【正文】 （ 31）其中分子和分母上還有可能含有復數(shù)零點和 負數(shù)極點。 第二步，再選擇調節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。 如果要求更精確的動態(tài)性能，可參考 “ 模型系統(tǒng)法 ” 。 2．計算公式簡明、好記。其中有德國西門子公司提出的 “ 調節(jié)器最佳整定 ” 法，包括 “ 模最佳 ” 和 “ 對稱最佳 ” 兩種參數(shù)設計方法，傳入我國后，習慣上稱作 “ 二階最佳 ” 和 “ 三階最佳 ” 設計。經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng)，而用運算放大器或數(shù)字式微處理器可以精確地實現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結構。針對單閉環(huán)系統(tǒng)采用的借助伯德圖設計串聯(lián)校正裝置的方法，當然也適用于雙閉環(huán)系統(tǒng)。 2．電流調節(jié)器的作用 1） 作為內環(huán)的調節(jié)器，在轉速外環(huán)的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 *iU （即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化； 2） 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾作用； 3） 轉速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程； 4） 當電動機過載甚至堵轉時 ， 限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用 。 a) b) 圖 27 直流調速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用 a)單閉環(huán)系統(tǒng) b)雙閉環(huán)系統(tǒng) dU?? 電網(wǎng)電壓波動在可控電源電壓上的反映 在圖 27b）所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 20 善。首先來看單閉環(huán)調 速 系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。 最后，應該指出，對于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時，當電流下降到零以后，只好自由停車。 3．準時間最優(yōu)控制 。 隨著 ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結構的線性系統(tǒng) ， 只能采用分段線性化的方法分析，不能簡單地用線性控制理論來分析起動過程，也不能簡單地用線性控制理論來籠統(tǒng)地設計這樣的控制系統(tǒng) 。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此對應，在 43~tt 時間內， dLd II ? ，直到穩(wěn)定。當轉速上升到給定值 0* nn? 時，轉速調節(jié)器 ASR 的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 *imU ，所以電動機仍在加速，使轉速超調 。為了克服這個擾動， 0dU 和 cU 也必須基本上按線性增長，才能保持 dI 恒定。在這一階段中， ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR一般不飽和。突加給定電壓 *nU 后，經(jīng)過兩個調節(jié)器的跟 隨作用， cU 、 0dU 、 dI 都跟著上升，但是在 dU 沒有達到負載電流 dLI 以前，電動機還不能轉動。 圖 25 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 起動過程分析 前 面 已指出，設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近 于理想 的 起動過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要探討它的起動過程。 轉速反饋系數(shù) max*IUnm?? （ 26） 電流反饋系數(shù) dmimIU*?? （ 27） 兩個給定電壓的最大值 *nmU 和 *imU 由設計 者 選定，受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)態(tài)電源的限制。這些關系反映了 PI調節(jié)器不同于 P調節(jié)器的特點。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)要好。 這樣的下垂特性只適用于 0nn? 的情況，因為如果 0nn? ，則 *nn UU ? ， ASR將退出飽和狀態(tài)。 2．轉速調節(jié)器飽和 內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 15 這時， ASR輸出達到限幅值 *imU ，轉速外環(huán) 呈 開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。 1．轉速調節(jié)器不飽和 這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此 0* nnUU nn ?? ??? dii UUU ???* 由第一個關系式可得 0* nUn n??? （ 21） 從而得到圖 24所示靜特性的 CA段。