毕业设计（论文）单闭环不可逆直流调速系统的静态指标和稳定性.doc

郑州大学西亚斯国际学院本科毕业设计题 目 ：单闭环不可逆直流调速系统的静态指标和稳定性指导教师 ： 职称：副教授学生姓名 ： 学号 ：专 业 ：自动化 班级 ：一班院（系） ：电子信息工程学院电子工程系完成时间 ：2009年4月25日闭环不可逆直流调速系统的稳定性和静态分析摘要本文主要研究直流电机闭环控制系统的静态特性和稳定性，在研究过程中，转速变化的电压信号作为反馈信号，经转速变换后接到速度调节器的输入端，与给定的电压相比较经放大后，得到移相控制电压Uct，用作控制整流桥的触发电路，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。本设计的目的主要是在实验的基础上来研究和分析闭环控制的性能指标，进而和开环控制进行比较。为了更具体的分析系统的性能指标，将解析法与实验法相结合建立闭环控制的数字模型。在这个基础上对系统的稳态误差，超调量和调节时间进行分析；然后通过实验对闭环系统的稳态误差，超调量和调节时间进行了验证；证明本系统完全符合实验要求。并且验证了闭环系统比开环系统稳定这一事实。在实验过程中，速度调节器采用了比例积分调节，消除了在比例调节器因阶跃输入产生的稳态误差，从而达到精确控制的目的。关键词 直流电机调速/速度反馈/闭环控制/稳定性Closed-Loop DC Speed Control System irreversible stability and static analysis AbstractThis paper studies the closed-loop DC motor control system of static characteristics and stability, in the course of the study, changes in speed feedback voltage signal as a signal received by the speed of the speed of transformation input regulator and given by the voltage comparison After amplification, the phase shifter control voltage , rectifier bridge to control the trigger circuit, the trigger pulse by the amplifier is added after the thyristor between the gate and cathode to change the “three-phase full-controlled rectifier" the output voltage This constitutes a negative feedback closed-loop system speed. The main purpose of this design is the basis of experimental research and analysis of closed-loop control performance indicators and then compares the open-loop control. To be more specific analysis of performance indicators, will be analytical method combined with the experimental establishment of closed-loop control of the digital model. On this basis the system of steady-state error, overshoot and settling time for analysis; and then the closed-loop system through experiments on the steady-state error, overshoot and settling time are verified; prove that the system is fully in line with the experimental requirements. And verify the closed-loop system stability than open-loop system that fact. In the experimental process, the speed regulator using a proportional-integral regulation, eliminating the regulator in the proportion of step input generated by steady-state error, so as to achieve the purpose of precise control.Key words DC motor speed control / speed feedback / closed-loop control / stability目 录摘要IAbstractII1. 