直流伺服系統(tǒng)設(shè)計

1、5.1 直流伺服系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)介紹5.1.1 速度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)要求（1）被控對象的最高運(yùn)行速度：maxmaxmaxvn、（2）最低平滑速度：minminminvn、也可以用調(diào)速范圍D表示maxminminminmaxminvvnnD、（3）靜差率s或轉(zhuǎn)速降落 ：n轉(zhuǎn)速降落指控制信號一定的情況下，系統(tǒng)理想空載轉(zhuǎn)速與滿載時轉(zhuǎn)速之差（4）速度調(diào)節(jié)的連續(xù)性和平滑性要求： 有級還是無級、可逆還是不可逆ennn0%100%100000nnnnnse可見，對靜差率要求越嚴(yán)，系統(tǒng)允許的調(diào)速范圍就越小。min0nomnnssnsnsnnnnnomnomnomnommin0min)1 ()1 (nomn

2、omminnomminmaxsnsnnnnnD 例：某調(diào)速系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速1430r/min，額定速降115r/min，分別求靜差率小于30%和20%時的調(diào)速范圍。時要求%30s3 . 5) 3 . 01 (1153 . 01430)1 (nomnomsnsnD時要求%20s1 . 3) 2 . 01 (1152 . 01430)1 (nomnomsnsnD（5）對階躍信號輸入下系統(tǒng)的響應(yīng)特性：在階躍信號作用下，系統(tǒng)的最大超調(diào)量和響應(yīng)時間。（6）負(fù)載擾動作用下系統(tǒng)的響應(yīng)特性：衡量抗擾能力一般取最大轉(zhuǎn)速降（或升）和響應(yīng)時間來度量。（7）通頻帶寬要求：國內(nèi)一般用雙十指標(biāo)。（8）對系統(tǒng)工作制、MTBF、

3、可靠性以及使用壽命等的要求。（9）對環(huán)境、成本、通用性、標(biāo)準(zhǔn)化程度、效率、維護(hù)維修、結(jié)構(gòu)尺寸以及安裝條件等的要求。 上述指標(biāo)往往是用戶提出的，在工程設(shè)計中，常常用到穩(wěn)定裕度、開環(huán)截止頻率等間接技術(shù)指標(biāo)。q5.1.2 位置控制系統(tǒng)的主要技術(shù)要求（1）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差：輸入指令為常值時，輸入與輸出之間的誤差。位置控制系統(tǒng)一般為無靜差系統(tǒng)，用線性理論分析，系統(tǒng)靜止協(xié)調(diào)時不存在位置誤差。實(shí)際上，系統(tǒng)測量元件的分辨率有限，系統(tǒng)輸出軸存在干摩擦造成的死區(qū)，這些均可造成系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。（2）速度誤差：等速跟蹤狀態(tài)下，系統(tǒng)輸出與輸入之間的瞬時位置誤差。（3）正弦跟蹤誤差：正弦跟蹤狀態(tài)下，輸出與輸入之間的瞬時幅值誤

4、差。（4）正弦跟蹤相位誤差：正弦跟蹤狀態(tài)下，輸出與輸入之間的相位差。5.1.2 位置控制系統(tǒng)的主要技術(shù)要求（5）速度品質(zhì)因數(shù)：斜坡信號輸入條件下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度輸出與速度誤差的比值。（6）加速度品質(zhì)因數(shù)：加速度輸入條件下，系統(tǒng)輸出加速度與相應(yīng)的加速度誤差之間的比值。（7）最大跟蹤速度、最低平滑速度、最大加速度（8）振蕩指標(biāo)M和頻帶寬度：稱為系統(tǒng)的帶寬。的角頻率時所對應(yīng)當(dāng)閉環(huán)幅頻特性的比值，稱為振蕩指標(biāo)與的最大值位置系統(tǒng)閉環(huán)幅頻特性bbpAMAAA707. 0)(.)0()()(5.1.2 位置控制系統(tǒng)的主要技術(shù)要求（11）對系統(tǒng)工作制、MTBF、可靠性以及使用壽命等的要求。（12）對環(huán)境、成本、

