电力拖动自动控制系统第10课.ppt

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1、第六章第六章 伺服系统伺服系统电气传动控制系统电气传动控制系统电气传动控制系统电气传动控制系统Electrical Drive Control SystemElectrical Drive Control System伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统自动化专业、电气工程专业选修课自动化专业、电气工程专业选修课2021/9/211第六章第六章 伺服系统伺服系统第六章第六章 伺服系统伺服系统6 6-1 1 伺服系统伺服系统的的特征特征及及组成组成本本 章章 小小 结结6 6-2 2 伺服系统伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型6 6-3 3 伺服系统伺服系统的的设计设计特征及组成特征及组成

2、2021/9/212第六章第六章 伺服系统伺服系统前前 言言n伺服（伺服（Servo）意味着）意味着“伺候伺候”和和“服从服从”。n广义的广义的伺服系统伺服系统是精确地跟踪或复现某个给是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作定过程的控制系统，也可称作随动系统随动系统。n狹义狹义伺服系统伺服系统又称又称位置随动系统位置随动系统，其被控制，其被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移量（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

3、的变化。准确地复现给定量的变化。2021/9/213第六章第六章 伺服系统伺服系统概概 述述n伺服系统伺服系统的功能是使输出快速而准确地复现的功能是使输出快速而准确地复现给定，对给定，对伺服系统伺服系统具有如下的基本要求：具有如下的基本要求：稳定性好稳定性好 伺服系统在给定输入和外界干扰下，能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，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。或者恢复到原先的平衡状态。精度高精度高 伺服系统的精度是指输出量跟随给定值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，要求的精确程度，如精密加工的

4、数控机床，要求很高的定位精度。很高的定位精度。动态响应快动态响应快 动态响应是伺服系统重要的动态性能指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。调小，甚至要求无超调。抗扰动能力强抗扰动能力强 在各种扰动作用时，系统输出动态变化在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复时间快，振荡次数少，甚至要求无小，恢复时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。振荡。2021/9/214第六章第六章 伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统的的特征特征n必须具备高精度的传感器，能准确地给出必须具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电

5、信号。输出量的电信号。n功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。n足够大的调速范围及足够强的低速带载性足够大的调速范围及足够强的低速带载性能。能。n快速的响应能力和较强的抗干扰能力。快速的响应能力和较强的抗干扰能力。2021/9/215第六章第六章 伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统的的组成组成n伺伺服服系系统统由由伺伺服服电电动动机机、功功率率驱驱动动器器、控控制制器器和和传传感感器器四四大大部部分组成。分组成。n除除了了位位置置传传感感器器外外，可可能能还还需需要要电电压压、电电流和速度传感器。流和速度传感器。图图9-1 位置伺服系统结构示意图位置伺服系统

6、结构示意图A）开环系统）开环系统 b）半闭环系统）半闭环系统 c）全闭环系统）全闭环系统2021/9/216第六章第六章 伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统的的组成组成n旋转编码器旋转编码器图图9-2 绝对值式编码器的码盘绝对值式编码器的码盘a)二进制码盘二进制码盘 b)循环码码盘循环码码盘2021/9/217第六章第六章 伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统的的性能指标性能指标n伺伺服服系系统统的的实实际际位位置置与与目目标标值值之之间间的的误误差差，称作系统的称作系统的稳态跟踪误差稳态跟踪误差。n由由系系统统结结构构和和参参数数决决定定的的稳稳态态跟跟踪踪误误差差可可分分为两类：检测误差与系统误

7、差。为两类：检测误差与系统误差。n伺伺服服系系统统在在动动态态调调节节过过程程中中性性能能指指标标称称为为动动态态性性能能指指标标，如如超超调调量量、跟跟随随速速度度及及时时间间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。2021/9/218第六章第六章 伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统的的性能指标性能指标图图9-4 位置伺服系统的典型输入信号位置伺服系统的典型输入信号a）位置阶跃输入）位置阶跃输入 b）速度输入）速度输入 c）加速度输入）加速度输入2021/9/219第六章第六章 伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统的的性能指标性能指标n伺伺服服系系统统在在三三种种单单

8、位位输输入入信信号号的的作作用用下下给给定定稳态误差：稳态误差：2021/9/2110第六章第六章 伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统的的动态结构图动态结构图图图9-3 线性位置伺服系统一般动态结构图线性位置伺服系统一般动态结构图2021/9/2111第六章第六章 伺服系统伺服系统第六章第六章 伺服系统伺服系统6 6-1 1 伺服系统伺服系统的的特征特征及及组成组成本本 章章 小小 结结6 6-2 2 伺服系统伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型6 6-3 3 伺服系统伺服系统的的设计设计数学模型数学模型2021/9/2112第六章第六章 伺服系统伺服系统概概 述述n根根据据伺伺服服电电

