電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的

注冊(cè)電氣工程師考生必看 注冊(cè)電氣工程師報(bào)考復(fù)習(xí)指南鏈接地址公共基礎(chǔ)課件鏈接地址供配電專業(yè)考試大綱鏈接地址供配電專業(yè)考試規(guī)程規(guī)范鏈接地址2012電氣師 專業(yè)知識(shí) 模擬題鏈接地址電氣師考試 電氣設(shè)計(jì)口訣匯總鏈接地址電氣工程師考試知識(shí)點(diǎn)匯總鏈接地址電氣工程師考點(diǎn)解析 建筑電氣裝置鏈接地址2012電氣工程師 基礎(chǔ)知識(shí) 要點(diǎn)解析匯總鏈接地址鏈接地址 只能在幻燈片播放模式下點(diǎn)擊 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)能穩(wěn)定 準(zhǔn)確 快速工作的 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)技術(shù) 德國(guó)西門(mén)子公司提出的 調(diào)節(jié)器最佳整定法 模最佳 對(duì)稱最佳 設(shè)計(jì)思路 分析和歸類(lèi)系統(tǒng) 合理近似簡(jiǎn)化 典型系統(tǒng) 本節(jié)應(yīng)了解的問(wèn)題 典型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)形式及頻率特性 典型二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)及與參數(shù)間關(guān)系 典型三階系統(tǒng)的性能指標(biāo)及與參數(shù)間關(guān)系 非典型系統(tǒng)的典型化處理方法 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中濾波器的作用和選擇 系統(tǒng)歸類(lèi)常用方法在現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中除電機(jī)外 系統(tǒng)中的元器件都是由慣性很小的電力電子器件 集成電路等組成 故一般系統(tǒng)都可以近似為低階系統(tǒng) 再運(yùn)用運(yùn)算放大器 或數(shù)字式微處理器 構(gòu)成比例 積分 微分等控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器 把實(shí)際系統(tǒng)校正為典型的低階系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一 典型系統(tǒng)分析 一般來(lái)說(shuō) 直流電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為 上式中 分母中的sr項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有r重極點(diǎn) 或者說(shuō) 系統(tǒng)含有r個(gè)積分環(huán)節(jié) 根據(jù)r 0 1 2 等不同數(shù)值 分別稱作0型 I型 型 系統(tǒng) 自動(dòng)控制理論已經(jīng)證明 0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低 而 型和 型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定 因此 為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度 多選用I型和II型系統(tǒng) 1 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1 1動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)含義 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)是指系統(tǒng)在給定信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)作用下 系統(tǒng)輸出在動(dòng)態(tài)響應(yīng)中的各種指標(biāo)對(duì)給定信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的抗擾性能指標(biāo) 1 1 1跟隨性能指標(biāo) 在給定信號(hào)或參考輸入信號(hào)的作用下 系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來(lái)描述 常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有tr 上升時(shí)間 輸出量第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間 超調(diào)量 輸出量超過(guò)穩(wěn)態(tài)值與穩(wěn)態(tài)值之比 用百分?jǐn)?shù)表示ts 調(diào)節(jié)時(shí)間 輸出量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的 2 5 并不在逸出的時(shí)間 1 1 2抗擾性能指標(biāo) 抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力 常用的抗擾性能指標(biāo)有 Cmax 動(dòng)態(tài)降落 輸出量與原穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與原穩(wěn)態(tài)值之比tv 恢復(fù)時(shí)間 輸出量進(jìn)入原穩(wěn)態(tài)值的95 98 范圍的時(shí)間 1 2誤差性能指標(biāo) 1 2 1誤差性能指標(biāo)含義 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的誤差性能指標(biāo)是指穩(wěn)定系統(tǒng)在給定信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)作用下 當(dāng)暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的期望值與實(shí)際值之間的誤差對(duì)給定信號(hào)的跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差 1 2 2跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差 在給定作用下輸出響應(yīng)希望值與實(shí)際值之差 即 注意 跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差與開(kāi)環(huán)增益K及輸入信號(hào)形式與大小有關(guān) 1 2 3擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差 即 擾動(dòng)作用下輸出希望值0與實(shí)際值之差 2 典型I型系統(tǒng) 二階系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù) 