5、通用性、標(biāo)準(zhǔn)化程度、效率、維護(hù)維修、結(jié)構(gòu)尺寸以及安裝條件等的要求。f MeKC/1mJLxqBeddKRIUn轉(zhuǎn)速n電樞兩端的電壓dU電樞電流dI電樞回路總電阻R勢系數(shù)電動機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動eK勵磁磁通動勢系數(shù)為電動機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電eeddCCRIUn sABonsABonUUTttUUtt , ,0時當(dāng)時當(dāng)在一個開關(guān)周期內(nèi)，雙極式H橋功率變換器電樞兩端的平均電壓為：ssonsonsondUUTtUTtTUTtU 12 占空比 1)(-1 12Tton優(yōu)點(diǎn)：(1) 停轉(zhuǎn)時，微振電流有“動力潤滑作用”，有助于減小摩擦死區(qū)。 (2) 主電路結(jié)構(gòu)簡單，所需功率元件少。 (3) 電流一定連續(xù)，元件工作于高

6、頻開關(guān)狀態(tài)，諧波少，效率高。 (4) 可使電動機(jī)在四個象限工作。 (5) 低速平穩(wěn)性好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。 (6) 系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 (7) 直流電源采用三相不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)高。缺點(diǎn)：(1) 4個開關(guān)管均處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大。 (2) 一側(cè)臂上的晶體管容易出現(xiàn)直通現(xiàn)象，造成事故。5.2.4 脈寬調(diào)制器：是一個電壓脈沖變換裝置，由控制系 統(tǒng)控制器輸出的控制電壓進(jìn)行控制，為PWM裝置提供所需的脈沖信號，其脈沖寬度與控制電壓成正比。常用的脈寬調(diào)制器有以下幾種： (1) 用鋸齒波作調(diào)制信號的脈寬調(diào)制器。 (2) 用三角波作調(diào)制信號的脈寬調(diào)制器。 (3) 用

7、多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈寬調(diào)制器。 (4) 數(shù)字式脈寬調(diào)制器。信號來自控制器的控制電壓負(fù)偏壓信號鋸齒波信號csabsaUUUUmax21 改變控制電壓的大小，就改變了輸出信號的占空比，因而改變雙極式H橋PWM功率變換器輸出平均電壓的大小，因而改變了電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 改變控制電壓的極性，就改變了雙極式H橋PWM功率變換器輸出平均電壓的極性，因而改變了電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。數(shù)字式脈寬調(diào)制器辨率。很容易擴(kuò)展，以提高分位數(shù)為時鐘周期。該電路的，為控制字，來自計算機(jī)其中而脈沖寬度為，輸出波形的周期為cccTCCTtTT,2565.2.5 泵升電壓抑制電路 當(dāng)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)制動或停車時，儲存

8、在電動機(jī)和負(fù)載中的動能將變成電能，回饋給不控整流直流電源，造成儲能電容上的電壓升高，稱作“泵升電壓” 對大功率調(diào)速系統(tǒng)，為節(jié)約能源，可采用逆變技術(shù)，將回饋的電能轉(zhuǎn)換成工頻交流電，再回饋給電網(wǎng)。5.2.6 合閘浪涌電流的抑制(5) (4) -(3) 21dd(2) T)t(t dd(1) )tt(0 dd0ononeavmeesdeeseddsddmeavdsdddsddsTKCRCUnnnICRCUnnCRIERIUtiLICTIUUEtiLRiUEtiLRiU或用轉(zhuǎn)矩表示則機(jī)械特性方程為：）的平均值方程可寫為）、（均值為零。于是式（的平電壓，而電樞回路電感兩端平均電磁轉(zhuǎn)矩為表示，平均電流用平

9、均電壓為一個周期內(nèi)電樞兩端的5.2.7 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性電樞回路的電壓平衡方程為5.2.7 PWM直流調(diào)速裝置的傳遞函數(shù) 根據(jù)PWM功率變換器德的工作原理，當(dāng)控制電壓改變后，輸出電壓要到下一個周期才會改變，因此，脈寬調(diào)制器和PWM功率變換器合起來可以看作一個延時環(huán)節(jié)，最大延遲為一個開關(guān)周期T，由于調(diào)制頻率很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的截止頻率，按照工程上小參數(shù)環(huán)節(jié)的簡化處理辦法，可以將其近似成一個小慣性環(huán)節(jié)，甚至直接看作一個比例環(huán)節(jié)。這樣，該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可寫作：)7( )( )6( 1)( PWMPWMssKsW TsKsW或直接寫成5.3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計q

10、 5.3.1 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在問題開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在問題問題?？磥黹_環(huán)系統(tǒng)解決不了的要求，必有保證：若要滿足俗的情況了的要求，更不必看更低這已經(jīng)大大超過了靜差率為：速降落為：。則在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)，電動機(jī)。主回路總電阻，要求，型，流電動機(jī)拖動：例：某龍門刨床采用直min/63. 2)05. 01 (2005. 01000)1 ( %5,20%5%6 .212751000275 min/2752 . 018. 0305 min/2 . 018. 0%520min/100030522060932rsDsnnsDnnnsrCRInrVCRsDrAVkWznomnomnomnomnomno

