位置随动系统的MATLAB计算及仿真毕业设计说明.doc

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1、内蒙古工业大学本科毕业设计说明书位置随动系统的MATLAB计算及仿真引 言位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统，它属于自动控制系统中的一类反馈闭环控制系统。随着科学技术的发展，在实际中位置随动系统的应用领域非常广泛。随着机电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。本次设计研究的是经典的三环位置随动系统，即在转速和电流双闭环直流调速系统的基础上，增加位置环的三环位置随动系统。位置随动系统需要实现位置反馈，所以系统结构上必定要有位置环，位置环是随动系统重要的组成部分，位置随动系统的基本特征体现在位置环上，根据给定

2、信号与位置检测反馈信号综合比较的不同原理，位置随动系统分为模拟与数字式两类，本次设计的系统属于模拟式随动系统，本次设计选用的模型是大功率三环位置随动系统。这种三环系统适用于大功率随动系统，特点是给定量是一个随机变化的量，要求输出量准确跟随给定量的变化，同传统的电力拖动中的调速系统一样，稳态精度和动态稳定也是系统必备的，在动态性能中，调速系统多强调抗扰性，而位置随动系统更强调快速跟随性能。同其它的单环还是两环位置随动系统相比，这种系统优点突出，在跟随性能上，控制精度高，输出响应的灵敏性和准确性都要好于其它的随动系统，仅有输出响应的快速性不如单环位置随动系统。然后我们要按工程法设计电流环和转速环的

3、调节器，首先要设计的是直流双闭环调速系统，可参考电力拖动控制系统的设计方案，调节器按工程设计方法，转速和电流环都采用典型I型系统，都采用PI调节器，位置环采用PID调节器同时选用典型II型系统，可以弥补系统快速性差的不足，这种最终校正成II型系统的好处是没有系统误差。MATLAB软件在学术和许多实际领域中都得到广泛的应用，具有强大的数学计算和绘图功能，尤其在动态系统仿真方面更有独到的优势。它提供的动态系统仿真工具是众多仿真软件中功能最强大、最优秀、最容易实现的一种，可以有效地解决仿真技术中的一些难题。所以，在将系统设计完善之后，我们要用到MATLAB软件进行结果仿真，MATLAB软件能很好的体

4、现三环位置随动系统的特点。第一章 位置随动系统的概述1.1 位置随动系统的概念位置随动系统也称伺服系统，是输出量对于给定输入量的跟踪系统，它实现的是执行机构对于位置指令的准确跟踪。位置随动系统的被控量(输出量)是负载机械空间位置的线位移和角位移，当位置给定量(输入量)作任意变化时，该系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化，所以位置随动系统必定是一个反馈控制系统。 位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统。它属于自动控制系统中的一类反馈闭环控制系统。随着科学技术的发展，在实际中位置随动系统的应用领域非常广泛。例如，数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方位的自动

5、跟踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等。随着机电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。1.2 位置随动系统的特点及品质指标位置随动系统与拖动控制系统相比都是闭环反馈控制系统，即通过对输出量和给定量的比较，组成闭环控制，这两个系统的控制原理是相同的。对于拖动调速系统而言，给定量是恒值，要求系统维持输出量恒定，所以抗扰动性能成为主要技术指标。对于随动系统而言，给定量即位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟随给定量的变化，因而跟随性能指标即系统输出响应的快速性、灵敏性与准确性成为它的主要性能指标。

6、位置随动系统需要实现位置反馈，所以系统结构上必定要有位置环。位置环是随动系统重要的组成部分，位置随动系统的基本特征体现在位置环上。根据给定信号与位置检测反馈信号综合比较的不同原理，位置随动系统分为模拟与数字式两类。总结后可得位置随动系统的主要特征如下：1位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而准确地复现给定位移。2必须具备一定精度的位置传感器，能准确地给出反映位移误差的电信号。3电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的。4控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求，其中快速响应中，更强调快速跟随性能。1.3 位置随动系统的基本组成1.3.1 电位器式位置随动系统的组成下面通过一个简单的例子

