孫心洲自控論文

西安理工大學自動控制理論（論文）題目：同步發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析院（系）：水利水電學院專業(yè)：電力系統(tǒng)及其自動化班級：研1219班指導老師：楊曉萍學生姓名：孫心洲摘要ABSTRACT目錄II1.緒論1.緒論錯誤！未定義書簽。1.1課題的目的及意義1.2勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展1.3本論文的主要內(nèi)容錯誤！未定義書簽。2.相關知識介紹2.相關知識介紹2.1勵磁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.2系統(tǒng)響應及其分析3系統(tǒng)的定性分析3系統(tǒng)的定性分析TOC\o"1-5"\h\z3.1穩(wěn)定性分析73.2能控性分析73.3能觀性分析84系統(tǒng)的定量分析錯誤!未定義書簽。4.1串聯(lián)校正4.2輸出反饋校正極點配置5總結(jié)錯誤!未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"參考文獻13\o"CurrentDocument"附錄一:14附錄二:14\o"CurrentDocument"附錄三:15\o"CurrentDocument"附錄五16附錄六摘要同步發(fā)電機的運行與它的空載電動勢E值得大小有關，而E的值是發(fā)電機勵磁電流/時的函數(shù)，改變勵磁電流可影響同步發(fā)電機在電力系統(tǒng)中的運行特性。因此，對同步發(fā)電機的勵磁進行控制，是對發(fā)電機的運行實行控制的重要內(nèi)容之一。對控制系統(tǒng)的基本要求可以概括為兩點：首先，系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的；其次，具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。穩(wěn)定是控制系統(tǒng)能夠正常工作的基本前提，而動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度是對控制系統(tǒng)動，靜態(tài)性能優(yōu)劣的評價。在單輸入單輸出系統(tǒng)中，動態(tài)品質(zhì)指的是系統(tǒng)輸出響應的快速性和超調(diào)量；而穩(wěn)態(tài)精度則常用輸出響應的穩(wěn)態(tài)誤差的大小來衡量。本論文主要對同步發(fā)電機系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)進行分析簡化，列出勵磁自動控制系統(tǒng)各單元的傳遞函數(shù)，抽象出整體的傳遞函數(shù)，在此基礎上，分析了系統(tǒng)的可控性，可觀性，穩(wěn)定性，并在此系統(tǒng)中，加入了校正環(huán)節(jié)，分析了校正裝置的傳遞函數(shù)，并且驗證了校正后系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能的各個參數(shù)。關鍵詞：同步發(fā)電機，勵磁系統(tǒng)，自動控制AbstractTheoperationofthesynchronousgeneratorwithitsno-loademfisworthaboutsize,andthevalueofthecurrentgeneratorexcitationfunction,changeexcitercurrentcanaffectthesynchronousgeneratorpowersystemintheruncharacteristics.Therefore,thesynchronousgeneratorexcitationcontrol,totheoperationofthegeneratorisoneoftheimportantcontentsofthecontrolThebasicrequirementsforthecontrolsystemcanbesummarizedastwopoints:first,thesystemmustbestable;Second,gooddynamicperformanceandsteadyprecision.Stabilityisacontrolsystemcanworknormallybasicpremise,andthedynamicqualityandstableprecisionisforthecontrolsystemtomove,andstaticperformancequalityevaluation.Inthesingleinputandsingleoutputsystem,thedynamicqualityreferstotheresponseofthesystemoutputefficiencyandovershoot;Andsteadyprecisioniscommonresponseofthesizeofthesteady-stateerrorofthemeasure.Thisthesismainlyforsynchronousgeneratorsystemofeachlinksimplifiedanalysis,listtheexcitationautomaticcontrolsystemthetransferfunctionofeachunit,abstractoutthegeneraltransferfunction,onthisbasis,theanalysisofsystemcontrol,considerablesex,stability,andonthissystem,joinedthecorrectionlink,analysisthetransferfunctionoftheadjustmentdevice,andverifiedthesystemstabilityandcorrectionallparametersofthedynamicperformance.Keywords:synchronousgenerators,excitationsystem,automaticcontrol第一章緒論1.1課題研究的目的和意義近年來，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，大機組的出現(xiàn)，要求勵磁調(diào)節(jié)器具有更高的技術經(jīng)濟指標、更加完善的控制功能。