绪论11.1直流调速系统的基本概念11.1.1 直流调速系统的调速方法11.1.2 直流调速系统的供电方式21.2转速负反馈不可逆直流调速的基本原理22 单闭环不可逆直流调速系统各部分介绍42.1 晶闸管的介绍42.2 开环与闭环的静特性分析比较52. 3 调节器73 单闭环不可逆直流调速系统的研究103.1 直流调速系统的设计要求103.2转速负反馈不可逆直流调速的基本原理及线路图113.3单闭环调速系统的数学模型123.4.闭环系统的稳定性判断153.5 调速系统的静态指标153.6 动态指标184试验数据分析与结果194.1稳态误差超调量及调节时间的测定194.2误差分析214.3调速系统的机械特性及稳定性分析215结 论23致 谢25参考文献261. 绪论1957年，晶闸管（俗称可控硅整流元件，简称可控硅）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，使变流技术产生根本性的变革，开始进入晶闸管时代。到今天，晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统）已经成为直流调速系统的主要形式。直流电动机闭环调速系统在工程中应用广泛，为了使系统具有良好的稳定性必须对系统进行设计。特别是大型的钢铁行业和材料生产行业，为达到很高的控制精度，速度的稳定性，调速范围等要求，又由于交流调速在当时尚未解决好调速控制问题，调速范围不大，控制精度低，快速性差等性能指标不满足生产工艺的要求，所以当时大量使用的是直流电动机调速系统，它具有调速性能好，范围宽，动态性能好等优点，特别是设计简单方便，虽然随着控制技术以及电力电子技术的发展，制造工艺技术的提高，大量出现交流调速的传动系统，但直流传动所具有的优点特征，至今仍大量广泛地使用直流调速。在此本人将对单闭环不可逆直流调速系统的静态指标和稳定性进行分析。1.1直流调速系统的基本概念电气传动主要分为直流电气传动和交流电气传动两大类，它们分别采用直流、交流电动机为动力的传动。直流电动机虽不如交流电动机结构简单、制造方便、维护容易、价格便宜等，但是由于直流电动机具有良好的起动、制动性能和调速性能，可以方便地在很宽的范围内平滑调速，因此在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、大型起重机、金属切削机床、造纸机等调速性能要求较高的电力拖动领域中得到了广泛应用。近年来，交流调速系统发展很快，而直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流调速系统的基础。所以掌握好直流调速系统是很重要的。1.1.1 直流调速系统的调速方法直流他励电动机的转速公式可用下式表示式中 n转速；单位r/min 。 Ud电枢电压； Id电枢电流； Rd电枢回路电阻； 励磁磁通； Ke由电动机结构决定的电动势系数。 由此可见，直流电动机的调速方法有三种：（1）改变电枢电压调压调速。（2）改变电枢回路电阻串电阻调速。（3）改变励磁磁通弱磁调速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统采用的主要调速方式。1.1.2 直流调速系统的供电方式调节电动机的电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。早在20世纪40年代，采用电动机发电机机组（又称放大机控制的发电机电动机组系统）向直流电动机供电。但它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。其主要缺点是污染环境，危害人体健康。60年代初，大功率晶闸管投入使用，采用晶闸管可控整流器向直流电动机供电，随着晶闸管变流技术的日渐成熟，使直流调速系统更加完善。目前，用晶闸管变流器控制的他励直流电动机，是工业应用最广泛的电动机传动系统。1.2转速负反馈不可逆直流调速的基本原理在调速系统中增加了转速检测环节（测速发电机TG和反馈电位器RP2）和放大环节。测速发电机TG和电动机同轴连接，TG检测到电动机转速，并变换成与之成正比的电压，再经电位器衰减为反馈电压Ufn，引至放大器的输入端与转速给定电压Usn比较，得到偏差电压U，经过放大器放大后得到输出电压Uk，用Uk控制晶闸管触发器的控制角，使晶闸管整流装置变换出不同的直流电压Udo，用以控制电动机的转速。因为只有转速反馈环，所以称为单闭环转速负反馈调速系统。图1为转速负反馈有静差直流调速系统1、 系统的自动调节过程当电动机的转速n由于某种原因（例如机械负载转矩TL增加）而下降时，转速负反馈环节将进行自动调节，其调节过程如下：TLn Ufn U=Usn-Ufn Uk 脉冲前移Ud n由此可见，转速负反馈环节是通过转速负反馈电压Ufn的下降，使偏差电压U增加，经过放大后，提高晶闸管的输出电压Ud，使转速n回升，从而减小稳态速降。当放大器为比例调节器时，触发器的控制电压Uk整流平均电压Ud0由偏差量U决定，如果稳态误差为零，则U=0，因而Uk、Ud0均为零，电动机就不可能旋转。所以具有比例放大器的调速系统一定是有差的。2、 闭环系统的稳态数学模型（1） 稳态框图单闭环系统中的各种稳态关系如下： 放大器：U=Usn-Ufn Uk=KpU式中 Kp为放大器的放大倍数 触发器和晶闸管整流装置：Udo=KtrUk式中 Ktr为触发器和晶闸管整流装置的放大倍数 电动机：其中， 反馈环节：Ufn=nn图2转速负反馈调速系统稳态框图式中 n为速度负反馈系数。