.逆的。放大系數(shù) K a 5 ，函數(shù)關(guān)系 U c K a U 。這個(gè)簡單的函數(shù)關(guān)系也不會(huì)在數(shù)學(xué)模型中出現(xiàn)。4電力電子變換器（ UPE）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(dòng)系統(tǒng)中選取雙極式控制的橋式可逆 PWM變換器，因?yàn)槭谴蠊β氏到y(tǒng)變換器采用可關(guān)斷晶閘管。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(diǎn)1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000

19、左右；4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。橋式可逆 PWM 變換器的原理圖本次設(shè)計(jì) 采用 的PWM 變換 器的 開關(guān) 頻率f =2500 Hz ，即失控時(shí)間Ts =0.4 ms ，失控時(shí)間已經(jīng)非常小，大大提高了系統(tǒng)的快速性，所以時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)（其中Ts = T1 ），傳遞函數(shù)為K1W1 (s)T1 s15電流調(diào)節(jié)器（ ACR）按工程設(shè)計(jì)法選擇典型 I型系統(tǒng)， PI調(diào)節(jié)器。

20、傳遞函數(shù)為.Ti s1WACR (s)K pi Ti s（ 4-5 ）6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ ASR）按工程設(shè)計(jì)法選擇典型 I型系統(tǒng)，選用 PI調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為Tn s1WASR (s)K pnTn s（ 2-6 ）7位置調(diào)節(jié)器（ AWR）按工程設(shè)計(jì)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)Tw1s1為W AWR ( s)K pwTw2 s1（2-7 ）8伺服電機(jī)（ SM）基于本次設(shè)計(jì)的大功率隨動(dòng)系統(tǒng)選擇永磁式直流伺服電機(jī)，即直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī) ， 型 號(hào) 為 Z2-21 ， 銘 牌 參 數(shù) ， Pn400W， U n 110v ， I n5.59A ，nN 1000 r min

21、。伺服電機(jī)可視為一個(gè)二階系統(tǒng)，分為兩個(gè)傳遞函數(shù),，一部分為電機(jī)電樞近似成一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為K 2K2s1Tl s一部分為傳動(dòng)裝置近似為積分環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為K3 (s)K 3Tm s9負(fù)載負(fù)載就不做具體介紹， 它也是系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的被控位置對(duì)象，我們主要研究它的數(shù)學(xué)模型。傳遞函數(shù)近似為積分環(huán)節(jié)W (s)2Pi60 s三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)功率大，采用低轉(zhuǎn)速的直流伺服電機(jī)，所以本設(shè)計(jì)取消減速器。.2.1.2三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算已知直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Z2-21 ，銘牌參數(shù)， Pn400W ， U n110v ，I n5.59A ， nN 1000

22、rmin 。電力電子變換器的增益 K sK 1 20 ，電壓放大器的增益 K a 5 ，相敏整流器的放大系數(shù)由計(jì)算決定。自整角機(jī)的放大系數(shù)Kbs50 v ( o ) 。計(jì)算過程如下：電動(dòng)機(jī)的額定效率為PN400NUNIN1100.655.59電動(dòng)機(jī)的電樞電阻為Ra1 (1N)UN0.5 (1 0.65) 1103.42I N5.59電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為CeU N I N Ra110 5.59 3.40.091v r min 1nN1000電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)為30CmCe9.550.0910.87 N m A.位置隨動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（未考慮校正裝置）2.4按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的電流和

23、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖 4-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖應(yīng)用如前所述的工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。按照設(shè)計(jì)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(kuò)展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中， 應(yīng)首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器， 然后把整個(gè)電流環(huán)節(jié)看作是三環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)， 再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， 最后是位置調(diào)節(jié)器。 本系統(tǒng)唯一的改動(dòng)是取消了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)之前的兩個(gè)濾波環(huán)節(jié)。但設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖， 因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)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。2.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化在圖 2-4 中，在一般情況下

24、，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù) Ta 遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm ，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢的多， 對(duì)電流環(huán)來說， 反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的的擾動(dòng)，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即E0 。這樣在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，也就是說，可以暫且把反電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖， 可以證明，忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流作用的近似條件是.ci3（ 2-11 ）.1TaTl式中ci 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。由于 T1 比 Tm 小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為T i T1（ 2-12 ）電流環(huán)簡化的近似條件為11ci3T

25、s（ 2-13 ）2電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇首先考慮應(yīng)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(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)， 以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值， 而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要因素。 為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選擇典型 I型系統(tǒng)。如圖 4-6 所示 ,為電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖 4-6 表明，電流環(huán)的控制對(duì)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K pi (Ti s1)WACR (s)Ti s為了讓

26、調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇TiTa電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖.則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成典型形式，其中K pi K1 K iK ITi R繪出了校正后的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性。 上述結(jié)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(shè)計(jì)時(shí)校驗(yàn)。電力電子變換器純滯后近似處理1ci3T1忽略反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響ci31Ta Tl電流環(huán)的小慣性群的近似處理11ci3Ts如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同，參數(shù)當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng)的改變。3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是K pi 和 Ti 其中 Ti 已選定，待定的只有比例系數(shù)可根據(jù)所要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。在三環(huán)隨動(dòng)系

