任何一臺(tái)需要轉(zhuǎn)速控制的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)控制性能都有一定的要求。例如，精密機(jī)床要求加工精度達(dá)到幾十微米至幾微米；重型機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)需要在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速，最高和最低相差近300倍；容量幾千kw的初軋機(jī)軋輥在不到1秒的時(shí)間內(nèi)就得完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過程；高速造紙機(jī)的抄紙速度達(dá)到1000m/min，要求穩(wěn)速誤差小于0.01%。所有這些要求，都可以轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)，作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)的依據(jù)。

轉(zhuǎn)速控制要求

各種生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出了不同的轉(zhuǎn)速控制要求，歸納起來有以下三個(gè)方面：

（1）調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔（有級(jí)）地或者平滑（無級(jí)）地調(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)定地運(yùn)行，不因各種可能的外來干擾（如負(fù)載變化、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等）而產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）加、減速控制。對(duì)頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求盡快地加、減速，縮短起、制動(dòng)時(shí)間，以提高生產(chǎn)率；對(duì)不宜經(jīng)受劇烈速度變化的生產(chǎn)機(jī)械，則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。

以上三個(gè)方面有時(shí)都須具備，有時(shí)只要求其中一項(xiàng)或兩項(xiàng)，其中有些方面之間可能還是相互矛盾的。為了定量地分析問題，一般規(guī)定幾種性能指標(biāo)，以便衡量一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能。

穩(wěn)態(tài)指標(biāo)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，又稱靜態(tài)指標(biāo)。例如，調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)調(diào)速范圍和靜差率，位置隨動(dòng)系統(tǒng)的定位精度和速度跟蹤精度，張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)張力誤差等等。下面我們具體分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。

（1）調(diào)速范圍d

生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母d表示，即

（1）

其中nmax和nmin一般指額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，通常視nmax為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nnom。

（2）靜差率s

當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載變到額定負(fù)載時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速no之比，稱為靜差率s，即

（2）

顯然，靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度就越高。

圖1 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率

（3）調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中d，s和之間的關(guān)系

在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，就是電動(dòng)機(jī)的額定速度nnom，若額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為，則系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率，即

（3）

而額定負(fù)載時(shí)的最低轉(zhuǎn)速為

（4）

考慮到式（3），式（4）可以寫成

（5）

而調(diào)速范圍為

（6）

將式（8.6）代入式（8.7），得

（7）

式（8.8）表達(dá)了調(diào)速范圍d、靜差率s和額定速降之間應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，其特性硬度或值是一定的，如果對(duì)靜差率的要求越嚴(yán)（即s值越?。?，系統(tǒng)允許的調(diào)速范圍d就越小。例如，某調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為nnom=1430r/min，額定速降為，當(dāng)要求靜差率s≤30%時(shí)，允許的調(diào)速范圍為

如果要求靜差率s≤10%，則調(diào)速范圍只有

動(dòng)態(tài)指標(biāo)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在過渡過程中的性能指標(biāo)稱為動(dòng)態(tài)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類。

（1）跟隨性能指標(biāo)

在給定信號(hào)（或稱參考輸入信號(hào)）r（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量c（t）的變化情況用跟隨性能指標(biāo)來描述。對(duì)于不同變化方式的給定信號(hào)，其輸出響應(yīng)不一樣。通常，跟隨性能指標(biāo)是在初始條件為零的情況下，以系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入信號(hào)的輸出響應(yīng)（稱為單位階躍響應(yīng)）為依據(jù)提出的，如圖2所示。具體的跟隨性指標(biāo)有下述幾項(xiàng)：

圖2表示跟隨性能指標(biāo)的單位階躍響應(yīng)曲線

①上升時(shí)間tr

單位階躍響應(yīng)曲線從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。

②超調(diào)量

動(dòng)態(tài)過程中，輸出量超過輸出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量，即

（8.9）

超調(diào)量用來說明系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，說明系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。

③調(diào)節(jié)時(shí)間ts

調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的快慢。原則上它應(yīng)該是系統(tǒng)從給定信號(hào)階躍變化起，到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時(shí)間，對(duì)于線性控制系統(tǒng)，理論上要到才真正穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中，一般將單位階躍響應(yīng)曲線衰減到與穩(wěn)態(tài)值的誤差進(jìn)入并且不再超出允許誤差帶（通常取穩(wěn)態(tài)值的±5%或±2%）所需的最小時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間。