電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第10課

2024/1/9No.1/62電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)ElectricalDriveControlSystem伺服系統(tǒng)自動(dòng)化專業(yè)、電氣工程專業(yè)選修課2024/1/9No.2/62第六章伺服系統(tǒng)§6-1伺服系統(tǒng)的特征及組成本章小結(jié)§6-2伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型§6-3伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特征及組成2024/1/9No.3/62前言伺服〔Servo〕意味著“伺候〞和“服從〞。廣義的伺服系統(tǒng)是準(zhǔn)確地跟蹤或復(fù)現(xiàn)某個(gè)給定過程的控制系統(tǒng)，也可稱作隨動(dòng)系統(tǒng)。狹義伺服系統(tǒng)又稱位置隨動(dòng)系統(tǒng)，其被控制量〔輸出量〕是負(fù)載機(jī)械空間位置的線位移或角位移，當(dāng)位置給定量〔輸入量〕作恣意變化時(shí)，系統(tǒng)的主要義務(wù)是使輸出量快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量的變化。2024/1/9No.4/62概述伺服系統(tǒng)的功能是使輸出快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定，對(duì)伺服系統(tǒng)具有如下的根本要求：穩(wěn)定性好伺服系統(tǒng)在給定輸入和外界干擾下，能在短暫的過渡過程后，到達(dá)新的平衡形狀，或者恢復(fù)到原先的平衡形狀。精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量跟隨給定值的準(zhǔn)確程度，如精細(xì)加工的數(shù)控機(jī)床，要求很高的定位精度。動(dòng)態(tài)呼應(yīng)快動(dòng)態(tài)呼應(yīng)是伺服系統(tǒng)重要的動(dòng)態(tài)性能目的，要求系統(tǒng)對(duì)給定的跟隨速度足夠快、超調(diào)小，甚至要求無超調(diào)?？箶_動(dòng)才干強(qiáng)在各種擾動(dòng)作用時(shí)，系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)變化小，恢復(fù)時(shí)間快，振蕩次數(shù)少，甚至要求無振蕩。2024/1/9No.5/62伺服系統(tǒng)的特征必需具備高精度的傳感器，能準(zhǔn)確地給出輸出量的電信號(hào)。功率放大器以及控制系統(tǒng)都必需是可逆的。足夠大的調(diào)速范圍及足夠強(qiáng)的低速帶載性能?？焖俚暮魬?yīng)才干和較強(qiáng)的抗干擾才干。2024/1/9No.6/62伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)器、控制器和傳感器四大部分組成。除了位置傳感器外，能夠還需求電壓、電流和速度傳感器。圖9-1位置伺服系統(tǒng)構(gòu)造表示圖A〕開環(huán)系統(tǒng)b〕半閉環(huán)系統(tǒng)c〕全閉環(huán)系統(tǒng)2024/1/9No.7/62伺服系統(tǒng)的組成旋轉(zhuǎn)編碼器圖9-2絕對(duì)值式編碼器的碼盤a)二進(jìn)制碼盤b)循環(huán)碼碼盤2024/1/9No.8/62伺服系統(tǒng)的性能目的伺服系統(tǒng)的實(shí)踐位置與目的值之間的誤差，稱作系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。由系統(tǒng)構(gòu)造和參數(shù)決議的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差可分為兩類：檢測(cè)誤差與系統(tǒng)誤差。伺服系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)調(diào)理過程中性能目的稱為動(dòng)態(tài)性能目的，如超調(diào)量、跟隨速度及時(shí)間、調(diào)理時(shí)間、振蕩次數(shù)、抗擾動(dòng)才干等。2024/1/9No.9/62伺服系統(tǒng)的性能目的圖9-4位置伺服系統(tǒng)的典型輸入信號(hào)a〕位置階躍輸入b〕速度輸入c〕加速度輸入2024/1/9No.10/62伺服系統(tǒng)的性能目的伺服系統(tǒng)在三種單位輸入信號(hào)的作用下給定穩(wěn)態(tài)誤差：2024/1/9No.11/62伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)造圖圖9-3線性位置伺服系統(tǒng)普通動(dòng)態(tài)構(gòu)造圖2024/1/9No.12/62第六章伺服系統(tǒng)§6-1伺服系統(tǒng)的特征及組成本章小結(jié)§6-2伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型§6-3伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型2024/1/9No.13/62概述根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)的種類，伺服系統(tǒng)可分為直流和交流兩大類。伺服系統(tǒng)控制對(duì)象包括伺服電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)安裝和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。2024/1/9No.14/62直流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型直流伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為直流伺服電動(dòng)機(jī)，中、小功率的伺服系統(tǒng)采用直流永磁伺服電動(dòng)機(jī)，當(dāng)功率較大時(shí)，也可采用電勵(lì)磁的直流伺服電動(dòng)機(jī)。直流無刷電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)有一樣的控制特性，也可歸入直流伺服系統(tǒng)。2024/1/9No.15/62直流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型直流伺服電動(dòng)機(jī)的形狀方程機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的形狀方程Id：電樞電流RΣ：包括驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻的電樞回路電阻LΣ：電樞回路電感2024/1/9No.16/62直流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型驅(qū)動(dòng)安裝的近似等效傳送函數(shù)形狀方程2024/1/9No.17/62直流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型2024/1/9No.18/62直流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型圖9-5直流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象構(gòu)造圖2024/1/9No.19/62直流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型采用電流閉環(huán)后，電流環(huán)的等效傳送函數(shù)為慣性環(huán)節(jié)，故帶有電流閉環(huán)控制的對(duì)象數(shù)學(xué)模型為2024/1/9No.20/62直流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型圖9-6帶有電流閉環(huán)控制的對(duì)象構(gòu)造圖2024/1/9No.21/62交流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，稱作交流伺服系統(tǒng)。