2020調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法典典ppt課件

1、第第2 2章章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 2.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法-主要內(nèi)容-工程設(shè)計方法的必要性和可能性工程設(shè)計方法的基本思路 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo) 典1系統(tǒng)及其性能指標(biāo) 典2系統(tǒng)及其性能指標(biāo)非典型系統(tǒng)的典型化 一、工程設(shè)計方法的可能性及必要性n必要性n 設(shè)計調(diào)節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求。n可能性: n 電力拖動自動控制系統(tǒng)可由低階系統(tǒng)近似，事先研究低階典型系統(tǒng)的特性，將實際系統(tǒng)校正成典型系統(tǒng)，設(shè)計過程就簡便多了。n建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法所遵循的原則是：n概念清楚、易懂n計算公式簡明、好記n不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的

2、方向n能考慮飽和非線性控制的情況，給出簡單的計算公式n適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。二、工程設(shè)計方法的基本思路 調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程分作兩步：（I先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。（II再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示： niirmjjsTssKsW11) 1() 1()(討論：系統(tǒng)型別&穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)精度的關(guān)系。 在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。典型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)： ) 1()(ITssKsW：典) 1() 1()(

3、II2TsssKsW：典三、控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo) 跟隨性能指標(biāo)跟隨性能指標(biāo): :上升時間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間上升時間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間 抗擾性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo) 通常，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)通常，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主。的動態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主。 （1動態(tài)降落Cmax 系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，由階躍擾動所引起的輸出量最大降落值Cmax。用輸出量原穩(wěn)態(tài)值C的百分?jǐn)?shù)來表示。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動時的動態(tài)轉(zhuǎn)速降落稱為動態(tài)速降nmax（2恢復(fù)時間tf 定義：從階躍擾動作用開始，到輸出量基本恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，且與新的穩(wěn)態(tài)值C之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量Cb的5或

4、2范圍內(nèi)所需的時間，其中Cb稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況選定。一般反饋控制系統(tǒng)的抗擾性能與跟隨性能之間存在一定矛盾，若超調(diào)量小，則調(diào)整時間大，恢復(fù)時間長，反之亦然。2、抗擾性能指標(biāo)、抗擾性能指標(biāo)四、典型系統(tǒng)及其性能指標(biāo)四、典型系統(tǒng)及其性能指標(biāo) （典（典I I系統(tǒng)系統(tǒng)-二階典型系統(tǒng)）二階典型系統(tǒng)）l 典I系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)l 典I系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性l 不同K值時典型I型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性l 典I系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系l 典I系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系2、典I系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性 相角穩(wěn)定裕度：（ 或 ）459090180TarctgTarctgcc1、典I系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)

5、 ) 1()(TssKsW時間常數(shù)T在實際系統(tǒng)中往往是控制對象本身固有的，能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益K，K是唯一的待定參數(shù)。 Tc11Tc3、不同K值時典型I型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性 不同K值時典型I型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性： 討論：快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾？ 4、典I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)（2動態(tài)跟隨性能指標(biāo)2222)()()(nnnclsssRsCsWTKnKT121Tn21一般把系統(tǒng)設(shè)計成欠阻尼狀態(tài), 01典型I型系統(tǒng)中KT0.515 . 0討論：不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差?典I系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，閉環(huán)傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式：（欠阻尼二階系統(tǒng)）TKsTsTKs

6、RsCsWcl1)()()(2 典I系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應(yīng)動態(tài)指標(biāo)： 超調(diào)量： 上升時間： 峰值時間： 調(diào)整時間估算： 截止頻率精確計算： 相角穩(wěn)定裕度： nsnstt4%)2(,3%)5(%100%)1/(2e)arccos(122Ttr21npt（3典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 2124124ncTtgcoc190)(表表2-2 典典I系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量01.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.67T4.7

7、2T3.33T2.41T相角穩(wěn)定裕度76.369.965.559.251.8截止頻率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T調(diào)整時間11.7T6.0T8.4T7.1T8.1T二階最佳系統(tǒng)二階最佳系統(tǒng) 5 典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 ) 1()()()(21TssKsWsWsW在擾動量Fs作用下的典型I型系統(tǒng)只討論抗擾性能，令輸入變量R=0，輸出變量可寫成C)(1)()()()(1sWsWsWsNsC) 1() 1()(1211sTssTKsW1)(222sTKsW)()()(21sWsWsW 針對常用的調(diào)速系統(tǒng)分析抗擾性能 sNsN)()(1() 1(1

8、1)()(1)()(2222122212KsTssTTsNKTsKKssTNKsWsWsWsNsC5 . 0KT) 122)(1() 1(2)(2222TssTsTTsTNKsC2sin2cos)1 ()1(1222)(2/2/222TtmeTtememmmmNKtCTtTtTt121TTm階躍擾動:二階最佳參數(shù)控制對象中小時間常數(shù)與大時間常數(shù)的比值。 典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系（已選定的參數(shù)關(guān)系KT=0.5)表表2-3 二階二階“最正確系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系最正確系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系（KT=0.5）m1/51/101/201/30(Cmax/Cb)%55.

