电流转速双闭环控制

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毕业设计
课题转速、电流双闭环直流调速系统设计学生姓名
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第一章转速﹑电流双闭环直流调速的组成 .................................................................................. - 1 - 1.1整个直流调速系统的启动过程分析............................................................................................. - 1 - 1.2 整个直流调速系统的组成 ............................................................................................................... - 2 - 第二章调速系统的静特性与相关参数计算 .................................................................................. - 3 - 2.1稳态结构图和静特性......................................................................................................................... - 3 -
2.1.1转速调节器未达到饱和情况 ............................................................................................... - 3 -
2.1.2 转速调节器已经饱和情况..................................................................................................... - 4 - 2.2相关参数的计算.................................................................................................................................. - 4 - 第三章整个调速系统的动态结构与起动过程分析 .................................................................... - 6 -
3.1整个系统动态结构图分析 ............................................................................................................... - 6 - 3.2整个系统刚启动过程分析 ............................................................................................................... - 6 -
3.2.1起动过程分析............................................................................................................................ - 6 -
3.2.2动态抗扰性能分析.................................................................................................................. - 7 - 3.3转速、电流调节器的作用 ............................................................................................................... - 9 - 第四章调速系统的工程设计方法................................................................................................... - 10 -
4.1电流调节器的设计............................................................................................................................ - 10 -
4.1.1电流环结构框图的化简 ....................................................................................................... - 10 -
4.1.2电流调节器结构的选择 ....................................................................................................... - 11 -
4.1.3电流调节器的参数计算 ....................................................................................................... - 12 -
4.1.4电流调节器的实现................................................................................................................. - 12 - 4.2转速调节器的设计............................................................................................................................ - 13 -
4.2.1电流环的近似传递函数 ....................................................................................................... - 13 -
4.2.2转速调节器结构的选择....................................................................................................... - 14 -
4.2.3转速调节器的参数计算....................................................................................................... - 14 -
4.2.4转速调节器的实现................................................................................................................. - 15 -
4.2.5退饱和状态下转速超调量的计算..................................................................................... - 15 - 第五章系统的仿真 .............................................................................................................................. - 17 -
5.1电流环的仿真设计 ........................................................................................................................... - 17 - 5.2转速环的仿真设计 ........................................................................................................................... - 20 - 结论.......................................................................................................................................................... - 24 - 参考文献 ..................................................................................................................................................... - 25 - 致谢.......................................................................................................................................................... - 26 -
插图清单
图1-1 直流电机的两种启动方式比较图 ........................................................................................... - 2 - 图1-2双闭环反馈系统原理图............................................................................................................ - 2 - 图2-1整个系统的稳态结构图............................................................................................................ - 3 - 图2-2双闭环系统运行的静特性 ....................................................................................................... - 4 - 图3-1整个系统动态结构图 ................................................................................................................ - 6 - 图3-2起动阶段整个系统转速和电流波形..................................................................................... - 7 - 图3-3 整个系统的等效动态抗扰结构图 ......................................................................................... - 8 - 图4-1整个调速系统的动态结构图................................................................................................. - 10 - 图4-2近似等效电流环结构图.......................................................................................................... - 11 - 图4-3 校正后系统电流环的动态结构图 ....................................................................................... - 12 - 图4-4校正后电流环的Bode图 ....................................................................................................... - 12 - 图4-5模拟式PI电流调节器原理图............................................................................................... - 13 - 图4-6 整个系统的等效结构图 ......................................................................................................... - 14 - 图4-7校正后系统的结构图 .............................................................................................................. - 14 - 图4-8模拟式PI转速调节器原理图............................................................................................... - 15 - 图5-1 电流环的仿真原理图 .............................................................................................................. - 17 - 图5-2 Saturation模块对话框 ............................................................................................................ - 18 - 图5-3SIMULINK参数修改窗口..................................................................................................... - 18 - 图5-4电流环的仿真结果 ................................................................................................................... - 19 - 图5-5无超调量的仿真结果（KT=0.25）...................................................................................... - 19 - 图5-6超调量较大的仿真结果（KT=1.0） ................................................................................... - 20 - 图5-7转速环的仿真原理图 .............................................................................................................. - 21 - 图5-8信号叠加模块的设置图.......................................................................................................... - 21 - 图5-9电机空载运行时转速波形图................................................................................................. - 22 - 图5-10 满载起动运行转速波形图...................................................................................................... - 22 - 图5-11扰动作用下转速波形图.......................................................................................................... - 23 -
转速、电流双闭环直流调速系统设计
摘要
目前，关于直流电机调速的问题，通常是采用双闭环调速设计的思路，由于双闭环组成的调速系统拥有诸多的性能优点。

