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文檔簡介

電氣傳動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的

工程設計方法電氣傳動控制系統(tǒng)能穩(wěn)定、準確、快速工作的調(diào)節(jié)器的設計技術(shù)關(guān)鍵德國西門子公司提出的“調(diào)節(jié)器最佳整定法”方法模最佳對稱最佳設計思路分析和歸類系統(tǒng)合理近似簡化典型系統(tǒng)本節(jié)應了解的問題典型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、標準形式及頻率特性典型二階系統(tǒng)的性能指標及與參數(shù)間關(guān)系典型三階系統(tǒng)的性能指標及與參數(shù)間關(guān)系非典型系統(tǒng)的典型化處理方法電氣傳動控制系統(tǒng)中濾波器的作用和選擇

系統(tǒng)歸類常用方法

在現(xiàn)代電氣傳動系統(tǒng)中除電機外,系統(tǒng)中的元器件都是由慣性很小的電力電子器件,集成電路等組成。故一般系統(tǒng)都可以近似為低階系統(tǒng);再運用運算放大器(或數(shù)字式微處理器)構(gòu)成比例,積分,微分等控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器。把實際系統(tǒng)校正為典型的低階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。一、典型系統(tǒng)分析一般來說,直流電氣傳動控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為

R(s)C(s)上式中,分母中的sr項表示該系統(tǒng)在原點處有r重極點,或者說,系統(tǒng)含有r個積分環(huán)節(jié)。根據(jù)r=0,1,2,…等不同數(shù)值,分別稱作0型、I型、Ⅱ型、…系統(tǒng)。自動控制理論已經(jīng)證明,0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低,而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此,為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度,多選用I型和II型系統(tǒng)。1、控制系統(tǒng)的性能指標1.1動態(tài)性能指標含義:電氣傳動控制系統(tǒng)的動態(tài)指標是指系統(tǒng)在給定信號和擾動信號作用下,系統(tǒng)輸出在動態(tài)響應中的各種指標對給定信號的跟隨性能指標對擾動信號的抗擾性能指標1.1.1跟隨性能指標:在給定信號或參考輸入信號的作用下,系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標來描述。常用的階躍響應跟隨性能指標有tr

—上升時間:輸出量第一次達到穩(wěn)態(tài)值的時間—超調(diào)量:輸出量超過穩(wěn)態(tài)值與穩(wěn)態(tài)值之比,用百分數(shù)表示ts

—調(diào)節(jié)時間:輸出量進入穩(wěn)態(tài)值的±2%~5%,并不在逸出的時間1.1.2抗擾性能指標抗擾性能指標標志著控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力。常用的抗擾性能指標有Cmax

—動態(tài)降落:輸出量與原穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與原穩(wěn)態(tài)值之比tv

—恢復時間:輸出量進入原穩(wěn)態(tài)值的95%~98%范圍的時間

1.2誤差性能指標1.2.1誤差性能指標含義:電氣傳動控制系統(tǒng)的誤差性能指標是指穩(wěn)定系統(tǒng)在給定信號和擾動信號作用下,當暫態(tài)過程結(jié)束后穩(wěn)態(tài)響應的期望值與實際值之間的誤差對給定信號的跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差

對擾動信號的擾動穩(wěn)態(tài)誤差1.2.2跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差:在給定作用下輸出響應希望值與實際值之差即:注意:跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益K及輸入信號形式與大小有關(guān)1.2.3擾動穩(wěn)態(tài)誤差:即:擾動作用下輸出希望值0與實際值之差2.典型I型系統(tǒng)(二階系統(tǒng))結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù)式中T—系統(tǒng)的慣性時間常數(shù);

K—系統(tǒng)的開環(huán)增益。一個慣性和一個積分開環(huán)對數(shù)頻率特性dB/decdB/dec性能特性典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,其對數(shù)幅頻特性的中頻段以–20dB/dec的斜率穿越0dB線,只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度,系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的,且有足夠的穩(wěn)定裕量,即選擇參數(shù)滿足或于是,相角穩(wěn)定裕度2.1典型I型系統(tǒng)性能指標和參數(shù)的關(guān)系典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下式所示:它包含兩個參數(shù):開環(huán)增益K和時間常數(shù)T。其中,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,也就是說,K是唯一的待定參數(shù)。設計時,需要按照性能指標選擇參數(shù)K的大小。

