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文檔簡介
1、一一 、教學目的與教學要求、教學目的與教學要求2.2.2 反饋控制閉環調速系統的動態分析反饋控制閉環調速系統的動態分析三三 、教學時間、教學時間 1-2學時學時二、二、 教學內容教學內容1 1、掌握反饋控制閉環調速系統的動態分析方法、掌握反饋控制閉環調速系統的動態分析方法2 2、能夠列寫出反饋控制閉環調速系統中典型環節的微分方程、能夠列寫出反饋控制閉環調速系統中典型環節的微分方程3 3、能夠列寫出反饋控制閉環調速系統中典型環節的傳遞函數、能夠列寫出反饋控制閉環調速系統中典型環節的傳遞函數4 4、能夠畫出反饋控制閉環調速系統的動態結構圖、能夠畫出反饋控制閉環調速系統的動態結構圖5 5、能夠應用自
2、控理論知識判定調速系統的穩定性問題、能夠應用自控理論知識判定調速系統的穩定性問題6 6、具備分析具體反饋控制調速系統穩定與否的能力、具備分析具體反饋控制調速系統穩定與否的能力7 7、掌握穩態精度與動態穩定性的關系、掌握穩態精度與動態穩定性的關系第二章第二章 閉環控制的直流調速系統閉環控制的直流調速系統四四 、教學思路流程、教學思路流程調速系統的動態特性問題與動態指標的分析調速系統的動態特性問題與動態指標的分析 ;五、五、 教學過程教學過程閉環調速系統中典型環節的解析表達式閉環調速系統中典型環節的解析表達式微分方程與傳遞函數;微分方程與傳遞函數; 閉環調速系統的動態結構圖分析;閉環調速系統的動態
3、結構圖分析; 應用自控理論知識判定調速系統的穩定性問題;應用自控理論知識判定調速系統的穩定性問題;穩態精度與動態穩定性的關系;穩態精度與動態穩定性的關系;(一研究動態特性的基本思路是:(一研究動態特性的基本思路是:數學模型是基礎、數學模型是基礎、控制理論穩定判椐是依據控制理論穩定判椐是依據微分方程數學模型)微分方程數學模型)傳遞函數傳遞函數系統的傳遞函數系統的傳遞函數穩定判椐穩定判椐動態結構圖動態結構圖2.2.2.1 單閉環系統中各環節的動態數學模型分析單閉環系統中各環節的動態數學模型分析一、相關問題說明一、相關問題說明(二單閉環系統的動態特性問題的引出(二單閉環系統的動態特性問題的引出 閉環
4、系統的穩態特性分析研究的是調速系統的穩態指標閉環系統的穩態特性分析研究的是調速系統的穩態指標D、S 通過閉環系統的穩態特性分析,可知:放大倍數通過閉環系統的穩態特性分析,可知:放大倍數A足夠大即可滿足夠大即可滿足調速系統的穩態指標足調速系統的穩態指標D、S;因此,調速系統既要考慮穩態指標,又要兼顧動態指標。因此,調速系統既要考慮穩態指標,又要兼顧動態指標。 穩態指標要求:放大倍數穩態指標要求:放大倍數A 越大越好越大越好動態指標要求:放大倍數動態指標要求:放大倍數A 不宜過大不宜過大那么如何確定放大倍數那么如何確定放大倍數A的上限呢?的上限呢?動態特性的研究目就在于回答這個問題!動態特性的研究
5、目就在于回答這個問題!但是,由自控理論可知:放大倍數過大回引起系統的動態穩定性。但是,由自控理論可知:放大倍數過大回引起系統的動態穩定性。二、二、 單閉環系統中各環節的動態數學模型分析單閉環系統中各環節的動態數學模型分析 為了分析調速系統的穩定性和動態品質,必須首先建立描述系為了分析調速系統的穩定性和動態品質,必須首先建立描述系統動態物理規律的數學模型,對于連續的線性定常系統,其數學模統動態物理規律的數學模型,對于連續的線性定常系統,其數學模型是常微分方程,經過拉氏變換,可用傳遞函數和動態結構圖表示。型是常微分方程,經過拉氏變換,可用傳遞函數和動態結構圖表示。 根據系統中各環節的物理規律,列出