11、mednomnome5.3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計q 5.3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性圖中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：nnnUUU* 電壓比較環(huán)節(jié)npcUKU 放大器csdUKU0 功率放大裝置eddCRIUn0 特性直流電動機(jī)的開環(huán)機(jī)械nUn 測速發(fā)電機(jī)從上述五個關(guān)系式中消去中間變量，整理得轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程數(shù)為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放倍其中espedenspespednspCKKKKCRIKCUKKCKKCRIUKKn/ )1 ()1 ()/1 ( *轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：其中圖b為只有指令輸入時的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖c為只有擾動輸入時的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)

12、圖也可以通過穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖直接按線性系統(tǒng)的疊加原理得到靜特性方程。5.3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計q 5.3.3 開環(huán)機(jī)械特性和閉環(huán)靜特性的比較開環(huán)機(jī)械特性和閉環(huán)靜特性的比較若斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0 而閉環(huán)靜特性可寫成clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 ( 比較上述兩式，可得如下結(jié)論：（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。KnnKCRInCRInopcledcledop1)1 (（2）如果比較同一空載轉(zhuǎn)速的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多Kssnnsnnsopclcl

13、clopop100（3）當(dāng)要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍opclclnomclopnomopDKDsnsnDsnsnD)1 ()1 ()1 (（4）要獲得上述三條優(yōu)越性，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器和反饋裝置。所提的靜差率要求。，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足數(shù)大于等于即只要放大器的放大倍，則，已知：，則的要求，必須，要滿足，知床的例子進(jìn)行計算。已再對上面引用的龍門刨46462 . 0/015. 0306 .103/min/015. 030min/2 . 06 .103163. 22751min/63. 2%520min/275espseclopclopCKKKrVKrVCnnKrnsDrn 閉

14、環(huán)系統(tǒng)能夠減小靜差率的實(shí)質(zhì)在于隨負(fù)載的變化自動調(diào)節(jié)電樞電壓5.3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計q 5.3.4 反饋控制規(guī)律反饋控制規(guī)律（1）被調(diào)量有靜差依靠偏差量的變化進(jìn)行調(diào)解)1 (KCRInedcl（2）抵抗擾動與服從給定（3）系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋檢測精度 要求：檢測元件本身精度和安裝精度 精密給定電源5.3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計q 5.3.5 反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的主要部件和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的主要部件和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算(1) 運(yùn)算放大器 )()(*02010201*xxpexxxpexUUKURRURRUKU當(dāng)(2) 功率放大裝置cdsUUK0穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算舉例：。，靜

15、差率生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍。，型，測速發(fā)電機(jī)：永磁式，。主回路總電阻功放裝置的放大倍數(shù)：。，電動機(jī)：額定參數(shù)為%510)4(min/190021. 01101 .23110/231)3(0 . 1,44)2(5 . 0min/10005522010) 1 (sDrAVWZYSRKRrAVkWsa計算過程如下：rVnRIUCnCRIKnrsDsnnsDnomanomnomeclenomclnomclmin/1925. 010005 . 0552203 .53126. 51925. 00 . 1551 )2(min/26. 5)05. 01 (1005. 01000)1 ( %5,10) 1 (其中

16、，倍數(shù)，求出系統(tǒng)的開環(huán)放大根據(jù)的穩(wěn)態(tài)速降為：，額定負(fù)載時調(diào)速系統(tǒng)為了滿足穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算舉例：rVCVVVUrrVCCRPCetgnetgetgetgmin/01158. 00579. 02 . 0 151258.112 . 00579. 01000 min/10002 . 0min/0579. 01900110 ,)3(222222反饋系數(shù)為是合適的。于是，測速要，因此所取的，可以滿足需。若直流穩(wěn)壓電源為需相應(yīng)的最大給定電壓約下，反饋電壓為轉(zhuǎn)速動機(jī)最高動機(jī)直接連接，則在電，如測速發(fā)電機(jī)與主電試取根據(jù)測速發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)，即系數(shù)的分壓和電位器勢轉(zhuǎn)速比包含測速發(fā)電機(jī)的電動測速反饋系數(shù)大系數(shù)和參數(shù)計算測速反

