電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(陳伯時(shí))ppt2-3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法.ppt

1、1,轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法,電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),第 2 章,2,主要內(nèi)容,1.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 2.數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 3.調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 4.雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) *5.轉(zhuǎn)速超調(diào)的抑制 *6.弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng),3,本節(jié)要點(diǎn)：,1. 介紹一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法； 2. 介紹典型環(huán)節(jié); 3. 典型、系統(tǒng)的參數(shù)和性能指標(biāo)的關(guān)系; 4. 小慣性環(huán)節(jié)近似處理； 5. 高階系統(tǒng)的降階處理； 6. 大慣性環(huán)節(jié)的近似處理。 重點(diǎn)、難點(diǎn)： 典型系統(tǒng)的參數(shù)和性能指標(biāo)的關(guān)系； 非典型系統(tǒng)的近似。,4,2.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法,2.3.0 問題的提

2、出 必要性： 用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。于是便需要一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法工程設(shè)計(jì)方法。,可能性： 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照，設(shè)計(jì)過程就簡(jiǎn)便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。,5,設(shè)計(jì)方法的原則 ： （1）概念清楚、易懂； （2）計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記； （3）不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向； （4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡(jiǎn)單的計(jì)

3、算公式； （5）適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。,6,2.3.1 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路,1. 選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。 2. 設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。,7,3. 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 基本思路:事先將典型系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)列出圖表。將控制對(duì)象校正成為典型I型系統(tǒng)或 II型系統(tǒng)，根據(jù)圖表選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)。,只采用少量典型系統(tǒng),8,2.3.2 典型系統(tǒng),一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為 (2-8),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，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、

4、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),9,1. 典型I型系統(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)的開環(huán)增益。,（2-9）,O,10,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 20 dB/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,11,2. 典型型系統(tǒng),結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù),（2-10）,O,12,性能特性 典型的型系統(tǒng)也是以 20dB/de

5、c 的斜率穿越零分貝線。由于分母中s 2 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,或,且 比 T 大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。,13,1. 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)來描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有: tr 上升時(shí)間 超調(diào)量 ts 調(diào)節(jié)時(shí)間,2.3.3 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),14,圖2-12 典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo),上升時(shí)間,超調(diào)量,調(diào)節(jié)時(shí)間,15,2. 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

6、動(dòng)的能力。常用的抗擾性能指標(biāo)有 Cmax 動(dòng)態(tài)降落 tv 恢復(fù)時(shí)間 一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。,16,突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo),圖2-13 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo),動(dòng)態(tài)降落,恢復(fù)時(shí)間,17,2.3.4 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)包含兩個(gè)參數(shù)：開環(huán)增益 K 和時(shí)間常數(shù) T 。 T 是控制對(duì)象本身固有的； 能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益 K ，即，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。,18,K 與開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的關(guān)系,圖2-13繪出了在不同 K 值時(shí)典型 I 型系統(tǒng)的開

7、環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性。,19,K 與截止頻率 c 的關(guān)系,當(dāng) c1/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)）,(2-12),20,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 = 90arctgcT 越小，這也說明快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾。,21,表2-1 I型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差,1. 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)誤差來表示。,22,由表可見： 在階躍輸入下的 I 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無靜差的； 但在斜坡輸入下則

8、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)。,23,（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)的一般形式為,（2-13）,式中 n 無阻尼時(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)。,24,K、T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)的換算關(guān)系,(2-15),(2-16),(2-17),且有,25,二階系統(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。,26,由于在典型 I 型系統(tǒng)中 KT 0.5。因

9、此在典型 I 型系統(tǒng)中應(yīng)取,(2-18),由于過阻尼特性動(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 0 1,27,性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系,(2-19),(2-20),(2-21),超調(diào)量,上升時(shí)間,峰值時(shí)間,28,表2-2 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 （ 與KT的關(guān)系服從于式2-16）,具體選擇參數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工藝要求選擇參數(shù)以滿足性能指標(biāo)。,29,2. 典型 I 型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系,圖2-14a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

