第10章-电力拖动自动控制系统-运动控制系统-第5版--阮毅

电力拖动自动控制系统—运动控制系统*第10章伺服系统第3篇伺服系统伺服（Servo）意味着“伺候”和“服从”。广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。伺服系统狹义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，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。内容提要伺服系统的特征及组成伺服系统控制对象的数学模型伺服系统的设计10.1伺服系统的特征及组成伺服系统的功能是使输出快速而准确地复现给定，对伺服系统具有如下的基本要求：(1)稳定性好伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡过程后，达到新的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。10.1.1伺服系统的基本要求及特征(2)精度高伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度，如精密加工的数控机床，要求很高的定位精度。(3)动态响应快动态响应是伺服系统重要的动态性能指标，要求系统对给定的跟随速度足够快、超调小，甚至要求无超调。10.1.1伺服系统的基本要求及特征(4)抗扰动能力强在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。伺服系统的特征必须具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号。功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。足够大的调速范围及足够强的低速带载性能。快速的响应能力和较强的抗干扰能力。10.1.2伺服系统的组成伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。除了位置传感器外，可能还需要电压、电流和速度传感器。10.1.2伺服系统的组成图10-1位置伺服系统结构示意图A）开环系统b）半闭环系统c）全闭环系统10.1.2伺服系统的组成伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。图10-2绝对值式编码器的码盘a)二进制码盘b)循环码码盘10.1.3伺服系统的性能指标图10-3线性位置伺服系统一般动态结构图10.1.3伺服系统的性能指标伺服系统实际位置与目标值之间的误差，称作系统的稳态跟踪误差。由系统结构和参数决定的稳态跟踪误差可分为三类：位置误差、速度误差和加速度误差。伺服系统在动态调节过程中性能指标称为动态性能指标，如超调量、跟随速度及时间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。10.1.3伺服系统的性能指标图10-4位置伺服系统的典型输入信号a）位置阶跃输入b）速度输入c）加速度输入10.1.3伺服系统的性能指标伺服系统在三种单位输入信号的作用下给定稳态误差10.2伺服系统控制对象的数学模型根据伺服电动机的种类，伺服系统可分为直流和交流两大类。伺服系统控制对象包括伺服电动机、驱动装置和机械传动机构。10.2.1直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统的执行元件为直流伺服电动机，中、小功率的伺服系统采用直流永磁伺服电动机，当功率较大时，也可采用电励磁的直流伺服电动机。直流无刷电动机与直流电动机有相同的控制特性，也可归入直流伺服系统。10.2.1直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服电动机的状态方程机械传动机构的状态方程01111dddLeULELILRdtdITJTJdtdmddtj10.2.1直流伺服系统控制对象的数学模型驱动装置的近似等效传递函数状态方程1ssKTscssdsduTKUTdtdU00110.2.1直流伺服系统控制对象的数学模型控制对象的数学模型0001111mTdLdeddldsdcssddtjCdITdtJJdICIUdtTLLdUKUudtTT10.2.1直流伺服系统控制对象的数学模型图10-5直流伺服系统控制对象结构图10.2.1直流伺服系统控制对象的数学模型采用电流闭环后，电流环的等效传递函数为惯性环节，故带有电流闭环控制的对象数学模型为*111mTdLdddiiddtjCdITdtJJdIIIdtTT10.2.1直流伺服系统控制对象的数学模型图10-6带有电流闭环控制的对象结构图10.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型用交流伺服电动机作为伺服系统的执行电动机，称作交流伺服系统。常用的交流伺服电动机有三相异步电动机、永磁式同步电动机和磁阻式步进电动机等，也可用电励磁的同步伺服电动机。无论是异步电动机，还是同步电动机，经过矢量变换、磁链定向和电流闭环控制均可等效为电流控制的直流电动机。10.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型异步电动机按转子磁链定向的数学模型为sstsmstrsmrrsrrsmstssmstsmrsmrrsrrrsmsmsmrmrrrLprstrmpLuiiLLLRLRLLLdtdiLuiiLLLRLRTLLLdtdiiTLTdtdTJniJLLndtd122212222110.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型采用电流闭环控制后，对象的数学模型为*111mTstLstststiiddtjCdiTdtJJdiiidtTT10.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型CT为包含磁链作用在内的转矩系数，电流转矩分量相当于直流电动机的电枢电流，电流闭环控制的交流伺服电动机结构图与直流电动机相仿。