1、交流發電機電壓控制系統The Control System of Alternator Voltage摘要：導彈能夠準確地命中目標， 人造衛星能按預定的軌道 運行并返回地面，宇宙飛船能準確地在月球著陸，并重返地球， 都是由于自動控制技術迅速發展的結果。 經典控制理論的內容主 要以傳遞函數為基礎，MATLAB為控制系統設計與仿真強大工具。自動控制系統有兩種最基本的形式 - 開環控制和閉環控制。 其中 閉環自動控制系統是工業生產用得最為廣泛的系統。 本文的 交流 發電機電壓控制系統 即為閉環負反饋控制系統。關鍵詞：MATLAB交流發電機根軌跡法負反饋伺服系統： Servo System伺服驅動系統

2、簡稱伺服系統，是一種以機械位置或角度 作為控制對象的自動控制系統，例如數控車床等。使用在伺 服系統中的驅動電機要求具有響應速度快、定位準確、轉動 慣量小。二：交流發電機電壓控制系統工作原理在交流發電機電壓控制系統中，被控量是交流發電機的電 壓，如圖 1-9 所示。 圖中受控對象是勵磁控制的三相交流同步發 電機，其勵磁電壓由自動電壓調節器 AVR提供，通過調節電壓調節器AVR的參考輸入電壓Ur，可改變供給發電機勵磁繞組的勵磁電壓Uf，從而改變發電機機端電壓UG。控制器是自動電壓調節器AVR它的輸出變量（即控制量）對其輸入變量的因果關系，稱為在圖I 9中，發電機機端電壓Ug受負荷電流iG影響，則應

3、控制器的控制規律。這里的控制規律可以表示為(1Uf 二 f(Ur)將iG視為外界負荷變動影響的一個擾動輸入，因此，受控對象（發電機）有兩個輸入一一勵磁電壓Uf和負載電流iG。即被控量Ug可由兩個量來確定:Ug =*(Uf ,iG )(12)發電機由原動機帶動旋轉，并向所接負載供應電力。控制的Ug目的是在隨機變化著的負載電流iG干擾之下，保持機端電壓Ug為 要求的給定值?G = const（常數）。這種控制又可稱為調節，而相 應的系統，則可稱之為自動勵磁調節系統。 系統的參考輸入信號Ur是與Ug對應（成比例）的直流電壓，通常Ur從恒壓直流電源的一個可調分壓器上取得所需電壓。AVR圖1-9 發電機

4、開環勵磁控制系統原理結構圖從圖I 9可以看出，由于控制器AVR的輸出uf只由參考輸入信號Ur確定而與擾動輸入iG無關，所以要在隨機變化（即無規律 可循的變化）的iG的干擾下保持發電機機端電壓 Ug為給定值Ug是不可能的。因此，這種開環控制系統很少能當作實用的控制系統來使用。若如圖1-10所示將被控量（發電機的機端電壓Ug）通過電壓互感器和整流器輸出（電壓為Ub），再反饋到電壓控制器 AVR的輸入端與參考輸入電壓Ur進行比較得偏差信號Ue :則UrUe = Ur - Ub(1-3 )反饋電壓Ub極性與Ur相反為負反饋信號，即可構成按偏差控制的號,反饋控制系統。匚廠昨st 'J I宰瘟筑圖

5、1 10發電機自動勵磁控制電壓閉環控制系統原理結構發電機閉環勵磁控制系統方框圖如圖1 11所示。當發電機 機端電壓（被控量）Ug偏離了要求的給定值?G時，它們的差值（誤差）為Ug=Ug-Ug(1-4)對于任意一個控制系統，當受控對象的被控量受外界擾動的 影響而發生變化時，都希望通過控制器的自動控制作用， 盡量使 被控量恢復到給定值或者使誤差在很小的可允許的范圍內。圖111發電機閉環勵磁控制系統方框圖已知帶有磁場控制電機的伺服系統的開環傳遞函數為:K（S）（0&+1）（0-2卄 1），充分利用剛學習的現代控制系統 理論知識來分析該系統并設計合適的 K值范圍。三：系統實現方案及其步驟我們知