K與開環(huán)對數(shù)頻率特性的關(guān)系下圖繪出了在不同K值時典型I型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性,箭頭表示K值增大時特性變化的方向。

K與截止頻率c(截止頻率)的關(guān)系

當c

<1/T時,特性以–20dB/dec斜率穿越零分貝線,系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。由圖中的特性可知所以K=c

(當c時)

上式品表明棋,K值越摟大,截語止頻稀率c也越貼大,鮮系統(tǒng)溉響應騰越快,但影相角前穩(wěn)定裕度=貝90勿°–液ar隊ct拼gcT越小,這偵也說明包快速氧性與偵穩(wěn)定繭性之窄間的脫矛盾。在坑具體伶選擇史參數(shù)K時,諸須在紛二者薯之間久取折五衷。下面充將用血數(shù)字像定量描地表椒示K值與燃各項扔性能茫指標犬之間陶的關(guān)狂系。典型I型系脅統(tǒng)跟俘隨性粗能指燦標與皮參數(shù)嶄的關(guān)蒸系(1降)穩(wěn)態(tài)跟隨渣性能摘指標:系執(zhí)統(tǒng)的僵穩(wěn)態(tài)武跟隨啟性能聚指標逆可用竭不同甘輸入久信號灶作用栽下的穩(wěn)態(tài)揉誤差來表陳示。I型悼系統(tǒng)搭在不詳同輸析入信腳號作裙用下史的穩(wěn)唯態(tài)誤遭差輸入信號階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差

0v0/K由表族可見酸:在階易躍輸申入下樓的政I頓型系渣統(tǒng)穩(wěn)態(tài)屬時是詢無差辛的;但在搶斜坡雕輸入由下則覺有恒牙值穩(wěn)匠態(tài)誤映差,潔且與K值成從反比圾;在加技速度攏輸入準下穩(wěn)寄態(tài)誤胸差為。因此劈燕,I喝型系醒統(tǒng)不勸能用個于具妹有加敲速度怒輸入蝦的隨明動系概統(tǒng)。(2隊)動態(tài)跟隨湊性能鈔指標閉環(huán)捧傳遞川函數(shù)痕:典公型水I證型系賴統(tǒng)是鍬一種兼二階鏈系統(tǒng)傅,其膨閉環(huán)夢傳遞每函數(shù)原的標準徹形式彩為式中n—鍬無阻譜尼時撥的自商然振破蕩角穗頻率竊,或稱固廊有角紀頻率等;—閉阻尼校比,休或稱鉆衰減碌系數(shù)干。從典兄型含I熄型系糊統(tǒng)標浙準形關(guān)式可辮以求逃出換算關(guān)得:且有墳:二階俱系統(tǒng)賠的性階質(zhì)當<1時,伯系統(tǒng)返動態(tài)微響應拖是欠雜阻尼瘡的振蕩特祝性,當售1時,野系統(tǒng)耐動態(tài)柏響應種是過反阻尼蒙的單銀調(diào)特衛(wèi)性;當=鏟1時,普系統(tǒng)綁動態(tài)脆響應石是臨淚界阻牌尼。由于讓過阻丸尼特泥性動織態(tài)響眼應較剩慢,剛所以斬一般呼常把系統(tǒng)坐設計刊成欠振阻尼肝狀態(tài)供,即0<突<1由于播在典亦型欣I疾系統(tǒng)你中KT<1庫,代肌入換哪算式得>悉0.哭5?;橐虼送┰诘湎佇吐?lián)I遲型系息統(tǒng)中類應取下面籌列出予欠阻小尼二告階系填統(tǒng)在忙零初竟始條播件下蓬的階侄躍響增應動床態(tài)指攏標計漿算公赤式超調(diào)盆量上升島時間峰值回時間調(diào)節(jié)鎖時間志ts與頑的關(guān)摔系復瘡雜,圓則近飽似計嫌算式有:典型保I型諒系統(tǒng)袍跟隨梅性能先指標谷和頻獎域指飾標與惜參數(shù)宿的關(guān)丹系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比超調(diào)量上升時間tr峰值時間tp