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不 再 影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。圖中還表示了兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節(jié)器 ASR的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定電壓的最大值，電流調節(jié)器 ACR的輸出限幅電壓 cmU 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 dmU 。從閉換結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。所以在對位置隨動系統(tǒng)的設計和仿真之前簡單介紹和分析一下直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。在位置階躍輸入下，只要 0?? m? 就有控制電壓，電機就要轉動，由于負載等擾動的影響已計入擾動誤差，現(xiàn)在不考慮任何擾動，電機將一直轉到偏差電壓等于零時為止，因此穩(wěn)態(tài)的給定誤差為零。但是， sre 和 sfe 最終為何值還要看 )(* sm? 和 )(sF 所含 s 的階次，也就是說，還取決于給定和擾動輸入信號的類型。當 s 趨近于 0時，各項多項式均趨近于 1，則給定誤差和擾動誤差的表達式可以改寫成 K sse mqpssr)(lim *10????? （ 17） 110)(lim K sFse pssf??? （ 18） 式（ 17）和式（ 18）表明 ： 1） 給定誤差 sre 與系統(tǒng)的開環(huán)增益 K 和前項通道中所有積分環(huán)節(jié)的總數(shù) qp? 有關； 2）擾動誤差 sfe 則只與擾動作用點以前部分的增益 1K 及其積分環(huán)節(jié)數(shù)目 P 有關。實際的 位置隨動系統(tǒng)可能承受的擾動有負載變化、電源電壓變化、參數(shù)變化、放大器零漂、噪聲干擾等，它們在系統(tǒng)上的作用點各不相同，分析時可以用一種擾動作為代表。常用的位置傳感器誤差量 列 級于表 11中，供選擇和計算時參考。由此可見，對位置隨動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的分析是十分重要的。與此相仿 ，當擾動信號可測時，也可以從擾動作用上引出前饋補償信號，從而減少或消除擾動誤差，形成按擾動補償?shù)膹秃峡刂葡到y(tǒng)，如圖 15所示。 內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 7 3．復合控制的隨動系統(tǒng) 無論是多環(huán)還是單環(huán)隨動系統(tǒng)，都是通過位置調節(jié)器 APR來實現(xiàn)反饋控制的。作為動態(tài)校正和快速跟隨作用的位置調節(jié)器常選用PD或 PID調節(jié)器，其 中微分控制都是為了提高加快作用的。這三個環(huán)的反饋信號都是負反饋，三個環(huán)都是反相放大器。在一般模擬控制 的 隨動系統(tǒng)中，電流環(huán)的截 圖 12 位置 、 轉速 、 電流三環(huán)位置隨動系統(tǒng) 的原理圖 BQ光電位置傳感器 DSP數(shù)字轉速信號形成環(huán)節(jié) 止頻率約 Hzci 150~100?? ，轉速環(huán)的截止頻率 ? 約在 20~30 Hz 之間，最高不超過50Hz ，照此推算，位置環(huán)的截止頻率只有 Hzc 10??? 左右。當電流環(huán)和轉速環(huán)內的對象參數(shù)變化或擾動時，電流反饋和轉速反饋都能夠起到及時的抑制作用，使之對位置環(huán)的工作影響很小。 和雙閉環(huán)控制系統(tǒng)一樣，多環(huán)控制系統(tǒng)調節(jié)器的設計方法也是從內環(huán)到外環(huán)，逐個設計各環(huán)節(jié)的調節(jié)器。其中位置環(huán)屬外環(huán)，是最主 要的環(huán)，轉速環(huán)即是位置環(huán)的內環(huán)，又是電流環(huán)的外環(huán)，電流環(huán)是系統(tǒng)內環(huán)。 1．多環(huán)位置隨動系統(tǒng) 這里只詳細介紹經(jīng)典的位置、轉速、電流三環(huán)控制系統(tǒng)轉速，這類系統(tǒng)適用廣泛。 位置隨動系統(tǒng)的分類 隨著科學技術的發(fā)展出現(xiàn)了各類隨動系統(tǒng)由于位置隨動系統(tǒng)的特征體現(xiàn)在位置上，體現(xiàn)在位置給定信號和位置反饋信號及兩個信號綜合比較方面，因此可根據(jù)這個特征將它劃分為兩個類型，一類是模擬式隨動系統(tǒng)，一類是數(shù)字式隨動系統(tǒng)。這里就不做介紹。絕對值式編碼器碼盤的圖案由若干個同心圓環(huán)組成，稱作碼道。按 照輸出脈沖與對應位置關系的不同，光電編碼器有增量式和絕對值式兩種，也有將兩者結合為一體的混合式編碼器。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，價格便宜、使用方便，但滑臂與電阻間有滑動接觸，容易磨損或接觸不良，可靠性較差。在 現(xiàn)代機器人、汽車電子機械等大功率設備中 ， 為了減少機械裝置，傾向于采用低速電機直接傳動，可以取消減速器。 對于大功率位置隨動系統(tǒng)，會用到可逆的脈寬調制式 PWM變換器。由于 U? 是可正可負的，放大器必須具有鑒別電壓極性的能力。 