式中T 系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù) K 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益 一個(gè)慣性和一個(gè)積分 開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 性能特性典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 其對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以 20dB dec的斜率穿越0dB線 只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度 系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的 且有足夠的穩(wěn)定裕量 即選擇參數(shù)滿足 或 于是 相角穩(wěn)定裕度 2 1典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 典型I型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如下式所示 它包含兩個(gè)參數(shù) 開(kāi)環(huán)增益K和時(shí)間常數(shù)T 其中 時(shí)間常數(shù)T在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對(duì)象本身固有的 能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開(kāi)環(huán)增益K 也就是說(shuō) K是唯一的待定參數(shù) 設(shè)計(jì)時(shí) 需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)K的大小 K與開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的關(guān)系 下圖繪出了在不同K值時(shí)典型I型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 箭頭表示K值增大時(shí)特性變化的方向 K與截止頻率 c 截止頻率 的關(guān)系 當(dāng) c 1 T時(shí) 特性以 20dB dec斜率穿越零分貝線 系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性 由圖中的特性可知 所以K c 當(dāng) c時(shí) 上式表明 K值越大 截止頻率 c也越大 系統(tǒng)響應(yīng)越快 但相角穩(wěn)定裕度 90 arctg cT越小 這也說(shuō)明快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾 在具體選擇參數(shù)K時(shí) 須在二者之間取折衷 下面將用數(shù)字定量地表示K值與各項(xiàng)性能指標(biāo)之間的關(guān)系 典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 1 穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)可用不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示 I型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 由表可見(jiàn) 在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無(wú)差的 但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差 且與K值成反比 在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為 因此 I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動(dòng)系統(tǒng) 2 動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 閉環(huán)傳遞函數(shù) 典型I型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng) 其閉環(huán)傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為 式中 n 無(wú)阻尼時(shí)的自然振蕩角頻率 或稱固有角頻率 阻尼比 或稱衰減系數(shù) 從典型I型系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形式可以求出 換算得 且有 二階系統(tǒng)的性質(zhì)當(dāng) 1時(shí) 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性 當(dāng) 1時(shí) 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是過(guò)阻尼的單調(diào)特性 當(dāng) 1時(shí) 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是臨界阻尼 由于過(guò)阻尼特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢 所以一般常把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài) 即00 5 因此在典型I型系統(tǒng)中應(yīng)取下面列出欠阻尼二階系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)計(jì)算公式 超調(diào)量 上升時(shí)間 峰值時(shí)間 調(diào)節(jié)時(shí)間ts與的關(guān)系復(fù)雜 則近似計(jì)算式 典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 工程上稱 0 707為最佳阻尼比 相應(yīng)二階系統(tǒng)稱 二階最佳 系統(tǒng) P476圖17 9 1是二階最佳 2 2典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 下圖a 是在擾動(dòng)F作用下的典型I型系統(tǒng) 其中 W1 s 是擾動(dòng)作用點(diǎn)前面部分的傳遞函數(shù) 后面部分是W2 s 于是 只討論抗擾性能時(shí) 令輸入作用R 0 得到下圖b 的等效結(jié)構(gòu)圖 典型I型系統(tǒng) 二階最佳系統(tǒng)在單位階躍擾動(dòng)作用下擾動(dòng)恢復(fù)時(shí)間tv tv與有關(guān) 是擾動(dòng)點(diǎn)前后通道時(shí)間常數(shù)之比 結(jié)論 當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí) 動(dòng)態(tài)降落減小 但恢復(fù)時(shí)間卻拖得較長(zhǎng) 