5第五讲(反馈控制系统的分析与设计)

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
2011-4-15
第二步、 第二步、求系统的动态结构图
把各环节的传递函数按在系统中的相 互关系组合起来, 互关系组合起来,就可以画出闭环 直流调速系统的动态结构框图, 直流调速系统的动态结构框图,如 下图所示。由图可见, 下图所示。由图可见,将电力电子 变换器按一阶惯性环节处理后, 变换器按一阶惯性环节处理后,带 比例放大器的闭环直流调速系统可 以看作是一个三阶线性系统。 以看作是一个三阶线性系统。
2011-4-15
第五讲
2011-4-15
反馈控制闭环直流调速系统 的动态分析与设计
第一章 单闭环直流调速系统
1.2 单闭环直流调速系统
的动态分析与设计 系统的动态分析( 一.系统的动态分析(主要是动态结 构图的画法, 构图的画法,系统的动态稳定性分 析) 二.系统的动态校正
2011-4-15

2011-4-15
闭环调速系统的动态结构框图
U (s)
* n
+
Kp
Uc (s)
Un (s)

K s Ud(s) Ts s + 1 +
IL(s)

1 / R I d (s ) Tl s + 1 +

R Tm s
E (s )
1 Ce
n( s)
α
2011-4-15
闭环调速系统的动态结构框图
IL (s) R (Tl s+1) U*n (s)
2011-4-15
以下图所示单闭环调速系统为例说明 自动控制系统动态数学模型的建立方 法如下: 法如下:
R1
* U n R0
RP1
R0
− +
+
+
+ M -
Ud
-
R'
Un
RP2
TG
2011-4-15
第一步 求出系统各环节的动 态数学模型
2011-4-15
1. 控制与检测环节
可以认为闭环直流调速系统中的比例放大器和 测速反馈环节的响应是瞬时的, 测速反馈环节的响应是瞬时的,因此它们的传 递函数就是它们的放大系数, 递函数就是它们的放大系数,即
U d = K sU c ⋅ 1(t − Ts )
按拉氏变换的位移定理, 按拉氏变换的位移定理,晶闸管装置的传递函数为
U d ( s) −Ts s Ws ( s ) = = Ks e U c (s)
2011-4-15
由于上式中包含指数函数, 由于上式中包含指数函数,它使系统成 为非最小相位系统, 为非最小相位系统,分析和设计都比较麻 烦。为了简化,将该指数函数按台劳级数 为了简化, 展开可得
一.闭环调速系统的动态分析
在闭环系统中稳与准相互 矛盾。从稳态精度看, 矛盾。从稳态精度看,系统 的开环放大倍数K越大越好 越大越好, 的开环放大倍数K越大越好, 然而, 值太大又会影响系统 然而,K值太大又会影响系统 的动态稳定性。因此, 的动态稳定性。因此,必须 进一步分析系统的动态性能。 进一步分析系统的动态性能。
2011-4-15
系统的动态数学模型: 系统的动态数学模型:
建立线性系统动态数学模型的步骤 如下: 如下: 根据系统中各环节的物理规律, ① 根据系统中各环节的物理规律 , 列写出描述该环节动态过程的微分 方程; 方程; 求出各环节的传递函数; ②求出各环节的传递函数; ③ 画出系统的动态结构图并求出系 统的传递函数。 统的传递函数。
R
+
L
+
TL
id Ud
-
E M M
-
n
他励直流电动机等效电路
2011-4-15
传递函数
在零初始条件下,取等式两侧的拉氏变换, 在零初始条件下,取等式两侧的拉氏变换, 得电压与电流间的传递函数 1 Id (s) = R Ud (s) − E(s) Tl s + 1 电流与电动势间的传递函数
E ( s) R = I d (s) − I dL (s) Tm s
E (s)
Id (s)
+
− I L (s )
1 Ti s
Ce
2011-4-15
直流电动机有两个输入量, 直流电动机有两个输入量,一个是施加在 电枢上的理想空载电压, 电枢上的理想空载电压,另一个是负载 电流。前者是控制输入量 后者是扰动 控制输入量, 电流。前者是控制输入量,后者是扰动 输入量。 输入量。如果不需要在结构图中显现出 电流,可将扰动量的综合点移前, 电流,可将扰动量的综合点移前,再进 行等效变换,得下图a。如果是理想空载, 行等效变换,得下图 。如果是理想空载, 则 IL = 0,结构框图即简化成下图 。 ,结构框图即简化成下图b。
1/R Tl s+1
Id (s)
+
IdL (s) -
R Tms
E
1/Ce
n(s)
整个直流电动机的动态的结构框图
2011-4-15
直流电动机在电流连续时的动态结构图
U(s) d
1/R 1 + Tl s
Id (s)
IL(s)
R Tm s
E ( s)
1 Ce
n( s )
U(s) d
+