根据上述关系式，得到系统的稳态框图上图所示。2 单闭环不可逆直流调速系统各部分介绍2.1 晶闸管的介绍目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统（即晶闸管电动机调速系统，简称V-M系统，又称静止Ward-Leonard系统）已经成为直流调速系统的主要形式。图4所示是V-M系统的原理框图，图中V是晶闸管可控整流器，它可以是任意一种整流电路，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而改变整流输出电压平均值，实现电动机的平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流相比，晶闸管整流不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上显示出很大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数大约在，控制功率小，有利于微电子技术引入到强电领域；在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系统的动态性能。但是，晶闸管整流器也有它的缺点，主要表现在以下方面：（1）晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。（2）晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。（3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因素很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“电力公害”。为此，应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。（4）晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，而且呈现出显著的非线性。图3 晶闸管电动机调速系统原理框图图4开环直流调速系统2.2 开环与闭环的静特性分析比较1系统的组成1）直流电动机 直流电动机有两个独立的电路，一个是电枢回路，另一个是励磁回路。直流电动机各物理量间的基本关系式如下： 当电动机处于稳态运行时，did/dt=0，dn/dt=0，上式可写成 或 图4是最简单的晶闸管直流电动机开环调速系统。其中，UC是系统的给定输入信号，经过触发电路控制晶闸管整流电路，使外界交流电源整流出直流电压Udo供给直流电动机，使电动机以一定的速度旋转。改变控制电压UC就可触发器的脉冲控制角及整流电压Udo，相应改变电动机的转速，从而达到调速的目的。这时电动机的机械特性为： （1）其中 系统的开环稳态速降。 开环系统当给定输入信号一定时，经过触发电路控制晶闸管整流电路，使交流电源整流出直流电压Udo也是恒定的，电动机就以恒定的速度旋转。但当外界有扰动（例如负载波动）时，转速就有较大的波动，而开环系统不能自动进行补偿。为了满足技术指标要求，这时应考虑采用闭环控制系统。根据图2所示转速负反馈有静差调速系统的稳态框图可得到系统的静特性方程式为 （2）式中的nc为闭环系统的稳态速降，Kn=KpKtrKmn为转速负反馈系统的开环放大倍数。比较系统的开环和闭环静特性方程式，即式（1）和式（2）可以得出结论：加转速负反馈后，由IdR引起的转速降nc是开环系统转速降no的1/（1+Kn）倍，这是闭环系统的突出优点。适当提高系统的开环放大倍数Kn，可以把系统的稳态速降减小到允许范围内，提高机械特性硬度。下面分析闭环后使机械特性变硬的物理实质。直流调速系统的稳态速降是由电枢回路中电枢电阻R压降引起的，构成闭环系统后这个压降并没有改变。在开环系统中，当负载电流增大后时，电动机的转速将随电枢回路电阻压降的增大而降低。而在闭环系统中，由于引入转速负反馈，转速稍有下降，反馈电压也随之减少，通过放大器的比较和放大，提高晶闸管整流装置的输出电压Udo，使系统工作在新的机械特性上，因而转速能有所回升，使得闭环系统的稳态速降比开环时小得多。由于这种自动调节作用，每增加一点负载，就相应提高一点整流电压，也就改变一条开环机械特性。闭环系统静特性就是在每条开环机械特性上取得一个相应的工作点，再由这些点集合而成。如图5所示。图5闭环系统静特性和开环机械特性关系2. 3 调节器1 比例（P）调节器电路如图6a所示。（1）输入与输出关系 Kp=R1/R0图6比例调节器输入与输出特性曲线如图6b所示。（2） 特点 输出电压与输入电压成正比。图7比例系数可调的比例调节器 输出量立即响应输入量的变化。（3） 比例系数可调的比例调节器电路如图7所示。把A点看作虚地，根据模拟电子技术知识可得由ifi0 得由分压电路知整理上面两式得 其中通过上式可见，调节电位器R2可使增益在K1(1+R2/R3)K1之间变化。2比例积分（PI）调节器电路如图8a所示。（1）输入与输出关系 其中U01为初始值输入与输出特性曲线如图8b所示。图8比例积分调节器 图9 PI调节器的调节作用（2）特点 输出量立即响应输入量的变化响应快。