注冊電氣工程師考生必看 注冊電氣工程師報考復習指南鏈接地址公共基礎課件鏈接地址供配電專業考試大綱鏈接地址供配電專業考試規程規范鏈接地址2012電氣師 專業知識 模擬題鏈接地址電氣師考試 電氣設計口訣匯總鏈接地址電氣工程師考試知識點匯總鏈接地址電氣工程師考點解析 建筑電氣裝置鏈接地址2012電氣工程師 基礎知識 要點解析匯總鏈接地址鏈接地址 只能在幻燈片播放模式下點擊 電氣傳動控制系統調節器的工程設計方法 電氣傳動控制系統能穩定 準確 快速工作的 調節器的設計技術 德國西門子公司提出的 調節器最佳整定法 模最佳 對稱最佳 設計思路 分析和歸類系統 合理近似簡化 典型系統 本節應了解的問題 典型系統的結構 標準形式及頻率特性 典型二階系統的性能指標及與參數間關系 典型三階系統的性能指標及與參數間關系 非典型系統的典型化處理方法 電氣傳動控制系統中濾波器的作用和選擇 系統歸類常用方法在現代電氣傳動系統中除電機外 系統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 故一般系統都可以近似為低階系統 再運用運算放大器 或數字式微處理器 構成比例 積分 微分等控制規律的調節器 把實際系統校正為典型的低階系統結構 一 典型系統分析 一般來說 直流電氣傳動控制系統的開環傳遞函數都可表示為 上式中 分母中的sr項表示該系統在原點處有r重極點 或者說 系統含有r個積分環節 根據r 0 1 2 等不同數值 分別稱作0型 I型 型 系統 自動控制理論已經證明 0型系統穩態精度低 而 型和 型以上的系統很難穩定 因此 為了保證穩定性和較好的穩態精度 多選用I型和II型系統 1 控制系統的性能指標 1 1動態性能指標含義 電氣傳動控制系統的動態指標是指系統在給定信號和擾動信號作用下 系統輸出在動態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態值的時間 超調量 輸出量超過穩態值與穩態值之比 用百分數表示ts 調節時間 輸出量進入穩態值的 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抵抗擾動的能力 常用的抗擾性能指標有 Cmax 動態降落 輸出量與原穩態值的最大偏差與原穩態值之比tv 恢復時間 輸出量進入原穩態值的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 電氣傳動控制系統的誤差性能指標是指穩定系統在給定信號和擾動信號作用下 當暫態過程結束后穩態響應的期望值與實際值之間的誤差對給定信號的跟蹤穩態誤差對擾動信號的擾動穩態誤差 1 2 2跟蹤穩態誤差 在給定作用下輸出響應希望值與實際值之差 即 注意 跟蹤穩態誤差與開環增益K及輸入信號形式與大小有關 1 2 3擾動穩態誤差 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 二階系統 結構圖與傳遞函數 式中T 系統的慣性時間常數 K 系統的開環增益 一個慣性和一個積分 開環對數頻率特性 性能特性典型的I型系統結構簡單 其對數幅頻特性的中頻段以 20dB dec的斜率穿越0dB線 只要參數的選擇能保證足夠的中頻帶寬度 系統就一定是穩定的 且有足夠的穩定裕量 即選擇參數滿足 或 于是 相角穩定裕度 2 1典型I型系統性能指標和參數的關系 典型I型系統的開環傳遞函數如下式所示 它包含兩個參數 開環增益K和時間常數T 其中 時間常數T在實際系統中往往是控制對象本身固有的 能夠由調節器改變的只有開環增益K 也就是說 K是唯一的待定參數 設計時 需要按照性能指標選擇參數K的大小 K與開環對數頻率特性的關系 下圖繪出了在不同K值時典型I型系統的開環對數頻率特性 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 的關系 當 c 1 T時 特性以 20dB dec斜率穿越零分貝線 系統有較好的穩定性 由圖中的特性可知 所以K c 當 c時 上式表明 K值越大 截止頻率 c也越大 系統響應越快 但相角穩定裕度 90 arctg cT越小 這也說明快速性與穩定性之間的矛盾 在具體選擇參數K時 須在二者之間取折衷 下面將用數字定量地表示K值與各項性能指標之間的關系 典型I型系統跟隨性能指標與參數的關系 1 穩態跟隨性能指標 系統的穩態跟隨性能指標可用不同輸入信號作用下的穩態誤差來表示 