運動控制系統(tǒng)課件

1.1

先說說：運動地面常見的運動形式

輪式，履帶式，腿式運動：雙足行走，多足行走一些常見的特殊運動方式：自平衡車，蛇形機器人，滑冰，飛行，水里游動1.2幾種地面運動形式的比較主要從路面適應(yīng)性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，以及控制要求角度來比較：路面適應(yīng)性：多足運動>雙足運動>履帶運動>輪式運動結(jié)構(gòu)復(fù)雜性：多足運動>雙足運動>履帶運動>輪式運動控制難度：雙足運動>多足運動>履帶運動>輪式運動問題：為什么自然界的生物，不能進化出輪子？都是腿式運動？幾點結(jié)論：人類雙足行走，是目前已知能量消耗最小的雙足運行方式自然界的進化，就是能量最優(yōu)的進化輪式運動，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，雖然對路面要求高，不過還是我們制作初級機器人的最好選擇1.3輪式運動分析雙輪差速控制方式速度方向獨立控制方式萬向運動方式1.4雙輪差速雙輪差速：

特點：兩個電機分別控制兩個不同的輪子，通過控制輪子轉(zhuǎn)速的差別，來實現(xiàn)機器人的速度與方向控制。兩個輪子布置在機器人軸線上，穿過機器人相應(yīng)方向的幾何中心。要求機器人的重心必須與機器人的幾何中心在水平面投影重合。運動特點：可以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)半徑為零1.5速度方向獨立控制輪子，與方向，分別控制，常見的例子包括：汽車，三輪車結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，驅(qū)動力大。缺點：回轉(zhuǎn)半徑>零1.6萬向運動運動控制復(fù)雜；可以在水平移動的同時，進行旋轉(zhuǎn)；任何方向的移動與轉(zhuǎn)動，都需要合成三個輪子的運動來實現(xiàn)；有三輪方式，以及四輪方式。不過最少也需要三輪，四輪方式是冗余配置；1.7

萬向特色由于旋轉(zhuǎn)與平移的獨立控制，可以實現(xiàn)機器人一邊運動一邊旋轉(zhuǎn)。機器人到任意兩點間的運動，都是直線；機器人可以在曲線運動中，正方向始終面向一個方向。應(yīng)用：機器人守門員，無論如何移動，可以永遠盯著球的方向；1.8

電機與運動機器人的運動，就是通過控制電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)；機器人運動問題，本質(zhì)上就是電機控制問題；電機控制的三個層面：速度控制：通過控制速度，使機器人的運動速度恒定；位移控制：通過控制電機速度與轉(zhuǎn)過的角度，來實現(xiàn)機器人位移（應(yīng)用于萬向運動）；電流控制：通過控制電機的電流，來實現(xiàn)電機輸出恒定扭矩；（應(yīng)用于精密加工領(lǐng)域）1.9

機器人常用的直流電機直流減速電機；步進電機；無刷電機；1.10

直流減速電機兩個重要結(jié)論：電機轉(zhuǎn)速，與施加給電機的電壓，成正比；電機的輸出扭矩，與通過電機轉(zhuǎn)子線圈的電流，成正比；減速箱的作用：電機的轉(zhuǎn)速，通過減速箱，除以減速比，降低轉(zhuǎn)速；電機的輸出扭矩，通過減速箱，乘以減速比，提高輸出扭矩；電機控制方法：通過控制施加給電機的電壓，以及正負極性的改變，來控制電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向；控制器，與驅(qū)動器的概念?？刂品绞剑篜WM，驅(qū)動方式：H橋開環(huán)控制，與閉環(huán)控制；通過檢測電機的當(dāng)前運轉(zhuǎn)情況，反饋給控制器，然后來調(diào)節(jié)控制信號，就是閉環(huán)控制；1.11

直流減速電機的控制器控制方式：脈寬調(diào)制信號(PulseWidthModerm,PWM)；控制器：只要是可以輸出PWM信號的設(shè)備，可以包括：單片機，DSP，F(xiàn)PGA，PLC，等等電機PWM控制：電機控制的難題：電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，與電壓大小與極性有關(guān)。所以要控制電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，就必須控制電機兩端的電壓大小與方向。而電壓是模擬信號，而所有的控制器，都是數(shù)字式的，也就是只能輸出脈沖。解決辦法：通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比，也就是脈沖寬度，來調(diào)節(jié)施加給電機的等效電壓。前提：電機是時滯器件，而且是大延時響應(yīng)詳細原理，如下圖所示；1.12電機驅(qū)動器驅(qū)動方式：H橋驅(qū)動器：各種H橋電路，根據(jù)PWM信號，來實現(xiàn)電機電壓大小與方向的變化；原理如下。參考：/article/87/82/2009/2009071678033.html1.13

直流減速電機的閉環(huán)控制閉環(huán)控制可以達到的三個層面：速度閉環(huán)：電機可以在任何外界環(huán)境下，保持恒定的轉(zhuǎn)速；位移閉環(huán)：電機可以在允許的最大速度情況下，轉(zhuǎn)過恒定的角度，然后停止；電流閉環(huán)：電機可以在不同負載情況下，保持恒定的扭矩輸出；電機反饋信號檢測用傳感器：編碼器：檢測電機軸轉(zhuǎn)動的角速度，以及轉(zhuǎn)過的角度