当输入不等于零时，其输出量将不断增长，直到输入为零，输出恒定为止消除偏差。由于比例积分调节器中含有积分环节，所以当偏差电压U不为零时，积分环节将会使输出量继续随时间积累下去，系统仍将处于调节过程之中，直到偏差电压U=0时，系统才能重新处于平衡状态。也就是说，此系统在稳态时，其偏差电压U=0。系统的抗扰动调节过程如图9：稳态时，对应于给定电压Usn1及负载转矩Tl1 ，其稳态转速为n1，此时调节器的输入电压U=Usn1-Ufn1=0，而调节器的输出电压Uk由于积分作用保持在Uk1，使晶闸管输出电压为Ud01，以维持电动机在给定转速n1下运转。当负载转矩由TL1突增至TL2时，电动机转速下降，反馈电压Ufn也要下降，PI调节器的输入端出现了偏差电压U=Usn-Ufn。它的输出端有两个分量，其中比例输出分量的数值与U成正比，等于KpU，使晶闸管整流输出电压Ud0有了较大的增长，它首先阻止转速n的下降，并继而使转速n回升。随着转速n的回升，U也随之减少，比例的作用开始减小。调节器的积分分量是U的积分。开始时由于经历的时间较短，所以积分部分比较小，随着时间的积累也随之加大。它使晶闸管输出电压逐渐增加，它将使转速n进一步回升。而且只要转速n还没有回升到原值，则将继续增加，直到转速回复到原值，U=0为止。由此可见，在扰动调节过程的初、中期，速降n较大，U也较大，与U成正比的比例分量起主要作用，它首先阻止转速进一步下降，使转速回升。中间阶段，两个分量同时起作用，到了调节过程的后期，转速已逐渐回升，速降n已减小，比例部分几乎不起作用，而积分部分经过一段时间的积累，逐渐增大，起主要作用，并依靠它最后消除偏差。3 单闭环不可逆直流调速系统的研究3.1 直流调速系统的设计要求各类不同的生产机械，由于其具体的生产工艺过程不同，对控制系统的性能要求也是不同的。但归纳起来有以下三个方面。（1） 调速方式：在一定的范围内实现有级或无级地调节转速。调速系统的转向若要求正、反转，则为可逆调速系统，若只要求单向运转，则为不可逆调速系统。（2） 稳定性：以一定的精度在要求的转速上稳定运行，尽可能不受外部或内部扰动的影响，以确保产品质量。（3）动态指标：良好的起、制动性能 对于频繁起、制动的设备要求尽可能快地加、减速，以提高生产效率。不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽可能地平稳。对于本设计来说，主要是转速负反馈不可逆调速系统，对于一个系统来说，稳定是第一要素，所以本设计对稳定性的要求是，务必使系统的稳态误差ess5%；静差率S30%；对动态指标的要求为超调量控制在5%范围内；调节时间在5%误差带范围内，调节时间ts3s；3.2转速负反馈不可逆直流调速的基本原理及线路图为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在本装置中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“转速变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压Uct，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。图3 转速单闭环系统原理图图10 转速单闭环系统原理图3.3单闭环调速系统的数学模型数学建模是一种数学的思考方法，是运用数学的语言和方法，通过抽象、简化建立能近似刻画并"解决"实际问题的一种强有力的数学手段。数学模型一般是实际事物的一种数学简化。具体来说，数学模型就是为了某种目的，用字母、数学及其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图像、框图等描述客观事物的特征及其内在联系的数学结构表达式。为了进行系统的动态分析，必须搞清楚组成系统各环节的特性，建立各环节的传递函数，最终建立起整个系统的动态数学模型系统的传递函数。下面我们针对单闭环调速系统建立各环节的传递函数及系统的数学模型。（1）直流电动机的传递函数图11绘出了额定励磁下他励直流电动机的等效电路，其中电枢回路电阻R和电感L包含整流装置内阻和平波电抗器的电阻与电感在内，规定在正方向如图中所示。图11 直流电动机等效电路由图11可列出微分方程如下：在电流连续的条件下，直流电动机电枢回路的电压平衡方程式为 （3）式中：e-电动机电枢反电势； R-电动机电枢回路电阻； L-电动机电枢回路电感； id-电动机电枢回路电流；因为反电动势e与电动机的转速成正比，故：ed=Cen，M= 式中：Ce-电动机电势常数；n-电动机转速；M-电动机的转矩；GD2-电动机的转动惯量；由于电动机的转矩是点数电流的函数，当电动机的励磁不变时，电动机的转矩为M=Cm id （4）式中：Cm-电动机的转矩常数，并且有Cm=9.55Ce，得id=和 （5）整理得电动机的微分方程为：+n= (6)在本实验求电枢电阻Rd中测得数据如下表所示：取三次测量的平均值作为实际冷态电阻值 表 室温 23 序号U（V）I（A）R（ 平均）（）Ra（）Raref（）11.270.03Ra11=42.3Ra1=42.342.38511.27Ra12=42.31.27Ra13=42.321.700.04Ra21=42.5Ra2=42.51.70Ra22=42.51.70Ra23=42.532.110.05Ra31=42.2Ra3=42.42.12Ra32=42.42.12Ra33=42.5表中：计算基准工作温度时的电枢电阻由实验直接测得电枢绕组电阻值，此值为实际冷态电阻值。