相角穩(wěn)定裕度

截止頻率c

1.00%

76.3°0.243/T

0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T

65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T

51.8°0.786/T工程端上稱=易0.蝕70婆7為匪最佳阻尼擺比,遇相應黎二階習系統(tǒng)述稱“權(quán)二階最佳”系固統(tǒng)P4柿76行圖1劃7-琴9-尋1是涼二階霧最佳2.挎2寸典型疊I型驢系統(tǒng)運抗擾汁性能吃指標喘和參扒數(shù)的獸關(guān)系下圖膀a)攝是在頓擾動F作用延下的呼典型就I特型為系統(tǒng)砌,其理中,W1(s)是戰(zhàn)擾動負作用唇點前命面部機分的怨傳遞榴函數(shù)凳,后靈面部行分是W2(s)風,于鋪是只討宵論抗念擾性舉能時名,令剩輸入脅作用R=熔0,賓得到智下圖野b)詢的等廉效結(jié)忍構(gòu)圖母。典型I型系統(tǒng)

二階億最佳佛系統(tǒng)在單擠位階路躍擾敗動作它用下擾動辱恢復霸時間tv:tv與狠有堆關(guān)是擾崗動點患前后酸通道俘時間撐常數(shù)影之比結(jié)論盤:當控教制對已象的胳兩個洗時間沙常數(shù)饒相距滅較大獎時,鮮動態(tài)蛙降落稠減小往,但恢施復時乏間卻塊拖得永較長。(消見p香47扁9數(shù)皆據(jù))柜,當擾動鍋作用課于控制岔對象閥的輸揚入端鞠時,勝恢復炊時間唉也增療大3.鄰典錘型II型系份統(tǒng)(夕三階篇系統(tǒng)踢)結(jié)構(gòu)誤圖和限傳遞茶函數(shù)開環(huán)陸對數(shù)搭頻率噴特性OdB暫/d定ecdB絮/d撐ecdB光/d慈ec性能精特性典型語的I禁I型批系統(tǒng)善也是晶以–2骨0d杏B/切de軋c苗的斜翠率穿曬越零巡壽分貝路線。牲由于涼分母俘中s2項對漲應的縮慧相頻燙特性柜是–1微80使°,違后面啞還有寸一個推慣性毒環(huán)節(jié)蒼,在宏分子更添上史一個兇比例垃微分影環(huán)節(jié)且(s+1),懷是為已了把如相頻壘特性錘抬到–1選80春°線牽以上艇,以滾保證各系統(tǒng)敵穩(wěn)定避,即華應選友擇參霉數(shù)滿汗足且比T大得淚越多步,系修統(tǒng)的翼穩(wěn)定校裕度丈越大攝?;?.屬1遵典型同II德型系攤統(tǒng)跟保隨性躁能指恨標和暴參數(shù)病的關(guān)巷系(1覽)穩(wěn)態(tài)跟隨恒性能位指標Ⅱ型朗系統(tǒng)茶在不盞同輸攏入信肅號作羅用下舅的穩(wěn)妙態(tài)誤浩差列糖于下循表中II哀型系菊統(tǒng)在殊不同愚輸入水信號副作用枕下的衛(wèi)穩(wěn)態(tài)尤誤差輸入信號階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差00(2懸)動態(tài)跟隨浮性能亞指標典型京II脈型系鏡統(tǒng)階衛(wèi)躍輸妥入跟狼隨性具能指喜標(按Mrm收in準則肥確定復關(guān)系矮時)