說明：編碼器應(yīng)該與電機同軸，并且安裝在減速前端，而不是在減速后，否則精度大大降低；

編碼器有光電式，或者霍爾式，不同原理。單位：線/分鐘(PPM)1.14

閉環(huán)控制原理控制器通過編碼器，實時檢測當(dāng)前電機運動信息，如果電機運動狀態(tài)，和期望值不一致，那么就調(diào)整PWM輸出，直到電機運動與期望值一致為止。經(jīng)典控制方法：比例微分積分控制（PID）先進控制方法：模糊控制，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制，模糊神經(jīng)元控制，等等。1.15PID控制緒論內(nèi)容提要先談?wù)勥\動控制在機器人領(lǐng)域應(yīng)用例子什么是運動控制系統(tǒng)？為什么要學(xué)習(xí)運動控制系統(tǒng)

？運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與趨勢2、什么是運動控制系統(tǒng)？控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)2.1控制系統(tǒng)人工控制自動控制系統(tǒng)自動控制定義所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。例如：數(shù)控車床按照預(yù)定程序自動地切削工件；化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動地維持恒定；無人飛機按照預(yù)定航跡自動升降和飛行等等.工業(yè)自動化過程控制：針對六大參數(shù)控制，時間常數(shù)較大運動控制：針對機械運動過程，時間常數(shù)小運動控制的研究內(nèi)容：處理機械系統(tǒng)中一個或多個坐標(biāo)上的運動以及這些運動之間的協(xié)調(diào)，涉及各軸上運動速度的調(diào)節(jié)以及形成準(zhǔn)確的定位或遵循特定的軌跡等諸如此類的問題在復(fù)雜條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動運動控制系統(tǒng)按照被控物理量可劃分為：調(diào)速系統(tǒng)(以轉(zhuǎn)速為被控量)；伺服系統(tǒng)(以位移為被控量)2.2運動控制系統(tǒng)定義

以電動機及其拖動的機械設(shè)備為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率轉(zhuǎn)換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在控制理論等指導(dǎo)下可實現(xiàn)電氣傳動功能的自動控制系統(tǒng),稱為運動控制系統(tǒng)(MotionControlSystems),也為稱電力拖動控制系統(tǒng)（ControlSystemsofElectricDrive）;電機控制系統(tǒng)（MotorControlSystems）典型運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(交流)電源控制器電力電子變化器電動機機械系統(tǒng)反饋裝置PID調(diào)節(jié)器數(shù)字控制器（PC、PLC、DSP）晶閘管PWM控制電路（弱電）(他勵)直流電動機

(異步)交流電動機（籠型、繞線型）測速發(fā)電機（TG）電流互感器（TA）

電壓互感器（TU）編碼器（數(shù)控）傳動裝置定位平臺旋轉(zhuǎn)平臺給定研究對象電動機直流電動機交流電動機異步電動機同步電動機直流電機系列步進電機系列接收數(shù)字控制信號，把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移交流電機系列直流電機直流電機(電動機)是以直流電作為電源，使線圈通過電流，線圈旁有永久磁鐵，以電磁感應(yīng)感應(yīng)出轉(zhuǎn)距使其旋轉(zhuǎn)。直流電機基本上有三種永磁式電機、串激式電機、并激式電機。直流電機的優(yōu)點：一般而言同樣的體積直流電機可以輸出較大功率，直流電機轉(zhuǎn)速不受電源頻率限制可以制做出高速電機，速度控制只要控制電壓較簡單容易。缺點：電機上的碳刷使用一段時間會磨損消耗掉須更換,電樞會磨損。用途：造紙機械、車床、起重機、升降機、電氣鐵道車等需要調(diào)整轉(zhuǎn)速的地方。交流電機交流電機是用途最廣的電動機，其優(yōu)點：價格低廉、構(gòu)造簡單、維修容易、速率變動小。它的轉(zhuǎn)速與頻率成正比，頻率愈高轉(zhuǎn)速愈快，常見輸送帶上的交流電機旁邊有變頻器，用來控制傳動轉(zhuǎn)速。交流電機的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單生產(chǎn)容易，無接觸零件較不用保養(yǎng)使用期限長。缺點：是轉(zhuǎn)速受電源頻率固定,使用一般交流頻率無法使電機高速運轉(zhuǎn),最高僅達3600rpm高速電機必需用變頻器來產(chǎn)生需要的工作頻率，速度控制須改變頻率或加裝其它回授器較麻煩。用途：冷氣機、吹風(fēng)機、電風(fēng)扇、抽水泵等。直流和交流電機區(qū)別最大的區(qū)別在于有沒有碳刷，轉(zhuǎn)動軸有沒有線圈。直流電機一定要有碳刷來將電流導(dǎo)入轉(zhuǎn)軸線圈并切換產(chǎn)生磁場相位。閉環(huán)控制策略轉(zhuǎn)矩、速度、位置由內(nèi)向外的三閉環(huán)系統(tǒng)位置控制器速度控制器轉(zhuǎn)矩控制器電流控制功能電動機轉(zhuǎn)矩檢測器機械負載＋－＋－＋－＋－s位置控制將某負載從某一確定的空間位置按某種軌跡移動到