I型系統在不同輸入信號作用下的穩態誤差 由表可見 在階躍輸入下的I型系統穩態時是無差的 但在斜坡輸入下則有恒值穩態誤差 且與K值成反比 在加速度輸入下穩態誤差為 因此 I型系統不能用于具有加速度輸入的隨動系統 2 動態跟隨性能指標 閉環傳遞函數 典型I型系統是一種二階系統 其閉環傳遞函數的標準形式為 式中 n 無阻尼時的自然振蕩角頻率 或稱固有角頻率 阻尼比 或稱衰減系數 從典型I型系統標準形式可以求出 換算得 且有 二階系統的性質當 1時 系統動態響應是欠阻尼的振蕩特性 當 1時 系統動態響應是過阻尼的單調特性 當 1時 系統動態響應是臨界阻尼 由于過阻尼特性動態響應較慢 所以一般常把系統設計成欠阻尼狀態 即00 5 因此在典型I型系統中應取下面列出欠阻尼二階系統在零初始條件下的階躍響應動態指標計算公式 超調量 上升時間 峰值時間 調節時間ts與的關系復雜 則近似計算式 典型I型系統跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系 工程上稱 0 707為最佳阻尼比 相應二階系統稱 二階最佳 系統 P476圖17 9 1是二階最佳 2 2典型I型系統抗擾性能指標和參數的關系 下圖a 是在擾動F作用下的典型I型系統 其中 W1 s 是擾動作用點前面部分的傳遞函數 后面部分是W2 s 于是 只討論抗擾性能時 令輸入作用R 0 得到下圖b 的等效結構圖 典型I型系統 二階最佳系統在單位階躍擾動作用下擾動恢復時間tv tv與有關 是擾動點前后通道時間常數之比 結論 當控制對象的兩個時間常數相距較大時 動態降落減小 但恢復時間卻拖得較長 見p479數據 當擾動作用于控制對象的輸入端時 恢復時間也增大 3 典型II型系統 三階系統 結構圖和傳遞函數 開環對數頻率特性 O dB dec dB dec dB dec 性能特性典型的II型系統也是以 20dB dec的斜率穿越零分貝線 由于分母中s2項對應的相頻特性是 180 后面還有一個慣性環節 在分子添上一個比例微分環節 s 1 是為了把相頻特性抬到 180 線以上 以保證系統穩定 即應選擇參數滿足 且 比T大得越多 系統的穩定裕度越大 或 3 1典型II型系統跟隨性能指標和參數的關系 1 穩態跟隨性能指標 型系統在不同輸入信號作用下的穩態誤差列于下表中 II型系統在不同輸入信號作用下的穩態誤差 2 動態跟隨性能指標 典型II型系統階躍輸入跟隨性能指標 按Mrmin準則確定關系時 由表可知 在階躍和斜坡輸入下 II型系統穩態時均無差 加速度輸入下穩態誤差與開環增益K成反比 3 2三階最佳系統分析根據德國西門子公司提出 對稱最佳 方法 三階最佳系統 取中頻寬a 4 中衰區b 2 并必須引入對控制信號的濾波環節 此環節時間常數倍數c 4 系統結構框圖如教材p479圖17 9 6 因此取 可得三階最佳系統典型傳遞函數 3 3三階最佳系統跟隨性能指標和參數的關系 1 穩態跟隨性能指標三階最佳系統在不同輸入信號作用下的穩態誤差列于下表中 三階最佳系統在不同輸入信號作用下的穩態誤差 與K成正比 由表可知 在階躍和斜坡輸入下 三階最佳系統穩態時均無差 但在斜坡輸入下則有恒值穩態誤差 且與K值和時間常數Tt的乘積成正比 加速度輸入下穩態誤差與開環增益K成反比 2 動態跟隨性能指標上升時間trtr 7 6Tt峰值時間tsts 16 4Tt超調量 8 1 3 4三階最佳系統抗擾性能指標和參數的關系 抗擾系統結構 三階最佳系統在一種擾動作用下的動態結構框圖 三階最佳系統在單位階躍擾動作用下的過度過程見p482中圖17 9 9擾動恢復時間tv tv在正負之間振蕩結論 三階最佳系統恢復時間tv最大值與二階最佳相差不大 但恢復時間大為縮短 4 典型I型系統與典型 型系統比較比較分析的結果可以看出 典型I型系統和典型 型系統除了在穩態誤差上的區別以外 在動態性能中 典型I型系統在跟隨性能上可以做到超調小 但抗擾性能稍差 典型 型系統的超調量相對較大 抗擾性能卻比較好 這是設計時選擇典型系統的重要依據 二 非典型系統的典型化處理 1 調節器結構的選擇基本思路 將控制對象校正成為典型系統 選擇規律根據控制系統要求確定校正成那類典型 確定類型后 選擇調節器方法就是把控制對象與調節器相乘 匹配成典型系統 如果配不成 則可以先對控制對象的傳遞函數做近似處理 再進行校正 例如 某控制對象是雙慣性型 其傳遞函數如下式若要校正成典型I型 