传统的电机调速方法是变化电机的电枢电压进行调速，因此必须选用可控直流电源。

通常情况下，利用的是相控整流电路来实现上述的过程，因此获得的直流电压是可调的。

然后，选用合适的控制器来满足实际的工程设计要求。

最后，为了防止出现过电流现象，在电流负反馈部分增加限幅环节，以此来限制电枢电流不会超过电流的最大值。

但是，由于传统方法存在某些方面的缺点，所以必须对原有系统进行修改，为此必须在原有的单闭环反馈系统的结构图中另外增加一个电流环，这样才能更好的使系统更加满足实际的生产要求。

本文详细介绍了双闭环直流调速系统的调速原理、系统组成和工程实现的方法，最后通过两个实例来具体分析转速和电流调节器的重要作用。

通过直流调速系统的设计，可以对交流电机的调速问题起到一个奠定基础的作用。

在整个调速系统设计的过程中，重要的是如何计算两个调节器的相关参数，为了能够满足系统的性能要求。

通过对系统静特性和动态模型两个角度的分析，得出了两个调节器在起动和抗扰两个方面消除误差上起到的作用。

最后，利用Matlab软件来针对两个具体的工程实践案例仿真模拟，仔细观察仿真结果图，用来验证控制理论的正确性。

关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器；晶闸管；Matlab
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第一章 转速﹑电流双闭环直流调速的组成
1.1 整个直流调速系统的启动过程分析
在实际正常工作运行的系统，系统所要求达到的静态误差和动态响应性能、超调量的大小等都是相当重要的，这就要求我们在处理实际问题的时候要按照工程设计的要求，综合考虑系统各个方面的性能，实现系统的最优化运行。