9、动动机机的的种种类类，伺伺服服系系统统可可分分为为直流和交流两大类。直流和交流两大类。n伺伺服服系系统统控控制制对对象象包包括括伺伺服服电电动动机机、驱驱动动装置和机械传动机构。装置和机械传动机构。2021/9/2113第六章第六章 伺服系统伺服系统直流伺服系统直流伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型n直直流流伺伺服服系系统统的的执执行行元元件件为为直直流流伺伺服服电电动动机机，中中、小小功功率率的的伺伺服服系系统统采采用用直直流流永永磁磁伺伺服服电电动动机机，当当功功率率较较大大时时，也也可可采采用用电电励磁的直流伺服电动机。励磁的直流伺服电动机。n直直流流无无刷刷电电动动机机与与直

10、直流流电电动动机机有有相相同同的的控控制特性，也可归入直流伺服系统。制特性，也可归入直流伺服系统。2021/9/2114第六章第六章 伺服系统伺服系统直流伺服系统直流伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型n直流伺服电动机的状态方程直流伺服电动机的状态方程n机械传动机构的状态方程机械传动机构的状态方程 Id：电枢电流：电枢电流R：包括驱动器内阻的电枢回：包括驱动器内阻的电枢回路电阻路电阻L：电枢回路电感：电枢回路电感2021/9/2115第六章第六章 伺服系统伺服系统直流伺服系统直流伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型n驱动装置的近似等效传递函数驱动装置的近似等效传递函数n状态方程

11、状态方程 2021/9/2116第六章第六章 伺服系统伺服系统直流伺服系统直流伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型n控制对象的数学模型控制对象的数学模型 2021/9/2117第六章第六章 伺服系统伺服系统直流伺服系统直流伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型图图9-5 直流伺服系统控制对象结构图直流伺服系统控制对象结构图2021/9/2118第六章第六章 伺服系统伺服系统直流伺服系统直流伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型n采采用用电电流流闭闭环环后后，电电流流环环的的等等效效传传递递函函数数为为惯惯性性环环节节，故故带带有有电电流流闭闭环环控控制制的的对对象象数学模型

12、为数学模型为2021/9/2119第六章第六章 伺服系统伺服系统直流伺服系统直流伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型图图9-6 带有电流闭环控制的对象结构图带有电流闭环控制的对象结构图2021/9/2120第六章第六章 伺服系统伺服系统交流伺服系统交流伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型n用用交交流流伺伺服服电电动动机机作作为为伺伺服服系系统统的的执执行行电电动机，称作交流伺服系统。动机，称作交流伺服系统。n常常用用的的交交流流伺伺服服电电动动机机有有三三相相异异步步电电动动机机、永永磁磁式式同同步步电电动动机机和和磁磁阻阻式式步步进进电电动动机机等等，也可用电励磁的同步伺服电

13、动机。也可用电励磁的同步伺服电动机。n无无论论是是异异步步电电动动机机，还还是是同同步步电电动动机机，经经过过矢矢量量变变换换、磁磁链链定定向向和和电电流流闭闭环环控控制制均均可等效为电流控制的直流电动机。可等效为电流控制的直流电动机。2021/9/2121第六章第六章 伺服系统伺服系统交流伺服系统交流伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型n异步电动机按转子磁链定向的数学模型为异步电动机按转子磁链定向的数学模型为2021/9/2122第六章第六章 伺服系统伺服系统交流伺服系统交流伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型n采用电流闭环控制后，对象的数学模型为采用电流闭环控制后，对象的数

14、学模型为2021/9/2123第六章第六章 伺服系统伺服系统交流伺服系统交流伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型nCT 为为包包含含磁磁链链作作用用在在内内的的转转矩矩系系数数，电电流流转转矩矩分分量量相相当当于于直直流流电电动动机机的的电电枢枢电电流流，电电流流闭闭环环控控制制的的交交流流伺伺服服电电动动机机结结构构图图与与直流电动机相仿。直流电动机相仿。n对对于于同同步步伺伺服服电电动动机机也也可可得得到到相相同同结结论论，不重复论述。不重复论述。n采采用用电电流流闭闭环环控控制制后后，交交流流伺伺服服系系统统与与直直流伺服系统具有相同的控制对象数学模型。流伺服系统具有相同的控制对