17、饋環(huán)節(jié)的放穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算舉例：kRKRkRKKKCKkWRPWInCRPInCRPRPppsepnomtgnometgnomtgnometg8404021 402114.204401158. 01925. 03 .53 )4(5 . 11043. 22 . 02 . 010000579. 0%20 137921. 02 . 010000579. 0%20 %200102222則按運(yùn)算放大器參數(shù)，取。實(shí)取和參數(shù)運(yùn)算放大器的放大系數(shù)的可調(diào)電位器，為選所消耗的功率為此時小，于是響較對檢測信號的線性度影，這樣測速機(jī)電樞壓降約為額定值的壓時，其電流測速發(fā)電機(jī)輸出最高電的選擇方法如下：考慮電位器5.3 轉(zhuǎn)速

18、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計q 5.3.6 限流保護(hù)限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋電流截止負(fù)反饋（1）截流反饋環(huán)節(jié)截流反饋環(huán)節(jié)輸入輸出特性（2）帶截流反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性時，電流負(fù)反饋被截止當(dāng)dcrdII 由結(jié)構(gòu)圖可導(dǎo)出兩段靜特性的方程式)1 ()1 (*KCRIKCUKKnedensp時，電流負(fù)反饋起作用當(dāng)dcrdII )1 ()()1 ()( )1 ()1 ()1 (*KCIRKKRKCUUKKKCRIUIRKCRKCUKKnedsspecomnspedcomdseenspa.電流負(fù)反饋與給定電壓相當(dāng)于在主電路中串入大電阻，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂；b.比較電壓與給定電壓一致

19、，好像理想空載轉(zhuǎn)速提高了。scomndblsssPsspcomnspdblRUUIRRKKRKKRUUKKIn* )( , 0，因此一般得令 上面只是從靜特性上分析了電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的啟動限流作用，實(shí)際啟動時電流的變化還取決于動態(tài)結(jié)構(gòu)和慣性參數(shù)，以及轉(zhuǎn)速給定信號的加入情況，因此采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)解決限流問題并不是十分精確的，只適用于小容量的對于動態(tài)特性要求不高的系統(tǒng)。5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正q 5.4.1 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型的步驟：A. 根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列寫該環(huán)節(jié)的動態(tài)過程微分方程B. 求出各環(huán)節(jié)

20、的傳遞函數(shù)C. 組成系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(1) 額定勵磁下的直流電動機(jī)5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正(1) ddEtiLRiuddd(2) nKEe電樞兩端的電壓du電樞回路總電阻R電樞回路電感L電樞電流di直流電動機(jī)的反電動勢E反電動勢系數(shù)eK電動機(jī)轉(zhuǎn)速n電樞電流建立的電磁轉(zhuǎn)矩(3) diKMm轉(zhuǎn)矩平衡方程(4) dd tnJMML(5) LmLiKM 負(fù)載轉(zhuǎn)矩LM電動機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)mK動慣量折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)J負(fù)載電流Li5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正)()()()()( )(s)()(ssJNKsIsIsNKsEsEILsR sUmLdedd令系統(tǒng)的機(jī)電時

21、間常數(shù)memKKJRT時間常數(shù)電磁系統(tǒng)的電氣)(RLTl(8) )(1)(7) )()()( (6) 11)()()(sEKsNsTRsIsIsE sTRsEsUsIemLdldd直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖若無需暴露電樞電流(9) 1/ 1)()(2sTsTTKsUsNmlmed不考慮電動勢負(fù)反饋的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖（2）功率變換裝置1)()(0sTKsUsUsscd（3）比例放大器pncKsUsU)()()()(snsUn（4）測速發(fā)電機(jī)（5）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù)espmlmsCKKKsTsTTsTKsW/ ) 1)(1()(2其中閉環(huán)傳遞函數(shù) sKTTsKTTTsKTTTKC

22、KKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWsmslmslmespmlmsespmlmsespmlmsespcl111)(11/ ) 1)(1(/ ) 1)(1(/1) 1)(1(/)(23225.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正q 5.4.2 穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為0111)(123sKTTsKTTTsKTTTsmslmslm穩(wěn)定條件只有0111)(KTTTKTTKTTTslmsmslm)1 ()(KTTTTTTslsmslslsslmTTTTTTK2)(稱為臨界放大系數(shù)slsslmcrTTTTTTK2)(4 .49 00167. 001

23、7. 000167. 0)00167. 0017. 0(075. 0 )(,00167. 0017. 0075. 022slsslmslmTTTTTTKsTsTsT系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)為為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，子，已知對前面講的穩(wěn)態(tài)設(shè)計例 根據(jù)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求，開環(huán)放大系數(shù)必須大于53.3，所以，穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和穩(wěn)定性是矛盾的。實(shí)際上，動態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證穩(wěn)定，而且還要有一定的裕度，以備參數(shù)變化和一些未計入因素的影響，即所取的開環(huán)放大系數(shù)比它的臨界值還要小一些。 可以看出，穩(wěn)態(tài)指標(biāo)與動態(tài)穩(wěn)定性是一對矛盾。5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正q 5.4.3 動態(tài)校正動態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計調(diào)節(jié)器的設(shè)計 設(shè)計一個