1RP 是給定位置傳感器 ,其轉軸與操縱輪連接，發(fā)出轉角給定信號 *m? ； 2RP 是反饋位置傳感器 ， 其轉軸通過傳動機構與負載的轉軸相連 ， 得到轉角反饋信號 m? 。 3．電壓和功率放大器以及拖動系統(tǒng)都必須是可逆的。位置環(huán)是隨動系統(tǒng)重要的組成部分，位置隨動系統(tǒng)的基本特征體現(xiàn)在位置環(huán)上 。 位置隨動系統(tǒng)的特點及品質指標 位置隨動系統(tǒng)與拖動控制系統(tǒng)相比都是閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，即通過對輸出量和給定量的比較，組成閉環(huán)控制，這兩個系統(tǒng)的 控 制原理是相同的。它屬于自動控制系統(tǒng)中的一類反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。所以，在將系統(tǒng)設計完善之后，我們要用到 MATLAB軟件進行結果仿真， MATLAB軟件能很好的體現(xiàn)三環(huán)位置隨動系統(tǒng)的特點。同其它的單環(huán)還是兩環(huán)位置隨動系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)優(yōu)點突出 ，在跟隨性能上，控制精度高，輸出響應的靈敏性和準確性都要好于其它的隨動系統(tǒng)，僅有輸出響應的快速性不如單環(huán)位置隨動系統(tǒng)。隨著機電一體化技術的發(fā)展，位置隨動系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)、國防和高科技領域中不可缺少的設備，是電力拖動自動控制系統(tǒng)的一個重要分支。隨著科學技術的發(fā)展，在實際中位置隨動系統(tǒng)的應用領域非常廣泛。這種三環(huán)系統(tǒng)適用于大功率隨動系統(tǒng)，特點是給定量是一個隨機變化的量，要求輸出量準確跟隨給定量的變化，同傳統(tǒng)的電力拖動中的調速系統(tǒng)一樣，穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定也是系統(tǒng)必備的，在動態(tài)性能中，調速系統(tǒng)多強調抗擾性，而位置隨動系統(tǒng)更強調快速跟隨性能。它提供的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具是眾多仿真軟件中功能最強大、最優(yōu)秀、最容易實現(xiàn)的一種，可以有效地解決仿真技術中的一些難題。 位置隨動系統(tǒng)是應用非常廣泛的一類工程控制系統(tǒng)。隨著機電一體化技術的發(fā)展，位置隨動系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)、國防和高科技領域中不可缺少的設備，是電力拖動自動 控制系統(tǒng)的一個重要分支。 位置隨動系統(tǒng)需要實現(xiàn)位置反饋，所以系統(tǒng)結構上必定要有位置 環(huán)。 2．必須具備一定精度的位置傳感器 ， 能準確地給出反映位移誤差的電信號。這是一個電位器式的小功率位置隨動系統(tǒng)，有以下五個部分組成 ： 圖 11 電位器式位置隨動系統(tǒng)原理圖 1．位置傳感器 由電位器 1RP 和 2RP 組成位置傳感器。 2．電壓比較放大器（ A） 兩個電位器輸出的電壓信號 *U 和 U 在放大器 A中進行比較與放大，發(fā)出控制信號 cU 。在小功率直流隨動系統(tǒng)中多用 PMOSFET或 IGBT橋式 PWM變換器 。 5．減速器與負載 在一般情況下負載的轉速是 很 低的，在電機與負載之間必須內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 4 設有傳動比為 i 的減速器。位置傳感器將具體的直線或角位移轉換成模擬的 或 數(shù)字的電量，再通過信號處理電路或算法，形成與控制器輸入量相匹配的位置誤差信號。碼盤一般為圓形，由電動機帶動旋轉，也有用直線形的，由電動機構傳動。通過信號處理電路和可逆計數(shù)器可以輸出位置增量信號，再經(jīng)過測速算法，可以給出轉速信號；2）絕對值式編碼器。絕對值式編碼器的碼盤又分為二進制碼盤和循環(huán)碼碼盤兩種。磁性編碼器也可以做成增量式或絕對值式，在數(shù)字隨動系統(tǒng)中有很好的應用前景。對于模擬隨動系統(tǒng)可按閉環(huán)系統(tǒng)分為三類。三環(huán)的調節(jié)器分別稱為位置調節(jié)器（ APR）、轉速調節(jié)器（ ASR）、電流調節(jié)器（ ACR）。位置、轉速、電流三個閉環(huán)都畫成單位反饋，反饋系數(shù)都已 計 入各調節(jié)器的比例系數(shù)中去。逐環(huán)設計可以使每個控制環(huán)都是穩(wěn)定的，從而保證整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這是因為設計每 個環(huán)節(jié)時，內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 6 都要將內環(huán)等效成其中的一個環(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)的截止頻率遠遠低于內環(huán)為前提的。 在位置、轉速 、電流三環(huán)系統(tǒng)中，位置調節(jié)器的輸出是轉速調節(jié)器的輸入，速度調節(jié)器是電流調節(jié)器的輸入，電流調節(jié)器的輸出直接控制功率變換單元，也就是脈寬調制系統(tǒng)。這時，為了避免在 過渡 過程中電流沖擊過大，可以采用電流截止反饋保護，或者選擇允許過載倍數(shù)比較高的伺服電機。單環(huán)隨動系統(tǒng)的原理圖如圖 13所示 。 利用結構圖變