电力拖动自动控制系统(第3版)(陈伯时)第6讲

电力拖动自动控制系统(第3版)(陈伯时)

第6讲2.3 调节器的工程设计方法

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2.3 调节器的工程设计方法2.3.0 问题的提出 必要性： 用经典的动态校正方法设计调节器须同 时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互 有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者 有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而 初学者则不易掌握，于是有必要建立实用 的设计方法。

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问题的提出(续)

可能性： 大多数现代的电力拖动自动控制系统均 可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶 典型系统的特性并制成图表，那么将实际 系统校正或简化成典型系统的形式再与图 表对照，设计过程就简便多了。这样，就 有了建立工程设计方法的可能性。

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设计方法的原则

:

(1)概念清楚、易懂； (2)计算公式简明、好记； (3)不仅给出参数计算的公式，而且指明参数 调整的方向； (4)能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出 简单的计算公式； (5)适用于各种可以简化成典型系统的反馈控 制系统。

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2.3.1 工程设计方法的基本思路

1.选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和 稳态精度。 2.设计调节器的参数，以满足动态性能指标的 要求。

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2.3.2

典型系统

一般来说，许多控制系统的开环传递函数 都可表示为R(s)

W ( s)K ( j s 1) sr m

C(s)

W ( s)

(T s 1)i i 1

j 1 n

(2-8)

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上式中，分母中的 sr 项表示该系统在原点处有 r 重极点，或者说，系统含有 r 个积分环节。根 据 r=0,1,2,……等不同数值，分别称作0型、 I型、Ⅱ型、……系统。

自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低， 而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系统很难稳定。 因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多 选用I型和II型系统。

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1. 典型I型系统 结构图与传递函数R( s)

K s (Ts 1)

C (s)

K W ( s) s(Ts 1)式中 T — 系统的惯性时间常数； K — 系统的开环增益。

(2-9)

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开环对数频率特性

O

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性能特性

典型的I型系统结构简单，其对数幅频特性的 中频段以 –20 dB/dec 的斜率穿越 0dB 线，只要 参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一 定是稳定的，且有足够的稳定裕量，即选择参数 满足 1 cT 1 c 或T

于是，相角稳定裕度 180 90 arctg cT 90 arctg cT 45

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2. 典型Ⅱ型系统 结构图和传递函数R( s)

K ( s 1) s 2 (Ts 1)

C (s)

K ( s 1) W ( s) 2 s (Ts 1)

(2-10)

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开环对数频率特性

O

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性能特性典型的II型系统也是以 –20dB/dec 的斜率穿越 零分贝线。由于分母中 s2 项对应的相频特性是 –180°,后面还有一个惯性环节，在分子添上一 个比例微分环节( s +1),是为了把相频

特性抬 到 –180°线以上，以保证系统稳定，即应选择 参数满足1 c T 1

或

T

且 比 T 大得越多，系统的稳定裕度越大。

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2.3.3

控制系统的动态性能指标

自动控制系统的动态性能指标包括： 跟随性能指标 抗扰性能指标

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系统典型的阶跃响应曲线C (t )

Cmax C

Cmax

±5%(或±2%)

C

C

O 0

tr

ts

t

图2-12 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标

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1. 跟随性能指标： 在给定信号或参考输入信号的作用下， 系统输出量的变化情况可用跟随性能指 标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指 标有 tr — 上升时间 — 超调量 Ts —调节时间