24、反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，首先應(yīng)進(jìn)行總體設(shè)計，基本部件選擇和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算，這樣就形成了基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱原始系統(tǒng)。然后應(yīng)該建立原始系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，檢查它的穩(wěn)定性和其他動態(tài)性能指標(biāo)。如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定或動態(tài)性能不好，就應(yīng)該配置合適的校正裝置，使校正后的系統(tǒng)全面滿足性能指標(biāo)要求。校正的方式很多，而且對于一個具體的系統(tǒng)而言，能夠滿足性能要求的校正方案也很多，并不是唯一的。常用的校正方法有很多：5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正(1) 串聯(lián)校正：將校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)的前向通道中來改善系統(tǒng)性能的校正方法。由運(yùn)算放大器組成一定的有源校正網(wǎng)絡(luò)，傳遞函數(shù)相乘，處理方便，在機(jī)電控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多。0110

25、)()( RRsUsU傳遞函數(shù)比例校正CRTRRKTsKsUsUpp11210 / )1 ()()( 傳遞函數(shù)超前校正 控制系統(tǒng)采用串聯(lián)超前校正,主要用來補(bǔ)償系統(tǒng)的相位滯后,以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性,增加穩(wěn)定裕度,減少伺服系統(tǒng)的速度誤差,提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)。也常用來抵消系統(tǒng)前向通道中不希望有的極點(diǎn)，拓寬系統(tǒng)的通頻帶。需要注意的是：當(dāng)信號夾雜噪聲干擾時，串入有源超前校正時要特別注意防止噪聲將信號通道阻塞。5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正CRTRRKTsKsUsUppi2120 / 11)()( 傳遞函數(shù)一階滯后環(huán)節(jié) 采用串聯(lián)滯后校正,主要用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度；又可用來限制系統(tǒng)的通頻帶；當(dāng)系統(tǒng)前

26、向通道受干擾作用時，在擾動作用點(diǎn)之前給系統(tǒng)串入純積分環(huán)節(jié)，就可補(bǔ)償緩慢變化的干擾對系統(tǒng)的影響，但他將使系統(tǒng)的相位滯后，快速性變差，引起條件穩(wěn)定問題。CRTCRTsTsTsUsUi2211120 1)()( 傳遞函數(shù)一階微分環(huán)節(jié) 1)()( 10CRTTssUsUi傳遞函數(shù)積分分環(huán)節(jié)5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正CRTCRTRRKsTTsTKsUsUppi3221122120 / 1)() 1()()( 傳遞函數(shù)超前環(huán)節(jié)滯后CRTCRTRRKsTsTTKsUsUppi3211122210 / ) 1( 1)()()( 傳遞函數(shù)滯后環(huán)節(jié)超前5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正CRTRRK

27、TsTsKsUsUppi2120 / 1()()( 傳遞函數(shù)積分環(huán)節(jié)比例 采用超前校正使系統(tǒng)的帶寬增加，改善了響應(yīng)速度，且減小超調(diào)量，但穩(wěn)態(tài)性能改善甚微；滯后校正使穩(wěn)態(tài)精度獲得改善，但由于減小了帶寬，使系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。如果欲同時改善系統(tǒng)的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)(即大幅度地增加增益和帶寬）性能，兼得兩者的優(yōu)點(diǎn)，則可采用滯后-超前校正。這是目前被認(rèn)為最有實(shí)用價值的、具有通用有效的補(bǔ)償措施。使用串聯(lián)校正裝置應(yīng)當(dāng)注意：a.若用串聯(lián)校正抵消系統(tǒng)前向通道中不需要的極點(diǎn)或零點(diǎn)時，這些不希望的極點(diǎn)或零點(diǎn)必須是穩(wěn)定的（即都在s平面的左邊）。凡具有正實(shí)部的極點(diǎn)或零點(diǎn)均不能用串聯(lián)校正來對消。b.注意線路輸入、輸出阻抗的匹配（特別