对于同步伺服电动机也可得到相同结论，不重复论述。10.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型采用电流闭环控制后，交流伺服系统与直流伺服系统具有相同的控制对象数学模型。称作在电流闭环控制下交、直流伺服系统控制对象的统一模型。用相同的方法设计交流或直流伺服系统。10.3伺服系统的设计伺服系统的结构因系统的具体要求而异，对于闭环伺服控制系统，常用串联校正或并联校正方式进行动态性能的调整。10.3伺服系统的设计校正装置串联配置在前向通道的校正方式称为串联校正，一般把串联校正单元称作调节器，所以又称为调节器校正。若校正装置与前向通道并行，则称为并联校正；信号流向与前向通道相同时，称作前馈校正；信号流向与前向通道相反时，则称作反馈校正。10.3.1调节器校正及其传递函数常用的调节器有比例－微分（PD）调节器、比例－积分（PI）调节器以及比例－积分－微分（PID）调节器，设计中可根据实际伺服系统的特征进行选择。PD调节器校正在系统的前向通道上串联PD调节器校正装置，可以使相位超前，以抵消惯性环节和积分环节使相位滞后而产生的不良后果。PD调节器的传递函数为()(1)PDpdWsKsPI调节器校正如果系统的稳态性能满足要求，并有一定的稳定裕量，而稳态误差较大，则可以用PI调节器进行校正。PI调节器的传递函数为1()()iPIpisWsKsPID调节器校正将PD串联校正和PI串联校正联合使用，构成PID调节器。如果合理设计则可以综合改善伺服系统的动态和静态特性。PID串联校正装置的传递函数为(1)(1)()idPIDpissWsKs10.3.2单环位置伺服系统对于直流伺服电动机可以采用单位置环控制方式，直接设计位置调节器APR。为了避免在过渡过程中电流冲击过大，应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动机。10.3.2单环位置伺服系统图10-7单环位置伺服系统APR—位置调节器UPE—驱动装置SM—直流伺服电动机BQ—位置传感器10.3.2单环位置伺服系统忽略负载转矩，直流伺服系统控制对象传递函数为机电时间常数2/()()(1)(1)seobjsmlmKjCWssTsTTsTseTmCCJRT10.3.2单环位置伺服系统图10-8直流伺服系统控制对象结构图采用PD调节器，其传递函数为()()(1)APRPDpdWsWsKs10.3.2单环位置伺服系统伺服系统开环传递函数系统开环放大系数2(1)()(1)(1)dopsmlmKsWssTsTTsTspseKKKjC10.3.2单环位置伺服系统图10-9单位置环控制直流伺服系统结构图4mlTT2121(1)(1)mlmTTsTsTsTssTTT2110.3.2单环位置伺服系统用系统的开环零点消去惯性时间常数最大的开环极点，以加快系统的响应过程。系统的开环传递函数2()(1)(1)opsKWssTsTs10.3.2单环位置伺服系统伺服系统的闭环传递函数闭环传递函数的特征方程式3222()()clssKWsTTsTTssK0)(2232KssTTsTTss10.3.2单环位置伺服系统用Routh稳定判据，为保证系统稳定，须使22TTTTKss图10-10单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性10.3.3双环伺服系统在电流闭环控制的基础上，设计位置调节器，构成位置伺服系统，位置调节器的输出限幅是电流的最大值。以直流伺服系统为例，对于交流伺服系统也适用，只须对伺服电动机和驱动装置应作相应的改动。10.3.3双环伺服系统图10-11双环位置伺服系统10.3.3双环伺服系统忽略负载转矩时，带有电流闭环控制对象的传递函数为为了消除负载扰动引起的静差，APR选用PI调节器，其传递函数2/()()(1)TobjiCjJWssTs1()()()iAPRPIpisWsWsKs10.3.3双环伺服系统图10-12双环位置伺服系统结构图10.3.3双环伺服系统系统的开环传递函数为系统的开环放大系数23(1)(1)/()()(1)(1)piiTopiiiKsKsCjJWsssTssTspTiKCKjJ10.3.3双环伺服系统伺服系统的闭环传递函数为特征方程式43(1)()icliiKsWsTssKsK430iITssKsK10.3.3双环伺服系统伺服系统的闭环传递函数为特征方程式特征方程式未出现s的二次项，由Routh稳定判据可知，系统不稳定。43(1)()icliiKsWsTssKsK430iITssKsK10.3.3双环伺服系统将APR改用PID调节器，其传递函数伺服系统的开环传递函数(1)(1)()()idAPRPIDpissWsWsKs23(1)1)(1)1)/()()(1)(1)pididTopiiiKssKssCjJWsssTssTs（（10.3.3双环伺服系统闭环传递函数系统特征方程式432(1)(1)()()idcliididKssWsTssKsKsK432()0iididTssKsKsK10.3.3双环伺服系统由Routh稳定判据求得系统稳定的条件()()(())1idiidididiidTKT10.3.3双环伺服系统图10-13采用PID控制的双环控制伺服系统开环传递函数对数幅频特性10.3.3双环伺服系统若APR仍采用PI调节器，可在位置反馈的基础上，再加上微分负反馈，即转速负反馈。图10-14带有微分负反馈的伺服系统10.3.3双环伺服系统图10-15带有微分负反馈的伺服系统结构图10.3.4三环伺服系统在调速系统的基础上，再设一个位置环，形成三环控制的位置伺服系统。图10-16三环位置伺服系统APR—位置调节器ASR—转速调节器ACR—电流调节器BQ—光电位置传感器DSP—数字转速信号形成环节10.3.4三环伺服系统直流转速闭环控制系统按典型II型系统设计，开环传递函数矢量控制系统开环传递函数2(1)()(1)NnnopnKsWssTs22(1)/(1)()(1)(1)nTnNnnopniikCsJKsWssTssTs两者结构相同。10.3.4三环伺服系统图10-17直流转速环结构