自动控制原理课件 第２版 修改6.ppt

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1、第六章简单控制系统的分析与设计6.1单闭环调速系统的性能分析6.2双闭环调速系统的工程设计小结控制系统的分析和设计，主要任务是合理选择调节器的参数，使控制系统具有较好的动态和稳态性能。6.1单闭环调速系统的性能分析单闭环直流调速系统如上图所示。在电机和整流装置的有关参数已知的条件下，如何选取调节器参数，能使系统具有较好的动态和稳态性能。并用频域分析法分析系统的稳定裕量。系统的有关参数：系统性能分析的一般方法建立系统的数学模型，即动态结构图，求出系统的传递函数。应用时域分析法分析系统的动态性能和稳态性能，确定调节器参数。应用频域分析法分析系

2、统的稳定裕量。一、系统数学模型的建立系统主要包括四个环节(1)调节器(2)触发与整流电路(3)并励直流电动机(4)转速反馈环节(1)转速调节器的数学模型对方程组进行拉氏变换，并消去中间变量可得称为PI调节器的比例系数称为PI调节器的时间常数。(2)触发与整流电路的数学模型晶闸管整流装置相当于一个比例放大环节整流装置具有时滞性，时滞时间常数为因整流电路不同而不同，三相桥式整流电路一般取由于很小，可将上述传递函数近似处理为惯性环节，即(3)直流电机的数学模型以电枢电压为输入量，以转速为输出量，可建立并励直流电动的数学模型如下图示(详细建模过程

3、见教材P71-72)单闭环直流调系统的数学模型---动态结构图动态结构图的化简----求传递函数将中间综合点向右移动，并与最右边综合点换位，可作如下等效：1.前向通道的传递函数G(s)2.开环传递函数G(s)H(s)3.闭环传递函数4.误差传递函数二、系统动态性能分析动态分析的内容：采用二阶系统的分析方法，分析系统的动态性能指标。用劳斯判据判定系统的稳定性。确定调节器参数。1.调节器参数的确定及稳定性分析前向通道的传递函数将已知参数代入，得分子上的一阶微分环节，应抵消一个大惯性环节，即取调节器的时间常数则系统的闭环传递函数对应的特征方程为

4、由劳斯判据可知，要使系统稳定应有其具体值大小将下面的动态性能指标分析中确定。2.动态性能指标分析由于闭环传递函数的分母三次项的系数远小二次项系数，可将三次项忽略。系统的闭环传递函数可近似为二阶系统的标准形式对比可得系统按最佳二阶系统设计，可取解得此时系统的动态性能指标：过渡时间秒超调量即调节器的传递函数为对应闭环系统是稳定的，且具有最佳二阶系统的动态性能。三、稳态误差分析直流调压调速系统的给定和扰动量可视为阶跃信号给定信号作用时的稳态误差扰动信号作用时的稳态误差系统总的误差为由上述分析可知，单闭环转速负反馈调速系统，当调节器采用PI调器时

5、，能实现无静差调速。合理选择调节器的参数，可使系统获得较好的动态和稳态性能。四、稳定裕量分析系统的开环传递函函数；相位裕量；幅值裕量；幅值穿越频率；相角穿越频率回车后，程序运行结果如右如示。相位裕量、幅值裕量均满足工程设计要求。结果说明利用Matlab求取的稳定裕量的结果，同教材略有出入，原因是教材中算法为近似算法，比如求幅值穿越频率就是利用渐近线代替伯德图曲线的方法来求取的。6.2双闭环调速系统的工程设计系统参数设计思路多环控制系统的设计，通常遵循从内到外的设计顺序：先设计内环，内环调节器参数确定后，求出内环的传递函数，然后将其视为外环

6、的一个环节，再设计外环调节器的参数。本系统的设计思路：1、建立系统的数学模型。2、按典I型系统校正电流环，确定电流调节器的参数，并校验电流环的稳定裕量。3、按典II型系统校正转速环，确定转速调节器的参数，并校验转速环的稳定裕量。6.2.1双闭环直流调速系统数学模型的建立建立系统数学模型的过程与前一节单闭环系统基本相相同，所不同的是本系统中调节器的输入端均增加了滤波环节。1、滤波环节的数学模型时间常数：若在输入端不加滤波环节，则有可见滤波环节的传递函数相当于一个惯性环节：转速调节器取本系统设计中电流调节器取2、调节器的数学模型(1)转速调节

7、器的传递函数(2)电流调节器的传递函数其中放大系数时间常数时间常数其中放大系数3、整流装置的数学模型4、直流电机的数学模型双闭环直流调速系统的数学模型(不考虑电机负载电流作用)代入已知参数后6.2.2电流环的设计设计目标：选定调节器的参数，将电流环校正为典型I型系统1、电流环动态结构图的化简化简过程如右图所示，其中6.2.2电流环的设计2、电流调节器参数的确定电流环系统固有部分的传递函数电流调节器的传递函数电流环设计成典I型系统，取以抵消中的大惯性环节。校正后电流环的开环传递函数按照工程设计方法，为使典I型系统具有最佳二阶系统的性能，取即

8、求得所以，电流调节器的传递函数为6.2.2电流环的设计电流环的等效开环传递函数电流环的动态结构图如下：6.2.2电流环的设计6.2.3电流环设计的校验相位裕量的校验—相位裕量是应大于30度。校