对于传统的单闭环直流电机调速系统，是通过调节电机的电枢电压来实现调速过程。

但是，由于单闭环系统本身并不能完全的实现控制要求。

所以，即使控制器选用了PI 控制器，可以实现消除转速稳态误差的目的。

然而，因为电流反馈部分增加了一个限幅环节，这就限制了起、制动过程中电枢电流的最大值。

因此，由于电枢电流受到限制，电机转速也会增加缓慢，起动时间也会明显延长，降低了电机的运行效率。

为了解决上述生产中出现的问题，尽可能的提高生产效率和产品的生产质量，这就要求大幅度地缩短起、制动过程当中的时间。

在具体的工程实践项目中，工程设计者往往所期望的目标是：当电机在刚起动的一段时间内，起动电流能够始终保持一定时间的最大允许值。

此时，电机输出的电磁转矩为最大，从而可以迫使电机的起动时间明显减少。

此外，在仅有一个调节器调节的情况下，如果输入端同时有多个信号叠加时，电机的各个参数互相影响，不利于调节器参数的调节。

为了解决单闭环系统运行过程当中出现的起动时间过长，当输入端有多个信号相互影响等问题，获得更加理想的起动曲线，故采用了双闭环系统。

为了防止电机在起动瞬间出现堵转和过载情况，导致电枢电流迅速增加。

通常为了限制电枢电流不会超过安全值，在电流反馈部分添加截止限幅环节。

当电枢电流大于临界电流dcr I 后，由于负反馈作用使得电流值不超过允许值，从而调节了电流的瞬时值。

然而，由于受到各种因素的影响，电枢电流不能完全受到限制，从而并不能完全按照理想曲线进行调节。

当起动电流值大于dcr I 允许值后，因为受到电流限幅环节的调节作用，电流一旦超过电流的最大值dm I 后，控制系统就会产生调节作用使得电流值降下来。

随着电枢电流不断减弱，电机所输出电磁转矩也同时慢慢减小，故延长了起动过程时间，图1-1a 所示为实际启动过程时转速和电流两者波形。

为了节省电机起动过程的时间，更大程度地改善工业产品的质量。

因此，必须充分利用电机短时过载的能力，再考虑到电机在安全稳定的条件下，电枢电流不会超过最大值。

此时，电动机恰好可以输出最大机械转矩。

在电机启动的第二个阶段，这时的电流最大且保持一段时间。

同时，电机转速也会迅速增加。

当转速达到给定值后也会逐渐产生超调量，这时电流开始慢慢减小到负载电流。

当转速出现超调后，转速调节器ASR 也会退出饱和。

当电枢电流慢慢保持不变后，故电机输出电磁转矩与负载转矩相互平衡，此后电机保持稳态运行，图1-1b 所示为理想起动过程中转速和电流的波形。

此时，起动电流变化过程是按矩形变化，转速按照折线变化。

实际上，由于电机中线圈电感和电路中电抗器的作用，起动电流不可能立即发生突变，图1-1b 所示的图形仅仅只是理想状态下的启动情形。

为了实现电动机的立即起、制动，就必须维持电机的电枢电流在最大值dm I 运行一段时间。

根据自动控制原理课程中所学的知识，可以利用负反馈环节进行对输入量的控制，从而保持其值的不变。

因此，为了维持电流值的恒定，就必须考虑采用对电流值的采集，从而得到电流的反馈量。

所以，此时要
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求对电机转速进行采集，得到反馈量来控制转速。

为了能够对电流、转速两个量的控制，必须采用两个反馈环，关键是如何将这两个反馈环连接以及两个控制器如何的选择
I n
d
I
dm
I n
dcr
I
dL
t
a）实际情况下电机启动过程
I n
d
I
dm
n
I
dL
t
-
I
dm
b）理想状态下电机启动过程
图1-1直流电机的两种启动方式比较图
1.2整个直流调速系统的组成图1
为了能够对电流和转速两个量的采集，就必须采用两个反馈环的嵌套。

同时，两个反馈环中应该选择合适的调节器，如图1-2所示。

该系统是由两个反馈环为主要构成部分，外加整流电路，通过对晶闸管门极加触发脉冲相位来控制输出电压。

从双闭环系统结构图上来分析，电流环在内部，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

为了获得更加优良的静、动态性能的系统，满足实际的设计要求，转速和电流两个调节器均采用比例积分调节器。

图1-2双闭环反馈系统原理图
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第二章 调速系统的静特性与相关参数计算
2.1 稳态结构图和静特性
整个调速系统结构图如图2-1所示，两个调节器都选用比例积分控制器。

转速调节器ASR 的最大输出电压*im U 是电流环的最大输入量，电流调节器ACR 的最大输出电压cm U 作为近似一阶环节的输入信号来控制输出电压。

由于调节器选用PI 调节器，当转速调节器进入饱和状态时，输出量达到最大值。

此时，如果转速反馈环的输入端信号发生变化，输出端也不会发生变化。

若要退出饱和状态，必须输入反向信号才能退出饱和状态。

当转速调节器ASR 饱和时，系统相当于转速环断开，仅有一个电流环进行调节。

为了实现全程对电流量的控制，所以电流调节器不能进入饱和状态[1]。

然而，由于转速在某段时间出现超调，故转速调节器将会从饱和状态退出 ，转速调节器便会有两种状态[2]。

图2-1 整个系统的稳态结构图
2.1.1 转速调节器未达到饱和情况
此时，两个调节器都没有进入饱和状态，等到系统稳定时，输入量与反馈量之间的偏差电压为零[1]。

故有 0n *n n n αα===U U （2-1） d i i I U U β==* （2-2） 式中 αβ，—分别为转速和电流传递倍数。

由（2-1）式可知
0*n U n n ==α （2-3）
故得到系统静特性的AB 段。

又因为此时的转速调节器ASR 没有达到最大值，即*im i U U <，由式（2-2）可知：
dm d I I <。

所以，AB 段静特性是电机从理想空载状态0=d I 开始到dm d I I =的整个过程。

即AB 段为电机静特性的运行部分，外部表现为一条水平线。

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2.1.2 转速调节器已经饱和情况
此时，ASR 输出值已经是饱和值*im U ，外部表现为外环转速环是断开状态，故由于转
速变化带来的影响可以忽略不计，系统仅仅变为一个单闭环电流反馈控制系统。