常用的交流伺服電動(dòng)機(jī)有三相異步電動(dòng)機(jī)、永磁式同步電動(dòng)機(jī)和磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等，也可用電勵(lì)磁的同步伺服電動(dòng)機(jī)。無論是異步電動(dòng)機(jī)，還是同步電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過矢量變換、磁鏈定向和電流閉環(huán)控制均可等效為電流控制的直流電動(dòng)機(jī)。2024/1/9No.22/62交流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的數(shù)學(xué)模型為2024/1/9No.23/62交流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型采用電流閉環(huán)控制后，對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為2024/1/9No.24/62交流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型CT為包含磁鏈作用在內(nèi)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，電流轉(zhuǎn)矩分量相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流，電流閉環(huán)控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)造圖與直流電動(dòng)機(jī)相仿。對(duì)于同步伺服電動(dòng)機(jī)也可得到一樣結(jié)論，不反復(fù)論述。采用電流閉環(huán)控制后，交流伺服系統(tǒng)與直流伺服系統(tǒng)具有一樣的控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型。稱作在電流閉環(huán)控制下交、直流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的一致模型。用一樣的方法設(shè)計(jì)交流或直流伺服系統(tǒng)。2024/1/9No.25/62第六章伺服系統(tǒng)§6-1伺服系統(tǒng)的特征及組成本章小結(jié)§6-2伺服系統(tǒng)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型§6-3伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)2024/1/9No.26/62概述伺服系統(tǒng)的構(gòu)造因系統(tǒng)的詳細(xì)要求而異，對(duì)于閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，常用串聯(lián)校正或并聯(lián)校正方式進(jìn)展動(dòng)態(tài)性能的調(diào)整。校正安裝串聯(lián)配置在前向通道的校正方式稱為串聯(lián)校正，普通把串聯(lián)校正單元稱作調(diào)理器，所以又稱為調(diào)理器校正。假設(shè)校正安裝與前向通道并行，那么稱為并聯(lián)校正；信號(hào)流向與前向通道一樣時(shí)，稱作前饋校正；信號(hào)流向與前向通道相反時(shí)，那么稱作反響校正。2024/1/9No.27/62調(diào)理器校正及其傳送函數(shù)常用的調(diào)理器有比例－微分〔PD〕調(diào)理器、比例－積分〔PI〕調(diào)理器以及比例－積分－微分〔PID〕調(diào)理器，設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)踐伺服系統(tǒng)的特征進(jìn)展選擇。2024/1/9No.28/62PD調(diào)理器校正在系統(tǒng)的前向通道上串聯(lián)PD調(diào)理器校正安裝，可以使相位超前，以抵消慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)使相位滯后而產(chǎn)生的不良后果。PD調(diào)理器的傳送函數(shù)為2024/1/9No.29/62PI調(diào)理器校正假設(shè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能滿足要求，并有一定的穩(wěn)定裕量，而穩(wěn)態(tài)誤差較大，那么可以用PI調(diào)理器進(jìn)展校正。PI調(diào)理器的傳送函數(shù)為2024/1/9No.30/62PID調(diào)理器校正將PD串聯(lián)校正和PI串聯(lián)校正結(jié)合運(yùn)用，構(gòu)成PID調(diào)理器。假設(shè)合理設(shè)計(jì)那么可以綜合改善伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。PID串聯(lián)校正安裝的傳送函數(shù)為2024/1/9No.31/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)對(duì)于直流伺服電動(dòng)機(jī)可以采用單位置環(huán)控制方式，直接設(shè)計(jì)位置調(diào)理器APR。為了防止在過渡過程中電流沖擊過大，應(yīng)采用電流截止反響維護(hù)，或者選擇允許過載倍數(shù)比較高的伺服電動(dòng)機(jī)。2024/1/9No.32/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-7單環(huán)位置伺服系統(tǒng)APR—位置調(diào)理器UPE—驅(qū)動(dòng)安裝SM—直流伺服電動(dòng)機(jī)BQ—位置傳感器2024/1/9No.33/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩，直流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象傳送函數(shù)為機(jī)電時(shí)間常數(shù)2024/1/9No.34/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-8直流伺服系統(tǒng)控制對(duì)象構(gòu)造圖采用PD調(diào)理器，其傳送函數(shù)為2024/1/9No.35/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)開環(huán)傳送函數(shù)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)2024/1/9No.36/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-9單位置環(huán)控制直流伺服系統(tǒng)構(gòu)造圖?2024/1/9No.37/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)用系統(tǒng)的開環(huán)零點(diǎn)消去慣性時(shí)間常數(shù)最大的開環(huán)極點(diǎn)，以加快系統(tǒng)的呼應(yīng)過程。