見(jiàn)p479數(shù)據(jù) 當(dāng)擾動(dòng)作用于控制對(duì)象的輸入端時(shí) 恢復(fù)時(shí)間也增大 3 典型II型系統(tǒng) 三階系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù) 開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 O dB dec dB dec dB dec 性能特性典型的II型系統(tǒng)也是以 20dB dec的斜率穿越零分貝線 由于分母中s2項(xiàng)對(duì)應(yīng)的相頻特性是 180 后面還有一個(gè)慣性環(huán)節(jié) 在分子添上一個(gè)比例微分環(huán)節(jié) s 1 是為了把相頻特性抬到 180 線以上 以保證系統(tǒng)穩(wěn)定 即應(yīng)選擇參數(shù)滿足 且 比T大得越多 系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大 或 3 1典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 1 穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差列于下表中 II型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 2 動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo) 按Mrmin準(zhǔn)則確定關(guān)系時(shí) 由表可知 在階躍和斜坡輸入下 II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)均無(wú)差 加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開(kāi)環(huán)增益K成反比 3 2三階最佳系統(tǒng)分析根據(jù)德國(guó)西門(mén)子公司提出 對(duì)稱最佳 方法 三階最佳系統(tǒng) 取中頻寬a 4 中衰區(qū)b 2 并必須引入對(duì)控制信號(hào)的濾波環(huán)節(jié) 此環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)倍數(shù)c 4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如教材p479圖17 9 6 因此取 可得三階最佳系統(tǒng)典型傳遞函數(shù) 3 3三階最佳系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 1 穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)三階最佳系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差列于下表中 三階最佳系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 與K成正比 由表可知 在階躍和斜坡輸入下 三階最佳系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)均無(wú)差 但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差 且與K值和時(shí)間常數(shù)Tt的乘積成正比 加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開(kāi)環(huán)增益K成反比 2 動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)上升時(shí)間trtr 7 6Tt峰值時(shí)間tsts 16 4Tt超調(diào)量 8 1 3 4三階最佳系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 抗擾系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 三階最佳系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 三階最佳系統(tǒng)在單位階躍擾動(dòng)作用下的過(guò)度過(guò)程見(jiàn)p482中圖17 9 9擾動(dòng)恢復(fù)時(shí)間tv tv在正負(fù)之間振蕩結(jié)論 三階最佳系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間tv最大值與二階最佳相差不大 但恢復(fù)時(shí)間大為縮短 4 典型I型系統(tǒng)與典型 型系統(tǒng)比較比較分析的結(jié)果可以看出 典型I型系統(tǒng)和典型 型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外 在動(dòng)態(tài)性能中 典型I型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小 但抗擾性能稍差 典型 型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大 抗擾性能卻比較好 這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù) 二 非典型系統(tǒng)的典型化處理 1 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇基本思路 將控制對(duì)象校正成為典型系統(tǒng) 選擇規(guī)律根據(jù)控制系統(tǒng)要求確定校正成那類(lèi)典型 確定類(lèi)型后 選擇調(diào)節(jié)器方法就是把控制對(duì)象與調(diào)節(jié)器相乘 匹配成典型系統(tǒng) 如果配不成 則可以先對(duì)控制對(duì)象的傳遞函數(shù)做近似處理 再進(jìn)行校正 例如 某控制對(duì)象是雙慣性型 其傳遞函數(shù)如下式若要校正成典型I型 調(diào)節(jié)器必須具有一個(gè)積分環(huán)節(jié) 并含一個(gè)比例微分環(huán)節(jié) 因此選擇PI調(diào)節(jié)器 其傳遞函數(shù)如下式 T1 T2 校正后系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是 取 并且 則有 為典型I型 用PI調(diào)節(jié)器把雙慣性型控制對(duì)象校正成典型 型系統(tǒng) 我們將幾種校正成典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的控制對(duì)象和相應(yīng)的調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)列于表3 1和表3 2中 表中還給出了參數(shù)配合關(guān)系 表3 1校正成典型I型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇 T1 T2 T3 T1 T2 表3 2校正成典型II型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇 認(rèn)為 