另一確定的空間位置速度控制以確定的速度曲線使負載產(chǎn)生運動轉(zhuǎn)矩控制維持轉(zhuǎn)矩的恒定或遵循某一變化規(guī)律閉環(huán)控制策略

并非所有控制系統(tǒng)都需要三個閉環(huán)，伺服系統(tǒng)一般是三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，調(diào)速系統(tǒng)一般是雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩控制

對轉(zhuǎn)矩的控制通常通過控制電流來實現(xiàn)

性能評價：穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應(yīng)速度速度控制開、閉環(huán)（交、直流電動機）位置控制開環(huán)（步進電機）、閉環(huán)（伺服電機）閉環(huán)控制策略控制器：通用控制方法

古典自控原理（PID控制）、現(xiàn)代控制理論（自適應(yīng)控制、魯棒控制）、先進控制方法（智能控制、NeuralNetworks、Fuzzy

Cotrol）等特定控制策略針對交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制有：變頻控制（VVVF）、矢量控制(VC)、直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)閉環(huán)控制策略2.3運動控制系統(tǒng)的分類按驅(qū)動電機分：直流傳動系統(tǒng)－－用直流電機帶動生產(chǎn)機械；

交流傳動系統(tǒng)－－用交流電機帶動生產(chǎn)機械；按被控物理量分：調(diào)速系統(tǒng)－－以轉(zhuǎn)速為被控量；

位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）－－以角位移或直線位移為被控量；按控制器的類型分：模擬控制系統(tǒng)－－以模擬電路構(gòu)成控制器；

數(shù)字控制系統(tǒng)－－以數(shù)字電路構(gòu)成控制器（PC、PLC、DSP）；按閉環(huán)數(shù)分：單環(huán)，雙環(huán)，多環(huán)系統(tǒng)對某一實際運動控制系統(tǒng)可能是這些分類的交叉：如：用單片機實現(xiàn)的數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)；伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)(servomechanism)是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱（位置）隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)。其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。緒論內(nèi)容提要先談?wù)勥\動控制在機器人領(lǐng)域應(yīng)用例子什么是運動控制系統(tǒng)？為什么要學(xué)習(xí)運動控制系統(tǒng)

？運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與趨勢3、為什么要學(xué)習(xí)運動控制系統(tǒng)?運動控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域機械加工，冶金，交通運輸，石油加工，航天航空、國防工業(yè)、家電生產(chǎn)、輕工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。具體應(yīng)用例子：

工業(yè)領(lǐng)域：制造業(yè)：鋼廠連軋、電爐、加工車間的各種（數(shù)控）機床，起重機、傳送帶，礦山、油田、林場等等用電力拖動機械。印刷電路板生產(chǎn)線：表面貼焊，快速打孔，機械手放置器件；

國防領(lǐng)域：雷達跟蹤，自動武器，飛行器控制等；

家電領(lǐng)域：冰箱，空調(diào)，洗衣機，電腦光盤驅(qū)動器，電風(fēng)扇等；

機器人：機械手、足球機器人、搬運機器人、各種機器人的移動及關(guān)節(jié)姿態(tài)控制等；其他高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)：電梯、電動汽車，高速列車、無軌電車的調(diào)速系統(tǒng)等加工車間--鵬輝電池有限公司數(shù)控車床數(shù)控銑床機械手六自由度機械手取物六自由度機械手運動分體式變頻空調(diào)控制電路原理框圖變頻空調(diào)微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖據(jù)統(tǒng)計，我國電動機裝機容量約為4億多千瓦，其用電量占當(dāng)年全國發(fā)電量的60%~70%。當(dāng)前，能源緊張！??！合理、經(jīng)濟、有效的利用電能，是運動控制系統(tǒng)設(shè)計者的責(zé)任。緒論內(nèi)容提要先談?wù)勥\動控制在機器人領(lǐng)域應(yīng)用例子什么是運動控制系統(tǒng)？為什么要學(xué)習(xí)運動控制系統(tǒng)

？運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與趨勢

運動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史19世紀(jì)80年代以前－－僅有直流電氣傳動19世紀(jì)末，出現(xiàn)交流電機（鼠籠式異步交流電機）－－開始逐步使用交流電氣傳動20世紀(jì)30年代起，形成直流調(diào)速，交流不調(diào)速的格局20世紀(jì)后期，交流調(diào)速興起運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢高頻化、集成化交流化數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化5252調(diào)速：人為改變速度的方法可以用機械的方法或電氣的方法實現(xiàn)調(diào)速電氣調(diào)速：人為地改變電氣參數(shù)，有意識地使電動機工作點由一條機械特性曲線轉(zhuǎn)換到另一條機械特性曲線上，為了生產(chǎn)需要而對電動機調(diào)速進行的一種控制調(diào)速與電動機在負載或電壓隨機波動時而引起的轉(zhuǎn)速擾動變化是兩個不同的概念引言第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)53直流電動機的優(yōu)點：具有極好的運行性能和控制特性，良好的起、制動性能，易于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速。應(yīng)用：在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到廣范應(yīng)用。長期以來直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。引言第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)54直流電機的工作原理和主要結(jié)構(gòu)1、直流電機的物理模型圖解及基本結(jié)構(gòu)第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)552、直流電機的工作原理：第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)56第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)57