1/R 1 + Tls
Ts max
1 = mf
交流电流频率( ); 式中 f — 交流电流频率(Hz); m — 一周内整流电压的脉冲波数。 一周内整流电压的脉冲波数。
2011-4-15
(3)Ts 值的选取 )
相对于整个系统的响应时间来说, 是不大的, 相对于整个系统的响应时间来说,Ts 是不大的, 在一般情况下, 在一般情况下,可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2,并 , 认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑, 认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑,取 Ts = Tsmax 。表1-1列出了不同整流电路的失控时间。 列出了不同整流电路的失控时间。 列出了不同整流电路的失控时间
Ws ( s ) = K s e
−Ts s
Ks Ks = Ts s = 1 2 2 1 3 3 e 1 + Ts s + Ts s + Ts s + ⋯ 2! 3!
2011-4-15
(5)近似传递函数 ) 依据工程近似处理的原则, 依据工程近似处理的原则,若闭环系统 开环频率特性的截止频率ω 满足条件: 开环频率特性的截止频率ωc满足条件:
2011-4-15
(二)反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件
由上述闭环传递函数可知, 由上述闭环传递函数可知,反馈控制闭环 直流调速系统的特征方程为
TmTlTs 3 Tm (Tl + Ts ) 2 Tm + Ts s +1 = 0 s + s + 1+ K 1+ K 1+ K
它的一般表达式为
a0 s 3 + a1 s 2 + a2 s + a3 = 0
Kss Ts s + 1
b) 近似的 )
Ud(s)
a) 准确的
晶闸管触发与整流装置动态结构框图
2011-4-15
3. 直流电动机的传递函数
假定主电路电流连续, 假定主电路电流连续, 忽略粘性磨擦及弹性 转矩, 转矩,由动态电压方 程和电机轴上的动力 程和电机轴上的动力 学方程 ,经拉普拉斯 变换即可求得。 变换即可求得。
各种整流电路的失控时间( 表1-1 各种整流电路的失控时间(f =50Hz) )
整流电路形式 单相半波 单相桥式(全波) 三相半波 三相桥式、六相半波
2011-4-15
最大失控时间 Tsmax ms) 平均失控时间 Ts(ms) ( 20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67
(4)传递函数的求取 ) 用单位阶跃函数表示滞后, 用单位阶跃函数表示滞后,则晶闸管触 发与整流装置的输入-输出关系为 发与整流装置的输入 输出关系为
+ △Un (s)
Uc (s) KP
Ks
Ud (s) +
1/Ce TmTl s2+Tms+1
n(s)
Un (s)
Tss+1
α
反馈控制闭环调速系统的动态结构框图
2011-4-15
第三步、 第三步、求系统的传递函数
1. 调速系统的开环传递函数 由图可见, 由图可见 , 反馈控制闭环直流调速系统的开 环传递函数是

熟练掌握系统动态结构图的画法 熟练掌握系统动态结构图的画法 理解利用伯德图(Bode Diagram)设 理解利用伯德图( 设 计校正装置的方法
2011-4-15
重点与难点
重点: 重点:
系统动态数学模型的求取方法和 动态稳定性的分析
难点: 难点:
如何利用伯德图进行系统动态校 正
2011-4-15
Tm(Tl +Ts ) Tm +Ts TmTlTs − >0 1+ K 1+ K 1+ K
2011-4-15
ห้องสมุดไป่ตู้