15、象数学模型。n称称作作在在电电流流闭闭环环控控制制下下交交、直直流流伺伺服服系系统统控制对象的统一模型。控制对象的统一模型。n用相同的方法设计交流或直流伺服系统。用相同的方法设计交流或直流伺服系统。2021/9/2124第六章第六章 伺服系统伺服系统第六章第六章 伺服系统伺服系统6 6-1 1 伺服系统伺服系统的的特征特征及及组成组成本本 章章 小小 结结6 6-2 2 伺服系统伺服系统控制对象控制对象的的数学模型数学模型6 6-3 3 伺服系统伺服系统的的设计设计工程设计工程设计2021/9/2125第六章第六章 伺服系统伺服系统概概 述述n伺伺服服系系统统的的结结构构因因系系统统的的具具体

16、体要要求求而而异异，对对于于闭闭环环伺伺服服控控制制系系统统，常常用用串串联联校校正正或或并并联联校校正正方方式式进行动态性能的调整。进行动态性能的调整。n校校正正装装置置串串联联配配置置在在前前向向通通道道的的校校正正方方式式称称为为串串联联校校正正，一一般般把把串串联联校校正正单单元元称称作作调调节节器器，所所以以又称为又称为调节器校正调节器校正。n若若校校正正装装置置与与前前向向通通道道并并行行，则则称称为为并并联联校校正正；信信号号流流向向与与前前向向通通道道相相同同时时，称称作作前前馈馈校校正正；信信号流向与前向通道相反时，则称作号流向与前向通道相反时，则称作反馈校正反馈校正。202

17、1/9/2126第六章第六章 伺服系统伺服系统调节器校正调节器校正及其及其传递函数传递函数n常常用用的的调调节节器器有有比比例例微微分分（PD）调调节节器器、比比例例积积分分（PI）调调节节器器以以及及比比例例积积分分微微分分（PID）调调节节器器，设设计计中中可可根据实际根据实际伺服系统伺服系统的特征进行选择。的特征进行选择。2021/9/2127第六章第六章 伺服系统伺服系统PD 调节器调节器校正校正n在在系系统统的的前前向向通通道道上上串串联联 PD 调调节节器器校校正正装装置置，可可以以使使相相位位超超前前，以以抵抵消消惯惯性性环环节节和和积积分分环环节节使使相相位位滞滞后后而而产产生

18、生的的不不良后果。良后果。nPD 调节器调节器的的传递函数传递函数为为2021/9/2128第六章第六章 伺服系统伺服系统PI 调节器调节器校正校正n如果系统的稳态性能满足要求，并有一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，则可定的稳定裕量，而稳态误差较大，则可以用以用 PI 调节器调节器进行校正。进行校正。nPI 调节器调节器的的传递函数传递函数为为2021/9/2129第六章第六章 伺服系统伺服系统PID 调节器调节器校正校正n将将 PD 串联校正和串联校正和 PI 串联校正联合使串联校正联合使用，构成用，构成 PID 调节器调节器。n如果合理设计则可以综合改善伺服

19、系统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。的动态和静态特性。nPID 串联校正装置的串联校正装置的传递函数传递函数为为2021/9/2130第六章第六章 伺服系统伺服系统单环位置单环位置伺服系统伺服系统n对对于于直直流流伺伺服服电电动动机机可可以以采采用用单单位位置置环环控控制方式，直接设计位置调节器制方式，直接设计位置调节器 APR。n为为了了避避免免在在过过渡渡过过程程中中电电流流冲冲击击过过大大，应应采采用用电电流流截截止止反反馈馈保保护护，或或者者选选择择允允许许过过载倍数比较高的伺服电动机。载倍数比较高的伺服电动机。2021/9/2131第六章第六章 伺服系统伺服系统单

20、环位置单环位置伺服系统伺服系统图图9-7 单环位置伺服系统单环位置伺服系统APR位置调节器位置调节器 UPE驱动装置驱动装置SM直流伺服电动机直流伺服电动机 BQ位置传感器位置传感器2021/9/2132第六章第六章 伺服系统伺服系统单环位置单环位置伺服系统伺服系统n忽忽略略负负载载转转矩矩，直直流流伺伺服服系系统统控控制制对对象象传传递函数为递函数为n机电时间常数机电时间常数 2021/9/2133第六章第六章 伺服系统伺服系统单环位置单环位置伺服系统伺服系统图图9-8 直流伺服系统控制对象结构图直流伺服系统控制对象结构图n采用采用 PD 调节器调节器，其，其传递函数传递函数为为2021/9