6、描述該環節動根據系統中各環節的物理規律,列出描述該環節動態過程的微分方程;態過程的微分方程; 求出各環節的傳遞函數;求出各環節的傳遞函數; 組成系統的動態結構圖并求出系統的傳遞函數。組成系統的動態結構圖并求出系統的傳遞函數。建立系統動態數學模型的基本步驟如下:建立系統動態數學模型的基本步驟如下:(一電動機環節的動態數學模型分析(一電動機環節的動態數學模型分析TL+-MUd0+-E R LneidM他勵直流電動機等效電路他勵直流電動機等效電路 EtILRIUddddd0 假定主電路電流連續,假定主電路電流連續,則動態電壓方程為:則動態電壓方程為: 1 電動機電路模型與回路方程分析電動機電路模型與
7、回路方程分析 假設,忽略粘性磨擦及彈性轉矩,假設,忽略粘性磨擦及彈性轉矩,電機軸上的動力學方程為:電機軸上的動力學方程為: tnGDTTdd3752Le 額定勵磁下的感應電動勢額定勵磁下的感應電動勢 和電磁轉矩分別為:和電磁轉矩分別為: dmeICT nCEeem30CC電機額定勵磁下的轉矩系數,電機額定勵磁下的轉矩系數, N-m/A;TL 包括電機空載轉矩在內的負載轉矩,包括電機空載轉矩在內的負載轉矩,N-m;GD2 電力拖動系統折算到電機軸上的飛電力拖動系統折算到電機軸上的飛 輪慣量,輪慣量,N-m2其中式中:其中式中:RLTl me2m375CCRGDT 定義下列時間常數:定義下列時間常
8、數: 電樞回路電磁時間常數,電樞回路電磁時間常數,s; 電力拖動系統機電時間常數,電力拖動系統機電時間常數,s。EtILRIUddddd0RLTl me2m375CCRGDT tnGDTTdd3752Le根據已知的關系方程:根據已知的關系方程:進一步可導出電動機電路的數學模型。進一步可導出電動機電路的數學模型。整合上述相關方程后得整合上述相關方程后得:)dd(dd0dtITIREUl tERTIIddmdLd mLdLCTI 式中式中 I dL 為負載電流,且知:為負載電流,且知: 2、 電動機電路模型的微分方程分析電動機電路模型的微分方程分析11)()()(0dd sTRsEsUsIl 在零
9、初始條件下,取等式兩側的拉氏變換,得電壓與電流間在零初始條件下,取等式兩側的拉氏變換,得電壓與電流間的傳遞函數:的傳遞函數: 3、 電動機電路模型的傳遞函數電動機電路模型的傳遞函數電流與電動勢間的傳遞函數:電流與電動勢間的傳遞函數: sTRsIsIsEmdLd)()()( )dd(dd0dtITIREUl tERTIIddmdLd 4、電動機電路模型的動態結構圖、電動機電路模型的動態結構圖 Id (s)IdL(s)+-E (s) R TmsE(s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)問題:問題:11)()()(0dd sTRsEsUsIlsTRsIsIsEmdLd)()()( 由傳遞函數導
10、出額定勵磁下電動機局部環節動態結構圖如下所示:由傳遞函數導出額定勵磁下電動機局部環節動態結構圖如下所示:額定勵磁下直流電動機額定勵磁下直流電動機“整體動態結構圖如何求取呢?整體動態結構圖如何求取呢? 1/CeUd0IdL (s) EId (s)E+- 1/R Tl s+1 R Tmsn問題:額定勵磁下直流電動機整體動態結構圖如何求取呢?問題:額定勵磁下直流電動機整體動態結構圖如何求取呢? 將各個環節先后連接,并引入速度與反電勢將各個環節先后連接,并引入速度與反電勢E的關系的關系1/Ce,則,則得如下電動機動態結構圖:得如下電動機動態結構圖: 1/CeUd0IdL (s) EId (s)E+-
11、1/R Tl s+1 R Tmsn 由圖可知:由圖可知: 直流電直流電動機有兩個輸入量,一動機有兩個輸入量,一個是施加在電樞上的理個是施加在電樞上的理想空載電壓,另一個是想空載電壓,另一個是負載電流。前者是控制負載電流。前者是控制輸入量,后者是擾動輸輸入量,后者是擾動輸入量。入量。n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)IdL 0n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)IdL= 0 動態結構圖的變換和簡化動態結構圖的變換和簡化 如果不需要在結構如果不需要在結構圖中顯現出電流,可將圖中顯現出電流,可將擾動量的綜合點移前,