將直流電動機的工作原理歸結(jié)如下：將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流流過。電機內(nèi)部有磁場存在(可以由永磁體或定子勵磁電流im產(chǎn)生（他勵），磁動勢F=imN)。載流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導(dǎo)體將受到電磁力f

的作用f=Bli（左手定則）所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以n(轉(zhuǎn)/分)旋轉(zhuǎn)。5858電機的基本結(jié)構(gòu)59591.風(fēng)扇2.機座3.電樞4.主磁極5.刷架6.換向器7.接線板8.出線盒9.換向極10.端蓋直流電機的結(jié)構(gòu)圖602024/4/1260直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)6161直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)額定運行情況：根據(jù)電機的設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電機的正常運行狀態(tài)和條件額定值（銘牌數(shù)據(jù)）：表征電機額定運行情況的各種數(shù)據(jù)62直流電動機的等效電路圖M+_dUdIRL+_EnLTeT瞬時電壓平衡方程式：第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩方程式：63式中

—轉(zhuǎn)速（r/min）；

—電機電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電機電樞電阻（

）；

—勵磁磁通（Wb）；

—由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)；

—由電機結(jié)構(gòu)決定的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

—電機在恒定磁通下的電動勢轉(zhuǎn)速比第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)nUdIdR

KeKTCe64：電動機提供的電磁轉(zhuǎn)矩（動力轉(zhuǎn)矩）：負載對運動力的反抗作用表現(xiàn)為負載轉(zhuǎn)矩（阻力轉(zhuǎn)矩）第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)：工作機械系統(tǒng)折算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量：電動機的角速度（rad/s）（）運動平衡方程：eTLT65系統(tǒng)加速系統(tǒng)減速系統(tǒng)恒速或靜止第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)66

穩(wěn)定運行的含義：（1）使系統(tǒng)以一定的速度勻速運轉(zhuǎn)，即；（2）系統(tǒng)受到干擾轉(zhuǎn)速稍有變化時，應(yīng)保證干擾消除后仍能以原來的轉(zhuǎn)速運行。

要使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，必須使電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩大小相等（必要條件），方向相反，相互平衡。即第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動機穩(wěn)定運行時的電壓平衡方程：67機械特性：直流電動機的機械特性:在電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)n0nNTLTnn斜率大，特性軟斜率小，特性硬68直流調(diào)速方法：根據(jù)直流電動機轉(zhuǎn)速方程：式中—

轉(zhuǎn)速（r/min）；

—

電機電樞電壓（V）；

—

電樞電流（A）；

—

電機電樞電阻（

）；

—

勵磁磁通（Wb）；

—

由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)；

—

電機在恒定磁通下的電動勢轉(zhuǎn)速比RnUdId

KeCe第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)69有三種方法可以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ud；（2）減弱勵磁磁通

；（3）改變電樞回路電阻R；第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)70（1）調(diào)壓調(diào)速

工作條件：保持勵磁

=N；保持電阻R=Ra

調(diào)節(jié)過程：改變電壓UN

U

Un，n0

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)71（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵磁

=N

；保持電壓U=UN

；調(diào)節(jié)過程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。OIILnn0RaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)72（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN；保持電阻R=Ra；調(diào)節(jié)過程：減小勵磁

N

n，n0

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)73三種調(diào)速方法的性能與比較：對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。第1部分直流調(diào)速系統(tǒng)第1章單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)本章著重討論基本的單閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計方法。內(nèi)容提要：1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成1.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析與設(shè)計1.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計1.4無靜差調(diào)速系統(tǒng)1.5電壓反饋電流補償控制的調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源

根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源。本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種旋轉(zhuǎn)變流機組——用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。靜止式可控整流器——用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）

G-M系統(tǒng)工作原理

由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發(fā)電機G實現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動機M供電，調(diào)節(jié)G的勵磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速n。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)，國際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2G-M系統(tǒng)機械特性

1.1.2靜止式可控整流器圖1-3晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

V-M系統(tǒng)工作原理

晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc

來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud

，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)的特點與G-M系統(tǒng)相比較：晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。V-M系統(tǒng)的問題由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。晶閘管對過電壓、過電流和過高的dV/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M1.直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖1-5直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形

1.1.3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器

2.斬波器的基本控制原理

在原理圖中，VT表示電力電子開關(guān)器件，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時，直流電源電壓Us加到電動機上；當(dāng)VT關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖1-5b，好像是電源電壓Us在ton時間內(nèi)被接上，又在T–ton

時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為

3.輸出電壓計算式中T—晶閘管的開關(guān)周期；

ton—開通時間；

—占空比，

=ton/T=tonf；其中f為開關(guān)頻率。

為了節(jié)能，并實行無觸點控制，現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM-PulseWidthModulation）。