28、是采用無源校正時）。c.當(dāng)系統(tǒng)前向通道參數(shù)變化時，串聯(lián)校正不能改善系統(tǒng)對參數(shù)變化的靈敏度。d.為大幅度提高低頻增益而采用滯后校正時，注意正確設(shè)計和分配增益，使在大信號作用下滯后校正首先進(jìn)入飽和，切除積分效應(yīng)，消除條件穩(wěn)定性。5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正(2) 并聯(lián)校正：校正網(wǎng)絡(luò)與前向通道中的環(huán)節(jié)順向并聯(lián)，其作用于串聯(lián)校正相似，但比串聯(lián)校正更靈活一些，因并聯(lián)校正可以相加也可以相減，因此可實(shí)現(xiàn)其他校正方法無法實(shí)現(xiàn)的功能。a. 引入積分積分時間常數(shù)其中函數(shù)為遞相加，則得校正后的傳與，并聯(lián)通道，當(dāng)111111212/1 1111 /1KTsTsTsTsKWWsKWWbb無差度階次。的情況下，

29、提高系統(tǒng)的明顯降低可能在不使穩(wěn)定裕度有特性不變，這就使得有的值，可使系統(tǒng)中頻段擇時間常數(shù)的特性變形。恰當(dāng)?shù)剡x節(jié)，僅僅使系統(tǒng)低頻區(qū)在主通道中引入這類環(huán)響。信號的振幅和相位有影調(diào)節(jié)器。這種裝置只對上式等效于串聯(lián)校正的11TTPI5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正b. 引入微分微分時間常數(shù)。其中函數(shù)為遞相加，則得校正后的傳與，則將，當(dāng))( 1)(111 )1/(122TTssTTssWWTssWWbb。（如對消結(jié)構(gòu)諧振點(diǎn)）不希望的共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)統(tǒng)中濾波器），用來對消系二階微分環(huán)節(jié)（反諧振適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，可獲得函數(shù)為并聯(lián)組合，其等效傳遞（與（的裝置，例如正裝置組合成比較復(fù)雜還可以將比較簡單的校調(diào)節(jié)器。

30、上式組合的傳遞函數(shù)為2)(11)1 (1)1)1/sTsTTssTssTsPD5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正c. 補(bǔ)償不穩(wěn)定零（極）點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。這是其他校正方法無法，則使右零點(diǎn)被補(bǔ)償?shù)羰怪灰m當(dāng)選取參數(shù)則并聯(lián)組合傳遞函數(shù)為補(bǔ)償。例如時，可采用并聯(lián)校正來邊的零點(diǎn)需要補(bǔ)償分傳遞函數(shù)包含虛軸右當(dāng)系統(tǒng)前向通道中某部TaaTssaTaaaTssasWTsssWb,111)1 (11)()1/()1 ()(2需要說明的是，并聯(lián)校正對系統(tǒng)參數(shù)變化的敏感性無抑制作用。5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正(3) 反饋校正：所有的伺服控制系統(tǒng)，都是基于反饋控制原理，從廣義上講，都屬于反饋校正系統(tǒng)。這里所說

31、的反饋校正特指負(fù)反饋校正（正反饋校正在系統(tǒng)中用得不普遍，因它易造成系統(tǒng)發(fā)散），把與系統(tǒng)輸出變量的一次微分、二次微分成比例的信號進(jìn)行局部反饋。a. 抑制干擾：當(dāng)系統(tǒng)前向通道中被負(fù)反饋校正所包圍的部分受到干擾作用時，負(fù)反饋校正能起到一定程度的抑制作用，這種抑制作用隨反饋的加強(qiáng)而增強(qiáng)。下圖中外加擾動 f 對局部閉環(huán)輸出Y的影響可用下式描述fKKKKYF2121 只要負(fù)反饋?zhàn)饔煤軓?qiáng)（不一定反饋系數(shù)很大），在干擾作用點(diǎn)之前，局部閉環(huán)的前向通道增益足夠大，亦可達(dá)到抑制干擾的目的。5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正b. 減小時間常數(shù)，實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)配置：減小負(fù)反饋所包圍的環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，改變傳遞函數(shù)的極點(diǎn)的能

32、力，是負(fù)反饋的重要性質(zhì)。如果具有傳遞函數(shù)為sTKsW1111)(的一階慣性環(huán)節(jié)，被傳遞函數(shù)為 的硬反饋所包圍，則合成傳遞函數(shù)FFKsW)(sTKsKKTKKKsWsWsWsWccFFFc11111)()(1)()(111111若)1/( );1/(1111FcFcKKTTKKKK可以看出，反饋使被包圍環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)的傳遞系數(shù)和時間常數(shù)均減小為原來的)1/(11FKK)1)(1 ()(2111sTsTKsW2121121111111111)()(1)()(sKKTTsKKTTKKKsWsWsWsWFFFFc則5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正c. 降低對參數(shù)變化的靈敏度數(shù)的增量為則反饋閉環(huán)后