早期的機電型調(diào)節(jié)器、電磁型調(diào)節(jié)器、半導體調(diào)節(jié)器都越來越不能適應當今同步發(fā)電機勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)展。目前，由于大規(guī)模繼承電路和微機調(diào)節(jié)器已成為今后的發(fā)展方向。優(yōu)良的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)有能提高系統(tǒng)的靜穩(wěn)定儲備，防止勵磁過分降低，提高機電保護靈敏度，快速滅磁等功能，能較好地使電力系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下運行并有較強的抗干擾能力。1.2勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展勵磁調(diào)節(jié)器是勵磁控制系統(tǒng)的智能部件，它是根據(jù)發(fā)電機端電壓和電流的變化對機組勵磁產(chǎn)生校正作用的裝置，用來在正常情況和故障情況下勵磁的自動調(diào)節(jié)。早期的調(diào)節(jié)器為振動型和變阻器型，都具有機械部件，稱為機電型調(diào)節(jié)器。由于它不能連續(xù)調(diào)節(jié)，響應速度慢，并有死區(qū)，早已被淘汰。上世紀30年代以來，磁放大器出現(xiàn)后，電力系統(tǒng)廣泛采用磁放大器和電磁元件組成的電磁型調(diào)節(jié)器。由于磁放大器具有時滯性，調(diào)節(jié)速度慢，但可靠性高，因此半導體調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速度比較快。近年來，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，大機組的出現(xiàn)，要求調(diào)節(jié)器具有更高的技術經(jīng)濟指標、更完善的控制功能。目前，由于大規(guī)模繼承電路和微機技術的迅猛發(fā)展，由硬件和軟件組成的微機調(diào)節(jié)器已成為今后的發(fā)展方向。1.3本論文的主要內(nèi)容勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要任務可分為：（1）保持發(fā)電機在運行中電壓的穩(wěn)定。（2）在并列運行中，調(diào)節(jié)無功功率的分配。（3）提高同步發(fā)電機并列運行的穩(wěn)定性。本論文主要分析同步發(fā)電機系統(tǒng)的的動靜態(tài)性能，并在此基礎上對其動靜態(tài)性能指標進行了校正。本文包括5章，分別是以下主要內(nèi)容：第一章：緒論。本章主要討論了本課題研究的目的及意義，本論文的書寫思路等問題。第二章：本章主要對該同步發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行了建立數(shù)學模型，闡述系統(tǒng)原理，給出單輸入-單輸出模式的傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程以及輸出方程。第三章：本章主要對該系統(tǒng)進行了定性分析。包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能控性、能觀性，是本論文的主要章節(jié)。第四章：本章主要針對系統(tǒng)進行了定量分析。包括動態(tài)性能指標和靜態(tài)性能指標，對該系統(tǒng)進行輸出反饋校正一一極點配置，及串聯(lián)校正，是本論文的主要早節(jié)。第五章：結(jié)論。本章通過以上五章的介紹，給出了最終的結(jié)論和說明。第二章建立數(shù)學模型2.1勵磁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在本文中，用勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型來等效實現(xiàn)系統(tǒng)，所建立的模型雖然不能在個方面表達實際的元件，但卻可以描述其輸入、輸出特性，達到對整個系統(tǒng)進行仿真的目的。在分析勵磁自動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性及其對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的過程中，應先列出勵磁自動控制系統(tǒng)各單元的傳遞函數(shù)，應用《自動控制理論》課程中所講的方法進行分析。下圖2-1是典型的勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。基準輸入圖2-1典型的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖勵磁機有直流勵磁機和交流勵磁機兩類。在本論文主要討論直流勵磁機，在討論過程中，假設它們的轉(zhuǎn)速為恒定。根據(jù)自動裝置課程中所學的知識可知，一直流他勵勵磁機的傳遞函數(shù)根據(jù)電力系統(tǒng)自動裝置課程所學知識可知，直流他勵勵磁機的傳遞函數(shù)為下式:u(s)11u(s)—Ts+RG+RGS—TS+K+S'EEEEEEEEE其中S，E=ReGSeKe=RGTe=NsK式中b——一般假定為常數(shù)在上式中，SE表示勵磁機的飽和系數(shù)；N是鍵鏈；1G為氣隙特性的斜率；K是常數(shù)；