冷态温度为室温。按下式换算到基准工作温度时的电枢绕组电阻值： 式中Raref 换算到基准工作温度时电枢绕组电阻。（）。Ra电枢绕组的实际冷态电阻。（）。ref 基准工作温度，对于E级绝缘为75 。a实际冷态时电枢绕组的温度。（）其中电感量Ld=20mH，转动惯量GD2=4.5N.m2，Cm=9.55Ce=,额定电压UN=220V，额定电流Id=1.2A，有此可算得上微分方程0.28+10.52+n=11.53ud (7)上式求拉普拉斯变换为（0.28S2+10.52S+1）N(s)=11.53U(s)所以G(s)= =，本实验中用到其结构模型为其中K为与调节器、触发电路、正桥功放、三相桥式整流等效的比例放大器的放大倍数，经试验测得数据如下：转换电压（V）0.3080.8921.862.543.093.744.124.815.56调节器输出（V）4.24.565.065.425.706.026.326.707.18此放大倍数求平均值得K=3；所以，此系统的闭环传递函数为=化为标准形式可得由上式的闭环传递函数可以得出系统的特征方程为：0.28S+10.52S+35.59=03.4.闭环系统的稳定性判断根据劳斯判据得到：根据上式可以得出：S 0.28 35.59 S 10.52 S 35.59因为第一列都是正数，所以特征方程的根都在S左平面，所以系统是稳定的3.5 调速系统的静态指标运动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标，又称静态指标。例如，调速系统稳态运行时调速范围和静差率，位置随动系统的定位精度和速度跟踪精度，张力控制系统的稳态张力误差等等。其中最显著的静态指标就是系统的稳态误差，它是指当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现的偏差，是一个反馈控制系统的重要的稳态性能指标。系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度，它表明了系统控制的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高，若稳态误差为零，则系统称为无差系统，若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。（1）稳态误差ess对于本设计来说，由于调速系统为恒值系统，稳态误差是指扰动（例如负载变化）作用下，被控量（例如转速）在稳态下的变化量。下面将结合实验所得数据与系统的数学模型具体讨论分析本设计中的系统的稳态误差。本设计所用到的系统为标准的二阶系统，其标准传递函数为：与上一节中建立的数学模型结构相比较得123.5Hz2，所以=11Hz ,2=10.52;解得=0.956稳态误差ess=lim（t）e（t）=lim（s0）Se（s）=lim（s0）S（U（s）N（s）=lim（s0）SU（s）（1N（s）=S=2.52%（2）调速范围D生产机械要求电动机能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即 其中nmax和nmin一般指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载的转速。在设计调速系统时，通常视nmax为电动机的额定转速nnom。闭环加大给定电压与转速的关系：给定（V）-0.17-0.46-0.94-1.29-1.56-1.88-2.43-2.80转速(n)83245508690840101213041502根据实验数据可以得出D= =18 （3）静差率S当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载时所对应的转速降落与理想空载转速no之比，称为静差率S，即n 图11 负载由理想空载变到额定负载时所对应的转速降落根据实验结果得 S=26.3%显然，静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定程度就越高。（4）调压调速系统中D，S和之间的关系 在直流电动机调压调速系统中，就是电动机的额定速度nnom，若额定负载时的转速降落为，则系统的静差率应该是最低转速时的静差率，即 而额定负载时的最低转速为 考虑到上式可以写成 而调速范围为 得： 3.6 动态指标上面我们讨论了单闭环调系统的稳态性能，通过引入转速负反馈并且有了足够大的放大倍数K后，就可以减少稳态速降，满足系统的稳态要求。但是，放大系数过大的可能引起闭环系统动态性能变差，甚至造成系统不稳定，必须采取适当校正措施才能使系统正常工作并满足动态性能要求。为此，我们必须讨论系统的动态指标，从而使我们在设计调速系统时能两者兼顾，达到我们最满意的要求。运动控制系统在过渡过程中的性能指标称为动态指标，动态指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类。由于跟随性能指标最能说明一个系统的特点，本设计重点分析系统的跟随性能指标。在给定信号（或称参考输入信号）R（t）的作用下，系统输出量C（t）的变化情况用跟随性能指标来描述。对于不同变化方式的给定信号，其输出响应不一样。