12、擾動量的綜合點移前,再進行等效變換,得右再進行等效變換,得右圖所示。圖所示。 如果是理想空載,那如果是理想空載,那么么 IdL = 0,結構圖即,結構圖即簡化成右圖所示其轉簡化成右圖所示其轉速為空載同步轉速)。速為空載同步轉速)。n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)IdL 0電動機電路模型的動態結構圖電動機電路模型的動態結構圖問題:若忽略時間常數部分,問題:若忽略時間常數部分,結構圖又是如何變化呢?結構圖又是如何變化呢?n = ( Ud0 - IdR) / Ce+Ud0+Ud0-RIdE En1 / Ce這又是什么問題呢?這又是什么
13、問題呢? 直流閉環調速系統中的其他環節還有比例放大器和測速反饋環直流閉環調速系統中的其他環節還有比例放大器和測速反饋環節,它們的響應都可以認為是瞬時的,因此它們的傳遞函數就是它節,它們的響應都可以認為是瞬時的,因此它們的傳遞函數就是它們的放大系數,即們的放大系數,即 放大器放大器pnca)()()(KsUsUsWDa)()()(nfnsnsUsW測速反饋測速反饋(二控制與檢測環節的數學模型分析(二控制與檢測環節的數學模型分析KPUcDUnaUnn(三晶閘管觸發和整流裝置的傳遞函數分析(三晶閘管觸發和整流裝置的傳遞函數分析 在進行調速系統的分析和設計時,晶閘管觸發和整在進行調速系統的分析和設計時
14、,晶閘管觸發和整流裝置,當作系統中的一個環節來看待。流裝置,當作系統中的一個環節來看待。 在動態過程中,可把晶閘管觸發與整流裝置看成是一在動態過程中,可把晶閘管觸發與整流裝置看成是一個純滯后環節。個純滯后環節。為什么呢?為什么呢?滯后效應是由晶閘管的失控時間引起的。滯后效應是由晶閘管的失控時間引起的。 當晶閘管一旦導通后,其控制電壓的變化在當晶閘管一旦導通后,其控制電壓的變化在該器件關斷以前就不再起作用,直到下一相觸發該器件關斷以前就不再起作用,直到下一相觸發脈沖來到時才能使輸出整流電壓發生變化,這就脈沖來到時才能使輸出整流電壓發生變化,這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。造成整流電壓滯后于
15、控制電壓的狀況。晶閘管的失控時間分析:晶閘管的失控時間分析:1、晶閘管觸發與整流失控時間原因具體分析、晶閘管觸發與整流失控時間原因具體分析晶閘管觸發與整流裝置的失控時間u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02Tst 如下圖,失控制時間是隨機的,它的大小隨發生變如下圖,失控制時間是隨機的,它的大小隨發生變化的時刻而改變,最大可能的失控時間就是兩個相鄰自化的時刻而改變,最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間,與交流電源頻率和整流電路形式然換相點之間的時間,與交流電源頻率和整流電路形式有關,由下式確定:有關,由下式確定: 2、最大失控時間計算、最大失控時間
16、計算式中式中 交流電流頻率交流電流頻率 一周內整流電壓的脈沖波數一周內整流電壓的脈沖波數fmmfT1maxs3、Ts 值的選取值的選取 相對于整個系統的響應時間來說,相對于整個系統的響應時間來說,Ts 是不大的,在一般情況下是不大的,在一般情況下,可取其統計平均值,可取其統計平均值 Ts = Tsmax /2,并認為是常數。下表列出了不,并認為是常數。下表列出了不同整流電路的失控時間。同整流電路的失控時間。 各種整流電路的失控時間各種整流電路的失控時間f =50Hz) 用單位階躍函數表示滯后,則晶閘管觸發與整流裝置用單位階躍函數表示滯后,則晶閘管觸發與整流裝置的輸入的輸入-輸出關系為:輸出關系