等到系统稳定时
（2-4）
式中，最大电流dm I 是由实际工程要求而设定的，它取决于电动机允许的最大过载电流和
起动时的最大转速来选定的。

由式（2-4）可以得到如图2-2 BC 段所示的静特性，表示为垂直的特性。

BC 段所描述的特性仅仅适用于0n n <的情况。

当电机转速开始出现超调量时，
即0n n >，则此时输入电压有*n n U U >，ASR 将逐渐退出原先的饱和状态[4]。

双闭环直流调速系统的静特性在负载电流未到最大值时，此时，转速环起主要控制电机以最大加速度升速至额定转速。

当负载电流刚刚达到dm I 时，对应的转速调节器恰好为
输出电压饱和最大值*im U ，此时，电流调节器是主导调节器，电流环起主要作用，从而使
得最大电流dm I 开始逐渐减小至负载电流，电机开始稳定运行[2]。

如果要实现上述起动过
程，两个调节器均要采用比例积分控制器。

0n
d I
图2-2 双闭环系统运行的静特性
另一方面，图2-2同时也指出了ASR 调节器退饱和的条件。

当ASR 处于饱和状态时，dm d I I =，若负载电流减小 d dm I I <，使转速上升，实际转速大于理想要求转速即0n n >，n 0∆<，当转速超过给定转速时，即转速产生超调。

此时，ASR 开始反向积分，从而使转速环退出饱和，又回到未饱和状态。

2.2 相关参数的计算
由图2-1可以看出，当双闭环系统处在稳定的状态条件下，两个调节器都未进入饱和状态。

各参数之间的关系如下所示：
0n *n n n αα===U U （2-5） L I I U U d d i *i ββ=== （2-6） dm d I U I ==β*im
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s *s d e s 0d c n K R I U C K R I C K U U dL n e +=+==α （2-7）
上述各式表明，当电机稳定运行时，给定电压*n U 决定了电机转速n ，负载电流决定了ASR
的输出量*i U 。

触发脉冲电压c U 的大小同时与n 和d I 有关。

综上所述，可以区别出P 调节
器与PI 调节器调节作用的不同。

一方面，P 调节器虽然可以起到放大信号的作用且反应迅速，但无法消除误差。

另一方面，PI 调节器既有P 调节器的放大及反应迅速的特性，同时又可以像积分控制器那样消除静差，而且调节器的输出不仅仅取决于输入信号目前的状态，其中记录了输入信号以前的全部历史值，通过下面式子给出了计算两个反馈系数的方法。

转速反馈系数
max *nm n U =α （2-8）
电流反馈系数
dm *im I U =β （2-9）
说明：上述各个公式当中，各种给定电压信号的值是由设计者自己定的
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第三章 整个调速系统的动态结构与起动过程分析
3.1 整个系统动态结构图分析
由图3-1所示的动态结构图可知，该系统是由两个调节器作为主要的组成部分。