4.斬波電路三種控制方式根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變T—脈沖頻率調(diào)制（PFM）；ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型。PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（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，電機損耗及發(fā)熱都較小；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；（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，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，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。小結(jié)三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)60-70年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。本章提要本章著重討論基本的單閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計方法。1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成1.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析與設(shè)計

1.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計1.4無靜差調(diào)速系統(tǒng)1.5電壓反饋電流補償控制的調(diào)速系統(tǒng)921.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析與設(shè)計1.2.0晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題本小節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制（2）晶閘管的觸發(fā)電路（3）V-M系統(tǒng)等效電路分析（4）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)（5）抑制電流脈動的措施；晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）圖1-3晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

KGAVTTRa)u1u2uVTudidaqwtp2pwwwwt0tttu2uguduVT0b)c)d)e)00（1）觸發(fā)脈沖相位控制（電阻負載）在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時電壓ud

的波形，以及輸出平均電壓Ud

的數(shù)值（1）觸發(fā)脈沖相位控制（阻感負載）

晶閘管與硅整流二極管相似，都具有反向阻斷能力，但晶閘管還具有正向阻斷能力，即晶閘管正向?qū)ㄍ瑫r必備兩個條件：

(1)陽極與陰極之間加上正向電壓；

(2)門極與陰極之間加上適當(dāng)?shù)恼螂妷?。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。晶閘管導(dǎo)通條件

晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極(門極)即失去控制作用。要使晶閘管重新關(guān)斷，必須滿足晶閘管關(guān)斷的條件：使流過晶閘管的陽極電流小于晶閘管規(guī)定的維持電流。

關(guān)斷實現(xiàn)的方式之一：（1）減小陽極電壓（到零）（2）增大負載電阻（將陽極電流減小到小于維持電流）（3）加反向陽極電壓晶閘管關(guān)斷條件

(2)晶閘管的觸發(fā)電路

相控電路晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角α的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。相控電路的驅(qū)動控制為保證相控電路的正常工作，很重要的一點是應(yīng)保證按觸發(fā)角α的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)信號。晶閘管相控電路，習(xí)慣稱為觸發(fā)電路（觸發(fā)裝置、觸發(fā)器、驅(qū)動電路）。對于觸發(fā)電路的基本要求：觸發(fā)信號的形式：常用脈沖信號，如下圖觸發(fā)信號的觸發(fā)功率：要求脈沖必須具有足夠的功率，且不超過晶閘管門極最大允許功率觸發(fā)脈沖的寬度：要求脈沖要具有一定的寬度，前沿要陡觸發(fā)脈沖的移相范圍：要求能滿足主電路移相范圍的要求觸發(fā)脈沖與主電路的相位關(guān)系：要求觸發(fā)電路必須與晶閘管的主電壓保持同步其它正弦波尖脈沖方脈沖強觸發(fā)脈沖脈沖序列圖

常見的觸發(fā)脈沖電壓波形

常見的觸發(fā)脈沖電壓波形如下：集成觸發(fā)電路三相全控橋式集成觸發(fā)電路

3個KJ004（KC04）集成塊和1個KJ041（KC41C）集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可。

圖

三相全控橋式整流電路的集成觸發(fā)電路實例：V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（3）V-M系統(tǒng)等效電路分析

圖1-3V-M直流調(diào)速系統(tǒng)，如果把整流裝置（晶閘管+觸發(fā)裝置）內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值ud0和平均值Ud0

來表示，相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實際的整流電路。圖V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

Ud0IdE

式中

—電動機反電動勢；

—整流電流瞬時值；

—主電路總電感（包括：電機電樞電感+平波電抗器電感）；

—主電路等效電阻；且有R=Rs+Ra（包括：整流內(nèi)阻+電機電樞電阻)(平波電抗器電阻可忽略不計）EidLR瞬時電壓平衡方程對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0

。用觸發(fā)脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。Ud0與觸發(fā)脈沖相位角

的關(guān)系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時，Ud0=f(

)可用下式表示整流電壓的平均值計算

式中—從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；

—

=

0時的整流電壓波形峰值；

—交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對于不同的整流電路，它們的數(shù)值如下表所示。

Umm(1-2)acosπsinπmd0mUmU=表

不同整流電路的整流電壓值*U2是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。（4）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

由于電流波形的脈動，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動機的負載也足夠大時，整流電流便具有連續(xù)的脈動波形。當(dāng)電感量較小或負載較輕時，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。V-M系統(tǒng)主電路的輸出圖V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicic

tEUd

tOuaubucaudOiaibicicEUdud

t

tudidid（5）抑制電流脈動的措施

在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利，同時也增加電機的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施。設(shè)置平波電抗器，可以使得電流連續(xù)且脈動小。平波電抗器的設(shè)置與計算單相橋式全控整流電路

三相半波整流電路

三相橋式整流電路

式中

—電動機反電動勢；

—整流電流瞬時值；

—主電路總電感（包括：電機電樞電感+平波電抗器電感）；

—主電路等效電阻；且有R=Rs+Ra

（包括：整流內(nèi)阻+電機電樞電阻）EidLR瞬時電壓平衡方程1.2.1V-M系統(tǒng)的開環(huán)機械特性圖V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