9、533.218.512.9tm/T2.83.43.84.0tf/T(5%)14.721.728.730.4221NKCb基準(zhǔn)值:典I系統(tǒng)跟隨性能與抗擾性能之間的內(nèi)在聯(lián)系與矛盾： 超調(diào)量較大，上升時間較短的系統(tǒng)，其抗擾性能越好； 超凋量較小，上升時間較長的系統(tǒng)，其擾動響應(yīng)的恢復(fù)時間也長。 這種矛盾在控制對象的時間常數(shù)T2較大時尤為突出。 二階“最正確系統(tǒng)的跟隨性能較好，適用于隨動系統(tǒng)。若以良好的抗擾性能為主，則應(yīng)將系統(tǒng)設(shè)計成典II系統(tǒng)。五、典型系統(tǒng)及其性能指標(biāo)五、典型系統(tǒng)及其性能指標(biāo) （典（典IIII系統(tǒng)系統(tǒng)_三階典型系統(tǒng)）三階典型系統(tǒng)）1、典、典II系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性2、

10、采用、采用Mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)的典準(zhǔn)則確定參數(shù)的典II系統(tǒng)系統(tǒng)3、典型、典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系4、典型、典型型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 1、典II系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖) 1() 1()(2TsssKsW開環(huán)對數(shù)頻率特性 Tc11TarctgarctgTarctgarctgcccc180180參數(shù)關(guān)系：參數(shù)關(guān)系：相角穩(wěn)定裕度：相角穩(wěn)定裕度：待定的參數(shù)：待定的參數(shù)：K、中頻寬中頻寬:12Th)(cmaxminrM 工程設(shè)計常用的準(zhǔn)則：最小諧振峰值準(zhǔn)則最大相角裕量準(zhǔn)則 Mrmin準(zhǔn)則是以閉環(huán)

11、幅頻特性的諧振峰值最小為準(zhǔn)則，確定典系統(tǒng)的開環(huán)增益K和微分時間常數(shù)，也稱為振蕩指標(biāo)法。2 2、采用、采用MrminMrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)的典準(zhǔn)則確定參數(shù)的典IIII系統(tǒng)系統(tǒng)典系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 KKhTssTshTsKsWb23) 1()(以、K為變量的閉環(huán)幅頻特性為222222222)()(1),(TKhKThKKM Mrmin的基本思想 不同K值對應(yīng)的每條M()曲線有不同的諧振峰值，其中具有最小諧振峰值Mrmin的幅頻特性曲線對應(yīng)于Km。若設(shè)計典系統(tǒng)時選取K=Km，則系統(tǒng)具有最小諧振峰值。幾點結(jié)論：T一定，h和相關(guān)；H和確定后，K與相關(guān)。c位于中頻段的幾何中心處。h增大，Mrmin減小，從

12、而降低超調(diào)量；h增大，在2已定的情況下，c減小，系統(tǒng)的響應(yīng)相應(yīng)速度變慢。0),(KM0),(KKM22m21ThhKTh1m1h1hminrMcK1hThKhTKKc211122hhc211hc、 cchhh21212c21)11(21)(2121Tc對于Mrmin系統(tǒng)，K=Km，=hT，T1,121求解求解KmKm找到找到h h和和cc兩個參數(shù)之間的一種最佳配合）兩個參數(shù)之間的一種最佳配合）3 3、典型、典型IIII型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系型系統(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)穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 討論：不同輸入信號討論：不同輸入信號 作用下的穩(wěn)態(tài)誤差作用下的穩(wěn)態(tài)誤差?（2動態(tài)

13、跟隨性能指標(biāo)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)4 4、典型、典型型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系(1)典型型系統(tǒng)抗擾結(jié)構(gòu)圖 ) 1() 1()(2TsssKsWk11TKKKphT、 22m21ThhKsNsN/)(11212) 1(12)(222332122hTssThhsThhTsTNhThsCMrmin準(zhǔn)則下，在階躍擾動下，(2) 抗擾性能指標(biāo) 表表2- 7 不同不同h值時值時Mrmin系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)h345710超調(diào)量%52.643.637.629.823.3上升時間2.4T2.6 T2.8T3.1T3.4T調(diào)節(jié)時間5%12.1T11.6T9.5T11.