通常，跟随性能指标是在初始条件为零的情况下，以系统对单位阶跃输入信号的输出响应（称为单位阶跃响应）为依据提出的，具体的跟随性指标有下述几项：（1） 超调量p%动态过程中，输出量超过输出稳态值的最大偏差与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量，即：p%=e超调量用来说明系统的相对稳定性上式表明超调量p%是阻尼比的函数，越大，超调量越小，系统相对稳定性越高，即动态响应比较平稳。本设计中由于=0.956，可算得超调量p%=3%（2）调节时间ts    调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个动态响应过程的快慢。原则上它应该是系统从给定信号阶跃变化起，到输出量完全稳定下来为止的时间，对于线性控制系统，理论上要到才真正稳定。实际应用中，一般将单位阶跃响应曲线衰减到与稳态值的误差进入并且不再超出允许误差带（通常取稳态值的±5%或±2%）所需的最小时间定义为调节时间。t=0.57s4试验数据分析与结果4.1稳态误差超调量及调节时间的测定前面在数学模型中已经对系统的稳定性和动态指标做了系统的分析，而试验的目的是为了验证理论与实际情况的差距，找出出现误差的原因，从而在实际运用中做到准确控制。调节给定电压大小，使电动机转速从0调至1200rmin后，调节改变负载电阻。闭环系统（比例调节器）测量的相关数据.在试验过程中，u给定为负，这是因为转速反馈转化出来的电压为正，u为负这样才能保证系统为负反馈。给定Ug（V）-0.45-1.3-1.8-2.2-2.6-2.7-2.7-2.7-2.7转速n（rmin）9846572592411351256124312351188转换电压（V）0.1721.3632.452.853.133.763.693.623.58调节器输出（V）4.124.584.865.265.455.725.695.645.62闭环转速反馈（比例积分调节器）对应的数据：给定Ug（V）-0.37-0.56-0.87-1.39-1.56-1.75-1.75-1.75-1.75转速n（rmin）7344570891011401222121712111191转换电压（V）0.3080.891.862.543.093.744.214.815.56调节器输出（V）4.24.565.065.475.706.026.326.707.18由上表数据可得闭环转速反馈（比例调节）特性曲线为：图12比例特性曲线由图12可得稳态误差ess=4.22%，超调量=2.8%，调节时间ts=1s闭环转速反馈（比例积分调节器）：图13比例积分特性曲线由图13知稳态误差ess=0.68%，超调量=1.53%，调节时间ts=1.4s由上两图可以看出如果考虑到动态校正问题则PI调节器要好，如果单纯从调试到调试速度上考虑，则用比例调节器，PI调节器存在滞后矫正，如果对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可能牺牲快速性；提高截止频率可以加快系统的响应，又容易引入高频干扰；所以主要采用PI调节器。4.2误差分析 通过建模求得的数据与实验数据有一定差别，分析误差的来源：首先，数学建模求得的数据是理论值，忽略了电动机本身和实验设备的一些误差的影响，而这些是无法避免的，我们只能通过改善系统来尽量减小而不能消除；其次，由于建立的数学模型中，用到的C，Cm，是按常数来计算的，他们分别代表电动机的电势常数和转矩常数，在实际中，它们是变化的，造成了理论值与实际值的不统一；另外，测量时的读数误差也对这种不统一有一定的影响。由此可以看出实验理论和实际情况是有差距的，这就要求我们在实际工作中预先考虑到这些误差和影响，做到尽量把误差降到最低，做到系统的稳态误差最小，从而达到准确控制的目的。4.3调速系统的机械特性及稳定性分析1.电枢电压不变时的直流电机开环外特性的测定按图10的接线图接线，DJK02-1上的移相控制电压Uct由DJK04上的“给定”输出Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定的输出调到零。先闭合励磁电源开关，按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，使主电路输出三相交流电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电动机慢慢启动并使转速 n 达到1200rpm。改变负载电阻R的阻值，使电动机的电枢电流从空载直至Ied。即可测出在Uct不变时的直流电动机开环外特性n = f(Id)，测量并记录数据于下表： n120011941188116811521120110011651100Id(MA)35639041645056670079495611702.转速单闭环直流调速系统按图10接线，在本实验中，DJK04的“给定”电压Ug为负给定，转速反馈为正电压，将“调节器I”接成P（比例）调节器或PI（比例积分）调节器。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，给定输出调到零。直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机的转速接近n=l200rpm。由小到大调节直流发电机负载R，测出电动机的电