Ud0IdE113對應(yīng)平均電壓Ud0的電壓平衡方程式：114

開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性在形式上與直流電動機的電動勢平衡方程式類似，但是兩者有本質(zhì)的不同115

改變晶閘管控制角，就可以改變Ud0。晶閘管整流裝置可以看成是一個線性的可控電壓源通過改變觸發(fā)或驅(qū)動電路的控制電壓來改變功率變換電路的輸出平均電壓，達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的控制電壓與輸出轉(zhuǎn)速之間只有順向作用而無反向聯(lián)系，輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，屬于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)適用于生產(chǎn)機械對靜差率要求不高的場合，結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題

若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。如果負載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以找到一些用途。但是，許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率提出較嚴(yán)格的要求，不能允許很大的靜差率，此時，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足較高的性能指標(biāo)要求。轉(zhuǎn)速控制要求（1）調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速——頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。

調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求

任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。調(diào)速范圍：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即

其中nmax

和

nmin一般都指電機額定負載時的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速。對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)時，通常將nmax視為電動機的額定轉(zhuǎn)速nN。

調(diào)速系統(tǒng)的兩個穩(wěn)態(tài)指標(biāo)靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值（指額定負載）時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落

nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s（或電動機在一條機械特性上的額定負載時的轉(zhuǎn)速降與該機械特性的理想空載轉(zhuǎn)速之比），即或用百分數(shù)表示

（1-5）

（1-6）

式中

nN=n0-nN

調(diào)速系統(tǒng)的兩個穩(wěn)態(tài)指標(biāo)0TeNTen0an0bab?nNa

?nNb

nO圖1-8不同轉(zhuǎn)速下的靜差率靜差率與機械特性硬度的區(qū)別靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。

因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準(zhǔn)（正確理解調(diào)速范圍的靜差率中的理想空載轉(zhuǎn)速指的是穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)速對應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速，這就將調(diào)速范圍和靜差率聯(lián)系起來了）。靜差率與機械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）（3）調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系

假設(shè)：電機額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為

nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為而調(diào)速范圍為

將上面的式代入nmin，得（1-7）

式（1-7）表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，

nN值一定，由式（1-7）可見，如果對靜差率要求越嚴(yán)，即要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。

例題：某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18Ω，電動機電動勢系數(shù)Ce=0.2。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？解：當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為

這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。

如果要求D=20，s

≤

5%，則由式（1-7）可知由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。1.2.2轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

的組成及其靜特性根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。圖1-10轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnUnUcUPE+-MTGIdUnUdUcUngdtg

系統(tǒng)組成

調(diào)節(jié)原理

在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓Un

，與給定電壓Ugd

相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓

Un

，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc

，用以控制電動機轉(zhuǎn)速n。UPE的組成

圖中，UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc

。UcUd0u~ACDCUd0UcUPE的組成（續(xù)）目前，組成UPE的電力電子器件有如下幾種選擇方案：對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器（第四章討論）；對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等；對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置（本章主要討論V-M系統(tǒng)）。

穩(wěn)態(tài)分析條件

下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)

放大器

電力電子變換器

調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性

測速反饋環(huán)節(jié)

穩(wěn)態(tài)關(guān)系

穩(wěn)態(tài)關(guān)系（續(xù)）以上各關(guān)系式中

—

放大器的電壓放大系數(shù)；

—

電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；

—

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，（V·min/r）；

—UPE的理想空載輸出電壓；

—

電樞回路總電阻（主電路總的等效電阻，包括：整流裝置內(nèi)阻+電機電樞電阻）。KpKsR

Ud0

從上述五個關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式（1-8）

靜特性方程

靜特性方程（續(xù)）

式中閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為它相當(dāng)于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。電動機環(huán)節(jié)放大系數(shù)為:注意：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。KpKs

1/CeUgdUc?UnEnUd0Un++-IdR-UnKs

閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-12轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖中各方塊內(nèi)的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運用結(jié)構(gòu)圖運算法同樣可以推出式（1-8）所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動量看成兩個獨立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)求出各自的輸出與輸入關(guān)系式，b）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)c）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-E

由于已認為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式(1-8)

1.2.3開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系

比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為而閉環(huán)時的靜特性可寫成

(1-8)

(1-9)

比較式（1-8）和式（1-9）不難得出以下的論斷：（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。

在同樣的負載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為和它們的關(guān)系是

(1-10)

系統(tǒng)特性比較

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為

和

當(dāng)

n0op=n0cl

時，（1-11）

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（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。

如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時， 閉環(huán)時，

再考慮式（1-10），得(1-12)

（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即K

要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。（5）此外，應(yīng)注意，當(dāng)給定電壓相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速大大降低。

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）把以上四點概括起來，可得下述結(jié)論：結(jié)論2：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）1.2.4閉環(huán)系統(tǒng)的基本性質(zhì)轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。1.應(yīng)用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的控制系統(tǒng)從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。然而，Kp=常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。只有K=

，才能使

ncl

=0，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進行控制的。

反饋控制系統(tǒng)一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。2.閉環(huán)系統(tǒng)絕對服從于給定輸入圖1-13閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用

勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeUgdUk?UEnUdUf++--

R

3.閉環(huán)系統(tǒng)對于被包圍在負反饋環(huán)內(nèi)的一切主通道上的擾動作用都能有效地加以抑制

抗擾能力

反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。例如：Us

Ud0

n

Un

Un

n

Ud0

Uc

抗擾能力（續(xù)）

但是，如果在反饋通道上的測速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會增大被調(diào)量的誤差。例如：

Un

Un

Uc

Ud0

n

因此，反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。4.對給定電源和反饋檢測元件中的誤差無力克服

給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。檢測精度——反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測精度決定了系統(tǒng)輸出精度。1.1.2限流保護——電流截止負反饋

問題的提出起動時的沖擊電流——直流電動機全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電機換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時的沖擊電流——采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于偏差電壓，這樣的話電樞電壓很快就達到它的最大值，對電動機來說就相當(dāng)于全壓啟動。

堵轉(zhuǎn)電流——

有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。

解決辦法1）電樞串電阻起動2）引入電流截止負反饋1)電流負反饋

為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。M+-UdIdRsUi接放大器a.電流檢測與反饋

電樞回路串檢測電阻。

電流檢測與反饋電路b.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

轉(zhuǎn)速和電流負反饋系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖KpKs

1/CeUgdUk?UIdEnUd0Ufn++--

R

-

Rs

Ufic.靜特性方程與轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)特性方程相比，該式多了一項由電流反饋引起的轉(zhuǎn)速降落。d.穩(wěn)態(tài)特性采用轉(zhuǎn)速電流負反饋的調(diào)速系統(tǒng)靜特性Idbl0n0A—轉(zhuǎn)速負反饋特性B—轉(zhuǎn)速電流負反饋特性Idn'02)電流截止負反饋

考慮到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運行時應(yīng)讓電流自由地隨著負載增減。如果采用某種方法，當(dāng)電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負反饋，簡稱截流反饋。a.電流截止負反饋環(huán)節(jié)圖1-16電流截止負反饋環(huán)節(jié)a）利用獨立直流電源作比較電壓M++--UdId

RcVDUfi

Ubj接放大器Mb)利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓

UwM+-UdIdVS接放大器MUfi

RcOUiIdRs-

Ubj圖1.18電流截止負反饋環(huán)節(jié)的I/O特性

圖1.19帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖nKpKs

1/CeUgdUkUfiIdEUd0Ufn+--RRc-Ubj-++b.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)IdRs-

Ubjc.靜特性方程與特性曲線由圖1-19可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式。當(dāng)Id

≤

Idj

時，電流負反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式相同，現(xiàn)重寫于下：

當(dāng)Id

Idj時，引入了電流負反饋，靜特性變成圖1-20帶電流截止負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性IduIdjn0IdOn'0ABDC靜特性兩個特點（1）電流負反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個大電阻KpKsRc

，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。（2）比較電壓Ubj

與給定電壓U*n

的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到

這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機特性。當(dāng)挖土機遇到堅硬的石塊而過載時，電動機停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流，在上式中，令n=0，得

一般KpKsRc>>R，因此d.電流截止負反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計Idu應(yīng)小于電機允許的最大電流，一般取

Idu=（1.5~2）IN

從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機的額定電流，一般取

Idj

≥（1.1~1.2）IN本章提要本章著重討論基本的單閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計方法。1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成1.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析與設(shè)計1.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計1.4無靜差調(diào)速系統(tǒng)1.5電壓反饋電流補償控制的調(diào)速系統(tǒng)1.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分

析與設(shè)計

上一節(jié)討論了單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。顯然，從穩(wěn)態(tài)精度看，系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K越大越好。然而，由自動控制理論可知，為了保證系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，K值不能隨意增大，即在閉環(huán)系統(tǒng)中穩(wěn)與準(zhǔn)是互相矛盾的。為此，必須進一步分析系統(tǒng)的動態(tài)性能。1.3.1系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型

為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。

取數(shù)學(xué)模型的步驟建立線性系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的步驟如下：(1)根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列寫出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程；(2)求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；(3)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)。補充1：拉氏變換解：設(shè)回路電流為i(t)，由基爾霍夫電律可寫出回路方程為：定義：在零初始條件下，線性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比，稱為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，即補充2：傳遞函數(shù)補充3：系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)G(s)H(s)R(s)C(s)B(s)

開環(huán)傳遞函數(shù):

等效為主反饋斷開時，輸入信號R(s)

到反饋信號B(s)之間的傳遞函數(shù)，即

B(s)/R(s)=G(s)H(s)閉環(huán)傳遞函數(shù):傳遞函數(shù)的性質(zhì)傳遞函數(shù)是復(fù)變量S的有理真分式函數(shù)，分子多項式的次數(shù)

m低于或等于分母多項的次數(shù)n，所有系數(shù)均為實數(shù)；2)傳遞函數(shù)只取決于系統(tǒng)和元件的結(jié)構(gòu)，與輸入信號無關(guān)；3)傳遞函數(shù)與微分方程有相通性，可經(jīng)簡單置換而轉(zhuǎn)換；4)傳遞函數(shù)的拉氏反變換是系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。傳遞函數(shù)是在零初始條件下定義的，它只反應(yīng)系統(tǒng)的零狀態(tài)特性；零初始條件含義要明確。