33、的增益系小偏差值：引入一個數(shù)，給原來環(huán)節(jié)的增益系例如上邊例子中,)1/(111111KKKKKKKKFc21111)1 (FccKKKKKKK可見，總傳遞函數(shù)的增益的相對增量為原來環(huán)節(jié)增益的相對增量的21)1/(1FKK同理，被反饋所包圍的環(huán)節(jié)的某種程度非線性，負(fù)反饋的引入亦可起一定的抑制作用。5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正d. 實(shí)現(xiàn)動態(tài)特性的擬合：反饋校正也可以對系統(tǒng)的動態(tài)關(guān)系產(chǎn)生各種效應(yīng)。利用反饋通道采用不同的傳遞函數(shù)形式，也可實(shí)現(xiàn)三種基本的負(fù)反饋形式。(1) 抑制高頻的反饋：利用負(fù)反饋給系統(tǒng)設(shè)置極點(diǎn)，即利用反饋通道的微分或一階微分的作用，達(dá)到對系統(tǒng)的滯后效應(yīng)，類似于串聯(lián)積分環(huán)節(jié)。

34、5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正(2) 抑制低頻的反饋：利用負(fù)反饋給系統(tǒng)設(shè)置零點(diǎn)，即利用反饋通道的積分或慣性，達(dá)到對系統(tǒng)的微分效應(yīng)或超前作用，類似于串聯(lián)微分環(huán)節(jié)，單它要比串聯(lián)校正實(shí)現(xiàn)微分作用容易得多。5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正(3) 抑制中頻的反饋：利用負(fù)反饋給系統(tǒng)設(shè)置超前-滯后環(huán)節(jié)，即利用反饋通道的滯后-超前環(huán)節(jié)，達(dá)到對系統(tǒng)的積分-微分作用，類似于串聯(lián)積分-微分環(huán)節(jié)。5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正(4) 復(fù)合控制：亦稱開環(huán)-閉環(huán)控制或前饋-反饋控制，其形式多種多樣。無差地復(fù)現(xiàn)參考輸入系統(tǒng)輸出則而言，若選擇對參考書如。則用來消除干擾的影響用來減小伺服務(wù)差；前饋通道)(

35、)(1)()( )(1)( )()()(2sRsCsRsCsWsWsRsWsWRbR5.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正 對于消除干擾而言，如果干擾可測量，則前饋控制是消除干擾對系統(tǒng)輸出影響的有效方法。所謂前饋控制，就是在可測量干擾的不利影響之前，通過對它的近似補(bǔ)償，來控制可測量干擾的不利影響，它克服了反饋控制靠誤差調(diào)節(jié)的不足。對隔離干擾，若取全實(shí)現(xiàn)，只能近似。全補(bǔ)償實(shí)際上不可能完采用陀螺。時，測量振動的傳感器對射擊精度的影響。此應(yīng)用，以消除載體振動兵器穩(wěn)定系統(tǒng)中被廣泛控制方法在艦載、車載）。這種前饋完全隔離（亦稱全補(bǔ)償與系統(tǒng)輸出說明干擾輸入則)()(0)(/ )( )()(1)( 21sC

36、sfsfsCsWsWsWb 引入前饋補(bǔ)償通道可提高整個系統(tǒng)的精度，又不影響系統(tǒng)閉環(huán)的穩(wěn)定性，這是復(fù)合控制的一個顯著特點(diǎn)。 在機(jī)電控制系統(tǒng)中，如果串聯(lián)校正能夠滿足要求，工程上一般就選用這種校正方法。這種校正方法可以很容易地利用運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源校正調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)。一般如果系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)要求不是很高，都是很容易實(shí)現(xiàn)的。(1) 控制系統(tǒng)對開環(huán)對數(shù)頻率特性的一般要求 在調(diào)速系統(tǒng)校正裝置的工程設(shè)計中最常用的工具就是伯德圖(Bode)，即開環(huán)對數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡單，很容易獲得系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，而且還能大致衡量系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)。 在伯德圖上，用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度（即相對穩(wěn)定性）

