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目录页第一章 绪论21-1 课题背景，实验目的与实验设备21-2 国内外研究情况3第二章 双闭环调速系统设计理论32-1 典型型和典型型系统32-2 系统的静，动态性能指标42-3 非典型系统的典型化62-4 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93-1 系统模型参数测定实验步骤和原理93-2 模型测定实验的计算分析113-3 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224-1 设计整定的思路224-2 电流调节器的整定和电流内环的校正，简化234-3 转速调节器的整定和转速环的校正，简化254-4 系统的实际运行整定274-5 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345-1 实验中出现的问题345-2 实验心得体会35第六章 实验原始数据386-1 建模测定数据386-2 系统调试实验数据39第一章 绪论1-1 课题背景，实验目的与实验设备转速，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：静差率 5%静态调速范围 3 (483rpm-1450rpm)电流超调量 5%性能指标动态转速超调量 10%1-2 国内外研究情况实验装置 型号 规格 备注电力电子传动平台 MCL- 实验平台示波器 TDS-1012 带宽 100MHZ 最高采样频率1GS/s得到转速，电流波形，调节参数时参考数字万用表 GDM-8145 测量电阻，电压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。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。与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 型和典型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。典型型和典型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型的闭环传递函数结构为 112)(232 hTssThsWcl为斜率为的中频段宽度。对于型系统而言，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，在下表中列出名称 备注上升时间 输出量第一次上升到稳态值所用的时间超调量 输出量超过稳态值最大时与稳态值差值比上稳态值峰值时间 输出量上升到最大值所用时间跟随性能特性调节时间 输出量稳定在稳态值附近一定范围内所用时间动态降落 稳态运行时突加负扰动造成的输出量降落抗扰性能特性恢复时间 稳态运行时突加扰动后输出稳定在一定范围的时间表 2-1 性能指标及其定义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与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 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系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。系统参数要求满足由性能指标就可以求出系统的开环增益和调节器的比例增益系数由增益和时间常数设计出调节器图 2-3 ACR 和 ASR 所用的带滤波 PI 调节器最后将电流环简化成一个典型型系统，作为外环的一个环节2.设计转速调节器进行小时间常数近似处理图 2-4 简化后的转速环将转速环校正为典型系统，以保证转速环的抗扰动能力。再计算转速调节器的比例增益和时间常数从而得到转速调节器的电阻和电容值第三章 模型参数测定和模型建立3-1 系统模型参数测定实验步骤和原理名称 测量方法 注意事项 实测值电枢内阻 接通电源，施加给定，使电枢电流保持在 1A，但是断开励磁回路和负载回路，在电机静止的状态下，手动旋1.理论上在不加励磁磁通时电机是不会旋转的，但有时电机会因为剩磁而出现缓慢旋转，这时要反接励磁磁通去掉剩磁载电枢端电压,电源端电压转电机转轴，在互成夹角的三点测出电枢内阻的大小，然后取平均值。接回原来的电路。2.三次测量的差值反映了电机制作的规整度，主要收电机的转轴偏离中心程度和换向片和电刷的接触电阻。电枢电流电动势转速系数利用电机的机械特性方程联立，消去未知的电枢回路电阻，仅由两次测量的电压差值和转速差值求出电动势转速系数1.两组数据通过改变给定电压得到，只需要测端电压和转速，不需要关心电枢电流，励磁回路也要。2.不需要关心电枢电流的前提是测量几组数据时电枢回路的电阻不能改变，特别是串接的起动电阻。3.磁通量显然会影响转速系数，也不能改变。电源端电压电机转速电源等效内阻断开励磁回路，固定给定电压在 0.2A 到 0.8A 间（实验中是 0.5A） ，改变电枢串联回路的阻值，得到两组端电压和电枢电流的值1.励磁回路和负载回路要断开。2.测电源内阻的方法是伏安法，电枢的端电压和电流的端电压也是电源等效内阻的端电压和端电流，用两组数据联立电源端电压电枢电流电源放大系数保持励磁回路断开，分级调节给定电压，并保持电枢电流始终小于 1A（实验中为了计算方便，保持电枢电流始终在 0.5A） ，利用求出一组，再取平均值1.断开励磁后要小心调整给定电压，否则很容易过流。2.记录每一次测出数据时的电流。3.测量组数分布要调整好，例如如果要研究电源的饱和现象要在电压都较大时多取点。电枢电流电源端电压给定电压平波电感内阻不通电的情况下，用万用表直接测电感的阻值。1.不能通电，此时是由万用表本身供电的。电感内阻电枢回路总电阻电磁时间常数用电感表测出电枢回路的总电感再除以总电阻，即1.测量电感时所测电感在的回路要断开，否则就会偏小，相当于并联了其他电感电枢电感平波电感电枢回路总电阻机电时间常数连上励磁回路，断开负载回路，突加给定使电机的峰值电枢电流达到堵转电流（实验中是 1.4A） ，记录转速 n和时间 t 的波形图，利用以下公式可以计算出机电时间常数 dzmtABZaamZaezmzeaItTtiTIiCRGDidnIUnBA)(375221.分别为堵转电流和空载时的电流。2.计算图中阴影部分的面积，方法为3.机电时间常数的计算就可以等效为阴影部分面积和堵转电流与空载电流差的商。突加给定的转速变化图表 3-1 各模型参数的测量方法3-2 模型测定实验的计算分析(1) 测量参数测量结果 1 测量结果 2 测量结果 3 平均值 标准差22.64 22.28 22.35 22.4233 0.1909相对偏差 0.966% -0.639% -0.326%表 3-2 电枢内阻的测量结果测量结果的不同主要是由于电机转轴的偏心，导致换向片和电枢间接触或紧或松，接触电阻或小或大，实际电机运行中还存在气隙偏心等问题，但是只要对电枢电阻的影响小于就可以忽略。如上表，三次测量结果和均值的相对偏差都小于 1%，考虑三次测量的位置互成，转子偏心对电枢内阻的影响可以抵消，所求的电枢内阻平均值是可信的(2)测量参数计算公式计算参数 /v / /v 偏差111 756 0.5440.1455 159 1086 0.833 1.68%0.1421 187 1283 1.063 -0.70%0.1417 222 1530 1.458 -0.98%0.1431 平均电动势系数表 3-3 电动势系数的测量结果 电动势转速系数