两个调节器的传递函数的结构和系统的型次是根据实际要求选择，电机部分的动态传递函数做了近似地处理，其中电枢电流d I 在图中标出是为了凸显出电流反馈的结构。

图3-1整个系统动态结构图
3.2 整个系统刚启动过程分析
3.2.1起动过程分析
我们在设计调速系统的反馈结构时，必须将电机的转速作为反馈信号采集回输入端。

当理想阶跃信号作为系统的输入信号时，电动机的随动性能如图1-1所示，该图反映了系统最优化的理想起动过程。

如何让电机迅速起动，减少起动过程中所要消耗的时间，但又不会对电机本身造成伤害。

同时，又要兼顾系统的抗扰性能和随动性能，这些问题都是工程设计中必须要考虑的问题。

根据电机与拖动课程中所学习的知识，我们可以知道当电机外界所带的负载恒定不变时，电机的转速与电机本身输出的电磁转矩有着直接的关系。

所以，首先必须对负载电流进行分析，然后对电机起动过程中的输出功率进行研究，图3-2所示为电机起动过程中转速和电流变化图。

由图3-2可以看出，当电流没有达到负载电流时，电机是不会转动的。

当电流从零开始逐渐增加到峰值后，在这之后的时间内电流值是维持不改变的。

当转速产生超调时，电流开始逐渐减小。

当电枢电流等于负载电流时，转速将最终稳定下来。

转速波形第一阶段的缓缓升速，然后以恒定加速度上升至达到给定值*n 之后，转速出现了一段时间的超调。

由上述分析可知，我们可以将电机的起动过程划分为三个阶段即电流开始部分缓缓上升、电流保持不变时的转速上升、以及转速最终调节至稳定。

相应地，转速调节器从开始未进入饱和，继而进入饱和，以及最终退出饱和状态，进入下一次调节状态。

第一阶段（0~1t ）电流慢慢上升阶段：当整个系统刚刚开始启动时，输入端还没有输
入给定电压信号*n U ，系统后面的各路信号c U 、do U 、d I 都是零。

当在转速调节器前面加
入给定信号时,c U ﹑do U ﹑d I 都开始慢慢增加。

当转速调机器ASR 的输出还没有达到峰值时，由于比例积分调节器的调节作用使得电机电流d I 会跟随给定信号变化而上升。

当d I ≥dL I 后，电机恰好刚刚转动。

由于机电惯性的影响，从而往往会使得电机转速跟不上电枢电流的变化，即当电流已经达到最大值时，转速往往还为达到峰值。

当转速调节器
ASR 刚开始起调节作用时，电压偏差信号n n
n U U U -=∆*值较大，又因为其充当电流环的
输入信号，故电流环的输出端电流d I 会逐渐变大。

当ASR 的输出电压达到最大值*
im U ，输出端的电枢电流也达到最大值dm d I I ，这时电机将会以恒定的加速度升速。

正如上所
述，转速环的输出已到最大，故ASR 已经开始饱和，但电流调节器的输出并没有达到最大值。

第二阶段（1t ～2t ）电机维持电流值最大，转速加速上升阶段：由第一阶段可知，此时的转速调节器已经失去调节作用，因此转速环相当于断开，系统仅仅等效为单环电流反馈系统，故电枢电流d I 基本保持不变。