10、= 0，得到圖2-14b所示的等效結(jié)構(gòu)圖。,(2-25),30,圖2-14 擾動(dòng)作用下的典型 I 型系統(tǒng),典型I型系統(tǒng),31,圖2-15 典型 I 型系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的等效框圖,a),32,階躍擾動(dòng)作用下的輸出變化量,階躍擾動(dòng)：,輸出變化量：,當(dāng) 時(shí):,33,表2-3 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 (控制結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖2-15所示，已選定的參數(shù)關(guān)系KT=0.5),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),Cb=FK2/2,34,2.3.5 典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系,可選參數(shù)： 在典型II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)式(2-10)中，與典型

11、I 型系統(tǒng)相仿，時(shí)間常數(shù)T 也是控制對(duì)象固有的。 不同的是，待定的參數(shù)有兩個(gè)： K 和 ，這就增加了選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性。 為了分析方便起見，引入一個(gè)新的變量 h，令,(2-32),35,典型型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性,圖2-16 典型型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性和中頻寬,中頻寬度,(2-33),36,中頻寬h 由圖可見，h 是斜率為20dB/dec的中頻段的寬度（對(duì)數(shù)坐標(biāo)），稱作“中頻寬”。由于中頻段的狀況對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此 h 值是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。,37,參數(shù)之間的一種最佳配合,采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則，可以找到和兩個(gè)參數(shù)之間的一種最佳配合，,只要

12、按照動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求確定了h值，就可以按上述公式計(jì)算K 和 ，并由此計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。,(2-39),38,（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)誤差列于表2-5中,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)誤差列于表2-5中,1. 典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系,在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)均無差；,加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益K成反比。,39,表2-6 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)）,（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo),40,圖2-17 典型II型系統(tǒng)在某種擾動(dòng)作用下的動(dòng)

13、態(tài)結(jié)構(gòu)圖,2. 典型型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系,a),b),41,擾動(dòng)系統(tǒng)的輸出響應(yīng) 在階躍擾動(dòng)下:,（2-43）,42,由式（2-43）可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)于不同 h值的動(dòng)態(tài)抗擾過程曲線C(t)，從而求出各項(xiàng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)，列于表2-7中。 在計(jì)算中，為了使各項(xiàng)指標(biāo)都落在合理的范圍內(nèi)，取輸出量基準(zhǔn)值為,Cb = 2FK2T （2-44）,43,表2-7 典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 （控制結(jié)構(gòu)和階躍擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖2-18，參數(shù)關(guān)系符合最小Mr準(zhǔn)則）,一般來說， h 值越小，Cmax/Cb 也越小，tm 和 tv 都短，因而抗擾性能越好,這個(gè)趨勢(shì)與跟隨性能指標(biāo)中超調(diào)量與 h 值的

14、關(guān)系恰好相反，反映了快速性與穩(wěn)定性的矛盾,但是，當(dāng) h 5 時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加，h 再小，恢復(fù)時(shí)間 tv 反而拖長(zhǎng)了,44,分析結(jié)果 由此可見，h = 5是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時(shí)間最短的條件是一致的（見表2-6）。 因此，把典型型系統(tǒng)跟隨和抗擾的各項(xiàng)性能指標(biāo)綜合起來看，h = 5應(yīng)該是一個(gè)很好的選擇。,45,兩種系統(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)。,46,2.3.6 調(diào)節(jié)器

15、結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似 處理非典型系統(tǒng)的典型化,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)。,47,選擇規(guī)律： 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 2-8和表2-9中。,48,表2-8 校正成典型I型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇,49,表2-9 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：,50,選擇規(guī)律： 有時(shí)僅靠 P、I、PI、PD及PID幾種調(diào)節(jié)器都不能滿足要求，就不得不作一些近似處理，或者采用更復(fù)雜的控制規(guī)律。,51,2. 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)的開環(huán)傳遞函數(shù)為,52,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：,(2-47),近似條件,(2-46),對(duì)應(yīng)圖2-20,53,（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，