7、说明位置随动系统的基本组成，其原理图如图1-1所示。这是一个电位器式的小功率位置随动系统，有以下五个部分组成：图1-1 电位器式位置随动系统原理图1位置传感器 由电位器和组成位置传感器。是给定位置传感器,其转轴与操纵轮连接，发出转角给定信号；是反馈位置传感器，其转轴通过传动机构与负载的转轴相连，得到转角反馈信号。两个电位器由同一个直流电源供电，使电位器输出电压和，直接将位置信号转换成电压量。误差电压反映了给定与反馈的转角误差，通过放大器等环节拖动负载，最终消灭误差。2电压比较放大器（A） 两个电位器输出的电压信号和在放大器A中进行比较与放大，发出控制信号。由于是可正可负的，放大器必须具有鉴别电

8、压极性的能力。输出的控制电压也是可逆的。3电力电子变换器（UPE） 它主要起功率放大的作用（同时也放大了电压），而且必须是可逆的。在小功率直流随动系统中多用P-MOSFET或IGBT桥式PWM变换器。对于大功率位置随动系统，会用到可逆的脉宽调制式PWM变换器。4伺服电机（SM） 在小功率直流随动系统中多用永磁式直流伺服电机，在不同情况下也可采用其它直流或交流伺服电机。大功率随动系统中也可采用永磁式直流伺服电机，由伺服电机和电力电子变换器构成可逆拖动系统是位置随动系统的执行机构。5减速器与负载 在一般情况下负载的转速是很低的，在电机与负载之间必须设有传动比为的减速器。在现代机器人、汽车电子机械等

9、大功率设备中，为了减少机械装置，倾向于采用低速电机直接传动，可以取消减速器。以上五个部分是各种位置随动系统都有的，在不同情况下，由于具体条件和性能要求的不同，所采用的具体元件、装置和控制方案可能有较大的差异。1.3.2 位置传感器的分类和简单介绍精确而可靠地发出位置给定信号并检测被控对象的位置是位置随动系统工作良好的基本特征。位置传感器将具体的直线或角位移转换成模拟的或数字的电量，再通过信号处理电路或算法，形成与控制器输入量相匹配的位置误差信号。位置传感器的分类很多，常用的有以下几种：1电位器电位器是最简单的位移电压传感器，可以直接给出电压信号，价格便宜、使用方便，但滑臂与电阻间有滑动接触，容

10、易磨损或接触不良，可靠性较差。2基于电磁感应原理的位置传感器属于这一类的位置传感器有自整角机、旋转变压器、感应同步器等，是应用比较广泛的模拟式位置传感器，可靠性和精度都较好。3光电编码器光电编码器由光源、光栅码盘和光敏元件三部分组成，直接输出数字式电脉冲信号，是现代数字式随动系统主要采用的位置传感器。码盘一般为圆形，由电动机带动旋转，也有用直线形的，由电动机构传动。按照输出脉冲与对应位置关系的不同，光电编码器有增量式和绝对值式两种，也有将两者结合为一体的混合式编码器。1）增量式编码器。脉冲数值直接与位移的增量成正比时称作增量式编码器，常用的圆形增量式码盘每转发出个脉冲，高精度码盘可达数万个脉冲

11、。通过信号处理电路和可逆计数器可以输出位置增量信号，再经过测速算法，可以给出转速信号；2）绝对值式编码器。绝对值式编码器码盘的图案由若干个同心圆环组成，称作码道。码道的道数与二进制的位数相同，有固定的零点，每个位置对应着距零点不同位置的绝对值。绝对值式码盘一周的总计数为，其中n为码盘的位数，一般，粗精结合的码盘可达。绝对值式编码器的码盘又分为二进制码盘和循环码码盘两种。这里就不做介绍。4磁性编码器和光电编码器一样，磁性编码器也是由位移量变换成数字式电脉冲信号的传感器，近年来发展相当迅速，已有磁敏电阻式、励磁磁环式、霍耳元件式等多种类型。与光电编码器相比，磁性编码器的突出优点是：适应环境能力强，

