设计一个调节器改善已知系统的性能

设计一个调节器改善已知系统的性能

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第一章绪论 (2)

1-1课题背景，实验目的及实验设备 (2)

1-2国内外研究情况 (3)

第二章双闭环调速系统设计理论 (3)

2-1典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统 (3)

2-2系统的静，动态性能指标 (4)

2-3非典型系统的典型化 (6)

2-4转速调节器和电流调节器的设计 (7)

第三章模型参数测定和模型建立 (9)

3-1系统模型参数测定实验步骤和原理 (9)

3-2模型测定实验的计算分析 (11)

3-3系统模型仿真和误差分析 (18)

第四章工程设计方法设计和整定转速，电流反馈调速系统 (22)

4-1 设计整定的思路 (22)

4-2 电流调节器的整定和电流内环的校正，简化 (23)

4-3转速调节器的整定和转速环的校正，简化 (25)

4-4系统的实际运行整定 (27)

4-5 关于ASR和ACR调节器的进一步探讨 (33)

第五章设计分析和心得总结 (34)

5-1实验中出现的问题 (34)

5-2实验心得体会 (35)

第六章实验原始数据 (38)

6-1建模测定数据 (38)

6-2 系统调试实验数据 (39)

第一章绪论

1-1课题背景，实验目的及实验设备

转速，电流反馈控制的调速系统是一种动静态特性优良的直流调速系统，它的控制规律是建立在经典控制规律的基础上的，用传递函数建立动态数学模型，并从传递函数模型和开环频域特性去总结其控制规律，用跟随和抗扰两个方面的指标去衡量它的动静态性能。转速，电流反馈控制的调速系统是一种串级系统，所以其整定系统参数的方法也借鉴了一般串级系统的差别，但又有不同于一般串级系统的。

本次实验的主要目的是针对一套调速系统（包括电源，电机等）建立模型并整定出带滤波的电流调节器和转速调节器参数，投入运行。实验正值暑期实践及国际交流周，我们将用两周的时间来完成参数测定实验，系统建模，调节器整定和系统投入运行。

本次实验的实验设备包括：

实验设计的基本要求是：

1-2国内外研究情况

虽然目前的直流调速系统已经十分成熟，调速系统的信号给定已经做成集成电路，许多逻辑判断通过嵌入式系统或者工业控制机加入调速系统，但对它乃至电力拖动系统的研究是不会结束的，当前国内外关于电力拖动系统的研究主要集中在

①应用现代控制理论，经典控制理论虽然物理概念明确，理论分析直观，但存在不能实现最优控制和大系统控制等问题。随着离散控制器及其理论的发展，现代控制理论有了用武之地。高性能的计算机可以实时完成复杂的运算；系统辨识，参数估计和算法鲁棒性上的应用，大幅改善了控制效果。

②研发新型的电力电子器件，随着电力电子器件走向耐高压，大功率，高频化和智能化，新型的电力拖动系统能拥有更可靠的性能，能适应更极端的工作条件。

③及嵌入式操作系统结合，嵌入式操作系统的加入能使电力拖动系统拥有更强大的功能，包括联网的云检测故障，大系统的协调工作等，此外，基于Linux 的数字伺服系统无疑是目前的研究热点。

第二章双闭环调速系统设计理论

2-1典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统

双闭环调速系统中，无论是电机还是调节器都被看成一个拉普拉斯变换成的域模型，这些环节通过串并联合反馈连接在一起，构成了系统，要对系统进行分析，就要先清楚一些典型系统的特性。

典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统的区别在于原点处零极点的个数不同，而除原点外其他处的零极点个数则区分了同一典型系统的不同系统。

典型Ⅰ型的开环传递函数结构为

,分别为系统的惯性时间常数和开环增益。

典型Ⅱ型的开环传递函数结构为

为一个比例微分因子，附带了惯性环节，比例微分因子存在的的作用是把系统的相频特性提升到线以上，保证系统的稳定。

典型Ⅰ型的闭环传递函数结构为

为系统的自然振荡频率 为系统的阻尼比

典型Ⅰ型的闭环传递函数结构为

11

2121

)(2

22332++++++=

hTs s T h h s T h h hTs s W cl 为斜率为的中频段宽度。

对于Ⅰ型系统而言，开环增益K 越大，截至频率也越大，系统的响应也越快，但是相角裕量裕量会变小，在响应上的表现就是调节时间变短，但是振荡会加剧。

2-2系统的静，动态性能指标

在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静，动态性能，而要衡量调节器的设置和调整是否恰当，就需要一些相应的指标。

这些指标包括两大类，在下表中列出

表2-1 性能指标及其定义

Ⅰ型系统的闭环系统是一个二阶系统，它的暂态响应特性指标及系统的阻尼比和自然振荡频率有关，并且可以归纳成下表

表2-2 典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标及参数的关系Ⅱ型系统的闭环系统是一个三阶系统，可以将它用主导零极点法简化成二阶系统进行分析，它的跟随性能指标也可以归纳为

表2-3 典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标

2-3非典型系统的典型化

实际控制对象的传递函数多种多样，往往受很多参数影响，并且直接由微分方程建立的是高次模型。为了构造成低阶的典型系统，需要做许多近似处理，包括，

1.高频段小惯性环节的近似处理

当高频段有几个小时间常数（,…）时，用一个小时间常数来代替，并且有

2.高阶系统降阶近似处理

考察一般情况下的高阶系统

系统稳定，即存在

则忽略系统的高次项，将系统简化为

3.低频段大惯性环节近似处理

当系统中存在时间常数特别大的惯性环节时，存在近似条件

,或者

则惯性环节可以等效为，事实上，等效后的相角裕量减小了，也就是说如果等效后的系统可以稳定的话，等效前的系统一定稳定，这也充分证明了这种等效是可用的。

2-4转速调节器和电流调节器的设计

1.设计内环的电流调节器

首先要对电流内环进行简化，忽略反电动势的影响，再将内环等效为单位负反馈，进行小惯性环节近似处理，可以得到

图2-2 电流内环的简化

其中和一般都比小得多，可以近似为一个惯性环节，其时间常数为

设计出电流调节器后将电流环作等效处理

而内环可以简化为典型Ⅰ型环节，从而在稳态性能上得到电流无静差，在暂态性能上有较强的跟踪能力。

系统参数要求满足