系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)2024/1/9No.38/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳送函數(shù)閉環(huán)傳送函數(shù)的特征方程式2024/1/9No.39/62單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-10單位置環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)傳送函數(shù)對(duì)數(shù)幅頻特性用Routh穩(wěn)定判據(jù)，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，須使:2024/1/9No.40/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)在電流閉環(huán)控制的根底上，設(shè)計(jì)位置調(diào)理器，構(gòu)成位置伺服系統(tǒng)，位置調(diào)理器的輸出限幅是電流的最大值。以直流伺服系統(tǒng)為例，對(duì)于交流伺服系統(tǒng)也適用，只須對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)安裝應(yīng)作相應(yīng)的改動(dòng)。2024/1/9No.41/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-11雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)2024/1/9No.42/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，帶有電流閉環(huán)控制對(duì)象的傳送函數(shù)為為了消除負(fù)載擾動(dòng)引起的靜差，APR選用PI調(diào)理器，其傳送函數(shù)2024/1/9No.43/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)構(gòu)造圖系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)為系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)2024/1/9No.44/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳送函數(shù)為特征方程式特征方程式未出現(xiàn)s的二次項(xiàng)，由Routh穩(wěn)定判據(jù)可知，系統(tǒng)不穩(wěn)定。2024/1/9No.45/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)將APR改用PID調(diào)理器，其傳送函數(shù)伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)2024/1/9No.46/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)閉環(huán)傳送函數(shù)系統(tǒng)特征方程式2024/1/9No.47/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)由Routh穩(wěn)定判據(jù)求得系統(tǒng)穩(wěn)定的條件圖9-13采用PID控制的雙環(huán)控制伺服系統(tǒng)開環(huán)傳送函數(shù)對(duì)數(shù)幅頻特性2024/1/9No.48/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)假設(shè)APR仍采用PI調(diào)理器，可在位置反響的根底上，再加上微分負(fù)反響，即轉(zhuǎn)速負(fù)反響。圖9-14帶有微分負(fù)反響的伺服系統(tǒng)2024/1/9No.49/62雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-15帶有微分負(fù)反響的伺服系統(tǒng)構(gòu)造圖2024/1/9No.50/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)在調(diào)速系統(tǒng)的根底上，再設(shè)一個(gè)位置環(huán)，構(gòu)成三環(huán)控制的位置伺服系統(tǒng)。圖9-16三環(huán)位置伺服系統(tǒng)APR—位置調(diào)理器ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)理器ACR—電流調(diào)理器BQ—光電位置傳感器DSP—數(shù)字轉(zhuǎn)速信號(hào)構(gòu)成環(huán)節(jié)2024/1/9No.51/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)直流轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開環(huán)傳送函數(shù)矢量控制系統(tǒng)開環(huán)傳送函數(shù)兩者構(gòu)造一樣。2024/1/9No.52/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-17直流轉(zhuǎn)速環(huán)構(gòu)造圖圖9-18矢量控制系統(tǒng)構(gòu)造表示圖2024/1/9No.53/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-19位置環(huán)的控制對(duì)象構(gòu)造圖圖9-20位置閉環(huán)控制構(gòu)造圖2024/1/9No.54/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)控制對(duì)象的傳送函數(shù)開環(huán)傳送函數(shù)2024/1/9No.55/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)給定輸入為階躍時(shí)，APR選用P調(diào)理器就可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，那么系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)開環(huán)放大系數(shù)2024/1/9No.56/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳送函數(shù)特征方程式2024/1/9No.57/62三環(huán)位置伺服系統(tǒng)用Routh穩(wěn)定判據(jù)，可求得系統(tǒng)的穩(wěn)定條件2024/1/9No.58/62復(fù)合控制的伺服系統(tǒng)為了提高隨動(dòng)性能，從給定信號(hào)直接引出開環(huán)的前饋控制，和閉環(huán)的反響控制一同，構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)圖9-21復(fù)合控制位置伺服系統(tǒng)的構(gòu)造原理圖2024/1/9No.59/62復(fù)合控制的伺服系統(tǒng)前饋控制器的傳送函數(shù)選為得到2024/1/9No.60/62復(fù)合控制的伺服系統(tǒng)理想的復(fù)合控制隨動(dòng)系統(tǒng)的輸出量可以完全復(fù)現(xiàn)給定輸入量，其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的給定誤差