12、不怕灰尘、油污和水露，结构简单，坚固耐用，响应速度快，寿命长；不足之处是制成高分辨率有一定困难。磁性编码器也可以做成增量式或绝对值式，在数字随动系统中有很好的应用前景。 1.4 位置随动系统的分类随着科学技术的发展出现了各类随动系统由于位置随动系统的特征体现在位置上，体现在位置给定信号和位置反馈信号及两个信号综合比较方面，因此可根据这个特征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，一类是数字式随动系统。数字式随动系统又可分为数字相位随动系统和数字脉冲随动系统。由于本次设计研究的是模拟随动系统，数字随动系统就不做介绍。对于模拟随动系统可按闭环系统分为三类。1多环位置随动系统这里只详细介绍经典的位

13、置、转速、电流三环控制系统转速，这类系统适用广泛。多环系统还包括只有位置环、电流环，没有转速环；或是只有位置环、转速环，没有电流环，其实同三环系统大同小异，分析和设计方法相同。位置、转速、电流三环系统在电流环、转速环双闭环调速系统的基础上，外边再加一个位置控制环，便形成一个三环控制系统，如图1-2所示。三环的调节器分别称为位置调节器（APR）、转速调节器（ASR）、电流调节器（ACR）。其中位置环属外环，是最主要的环，转速环即是位置环的内环，又是电流环的外环，电流环是系统内环。在设计调节器时，转速调节器和电流调节器可按原双闭环系统的设计和整定方法来解决。其中位置调节器APR就是位置环校正装置，

14、它的类型和参数决定了位置随动系统的系统误差和动态跟随性能，其输出限幅值决定了电机的最高转速。位置、转速、电流三个闭环都画成单位反馈，反馈系数都已计入各调节器的比例系数中去。和双闭环控制系统一样，多环控制系统调节器的设计方法也是从内环到外环，逐个设计各环节的调节器。按此规律，对于如图1-2所示的三环位置随动系统，应首先设计电流调节器ACR，然后将电流环简化成转速环中的一个环节，和其它环节一起构成转速调节器ASR的控制对象，再设计ASR。最后，再把整个转速环简化为位置环中的一个环节，从而设计位置调节器APR。逐环设计可以使每个控制环都是稳定的，从而保证整个控制系统的稳定性。当电流环和转速环内的对象

15、参数变化或扰动时，电流反馈和转速反馈都能够起到及时的抑制作用，使之对位置环的工作影响很小。同时每个环节都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。但这样的逐环设计的多环控制系统也有明显的不足，即对外环的控制作用的响应不会很快。这是因为设计每个环节时，都要将内环等效成其中的一个环节，而这种等效环节传递函数之所以能够成立，是以外环的截止频率远远低于内环为前提的。在一般模拟控制的随动系统中，电流环的截图1-2位置、转速、电流三环位置随动系统的原理图BQ-光电位置传感器 DSP-数字转速信号形成环节止频率约，转速环的截止频率约在2030之间，最高不超过50，照此推算，位置环的截止频率只有左右。位置环的截止

16、频率被限制的太低，会影响系统的快速性，因为这类三环控制的位置随动系统只适用于对快速跟随性能要求不高的场合，例如点位控制的机床随动系统。在近代数字控制的随动系统中，控制对象的快速响应性能已经大大提高，各控制环的采样周期也可以大大缩短，其转速环的截止频率达，因而位置环的截止频率也可以提高，在要求高动态性能的数控机床轨迹控制和机器人控制中都取得了很好的应用效果。在位置、转速 、电流三环系统中，位置调节器的输出是转速调节器的输入，速度调节器是电流调节器的输入，电流调节器的输出直接控制功率变换单元，也就是脉宽调制系统。这三个环的反馈信号都是负反馈，三个环都是反相放大器。三环相制约，使控制达到极其完美的地

17、步。2单环位置随动系统如果要提高位置随动系统的快速跟随性，可以舍去多环结构，采用单位置环控制。这时，为了避免在过渡过程中电流冲击过大，可以采用电流截止反馈保护，或者选择允许过载倍数比较高的伺服电机。作为动态校正和快速跟随作用的位置调节器常选用PD或PID调节器，其中微分控制都是为了提高加快作用的。对于中小功率的随动系统，为了提高系统的快速性，可以采用只有位置反馈的单环结构。这是因为在小功率随动系统中，电机的电枢电阻一般比较大，其允许的过载倍数也比较高，可以不必过多限制过渡过程的电流，应避免采用多环结构，所以这里不设置电流环和转速环，而采用只有转角反馈的单环结构。单环随动系统的原理图如图1-3所