17、為:4、傳遞函數的求取、傳遞函數的求取sTKsUsUsWse)()()(sc0ds 按拉氏變換的位移定理,晶閘管裝置的傳遞函數為:按拉氏變換的位移定理,晶閘管裝置的傳遞函數為:)(1scts0dTtUKU.33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT 由于右式中包含由于右式中包含指數函數,它使系指數函數,它使系統成為非最小相位統成為非最小相位系統,分析和設計系統,分析和設計都比較麻煩。為了都比較麻煩。為了簡化,先將該指數簡化,先將該指數函數按臺勞級數展函數按臺勞級數展開,則變成:開,則變成:sTKsUsUsWse)()()(sc0ds若忽略高次項,傳遞函數
18、可以進一步簡化處理!若忽略高次項,傳遞函數可以進一步簡化處理!(最小相位系統指傳遞函數最小相位系統指傳遞函數中沒有右極點中沒有右極點, 右零點的環右零點的環節節(或系統或系統)。只有最小相位。只有最小相位系統的開環對數幅頻特性和系統的開環對數幅頻特性和系統的開環傳遞函數是唯一系統的開環傳遞函數是唯一確定的關系確定的關系 ), 5、近似傳遞函數、近似傳遞函數sTKsWsss1)(sTKsUsUsWse)()()(sc0ds33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT 考慮到考慮到 Ts 很小,可忽略很小,可忽略高次項,則傳遞函數便近高次項,則傳遞函數便近似成
19、一階慣性環節似成一階慣性環節6、晶閘管觸發與整流裝置動態結構、晶閘管觸發與整流裝置動態結構sTsseKUc(s)Ud0(s)(a) 準確的1sTKssUc(s)Ud0(s)(b) 近似的晶閘管觸發與整流裝置動態結構圖晶閘管觸發與整流裝置動態結構圖 各環節的傳遞函數與動態結構圖求出后,即可按輸入各環節的傳遞函數與動態結構圖求出后,即可按輸入輸出關系,組成調速系統的傳遞函數和動態結構圖。輸出關系,組成調速系統的傳遞函數和動態結構圖。1sTKssUc(s)Ud0(s)n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)IdL 0KPUcDUnaUnn請識
20、別各主要環節傳遞函數!請識別各主要環節傳遞函數! 知道了各環節的傳遞函數后,把它們按在系統中的相互關系組合起來,知道了各環節的傳遞函數后,把它們按在系統中的相互關系組合起來,就可以畫出閉環直流調速系統的動態結構圖,如下圖所示。就可以畫出閉環直流調速系統的動態結構圖,如下圖所示。n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 a a+-R (Tl s+1)Ud0 (s) 由圖可見,將電力電子變換器按一階慣性環節處由圖可見,將電力電子變換器按一階慣性環節處理后,帶比例放大器的閉環直流調速系統可以看作是一理后,帶比例放大器
21、的閉環直流調速系統可以看作是一個三階線性系統。個三階線性系統。二二 、單閉環系統中的動態數學模型與傳遞函數分析、單閉環系統中的動態數學模型與傳遞函數分析(一系統動態結構圖的組成(一系統動態結構圖的組成 反饋控制閉環調速系統的動態結構圖n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 a+-R (Tl s+1)Ud0 (s)(二單閉環系統傳遞函數分析(二單閉環系統傳遞函數分析1、開環系統傳遞函數、開環系統傳遞函數 由圖可見,反饋由圖可見,反饋控制閉環直流調速控制閉環直流調速系統的開環傳遞函系統的開環傳遞函數是:數是: )