RE是勵磁機勵磁繞組的電阻。二勵磁調(diào)節(jié)器各單元傳遞函數(shù)(1)電壓測量比較單元的傳遞函數(shù)G(s)二馬里=-A—RUg(s)1+Trs式中電壓比例系數(shù)(2)KRTr——電壓測量回路的時間常數(shù)綜合放大單元的傳遞函數(shù)GA(s)=TT1-1A式中ka——電壓放大系數(shù)；TA——放大器的時間函數(shù)。式中(3)功率放大單元傳遞函數(shù)三同步發(fā)電機的傳遞函數(shù)G(s)=——^—Gd0kg——發(fā)電機的放大倍數(shù)；T00'時間常數(shù)。四勵磁控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)求得勵磁控制系統(tǒng)個單元傳遞函數(shù)后，可組成勵磁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖，如下圖2-2所示：

圖2-2圖2-2勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖本次系統(tǒng)分析采用他勵直流勵磁機勵磁控制系統(tǒng)。勵磁控制系統(tǒng)參數(shù)為:Te=0.69s*=1匕=1Ta=0T/=8.38sTr=0.04s帶入以上參數(shù)，得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(sG(s)=G(5)H(S)=(S+0.12)(S；1.45*+25)取K=4.32KKgKr由此可得系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：U(s)=°」7L*(S+25)g(S+1.45)(S+0.12)(S+25)+K2.2系統(tǒng)響應及其分析動態(tài)響應指的是一個穩(wěn)定系統(tǒng)在過渡過程中的狀態(tài)和輸出的行為，所謂過渡過程，是指系統(tǒng)在外力作用下從一個穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個穩(wěn)態(tài)的過程。在控制過程中，把階躍信號當作對系統(tǒng)性能考驗最為嚴重的輸入信號，若系統(tǒng)對該類輸入信號的響應良好，則系統(tǒng)對其它信號的響應一般也是良好的。以下為動態(tài)性能的幾個參數(shù)：1上升時間：：輸出響應從零上升，第一次達到穩(wěn)態(tài)值所需要的時間，它反映了系統(tǒng)的快速性。2峰值時間t:輸出響應從零上升全峰值是的時間。3調(diào)整時間、:輸出響應到達并停留在誤差帶內(nèi)所需的最小時間，它反映系統(tǒng)過渡過程的快慢。。輸出的誤差帶范圍一般規(guī)定為其穩(wěn)定值得土2%或±5%。4超調(diào)量。%:若輸出峰值為j（t），穩(wěn)態(tài)值為y（8），則定義°%=j七）—j（8）1100%y（8）本次分析所選用的系統(tǒng)的階躍響應曲線和根軌跡圖見（附錄一二）第三章系統(tǒng)的定性分析3.1穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性指的是系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下，受到擾動之后，系統(tǒng)自由運動的性質(zhì)。由上述分析可知，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：U(s)=——°」7"(S+25)——g(S+1.45)(S+°.12)(S+25)+K其特征方程為：D(s)=(S+1.45)(S+°.12)(S+25)+K=S3+26.57S2+39.42S+K+4.23將s=jw帶入D(s)中有(jw)3+26.57(jw)2+39.42(jw)+k+4.32=°解得w=6.27K=1°42所以當K<1°24時系統(tǒng)是穩(wěn)定的。也可選用根軌跡方法對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行判定。(matlab圖見附件一)由matlab圖可知，當隨著開環(huán)增益的提高，系統(tǒng)的閉環(huán)極點進入右半平面，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。3.2能控性分析取K=2°°7.8(s+25)7.8S+195.85G(s)==(s+1.45)(s+°.12)(s+25)+2°°s3+26.57s2+39.42s+204.32其狀態(tài)方程為：■-26.57-39.42-204.32-TX=1°1X+°U°1°_°_Y=1°7.8195.85〕X