27、統(tǒng)中，已知有K s20 ，Tl 0.07s ， Tm 4.2s， R 3.4 ,電流反饋系數(shù)2。希望電流超調(diào)量i5% ，可以使動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。所以電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為iTl0.07所以有K I0.50.5166.7s 1T i0.003于是， ACR的比例系數(shù)為K iK I Ti R166.70.3 3.4K1 K i201.01524校驗(yàn)的近似條件已知電流環(huán)的截止頻率ciK I166.7s 1電力電子變換器純滯后近似條件為.11.333.3ci3Ts30.001忽略反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響的近似條件為31135.53 ciTlTm0.07 4.2電流環(huán)的小慣性群的近似處理的條件為11113TsTo

28、i30.001 0.002所以計(jì)算出的電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為235ciWACR (s)K i (Ti s1) = 1.015 0.07s 1Ti s0.07s但有兩個(gè)校驗(yàn)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(jì)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(shí)間常數(shù)不一致。我們要通過仿真分析出兩個(gè)電流環(huán)的不同。2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，我們可以求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)Wci (s)11T is2K I1K I忽略高次項(xiàng)，可降階近似為1Wci ( s)1 s1K I近似條件為1K Icn3T i式中cn 轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)頻率特性的

29、截止頻率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效的輸入量為U i* (s) ，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為式（ 2-21 ）.1I d ( s)Wci ( s)K iU i* (s)K i1s 1K I這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后， 可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù) 1 K I 的一階慣性環(huán)節(jié)，這就表明，電流的閉環(huán)控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)控制的一個(gè)重要功能。轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇在第三章已經(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(gè)環(huán)之外還有位置環(huán)， 所以轉(zhuǎn)速環(huán)也應(yīng)設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)，選擇 PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為n s1WASR(

30、s)K nn s3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算此時(shí)的轉(zhuǎn)速環(huán)可以等效為所示的結(jié)構(gòu)圖。同樣選擇% 10% ，可滿足系統(tǒng)的快速響應(yīng)， T i1 2K 0.006 ，Tm 0.016 。所以有轉(zhuǎn)速環(huán)的時(shí)間常數(shù)為TnTm 0.016 ,Ton 0.01sK nicn10.69958s 1T i0.00072按設(shè)計(jì)要求，選用 PI調(diào)節(jié)器按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5 ，則 ASR的超前時(shí)間常數(shù)為nhT i50.0160.08轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為K Nh12h2T 2n468s 1所以轉(zhuǎn)速環(huán)的比例系數(shù)為.K nh 1 CeTm131.72h RT n檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為cnK N1K N n4680.083

31、7.44電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件1K I1166.778.53T i30.003轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件1K I1166.73Ton342.90.01cncn所以經(jīng)工程計(jì)算法得到的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的模型為n s 10.08s 1WASR( s) K n= 131.7n s0.08s計(jì)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(shí)間常數(shù)不一樣，同時(shí)不滿足電流環(huán)簡化的近似條件，我們也會(huì)在仿真中兩套參數(shù)下的系統(tǒng)做出比較。第三章三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的 MATLAB 仿真及其結(jié)果分析3.1三環(huán)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的MATLAB 仿真給定參數(shù)的三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-9 所示。圖 5-9三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框

32、圖.用MATLAB仿真結(jié)果如圖 3-10 所示。如圖 3-10 所示三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線?？v坐標(biāo)表示位移， 單位為米。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位為秒。圖 3-10三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的仿真圖由圖 3-10 可知系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)為：超調(diào)量13.95%，調(diào)節(jié)時(shí)間 ts0.0335 s ，峰值時(shí)間 t p0.0423 s 。如圖 3-12 所示三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線?？v坐標(biāo)表示位移，單位為米。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位為秒。由圖 3-12 可知系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)：超調(diào)量12.5%，調(diào)節(jié)時(shí)間 ts0.042 s ，峰值時(shí)間 t p0.046 s 。經(jīng)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖5

33、-11所示。.圖 3-11經(jīng)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖用MATLAB仿真結(jié)果如圖 3-12 所示。圖 3-12經(jīng)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)的仿真圖3.4MATLAB 仿真結(jié)果分析首先比較電流環(huán)的仿真圖，圖5-2 的階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量要比圖5-4 的要大，而前者的調(diào)節(jié)時(shí)間要比后者小，峰值時(shí)間相差不大。 可知給定的電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要比經(jīng)計(jì)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(dòng)態(tài)響都要好于后者。驗(yàn)證計(jì)算時(shí)不滿足校驗(yàn)近似條件的正確性。再比較直流雙閉環(huán)的仿真圖， 明顯看出經(jīng)計(jì)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(shí)間也比給定的雙閉環(huán)系統(tǒng)的要大，動(dòng)態(tài)