RLCi(t)ur(t)uc(t)1)零初始條件下取拉氏變換：2）傳遞函數(shù)：a)直流電動機的傳遞函數(shù)

建立系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的微分方程和傳遞函數(shù)式中為負載電流。

Tl—電樞回路電磁時間常數(shù)(s)，Tm—電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)(s)

，

在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù):電流與電動勢間的傳遞函數(shù):動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Id(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsb)電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖E(s)Ud0(s)+-1/RTls+1Id(s)a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖+圖額定勵磁下直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n(s)1/CeUd0(s)IdL(s)

EId(s)E++--1/RTls+1RTms圖1-21整個直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1-21可以看出，直流電動機有兩個輸入量，一個是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個是負載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進行等效變換，得下圖a。如果是理想空載，則IdL

=0，結(jié)構(gòu)框圖即簡化成下圖b。

n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化a.IdL≠0n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0(s)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化（續(xù)）b.IdL=0b)晶閘管觸發(fā)電路及整流裝置構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動機。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達式是相同的，其傳遞函數(shù)近似成一階慣性環(huán)節(jié)：只是在不同場合下，放大系數(shù)Ks和失控時間Ts的數(shù)值不同而已。晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a)準(zhǔn)確的b）近似的圖晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認為是瞬時的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即

放大器測速反饋c)控制與檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)圖1-23反饋控制單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n(s)Ugd(s)IdL(s)

Uct(s)Uf(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1

+-R(Tls+1)Ud0(s)△U

(s)a)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)b)調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是

式中

K=KpKs/Ce

（1-27）

設(shè)Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是b)調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)（1-28）

由式（1-28）可知，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為

它的一般表達式為

（1-29）

1.3.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-赫爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是式（1-29）的各項系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只要：

或整理后得

式（1-30）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)Kcr，當(dāng)K≥Kcr時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。對于一個自動控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。（1-30）

補充說明穩(wěn)定是控制系統(tǒng)能夠正常運行的首要條件1、穩(wěn)定性定義定義：設(shè)一線性定常系統(tǒng)原處于某一平衡狀態(tài)，若它瞬間受到某一擾動作用而偏離了原來的平衡狀態(tài)，當(dāng)此擾動撤消后，系統(tǒng)仍能回到原有的平衡狀態(tài)，則稱該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。反之，系統(tǒng)為不穩(wěn)定。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于系統(tǒng)的固有特征（結(jié)構(gòu)、參數(shù)），與系統(tǒng)的輸入信號無關(guān)。線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件：閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根都具有負實部.（或者說閉環(huán)特征方程的根必須位于S平面的左半平面）電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充要條件1、必要條件：電動機的機械特性與負載的轉(zhuǎn)矩特性有交點(即穩(wěn)態(tài)工作點)，即存在：或者說：在交點的轉(zhuǎn)速以上存在：在交點的轉(zhuǎn)速以下存在：即：,ψ1,ψ2

分別為電動機特性與負載特性各自的切線與轉(zhuǎn)速軸的夾角。（對于恒轉(zhuǎn)矩負載，有,則一般要求tgψ1為負值。）2、充分條件：在交點處滿足于：1.概述在設(shè)計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況，這時，必須設(shè)計合適的動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時滿足動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求。1.3.3動態(tài)校正——PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計2.動態(tài)校正的方法串聯(lián)校正；并聯(lián)校正；反饋校正。而且對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動與運動控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡單，也容易實現(xiàn)。PID調(diào)節(jié)器（PIDRegulator）的類型：比例微分（PD）(Proportional–Derivative)比例積分（PI）(Proportional–Integral)比例積分微分（PID）(Proportional–Integral–Derivative)

PID調(diào)節(jié)器的功能由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后—超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。

一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器；在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用PD或PID調(diào)節(jié)器。3.系統(tǒng)設(shè)計工具

在設(shè)計校正裝置時，主要的研究工具是伯德圖（BodeDiagram），即開環(huán)對數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的性能。正因為如此，伯德圖是自動控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用中普遍使用的方法。

在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時，通常將伯德圖分成低、中、高三個頻段，頻段的分割界限是大致的，不同文獻上的分割方法也不盡相同，這并不影響對系統(tǒng)性能的定性分析。下圖繪出了自動控制系統(tǒng)的典型伯德圖。典型伯德圖從圖中三個頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個方面：0L/dB

c/s-1-20dB/dec低頻段中頻段高頻段圖1-24典型的控制系統(tǒng)伯德圖

伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好；低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高；高頻段衰減越快，即高頻特性負分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強。

以上四個方面常常是互相矛盾的。對穩(wěn)態(tài)精度要求很高時，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。設(shè)計時往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結(jié)果。4.系統(tǒng)設(shè)計要求

在實際系統(tǒng)中，動態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還要有一定的裕度，以防參數(shù)變化和一些未計入因素的影響。在伯德圖上，用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：相角裕度

和以