18、示。3复合控制的随动系统无论是多环还是单环随动系统，都是通过位置调节器APR来实现反馈控制的。这图1-3 单环位置随动系统的原理图时，给定信号的变化要经过APR才能起作用，在设计APR时，为了保证整个系统的稳定性，不可能过分照顾快速跟随作用。如果要进一步加强跟随性能，可以从给定信号直接引出开环的前馈控制，和闭环的反馈控制一起，构成复合控制系统，其结构原理图如图1-4所示。利用结构图变换可以求出复合控制位置随动系统的闭环传递函数 （1-1）上述的复合控制系统是从给定输入信号引出前馈补偿的，从而提高了系统跟随给定的精度，可以称作按给定输入补偿的复合控制。与此相仿，当扰动信号可测时，也可以从扰动作用

19、上引出前馈补偿信号，从而减少或消除扰动误差，形成按扰动补偿的复合控制系统，如图1-5所示。由图不难求出按扰动补偿的完全不变性条件为 （1-2）须注意式（1-2）中的是图1-5中的，不是图1-4中的，它是控制对象中位于扰动作用点以前的一部分，与图1-4中标明的含义完全不同，不要混淆。图1-4 复合控制位置随动系统的结构原理图图1-5 按扰动补偿的复合控制位置随动系统1.5 位置随动系统的误差分析位置随动系统稳态运行时，希望其输出位置尽量准确地复现输入位置信号，或者说，要求系统有足够的稳态精度，所以产生的稳态误差越小越好。例如，某薄钢板轧机压下装置随动系统的定位精度要求0.01，否则轧制出来的薄钢

20、板将成废品；在一架高射炮雷达的随动系统中，要求瞄准精度2密位，否则高射炮将不能命中目标，贻误战机。由此可见，对位置随动系统稳态误差的分析是十分重要的。影响随动系统稳态精度，导致系统产生稳态误差的因素主要来自以下两个方面：1）检测误差，包括给定位置和反馈位置传感器的误差；2）系统误差，包括系统造成的给定误差和扰动误差，与系统的结构、参数、以及给定和扰动输入量的类型、大小与作用点有关。下面分别讨论这两种误差。1检测误差检测误差取决与于传感器的原理和制造精度，是传感器本身所固有的，控制系统无法克服。常用的位置传感器误差量列级于表1-1中，供选择和计算时参考。表1-1 位置传感器的误差范围位置传感器误

21、差量级 电位器自整角机旋转变压器圆盘式感应同步器直线式感应同步器光电和磁性编码器 度 角分（） 角秒（） 微米（） 2系统误差系统误差包括由系统本身的结构和参数造成的稳态给定误差和在扰动作用下的稳态误差。实际的位置随动系统可能承受的扰动有负载变化、电源电压变化、参数变化、放大器零漂、噪声干扰等，它们在系统上的作用点各不相同，分析时可以用一种扰动作为代表。假定系统是线性的，则考虑某一种扰动作用时随动系统的的一般动态结构框图如图1-6所示，图中，和是给定输入和系统输出的转角，是输入和输出之间的系统误差，代表扰动输入，和分别是系统在扰动作用点以前和以后部分的传递函数，而且，系统的开环传递函数为 （1

22、-3）图1-6 线性位置随动系统的一般动态结构框图由图1-6可得 （1-4） 而 （1-5）以式（1-3）和式（1-4）带入式（1-5）整理后得 （1-6）式中给定误差的象函数，； 扰动误差的象函数，。由式（1-6）可以看出系统误差由给定误差和扰动误差两部分组成，它们分别取决于给定输入和扰动输入信号，也和系统本身的结构与参数有关。根据拉氏变换的终值定理可以求出给定误差和扰动误差的稳态值 = 将传递函数的分母和分子都写成积分环节和的多项式，则线性传递函数和可分别写成 ，式中和为，中所含积分环节的数目；，均为单位项为1的多项式；，分别为，的增益 ，且令。当趋近于0时，各项多项式均趋近于1，则给定误