認(rèn)為 2 傳遞函數(shù)近似處理 1 高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理實(shí)際系統(tǒng)中往往有若干個(gè)小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié) 這些小時(shí)間常數(shù)所對(duì)應(yīng)的頻率都處于頻率特性的高頻段 形成一組小慣性群 例如 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 當(dāng)系統(tǒng)有一組小慣性群時(shí) 在一定的條件下 可以將它們近似地看成是一個(gè)小慣性環(huán)節(jié) 其時(shí)間常數(shù)等于小慣性群中各時(shí)間常數(shù)之和 例如 近似條件 如 P483頁(yè)17 9 3 2 高階系統(tǒng)的降階近似處理 上述小慣性群的近似處理實(shí)際上是高階系統(tǒng)降階處理的一種特例 它把多階小慣性環(huán)節(jié)降為一階小慣性環(huán)節(jié) 下面討論更一般的情況 即如何能忽略特征方程的高次項(xiàng) 以三階系統(tǒng)為例 設(shè)其中 a b c都是正系數(shù) 且bc a 即系統(tǒng)是穩(wěn)定的 降階處理若能忽略高次項(xiàng) 可得近似的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為近似條件 3 低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理表2 9中已經(jīng)指出 當(dāng)系統(tǒng)中存在一個(gè)時(shí)間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)時(shí) 可以近似地將它看成是積分環(huán)節(jié) 即 近似條件 例如 如 P486頁(yè)17 9 4 2 對(duì)頻率特性的影響 低頻時(shí)把特性a近似地看成特性b 低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對(duì)頻率特性的影響 三 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中濾波器的作用和選擇 1 反饋控制規(guī)律 轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng) 它具有以下三個(gè)基本特征 也就是反饋控制的基本規(guī)律 各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律 1 1被調(diào)量有靜差 從靜特性分析中可以看出 由于采用了比例放大器 閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K值越大 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好 然而 Kp 常數(shù) 穩(wěn)態(tài)速差就只能減小 卻不可能消除 因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為只有K 才能使 ncl 0 而這是不可能的 因此 這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng) 實(shí)際上 這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的 1 2 抵抗擾動(dòng) 服從給定 反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能 它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用 但對(duì)給定作用的變化則唯命是從 擾動(dòng) 除給定信號(hào)外 作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會(huì)引起輸出量變化的因素都叫做 擾動(dòng)作用 負(fù)載變化的擾動(dòng) 使Id變化 交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng) 使Ks變化 電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng) 造成Ce變化 放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng) 使Kp變化 溫升引起主電路電阻增大的擾動(dòng) 使R變化 檢測(cè)誤差的擾動(dòng) 使 變化 在下圖中 各種擾動(dòng)作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來(lái)了 所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速 調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)源 擾動(dòng)作用與影響 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用 抗擾能力 反饋控制系統(tǒng)對(duì)被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)都有抑制功能 例如 Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc 但是 如果在反饋通道上的測(cè)速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化 它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制 反而會(huì)增大被調(diào)量的誤差 例如 Un Un Uc Ud0 n 因此 反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng) 1 3給定作用 與眾不同的是 在反饋環(huán)外的給定作用 如上圖中的轉(zhuǎn)速給定信號(hào) 它的些微變化都會(huì)使被調(diào)量隨之變化 絲毫不受反饋?zhàn)饔玫囊种?結(jié)論 反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是 一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用 另一方面 則緊緊地跟隨著給定作用 對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從的 2 反饋回路濾波器的作用從反饋控制規(guī)律可知反饋控制能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi) 前向通道上的擾動(dòng)作用 因此 一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的諧波同樣可以通過(guò)反饋回路濾波器來(lái)抑制反饋回路濾波器的作用 1 濾掉系統(tǒng)信號(hào)中的諧波分量 2 抑制干擾 3 反饋回路濾波器的選擇 1 電樞電流反饋回路用電感互感器檢測(cè)時(shí)