(T +T)( m+T) >(1+K)TT l s T s l s
整理后 得 Tm (Tl + Ts ) + Ts2 K< TlTs 上式右边称作系统的临界放大系数 Kcr,当 K ≥ Kcr 时,系统将不稳定。 系统将不稳定。 对于一个自动控制系统来说,稳定性是它 对于一个自动控制系统来说, 能否正常工作的首要条件,是必须保证的。 能否正常工作的首要条件,是必须保证的。
w
c

1 3T s
很小,可忽略高次项, 考虑到 Ts 很小,可忽略高次项,则传递 函数便近似成一阶惯性环节 一阶惯性环节。 函数便近似成一阶惯性环节。
2011-4-15
Ks Ws ( s ) ≈ 1 + Ts s
(6)晶闸管触发与整流装置动态结构 )
Uc(s)
Ks e
−Ts s
Ud(s)
Uc(s)
2011-4-15
动态结构框图
Ud(s)
+
-
E(s)
1/R Tl s+1
Id (s)
Id (s)
+
+
-
R Tms
IdL(s)
E (s)
a)电压电流间的结构框图 电压电流间的结构框图
b)电流电动势间的结构框图 电流电动势间的结构框图
额定励磁下直流电动机动态结构框图
2011-4-15
Ud (s)
+
Un
2011-4-15
(1)晶闸管触发与整流失控时间分析 )
u2
O 0
t Ud1 Ud2 TS t Uc2
ud
O 0
Uc
O 0
Uc1
α1
α1
α2
α2
t t
O 0 2011-4-15
晶闸管触发与整流装置的失控时间
(2)最大失控时间计算 )
显然,失控时间是随机的, 显然,失控时间是随机的,它的大小随发生 变化的时刻而改变, 变化的时刻而改变,最大可能的失控时间就是 两个相邻自然换相点之间的时间, 两个相邻自然换相点之间的时间,与交流电源 频率和整流电路形式有关, 频率和整流电路形式有关,由下式确定
K W ( s) = 2 (Ts s + 1)(TmTl s + Tm s + 1)
式中
2011-4-15
K = Kp Ksα / Ce
2. 调速系统的闭环传递函数
设IL=0,从给定输入作用上看,闭环直流调速 ,从给定输入作用上看, 系统的闭环传递函数是
Kp Ks / Ce Kp Ks / Ce (Tss +1)(TmTl s2 +Tms +1) Wcl (s) = = Kp Ksα / Ce (Tss +1)(TmTl s2 +Tms +1) + K 1+ (Tss +1)(TmTl s2 +Tms +1) Kp Ks Ce (1+ K) = Tm TlTs 3 Tm (Tl +Ts ) 2 Tm +Ts s + s + s +1 1+ K 1+ K 1+ K
2011-4-15
(一) 反馈控制闭环直流调速系统 一 的动态数学模型
为了分析调速系统的稳定性和动态 品质, 品质 , 必须首先建立描述系统动态 物理规律的数学模型, 物理规律的数学模型 , 对于连续的 线性定常系统, 线性定常系统 , 其数学模型是常微 分方程, 经过拉氏变换, 分方程 , 经过拉氏变换 , 可用传递 函数和动态结构图表示。 函数和动态结构图表示。
放大器 测速反馈
2011-4-15
Uc (s) Wa (s) = = Kp ∆Un (s)
U n (s) Wfn ( s) = =α n( s )
2、晶闸管触发和整流装置 、
该环节实质上是一个非线性环节。其 该环节实质上是一个非线性环节。 非线性环节 输入量是触发电路的控制电压Uc,输出量 输入量是触发电路的控制电压 是理想空载整流电压U 是理想空载整流电压 d。若将它们之间的 放大系数K 看成常数, 放大系数 s看成常数,则晶闸管触发和整 流装置可被看成是一个纯滞后的放大环节 纯滞后的放大环节, 流装置可被看成是一个纯滞后的放大环节, 其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间 其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间 引起的。 (也叫滞后时间,用Ts)引起的。 也叫滞后时间,
2011-4-15
根据三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据, 根据三阶系统的劳斯 赫尔维茨判据,系统 赫尔维茨判据 稳定的充分必要条件是
a0 > 0,a1 > 0,a2 > 0,a3 > 0,a1a2 − a0a3 > 0
前述特征方程的各项系数显然都是大于零的, 前述特征方程的各项系数显然都是大于零的,因 此稳定条件就只有
相关文档
最新文档