由于ACR 选用的是比例积分调节器，所以当电流环出现来自电动机反电动势的干扰时，系统可以及时进行消除静差。

此时，ACR 一般是不进入饱和状态的。

第三阶段（2t 以后）转速经调节后，最终达到稳定阶段[1]：当电机转速已经达到给定转速时，此时输入信号与反馈信号之间的电压误差信号为零。

但是，由于转速调节器ASR 选用比例积分调节器，所以转速环的输出还记录了上次调节之后的峰值，故电机的转速还会继续加速上升，产生超调。

当电机转速产生超调后，转速的反馈信号大于输入端给定电压信号，故两者之差所得的偏差电压信为负值，进而迫使ASR 开始慢慢退出饱和状态，电枢电流也跟随着降低。

等到电流值等于负载电流时，电机开始慢慢趋于稳定状态。

图3-2 起动阶段整个系统转速和电流波形
3.2.2 动态抗扰性能分析
在众多对系统性能影响的因素中，我们主要只考虑两个方面的扰动影响。

一方面来自于抗负载扰动，另一方面来自于抗电网电压波动的扰动，下面分别分析两种扰动对系统的影响。

（1）抗负载扰动
由图3-3可知，由于电动机负载扰动在转速环的前向通道之中，即被转速环所包围，所以只能依靠调节转速调节器来消除扰动。

又由于电流环为内环，负载扰动点没有包含在其前向通路中，所以对电流环的影响并不是主要的。

（2）抗电网电压扰动
电网电压是加在电力电子装置UPE 上的，通过UPE 装置将变换过来的交流电整流为
可控直流电而加在电机上。

所以，当电网电压不稳定时也会对电流环产生干扰作用。

通过将图3-3a 与图3-3b 对比，可以看出虽然两图中d U 和d L I 均被转速环的前向通路而包围。

仅仅从系统的静态性能来说，单闭环系统的抗扰效果与双闭环系统几乎没有什么差异。

但是，从动态抗扰的角度来说，由于电机和电力电子装置等的滞后作用，单闭环系统对于电网电压扰动的反馈不够及时。

相反，由于负载扰动点离被控制量n 更近，所以单闭环系统对负载扰动的反馈还是比较及时的。

将下面两图进行对比，可以看出图3-3b 中由于增加了电流内环，电网电压的波动就可以得到比较及时的反馈与修正。

此外，较单闭环反馈系统，图3-3b 就可以更加及时而迅速将其扰动量反馈回给定信号，系统性能得到大大改善。

a ）单闭环系统
b ）双闭环系统
图3-3 整个系统的等效动态抗扰结构图
3.3 转速、电流调节器的作用
1、转速调节器（ASR）的作用
1) 转速n的变化能够及时的反馈给给定电压信号，选用比例积分控制器就可以完全消除静态误差。

2) 抵抗由于负载扰动带来的影响。

3) 由于转速调节器与电流环是串级连接的，故其输出大小也会影响电流内环值。

2、电流调节器（ACR）的作用
1)由于电流调节器的跟随作用，使得电枢电流紧紧地随外部调节器的输出而变化。

2)及时地减弱因电网电压的不稳定而引起对系统的影响。

3)当电机出现过载和堵转的情况时，电枢电流会突然变的很大。

由于电流调节器本身带有的限制最大电流的作用，所以使得电流不会超过额定值，保护电机正常运行。

第四章调速系统的工程设计方法
当我们在具体地实践设计双闭环调速系统时，必须按照先设计电流内环再设计转速外环的整体思路。

具体的步骤为：首先我们必须考虑电流内环的结构，通过对电流环结构图的简化和近似处理，最终确定出开环传递函数的系统型次。

接着，就必须要确定选用哪种类型的电流调节器。

最后，根据系统的性能指标确定相关待测的参数值。

当电流环设计完成后，再借助上述方法设计转速环。

4.1电流调节器的设计
在设计电流调节器的结构时，必须要综合考虑到系统的全部性能。

一方面，如果系统是在阶跃信号输入作用下考虑稳态误差，根据自动控制原理的相关知识可以知道，采用典型I系统就可以消除静差。

另一方面，为了保证系统的安全运行，就必须要限制电枢电流的最大值，故系统应该选用典型I型系统。

由图4-1可知，该动态结构图中包含着由二极管组成的整流滤波环节，目的是为了滤除各个输入信号中的低频干扰信号。

具体的滤波环节包括对转速环输入信号的滤波、电流环输入信号的滤波以及给定信号的滤波[1]。

同时，又由于电机的反电动势变化缓慢，所以在相关参数的动态变化过程中可近似认为其大小是不变的。

其中
T——电流反馈滤波时
oi
间常数；
T——转速反馈滤波时间常数。

on
图4-1整个调速系统的动态结构图
设置滤波环节是因为转速反馈环节和电流反馈环节的反馈信号中含有低次谐波，然而低次谐波会对系统性能产生影响，所以增加低通滤波装置是必要的。

一般情况下，因为电流的变化时间远远小于转速的变化时间，故可以将滤波环节看作为一个纯惯性环节。

但是，当系统中增加了滤波环节后，也会带来滞后作用导致采集的信号延迟返回。

为了解决上述的问题，实际的工程设计上就在原有的系统上添加一个惯性环节，目的是为了使得系统的在响应时间上得到最佳匹配。

4.1.1电流环结构框图的化简
T远远由电动机本身的机械特性可知，由于电机的机电惯性作用，导致电磁时间常数
l
T，故电流到最大时转速却没有到最大[4]。

在分析电流环的抗扰性小于电机转速时间常数
m
能时，由于电机反电动势变化缓慢，可以将此扰动因素忽略掉。

也就是说，在分析系统的抗扰性能时，可大致认为电机反电动势不发生改变，即0
∆E。

所以，在考虑电流环的
≈
动态性能时，可以暂时忽略反电动势的变化所带来的影响作用[1]。

我们在分析系统的动态。