21、/2134第六章第六章 伺服系统伺服系统单环位置单环位置伺服系统伺服系统n伺服系统开环传递函数伺服系统开环传递函数 n系统开环放大系数系统开环放大系数 2021/9/2135第六章第六章 伺服系统伺服系统单环位置单环位置伺服系统伺服系统图图9-9 单位置环控制直流伺服系统结构图单位置环控制直流伺服系统结构图?2021/9/2136第六章第六章 伺服系统伺服系统单环位置单环位置伺服系统伺服系统n用用系系统统的的开开环环零零点点消消去去惯惯性性时时间间常常数数最最大大的开环极点，以加快系统的响应过程。的开环极点，以加快系统的响应过程。n系统的开环传递函数系统的开环传递函数2021/9/2137第六

22、章第六章 伺服系统伺服系统单环位置单环位置伺服系统伺服系统n伺服系统的闭环传递函数伺服系统的闭环传递函数n闭环传递函数的特征方程式闭环传递函数的特征方程式 2021/9/2138第六章第六章 伺服系统伺服系统单环位置单环位置伺服系统伺服系统图图9-10 单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性n用用 Routh 稳稳定定判判据据，为为保保证证系系统统稳稳定定，须使须使:2021/9/2139第六章第六章 伺服系统伺服系统双环位置双环位置伺服系统伺服系统n在在电电流流闭闭环环控控制制的的基基础础上上，设设计计位位置置调调节节器器，构构成成位位置置伺伺服服系

23、系统统，位位置置调调节节器器的的输输出限幅是电流的最大值。出限幅是电流的最大值。n以以直直流流伺伺服服系系统统为为例例，对对于于交交流流伺伺服服系系统统也也适适用用，只只须须对对伺伺服服电电动动机机和和驱驱动动装装置置应应作相应的改动。作相应的改动。2021/9/2140第六章第六章 伺服系统伺服系统双环位置双环位置伺服系统伺服系统图图9-11 双环位置伺服系统双环位置伺服系统2021/9/2141第六章第六章 伺服系统伺服系统双环位置双环位置伺服系统伺服系统n忽忽略略负负载载转转矩矩时时，带带有有电电流流闭闭环环控控制制对对象象的的传递函数传递函数为为n为为了了消消除除负负载载扰扰动动引引起

24、起的的静静差差，APR 选选用用 PI 调节器调节器，其传递函数，其传递函数2021/9/2142第六章第六章 伺服系统伺服系统双环位置双环位置伺服系统伺服系统图图9-12 双环位置伺服系统结构图双环位置伺服系统结构图n系统的开环传递函数为系统的开环传递函数为n系统的开环放大系数系统的开环放大系数 2021/9/2143第六章第六章 伺服系统伺服系统双环位置双环位置伺服系统伺服系统n伺服系统的伺服系统的闭环传递函数闭环传递函数为为n特征方程式特征方程式n特特征征方方程程式式未未出出现现 s 的的二二次次项项，由由 Routh 稳稳定定判据可知，判据可知，系统不稳定系统不稳定。2021/9/21

25、44第六章第六章 伺服系统伺服系统双环位置双环位置伺服系统伺服系统n将将 APR 改用改用 PID 调节器调节器，其，其传递函数传递函数n伺服系统的伺服系统的开环传递函数开环传递函数 2021/9/2145第六章第六章 伺服系统伺服系统双环位置双环位置伺服系统伺服系统n闭环传递函数闭环传递函数n系统特征方程式系统特征方程式2021/9/2146第六章第六章 伺服系统伺服系统双环位置双环位置伺服系统伺服系统n由由 Routh 稳定判据求得系统稳定的条件稳定判据求得系统稳定的条件 图图9-13 采用采用PID控制的双环控制伺服系统控制的双环控制伺服系统开环传递函数对数幅频特性开环传递函数对数幅频特

26、性2021/9/2147第六章第六章 伺服系统伺服系统双环位置双环位置伺服系统伺服系统n若若 APR 仍采用仍采用 PI 调节器，可在位置反馈的调节器，可在位置反馈的基础上，再加上微分负反馈，即基础上，再加上微分负反馈，即转速负反馈转速负反馈。图图9-14 带有微分负反馈的伺服系统带有微分负反馈的伺服系统 2021/9/2148第六章第六章 伺服系统伺服系统双环位置双环位置伺服系统伺服系统图图9-15 带有微分负反馈的伺服系统结构图带有微分负反馈的伺服系统结构图2021/9/2149第六章第六章 伺服系统伺服系统三环位置三环位置伺服系统伺服系统n在调速系统的基础上，再设一个位置环，形在调速系统