23、差和扰动误差的表达式可以改写成 （1-7） （1-8）式（1-7）和式（1-8）表明：1）给定误差与系统的开环增益和前项通道中所有积分环节的总数有关；2）扰动误差则只与扰动作用点以前部分的增益及其积分环节数目有关。在自动控制原理中，根据系统开环传递函数中的积分环节的数目，对于，1，2，3等不同数值分别称作0型、I型、II型、系统，因此，系统误差就决定于这样定义的系统类型。对于位置随动系统来说，由于转角是转速对时间的积分，控制对象中的最后一个环节一定是积分环节，所以， 不可能出现0型系统。而III型和III型以上的系统是很难稳定的，因此，通常多用I型和II型系统。但是， 和最终为何值还要看和所含

24、的阶次，也就是说，还取决于给定和扰动输入信号的类型。位置随动系统的典型给定输入信号有以下三种类型，位置阶跃输入、速度输入、加速度输入。我们把它们的给定稳态误差一起列于表1-2中。表1-2 给定稳态误差输入信号单位阶跃输入单位速度输入单位加速度输入给定误差系统类型I型系统0 II型系统00表1-2给定误差的物理意义是，I型位置随动系统只有转速到位移之间的一个积分环节。在位置阶跃输入下，只要就有控制电压，电机就要转动，由于负载等扰动的影响已计入扰动误差，现在不考虑任何扰动，电机将一直转到偏差电压等于零时为止，因此稳态的给定误差为零。如果是速度输入，给定位置信号不断增长，要实现准确跟踪，输出轴必须与

25、输入轴同步旋转，因此电机电枢两端必须有一定数值的电压来保证所需的转速，这时偏差电压就必须维持一定的数值，即输入信号与输出信号之间一定是有差的，系统开环增益越大，误差可以越小，所以给定误差是开环增益的倒数。如果是II型系统，则一般在控制器中还有一个积分环节，可以在的情况下保持一定的控制电压，以满足电机不断转动的需要，因而给定误差又为零。第二章 直流双闭环调速系统的简单介绍 本次所要设计的位置随动系统是一个三环随动系统，是基于直流双闭环系统加一个位置环。所以在对位置随动系统的设计和仿真之前简单介绍和分析一下直流双闭环调速系统。2.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性2.1.1 转速、电

26、流双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行串级连接，如图2-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭换结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环系统。图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统 ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 -转速给定电压 -转速反馈电压 -电流给定电压 -电流反馈电压 为了获得良好的静、动态性能，

27、转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统电路原理图如图2-2所示。图中标出了两个调节器的输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。 图2-2 双闭环直流调速系统的电路原理图2.1.2 直流双闭环系统的结构图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，先绘出稳态结构框图，如图2-3所示。它可以很方便的根据电路原理图画出来，只要注意用带限

28、幅的输出特性表示PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此 由第一个关系式可得 （2-1）从

29、而得到图2-4所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，从上述第二个关系式可知。这就是说，CA段特性从理想空载状态的一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行阶段，它是一 图2-3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 -转速反馈系数 -电流反馈系数条水平的特性。2转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 （2-2）其中，最大电流是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式（2-2）所描述的静特性对应于图2-4中的AB段，它是一条垂直的特性。

30、这样的下垂特性只适用于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。图2-4 双闭环直流调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到的过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统要好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用了PI调节器，静特性的两段实际上都略有很小的静误差。见图2-4中的虚线。2.1.3 直流双闭环系统的

31、稳态工作点和稳态参数 由图2-3可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 （2-3） （2-4） （2-5）上述关系表明，在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于和，或者说，同时取决于和。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面的环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一点，双闭环系

32、统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数。转速反馈系数 （2-6） 电流反馈系数 （2-7）两个给定电压的最大值和由设计者选定，受运算放大器允许输入电压和稳态电源的限制。2.2 双闭环直流调速系统的动态结构图和动态性能分析2.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构图如图2-3，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如图2-5所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。 图2

33、-5 双闭环直流调速系统的动态结构图2.2.2 起动过程分析前面已指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的起动态过程如图2-6所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。第I阶段（0）是电流上升阶段。突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，、都跟着上升，但是在没有达到负载电流以前，电动机还不能转动。当 后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，