5=^BAB用matlab工具計算得:A2BLrankS=「1003-26.5710666.5449--26.571所以系統(tǒng)是能控的v=-C-_=一07.8-0.01147.8195.85-0.3075195.85-0-1.5937其能控性矩陣為:所以系統(tǒng)是能觀的。.C07.8195.85V二CA=7.8195.850CA2_-0.0114-0.3075-1.5937計算得：rankv=33.3能觀性分析計算得：rankv=33.3能觀性分析第四章系統(tǒng)的定量分析4.1串聯(lián)校正本次要求校正后系統(tǒng)在單位階躍輸入響應下，超調(diào)量b%<5%調(diào)整時間t<5s，上升時間盡量小。s由動態(tài)性能指標b%<5%，ts

<5s借用標準二階系統(tǒng)計算公式4n&>0.707S1,2%=俱土j1-2=-0.8土j0.8米用串聯(lián)校正:在上述中已經(jīng)計算出了期望主導極點的位置為:校正框圖如下所示：校正框圖如下所示：aTs+1假設校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：Gc(s)=k^rT200選擇參數(shù)時，可以"⑸的零點對消固有部分的最大時間常數(shù)即取-L如2即aT=8.33這樣系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：200G(s)=K8.33s+1xTs+1(s+0.12)(s+1.45)(S+25)=1666Kc/T(S+T)(S+1.45)(S+25)要使系統(tǒng)的根軌跡經(jīng)過期望極點：Si2=-0.8±j0.8,根據(jù)根軌跡的相角條件有：ZS+1+ZS+1.45+ZS+25=180=itii

由此解得1/T=0.2T=5由幅值條件得：|=0.07(S+0.2)(S+1.45)(S+25)1666/5所以：Gc(s)=0.078.33|=0.071666/5所以：Gc(s)=0.078.33S+15S+1120.79120.79G,(s)=

(5S+1)(S+1.45)(S+25)校正后的階躍響應圖和根軌跡圖見附錄（二，三）由根軌跡圖可知：隨著開環(huán)增益提高其跟軌跡變化趨向轉(zhuǎn)入右半平面，使系統(tǒng)失去穩(wěn)定，為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，再增加一對開環(huán)零點-0.5+j1.32和-0.5-j1.32,使根軌跡右移，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。加入后的開環(huán)傳遞函數(shù)為：14(8.33s+1)(s2+s+2)(s+0.12)(s+1.45)(s+25)(5s+1)其階躍響應和根軌跡圖見附錄（四，五）4.2輸出反饋校正一一極點配置系統(tǒng)的開環(huán)狀態(tài)方程為:_010一31-111X=001X+02-4.35-39.42-16.57X1-3」L0」由于系統(tǒng)是能控的，可通過狀態(tài)反饋配置其閉環(huán)極點于期望位置上，令狀態(tài)反饋為：kt=[kkk]于是狀態(tài)反饋的系數(shù)矩陣為：010A=A+bkT=001ki-4.35k2-39.42k3-16.57其特征方程為：s-10??si—A=0s-14.35-k39.42-ks-k+16.57123=s3+(16.57-k3)s2+(39.42-k2)s+(4.35-k1)=0由期望極點所確定的特征方程為：s3+4.16s2+1.92s+1.12=0比較上述兩個特征方程，使它們對應項的系數(shù)相等，可有:kT=h