調節器必須具有一個積分環節 并含一個比例微分環節 因此選擇PI調節器 其傳遞函數如下式 T1 T2 校正后系統開環傳遞函數是 取 并且 則有 為典型I型 用PI調節器把雙慣性型控制對象校正成典型 型系統 我們將幾種校正成典型I型系統和典型II型系統的控制對象和相應的調節器傳遞函數列于表3 1和表3 2中 表中還給出了參數配合關系 表3 1校正成典型I型系統的幾種調節器選擇 T1 T2 T3 T1 T2 表3 2校正成典型II型系統的幾種調節器選擇 認為 認為 2 傳遞函數近似處理 1 高頻段小慣性環節的近似處理實際系統中往往有若干個小時間常數的慣性環節 這些小時間常數所對應的頻率都處于頻率特性的高頻段 形成一組小慣性群 例如 系統的開環傳遞函數為 當系統有一組小慣性群時 在一定的條件下 可以將它們近似地看成是一個小慣性環節 其時間常數等于小慣性群中各時間常數之和 例如 近似條件 如 P483頁17 9 3 2 高階系統的降階近似處理 上述小慣性群的近似處理實際上是高階系統降階處理的一種特例 它把多階小慣性環節降為一階小慣性環節 下面討論更一般的情況 即如何能忽略特征方程的高次項 以三階系統為例 設其中 a b c都是正系數 且bc a 即系統是穩定的 降階處理若能忽略高次項 可得近似的一階系統的傳遞函數為近似條件 3 低頻段大慣性環節的近似處理表2 9中已經指出 當系統中存在一個時間常數特別大的慣性環節時 可以近似地將它看成是積分環節 即 近似條件 例如 如 P486頁17 9 4 2 對頻率特性的影響 低頻時把特性a近似地看成特性b 低頻段大慣性環節近似處理對頻率特性的影響 三 電氣傳動控制系統中濾波器的作用和選擇 1 反饋控制規律 轉速反饋閉環調速系統是一種基本的反饋控制系統 它具有以下三個基本特征 也就是反饋控制的基本規律 各種不另加其他調節器的基本反饋控制系統都服從于這些規律 1 1被調量有靜差 從靜特性分析中可以看出 由于采用了比例放大器 閉環系統的開環放大系數K值越大 系統的穩態性能越好 然而 Kp 常數 穩態速差就只能減小 卻不可能消除 因為閉環系統的穩態速降為只有K 才能使 ncl 0 而這是不可能的 因此 這樣的調速系統叫做有靜差調速系統 實際上 這種系統正是依靠被調量的偏差進行控制的 1 2 抵抗擾動 服從給定 反饋控制系統具有良好的抗擾性能 它能有效地抑制一切被負反饋環所包圍的前向通道上的擾動作用 但對給定作用的變化則唯命是從 擾動 除給定信號外 作用在控制系統各環節上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做 擾動作用 負載變化的擾動 使Id變化 交流電源電壓波動的擾動 使Ks變化 電動機勵磁的變化的擾動 造成Ce變化 放大器輸出電壓漂移的擾動 使Kp變化 溫升引起主電路電阻增大的擾動 使R變化 檢測誤差的擾動 使 變化 在下圖中 各種擾動作用都在穩態結構框圖上表示出來了 所有這些因素最終都要影響到轉速 調速系統的擾動源 擾動作用與影響 閉環調速系統的給定作用和擾動作用 抗擾能力 反饋控制系統對被反饋環包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能 例如 Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc 但是 如果在反饋通道上的測速反饋系數受到某種影響而發生變化 它非但不能得到反饋控制系統的抑制 反而會增大被調量的誤差 例如 Un Un Uc Ud0 n 因此 反饋控制系統所能抑制的只是被反饋環包圍的前向通道上的擾動 1 3給定作用 與眾不同的是 在反饋環外的給定作用 如上圖中的轉速給定信號 它的些微變化都會使被調量隨之變化 絲毫不受反饋作用的抑制 結論 反饋控制系統的規律是 一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環內前向通道上的擾動作用 另一方面 則緊緊地跟隨著給定作用 對給定信號的任何變化都是唯命是從的 2 反饋回路濾波器的作用從反饋控制規律可知反饋控制能夠有效地抑制一切被包在負反饋環內 前向通道上的擾動作用 因此 一切被包在負反饋環內前向通道上的諧波同樣可以通過反饋回路濾波器來抑制反饋回路濾波器的作用 1 濾掉系統信號中的諧波分量 2 抑制干擾 3 反饋回路濾波器的選擇 1 電樞電流反饋回路用電感互感器檢測時