a345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201由表己可知關(guān):在階勒躍和像斜坡籃輸入熄下,II型系吃統(tǒng)穩(wěn)搏態(tài)時俗均無員差;加速補度輸填入下作穩(wěn)態(tài)含誤差欲與開羅環(huán)增桐益K成反彩比。3、俱2撞三階鋪最佳肅系統(tǒng)適分析根據(jù)德國午西門破子公塘司提隔出“楊對稱響最佳棵”方挨法,三階救最佳淋系統(tǒng)必,取騙中頻北寬a去=4莖,中更衰區(qū)斑b=跌2,貿(mào)并必吩須引近入對控歉制信宵號的怒濾波或環(huán)節(jié)隔,此慚環(huán)節(jié)耀時間伏常數(shù)怪倍數(shù)荒c=奇4,系統(tǒng)嗽結(jié)構(gòu)對框圖躺如教項材p辨47化9沸圖1逝7-速9-蛇6。從因此文取可得三階敗最佳沃系統(tǒng)誼典型呢傳遞泉函數(shù)惕:/s-1c=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec中頻寬度三階最佳系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和中頻寬b3.然3幣三階返最佳鏟系統(tǒng)蒼跟隨衡性能很指標喝和參重數(shù)的販關(guān)系(1皮)穩(wěn)態(tài)跟隨代性能靈指標三階吵最佳系統(tǒng)春在不體同輸漁入信榜號作化用下糠的穩(wěn)芳態(tài)誤巧差列蹄于下屢表中三階閥最佳系統(tǒng)耀在不貍同輸源入信因號作監(jiān)用下理的穩(wěn)腿態(tài)誤第差輸入信號階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差04TtK與K蠻成正比由表稍可知蕩:在階緞躍和姻斜坡剝輸入逆下,三階求最佳系統(tǒng)御穩(wěn)態(tài)矛時均林無差私;但在弊斜坡圈輸入毒下則居有恒擺值穩(wěn)踩態(tài)誤溜差,虎且與K值和繳時間走常數(shù)Tt的乘叛積成民正比惠;加速嘴度輸掘入下狹穩(wěn)態(tài)慌誤差賣與開柴環(huán)增榴益K成反訴比。(2清)動態(tài)跟隨涉性能毀指標上升勝時間trtr=7柴.6搜Tt峰值憤時間tsts=1捐6.禁4Tt超調(diào)影量醫(yī)=8盆.1濾%3.判4紹三階朗最佳磁系統(tǒng)壺抗擾世性能自指標嘴和參宋數(shù)的磁關(guān)系抗擾艦系統(tǒng)酷結(jié)構(gòu)+0-三階嫂最佳將系統(tǒng)睡在一銳種擾宜動作刮用下煮的動鉛態(tài)結(jié)假構(gòu)框液圖三階族最佳莖系統(tǒng)在單森位階舟躍擾站動作墊用下滾的過負度過跌程見夫p4陽82推中圖紙17著-9斥-9擾動刮恢復必時間tv:tv在正旗負之耕間振溝蕩結(jié)論旺:三階逮最佳棍系統(tǒng)橡恢復油時間tv最大疲值與必二階趁最佳恒相差萬不大發(fā),但倆恢復障時間下大為撿縮短4、腳典型身I型池系統(tǒng)鹿與典鼻型Ⅱ玩型系尾統(tǒng)比速較比較稱分析緞的結(jié)背果可闖以看哲出,云典型遠I型諷系統(tǒng)椅和典狀型Ⅱ驢型系線統(tǒng)除涉了在芳穩(wěn)態(tài)未誤差叫上的器區(qū)別友以外稍,在青動態(tài)液性能出中,典型屯I嬌型盾系統(tǒng)候在跟冠隨性穿能上坐可以這做到穴超調(diào)唐小,臟但抗突擾性壘能稍逗差,典型窗Ⅱ型沈系統(tǒng)想的超萍調(diào)量踢相對璃較大畢,抗符擾性粗能卻屢比較管好。這是裝設計分時選巡壽擇典弱型系孫統(tǒng)的姿重要準依據(jù)芹。二、非典您型系姿統(tǒng)的敘典型歐化處績理1.調(diào)節(jié)扮器結(jié)指構(gòu)的喝選擇基本爬思路襲:將控術(shù)制對握象校帶正成盲為典毅型系殖統(tǒng)。控制對象

調(diào)節(jié)器

輸入輸出系統(tǒng)校正典型系統(tǒng)

輸入輸出選擇語規(guī)律根據(jù)叔控制君系統(tǒng)殺要求確定校正簡成那反類典型,確建定類閣型后較,選盞擇調(diào)摩節(jié)器殊方法擊就是豎把控制爆對象細與調(diào)盼節(jié)器捆相乘送,匹閥配成涼典型磁系統(tǒng),如厘果配杏不成衰,則欣可以御先對慮控制樹對象倍的傳寺遞函熱數(shù)做舌近似螞處理憶,再孟進行瓜校正擴。例如尾:某警控制墳對象觀是雙絹慣性亂型,晚其傳禁遞函波數(shù)如僅下式若要泛校正踐成典章型I型或,調(diào)節(jié)俱器必恨須具蒸有一拴個積猶分環(huán)恐節(jié),憑并含濕一個休比例媽微分聾環(huán)節(jié)坦,因赤此選控擇P答I調(diào)潮節(jié)器揚,其園傳遞節(jié)函數(shù)預如下粘式T1T2校正厭后系趣統(tǒng)開英環(huán)傳遞襖函數(shù)愉是取并且則有為典型眨I型+-K2Id

(s)+-K2

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