27、的基础上，再设一个位置环，形成成三环控制三环控制的的位置伺服系统位置伺服系统。图图9-16 三环位置伺服系统三环位置伺服系统APR位置调节器位置调节器 ASR转速调节器转速调节器 ACR电流调节器电流调节器BQ光电位置传感器光电位置传感器 DSP数字转速信号形成环节数字转速信号形成环节2021/9/2150第六章第六章 伺服系统伺服系统三环位置三环位置伺服系统伺服系统n直流转速闭环控制系统按直流转速闭环控制系统按典型典型 II 型系统型系统设计，设计，开环传递函数开环传递函数 n矢量控制系统开环传递函数矢量控制系统开环传递函数n两者结构相同。两者结构相同。2021/9/2151第六章第六章 伺

28、服系统伺服系统三环位置三环位置伺服系统伺服系统图图9-17 直流转速环结构图直流转速环结构图图图9-18 矢量控制系统结构示意图矢量控制系统结构示意图2021/9/2152第六章第六章 伺服系统伺服系统三环位置三环位置伺服系统伺服系统图图9-19 位置环的控制对象结构图位置环的控制对象结构图图图9-20 位置闭环控制结构图位置闭环控制结构图 2021/9/2153第六章第六章 伺服系统伺服系统三环位置三环位置伺服系统伺服系统n位置环控制对象的传递函数位置环控制对象的传递函数n开环传递函数开环传递函数 2021/9/2154第六章第六章 伺服系统伺服系统三环位置三环位置伺服系统伺服系统n给给定定

29、输输入入为为阶阶跃跃时时，APR 选选用用 P 调调节节器器就就可可实实现现稳稳态态无无静静差差，则则系系统统的的开开环环传传递递函数函数n开环放大系数开环放大系数 2021/9/2155第六章第六章 伺服系统伺服系统三环位置三环位置伺服系统伺服系统n伺服系统的闭环传递函数伺服系统的闭环传递函数n特征方程式特征方程式 2021/9/2156第六章第六章 伺服系统伺服系统三环位置三环位置伺服系统伺服系统n用用 Routh 稳稳定定判判据据，可可求求得得系系统统的的稳稳定定条条件件 2021/9/2157第六章第六章 伺服系统伺服系统复合控制复合控制的的伺服系统伺服系统n为了提高随动性能，从给定信

30、号直接引出开为了提高随动性能，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，构环的前馈控制，和闭环的反馈控制一起，构成复合控制系统成复合控制系统 图图9-21 复合控制位置伺服系统的结构原理图复合控制位置伺服系统的结构原理图2021/9/2158第六章第六章 伺服系统伺服系统复合控制复合控制的的伺服系统伺服系统n前馈控制器的传递函数选为前馈控制器的传递函数选为n得到得到 2021/9/2159第六章第六章 伺服系统伺服系统复合控制复合控制的的伺服系统伺服系统n理理想想的的复复合合控控制制随随动动系系统统的的输输出出量量能能够够完完全全复复现现给给定定输输入入量量，其其稳稳态态和和动动

31、态态的的给给定定误差都为零。误差都为零。n系统对给定输入实现了系统对给定输入实现了“完全不变性完全不变性”。n需要引入输入信号的各阶导数作为前馈控需要引入输入信号的各阶导数作为前馈控制信号，但同时会引入高频干扰信号，严制信号，但同时会引入高频干扰信号，严重时将破坏系统的稳定性，这时不得不再重时将破坏系统的稳定性，这时不得不再加上滤波环节。加上滤波环节。2021/9/2160第六章第六章 伺服系统伺服系统本本 章章 小小 结结本本章章介介绍绍了了伺伺服服系系统统的的基基本本要要求求和和特特征征、伺伺服服系系统统的的构构成成及几种常用的位置传感器。及几种常用的位置传感器。本本章章分分析析了了在在不不同同的的给给定定和和扰扰动动的的作作用用下下伺伺服服系系统统的的跟跟随随能力，为伺服系统控制器结构设计奠定了基础。能力，为伺服系统控制器结构设计奠定了基础。本本章章介介绍绍伺伺服服系系统统控控制制对对象象的的数数学学模模型型，得得到到电电流流闭闭环环控控制下交、直流伺服系统控制对象的统一模型。制下交、直流伺服系统控制对象的统一模型。最最后后介介绍绍了了伺伺服服系系统统的的设设计计方方法法，并并讨讨论论了了伺伺服服系系统统稳稳定定运行的条件。运行的条件。2021/9/2161