34、因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。直到，电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第II阶段（）是恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持的恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势也按线性增长（见图2-6），对电流调节系统来说，是一个线性渐增的扰动量（见图2-6）。为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。当ACR采用P

35、I调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于（见图2-6）。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中ACR不应饱和，电力图2-6 双闭环直流调素系统起动过程的转速和电流波形电子装置UPE的最大输出电压也需留有余地，这些都是设计时必须注意的。第III阶段（以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。但转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到时，转矩，则，转速

36、才达到峰值（时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此对应，在时间内，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使尽快地跟随其给定值，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：1饱和非线性控制。随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，只能采用分段线性化的方法分析，不能简单地用线性控制理论来分析起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统。2转速超调。当转速调节器A

37、SR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其它控制方法抑制超调。3准时间最优控制。在设备允许的条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程I、III两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想起动过程相比还有一些差距，不过这两阶段时间只占全部起动时间中很小的部分，无伤大局，可称作“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍地得到应用。最后，应该指出，对于不可逆的电力电子变换器，双闭

38、环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁报闸。必须回馈制动时，可采用可逆的电力电子变换器。2.2.3 动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有良好的抗扰性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。1抗负载扰动由图2-5可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。2抗电网电压变化扰动电网电压变化对调速系统也产生了扰动作用。首先来看单闭环调速系统的动态结构框图。如图2-7

39、a），图中的和都作用在被转速负反馈环包围的前向通道上，仅就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在者能否及时调节的差别。负载扰动能够比较快的反映到被调量上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用点离被调量稍远，调节作用受到延滞，因此单闭环调速系统抑制电压的扰动性能要差一些。a) b)图2-7 直流调速系统的动态抗扰作用 a)单闭环系统 b)双闭环系统 -电网电压波动在可控电源电压上的反映在图2-7b）所示的双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统

40、中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小的多。2.2.4 转速和电流两个调节器的作用综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下。1转速调节器的作用1）转速调节器是调速的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差；2）对负载变化起抗扰作用；3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2电流调节器的作用1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化；2）对电网电压的波动起及时抗扰作用；3）转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从

41、而加快动态过程；4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。第三章 电力拖动系统中调节器的工程设计方法在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计必须从动态校正的需要来解决。针对单闭环系统采用的借助伯德图设计串联校正装置的方法，当然也适用于双闭环系统。问题是设计每一个调节器时，都必须先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，再根据性能指标确定校正后的系统的预期特性，经过反复试凑，才能确定调节器的特性，从而选定其结构并计算参数。反复试凑过程也就是系统的稳、准、快和抗干扰诸方面矛

42、盾的正确解决过程，需要有熟练的设计技巧才行，于是便产生建立更简便适用的工程设计方法。现代的电力拖动自动控制系统，除电机外，都是由惯性很小的电力电子元件和集成电路组成。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统，而用运算放大器或数字式微处理器可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统作比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性当作预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计

43、过程就要简单的多。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。有了必要性和可能性，各种工程设计方法便相继提出。其中有德国西门子公司提出的“调节器最佳整定”法，包括“模最佳”和“对称最佳”两种参数设计方法，传入我国后，习惯上称作“二阶最佳”和“三阶最佳”设计。这种方法已在国际上普遍应用，其公式简明好记，但也存在一些问题，例如，只有所谓的“最佳”参数计算公式，调试系统时，如果系统性能不够满意，不能明确调整参数的方向；特别是没有考虑到调节器饱和这一关键问题，使计算结果存在不小的误差。在经过学者对该方法的深入分析研究，并吸取随动设计用的“振荡指标法”和其他学者提出的“模型系统法”的长处，归纳出调节器的工程设

44、计方法。建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：1概念清楚、易懂。2计算公式简明、好记。3不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向。4能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式。5适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。 如果要求更精确的动态性能，可参考“模型系统法”。对于复杂的不可能简化成典型系统的情况，可采用高阶系统或多变量系统的计算机辅助分析和设计。3.1 工程设计方法的基本思路作为工程设计方法，首先使问题简化，突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计分作两步：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。这样做就把稳、准、快和抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳定性和稳态精度，然后在第二步中再进一步满足其它动态性能指标。在选择调节器结构时，只采用少量的典型系