22、 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl式中 K = Kp Ks / Ce 2、 調速系統的閉環傳遞函數調速系統的閉環傳遞函數 設設Idl=0,從給定輸入作用上,從給定輸入作用上看,閉環直流調速系統的閉環傳看,閉環直流調速系統的閉環傳遞函數是遞函數是 :111)(1)1 (sm2sm3smesp sKTTsKTTTsKTTTKCKKll) 1)(1(/m2msesp KsTsTTsTCKKl) 1)(1(/1) 1)(1(/)(m2msespm2msespc sTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllla a 反饋控制閉環調速系統的動態結構圖n(s)U*n (s)IdL (s) U
23、ct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 a+-R (Tl s+1)Ud0 (s)可見系統是個三階系統!可見系統是個三階系統! 系統的穩定問題能系統的穩定問題能否借助傳遞函數判定否借助傳遞函數判定解決呢?解決呢?1.5.2 單閉環系統穩定判椐或條件單閉環系統穩定判椐或條件 根據自動控制原理根據自動控制原理知識及閉環傳遞函數,知識及閉環傳遞函數,反饋控制閉環直流調速反饋控制閉環直流調速系統的特征方程為:系統的特征方程為:0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll它的一般表達式為它的一般表達式為: 0322130 asasasacl(
24、s)W111)(1)1 (sm2sm3smesp sKTTsKTTTsKTTTKCKKll 由自動控制原理知識可知由自動控制原理知識可知:根據特征方程的系數關根據特征方程的系數關系可以間接獲取系可以間接獲取“系統動態是否穩定的判椐!系統動態是否穩定的判椐! 根據三階系統的根據三階系統的勞斯勞斯-古爾維茨判據,古爾維茨判據,系統穩定的充分必要系統穩定的充分必要條件是:條件是:0000030213210aaaaaaaa, 由于各項由于各項系數顯然都是系數顯然都是大于零的,因大于零的,因此穩定條件就此穩定條件就是:是: 0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTll0322130 asasasa
25、0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll整理后得:整理后得: 式中,右邊稱作系統的臨界放大系數式中,右邊稱作系統的臨界放大系數 Kcr, 當當 K Kcr 時時,系統將不穩定。,系統將不穩定。s2ssm)(TTTTTTKll= Kcr 對于一個自動控制系統來說,穩定性是它能否正常對于一個自動控制系統來說,穩定性是它能否正常工作的首要條件,是必須保證的。工作的首要條件,是必須保證的。 只有滿足了動態穩定性的放大倍數只有滿足了動態穩定性的放大倍數K,對于閉環穩態,對于閉環穩態指標計算才是有意義!指標計算才是有意義! 如果動、靜態要求出現矛盾,如穩態要求:如果動、靜態要求出現矛
26、盾,如穩態要求:K100、動態要求:動態要求:K80 ,怎么辦?,怎么辦? 利用自控原理知識進行校正!利用自控原理知識進行校正! 系統穩態參數計算系統穩態參數計算例題例題1-4 用線性集成電路運算放大器作為電壓放大器的轉速負反饋閉用線性集成電路運算放大器作為電壓放大器的轉速負反饋閉環直流調速系統如圖環直流調速系統如圖1-28所示,主電路是晶閘管可控整流器供所示,主電路是晶閘管可控整流器供電的電的V-M系統。已知數據如下:系統。已知數據如下:電動機:額定數據為電動機:額定數據為10kW,220V,55A,1000r/min,電樞電阻,電樞電阻 Ra = 0.5;晶閘管觸發整流裝置:三相橋式可控整
27、流電路,整流變壓器晶閘管觸發整流裝置:三相橋式可控整流電路,整流變壓器Y/Y聯結,二次線電壓聯結,二次線電壓 U2l = 230V,電壓放大系數,電壓放大系數 Ks = 44; V-M系統電樞回路總電阻:系統電樞回路總電阻:R = 1.0;測速發電機:永磁式,額定數據為測速發電機:永磁式,額定數據為23.1W,110V,0.21A,1900r/min;直流穩壓電源:直流穩壓電源:15V。 若生產機械要求調速范圍若生產機械要求調速范圍D=10,靜差率,靜差率5%,試計算調速系統,試計算調速系統的穩態參數暫不考慮電動機的起動問題)。的穩態參數暫不考慮電動機的起動問題)。(1為滿足調速系統的穩態性能