14、3T14.2T表表2-8不同不同h值時值時Mrmin系統(tǒng)的抗擾性能指標(biāo)系統(tǒng)的抗擾性能指標(biāo)基準(zhǔn)值:h345710(Cmax/Cb)%52.643.637.629.823.3tm/T2.4T2.6 T2.8T3.1T3.4Ttf/T(5%) 12.1T11.6T9.5T11.3T14.2T12TNTCb 一般來說，h值越小，Cmax/Cb也越小，tm和tf都短，因而抗擾性能越好，但是，當(dāng)h5時，由于振蕩次數(shù)的增加，h再小，恢復(fù)時間tf反而拖長了。由此可見，h=5是較好的選擇。為最佳Mrmin系統(tǒng)。 典I系統(tǒng)和典系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，在動態(tài)性能中，一般來說，典I系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)

15、小，但抗擾性能稍差；而典系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。這是設(shè)計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。 最佳Mrmin系統(tǒng)和三階“最正確系統(tǒng)動態(tài)性能比較表2.9 ） 最正確 Mrmin 系統(tǒng)： h=5的Mrmin系統(tǒng)最優(yōu)） 三階“最正確系統(tǒng)： h=4的 系統(tǒng)maxc()六、調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似處理六、調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似處理非典型系統(tǒng)的典型化非典型系統(tǒng)的典型化 1 1、調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇、調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 確定典型系統(tǒng)之后，選擇調(diào)節(jié)器的方法就是把確定典型系統(tǒng)之后，選擇調(diào)節(jié)器的方法就是把控制對象與調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)相乘，匹配成典控制對象與調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)相乘，匹配成典型系統(tǒng)。（串

16、聯(lián)校正，型系統(tǒng)。（串聯(lián)校正， page63 page63 ） 表表2-10 2-10 校正成典校正成典I I系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 表表2-11 2-11 校正成典校正成典IIII系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 2 2、傳遞函數(shù)的近似處理、傳遞函數(shù)的近似處理 高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理 低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理 高階系統(tǒng)的降階處理高階系統(tǒng)的降階處理 3 3、非單位負(fù)反饋系統(tǒng)的單位反饋變換、非單位負(fù)反饋系統(tǒng)的單位反饋變換 高頻小環(huán)節(jié)的近似處理 實際系統(tǒng)中往往有一些小時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，例如晶閘管變流裝置的滯后時間常數(shù)，電流和轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)濾波時間常

17、數(shù)等形成的小慣性環(huán)節(jié)。 通過系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性，考查這些小慣性環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的動態(tài)性能的影響后發(fā)現(xiàn)，只要這些小慣性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)角頻率都遠(yuǎn)大于截止頻率，就可以將她們等效為一個小慣性環(huán)節(jié)，且不會引起過大的設(shè)計誤差。K p ( S1)SssKT S111 RT S1dI (S)iU (S)iiKT S1pisK K KKR按典I系統(tǒng)校正，取 ，則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：1T 例：實際電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖isTTT,11111) 1()(1sTKsTRsTKssKsWiisspk要求：將兩個小慣性環(huán)節(jié)等要求：將兩個小慣性環(huán)節(jié)等效為一個慣性環(huán)節(jié)，并保持效為一個慣性環(huán)節(jié)，并保持等效前后相角穩(wěn)定裕量不變。等效前后相角穩(wěn)

18、定裕量不變。) 1)(1()(sTsTsKsWisk對比典I系統(tǒng)：) 1()(TssKsWk圖：等效前后的開環(huán)對數(shù)幅頻特性等效前：11ccicscis12isc()90tgTtgT(TT )90tg1TT 等效后：11cc()90tgT 假設(shè)：那么：11cisctg(TT )tg T從而：1ccis()()TTT 近似條件：工程近似：cis113TT 12csiTT12csiTT 一般的，若系統(tǒng)包含若干個小時間常數(shù)的小慣性群，則工程近似條件：cn 1n1213n1njii 1j 11113T TT TTTTT 那么：nii 1TT即：系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為) 1)(1)(1() 1()(321sTsTsTssKsWkT2和T3是小時間常數(shù)，近似為 1)() 1)(1()(3232sTTsKsTsTsKsWk近似的條件為3231TTc 低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理等效前：K1is1K( S 1)W (S),TTTS(T S 1)(TS 1) (T1s