37、的指標(biāo)是相角裕度和以分貝數(shù)表示的幅值（增益）裕度。一般要求dB6 6030GM 保留適當(dāng)?shù)南嘟窃６群驮鲆嬖６?，是考慮到實(shí)際系統(tǒng)個元件參數(shù)發(fā)生變化或外來擾動時，不致使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。一般情況下，穩(wěn)定裕度也間接反應(yīng)系統(tǒng)動態(tài)過渡過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著系統(tǒng)的振蕩弱、超調(diào)量小。 在定性分析控制系統(tǒng)性能時，通常將伯德圖分成高中低三個頻段，從三個頻段的特征可以定性分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。(1) 中頻段以-20dB/dec的斜率穿越零分貝線，而且這一頻段具有足夠的寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。(2) 截止頻率（或稱剪切頻率）越高，增系統(tǒng)的快速性越好。 (3) 低頻段斜率陡，增益高，增系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高（即

38、靜差率小，調(diào)速范圍寬）(4) 高頻段衰減的越快，分貝數(shù)越低，則系統(tǒng)抵抗高頻擾動的能力越強(qiáng)。系統(tǒng)的動態(tài)校正是一個反復(fù)試湊的過程，結(jié)果也不是唯一的。各項(xiàng)指標(biāo)往往是彼此矛盾的，因此必須進(jìn)行必要的折衷，最后獲得綜合指標(biāo)滿足要求的設(shè)計結(jié)果。（2）原始系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：espmlmsCKKKsTsTTsTKsW/ ) 1)(1()(2其中可以分解成，因此況下進(jìn)行因式分解。一般情首先伯德圖比較麻煩，可以的二階振蕩環(huán)節(jié)，繪制分母中含有) 1(4) 1(22sTsTTTTsTsTTmlmlmmlm) 1)(1(21sTsT即有兩個負(fù)實(shí)數(shù)根，因此，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可以寫成 ) 1)

39、(1)(1()(21sTsTsTKsWs下面就可以繪制原始系統(tǒng)的伯德圖了。9 .3458.55lg20log20 6001 5 .381 4 .201 026. 0049. 0) 100167. 0)(1026. 0)(1049. 0(58.55)( 58.551925. 001158. 04421/) 1026. 0)(1049. 0() 1)(1() 1( 00167. 0017. 0075. 033211121212KTTTsTsTssssWCKKKsssTsTsTsTTsTsTsTespmlmslm率為，可以算出轉(zhuǎn)折點(diǎn)角頻，即數(shù)為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍，子，已知對

40、前面講的穩(wěn)態(tài)設(shè)計例 從圖中可以看出，中頻段不是以-20db/dec的斜率穿越零分貝線，相角裕度和增益裕度都是負(fù)的，這與代數(shù)判據(jù)判斷的結(jié)果是一致的。因此，必須進(jìn)行動態(tài)校正。 以運(yùn)算放大器組成的串聯(lián)校正裝置可以有比例微分（PD）、比例積分（PI）和比例積分微分（PID） PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可以提高穩(wěn)定裕度并獲得足夠的快速性。但穩(wěn)態(tài)精度可能會受到影響。 PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，但卻是以犧牲系統(tǒng)的快速性來換取穩(wěn)定的。 PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后超前校正兼有前兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的性能，但控制線路復(fù)雜一些，調(diào)試過程費(fèi)時一些。 對一般的調(diào)速系統(tǒng)，對穩(wěn)態(tài)精度要求較高，對

41、動態(tài)性能要求不高，因此一般采用PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置。采用A點(diǎn)“虛地”原理，00RiUindtiCRiUex1111110ii 整理后，得dtUUKdtUCRURRUininpiininex111001調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)PI /01RRKpi調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)PI 10CR零初始條件下，進(jìn)行拉式變換得ssKsKsUsUsWpipiinexpi11)()()(，則調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)令 PI 111CRKpissKsssWpipi11111)(在零初始條件和階越輸入條件下，PI調(diào)節(jié)的輸入輸出特性為性。的，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定例系數(shù)是小于穩(wěn)態(tài)設(shè)計時的比但此時的的快速性，以保證系統(tǒng)具有一定跳到出首先的作用下，調(diào)節(jié)器的輸在輸入信號ppiinpiinKKUKU器飽和。作用將使得運(yùn)算發(fā)達(dá)如果不加以控制，積分后滿足穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求。放大系數(shù)動態(tài)增大，最線性增長，相當(dāng)于推移，積分作用使得積分作用，隨著時間的里還有統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的，但這的作用，是不能保證系如果只有 expiUK二極管鉗位外限幅電路穩(wěn)壓管鉗位內(nèi)限幅電路DMexmUUU設(shè)計PI調(diào)節(jié)器時，須首先繪制其對數(shù)頻率特性1/1/0/1/1/20/1/11)( TKdecdbKKdecdBKKKKsKsKKsWPIKpipippi