28、指標,額定負載時的穩態速降應為滿足調速系統的穩態性能指標,額定負載時的穩態速降應為:為:min/)05. 01 (1005. 01000)1 (NcrsDsnnlD= 5.26r/min解:解:(2求閉環系統應有的開環放大系數求閉環系統應有的開環放大系數10005 . 055220NaNNenRIUC = 0.1925Vmin/r先計算電動機的電動勢系數:先計算電動機的電動勢系數:(3計算轉速反饋環節的反饋系數和參數計算轉速反饋環節的反饋系數和參數a a = a a2 Cetg根據測速發電機的額定數據:根據測速發電機的額定數據:= 0.0579Vmin/r1900110etgC 轉速反饋系數轉
29、速反饋系數包含測速發電機的電動勢系數包含測速發電機的電動勢系數Cetg和其輸出和其輸出電位器的分壓系數電位器的分壓系數 2,即,即先試取先試取 2 =0.2,再檢驗是否合適。,再檢驗是否合適。 現假定測速發電機與主電動機直接聯接,則在電動機最高轉速現假定測速發電機與主電動機直接聯接,則在電動機最高轉速1000r/min時時,轉速反饋電壓為:,轉速反饋電壓為:10000579. 02 . 01000etg2nCUa= 11.58V 穩態時穩態時Un很小,很小, U*n只要略大于只要略大于 Un 即可,現有直流穩壓電源為即可,現有直流穩壓電源為15V,完全能夠滿足給定電壓的需要。因此,取完全能夠滿
30、足給定電壓的需要。因此,取=0.2是正確的。是正確的。 于是,轉速反饋系數的計算結果是于是,轉速反饋系數的計算結果是0579. 02 . 0etg2Caa= 0.01158Vmin/r 電位器的選擇方法如下:為了使測速發電機的電樞壓降對電位器的選擇方法如下:為了使測速發電機的電樞壓降對轉速檢測信號的線性度沒有顯著影響,取測速發電機輸出最高轉速檢測信號的線性度沒有顯著影響,取測速發電機輸出最高電壓時,其電流約為額定值的電壓時,其電流約為額定值的20%,那么:,那么:=137921. 02 . 010000579. 02 . 0NtgNetg2RPInCR此時所消耗的功率為:此時所消耗的功率為:W
31、InCW43. 221. 02 . 010000579. 02 . 0NtgNetg2RP 為了使電位器溫度不致很高,實選瓦數應為所消耗功率的為了使電位器溫度不致很高,實選瓦數應為所消耗功率的一倍以上,故可為選用一倍以上,故可為選用10W,1.5k的可調電位器。的可調電位器。14.201925. 04401158. 03 .53espCKKKa 根據調速指標要求,前已求出,閉環系統的開環放大系根據調速指標要求,前已求出,閉環系統的開環放大系數應為數應為 K 53.3,則運算放大器的放大系數,則運算放大器的放大系數 Kp 應為:應為:(4計算運算放大器的放大系數和參數計算運算放大器的放大系數和參
32、數 實取實取Kp =21。 運算放大器的參數計算如下,根據所用運算放大器運算放大器的參數計算如下,根據所用運算放大器的型號,取的型號,取 R0 = 40k,那么:,那么:kRKR84040210P1 系統穩定性分析舉例系統穩定性分析舉例 根據穩態性能指標根據穩態性能指標 D =10,s 0.5計算,系統的開環放大系數計算,系統的開環放大系數應有應有K 53.3 ,試判別這個系統的穩定性。,試判別這個系統的穩定性。例題例題1-5 在上述例題在上述例題1-4中,知中,知 R = 1.0 , Ks = 44, Ce = 0.1925Vmin/r,系統運動部分的飛輪慣量,系統運動部分的飛輪慣量GD2 = 10Nm2 。 對于
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