6、道，一個控制系統的參數和其性能指標 （如穩態誤差，調節時間，超調量，阻尼比，系統穩定性等）是系統的本質核心部分。今天我們將利用我們剛學過的根軌跡法，頻率響應法（Bode圖和Nichols圖）等來判定系統穩定性和設計合適參數。系統的穩定性可以通過它的根軌跡直接反映出來。傳遞函數的根越靠近左半軸系統越穩定。 我們可以看出當K越大，系統的RhI根軌跡越往右半軸，說明系統將隨 K值增大而變得不穩定。2.Bode圖法要判定閉環系統的穩定性，首先繪制其開環對數幅頻特性由圖示可知，系統開環是穩定的。當K=5時，Y =13.6 °>0,kg =6.85dB閉環系統穩定;當K=20時，Y =-9

7、.66°<0,系統不穩定。BodeGm - Ini dB Bl Ini radfaecj , Pm = 111 deg (at 1.7 red/ec)-180'10'101010*10°FtaqiiHicy (rndftec)舵w ® wo 2 M 汚 - - J - - -ia1010 10Frequencv (radftec)Bode CHagrarn5m 二 ejffid日凸 3.lBK«liiec). Pm = 1 3 6 cteg ai 3.1 r«irjec)S? M M s w . . JI / J屈E相角裕

8、量和增益裕量圖3圖43. Nichols 圖法F面給出了開環對數幅相曲線的Nichols圖，從中可以看出 閉環系統的諧振頻率和峰值，從而可以判斷系統的相對穩定性。但是就本系統而言，該方法優點不太明顯。I eciNchdsCbflrl332/-225 -IBO -135Optn-LocpPriSEe g 翅-s dBTLOdo-ep-90JJ_-:y 屈- ZdBf館沁存；芻:< -va&iii I 二 W T II-#"J -=汕r杠一嚴=-100-360-?15-77D.225-130135 -丁Cpsn-Ltnp Pha«(cfcgl；ind弭尸4. Ny

9、quist 圖法4fl10MDID矗MgQa-n-mr* UCIJ一口BE-L ooiagran&由上面兩個開環系統奈魁斯特圖可知，當K = 10時，極坐標圖不包圍（-1,j0 ）點，因此閉環系統是穩定的；當K = 50時，極坐標圖順時針包圍（-1,j0 ）點兩圈，表明系統不穩定。四：討論1 .關于反饋控制系統通過上述發電機機端電壓Ug的自動調節過程可以看出，閉環控制系統（也即反饋控制系統）屬于按偏差信號的大小進行調節的系統，并且調節的過程是盡量減少產生的偏差。加到比較元件的反饋信號的正負符號，起著重要的作用。圖11所示的符號下的反饋稱為負反饋，對于以減少誤差為目的的閉環控制系統，都應

10、采取負反饋的方式。現假設發電機負荷發生變化，使發電機機端電壓Ug下降，則反饋電壓Ub也下降，偏差信號Ue F -Ub增大，使控制器AVR動作，于是發生以下的自動調節過程:t反環節，出較元件,、，控««發電機, 亠 叱T出b*（毎廣肚h） T U（ T 叱T*便加G*0實際的調節過程往往不能一次完成， 在幾次波動以后，偏差Ug逐漸減少，最后使Ug恢復到 Ug , AUg=UG-Ug _ 0。如果將圖1 11中比較元件上的反饋信號變成“正”信號，則將構成一個具有正反饋的閉環控制系統，在這種情況下，如果 還是以發電機負荷發生變化，使發電機機端電壓Ug下降的調節過 程為例，則調節過

11、程將發生以下情況：,m , itSxft t , OS tWl 】F HMg* «bl* % =仏 + 訕 T* «li" HOT T K血G 二伽-臨）T即調節過程使誤差 3g越來越大，因此這樣的勵磁控制系統是不能工作的。2.關于系統穩定性判定到此為止，我們用了根軌跡法，Bode圖法，Nichol圖法，Nyquist 圖法等方法判斷系統的相對穩定性并求出系統的兩種相對穩定指標即增益裕度和相角裕度。 并且這兩中頻域指標還可以用來表 示系統的時域性能。在這些方法中，根軌跡法比較直觀簡單，但 不能夠看出系統的頻率特性來， 而其它幾種方法則很容易算出系 統的頻率特性曲線

12、。故需依據具體情況選擇合適的方法。參考文獻美Richard C.Dorf MODERN CONTROL SYSTEMS高教版 2001 劉叔軍 樊京等 MATLAB 7 . 0控制系統應用與實例 機械工業出版 社 2005李勇等MATLAB輔助現代工程數字信號處理西安電子科大出版社 2002 劉坤等MATLA自動控制原理精解國防工業出版社2004MATLAB參考程序%繪制K = 10時開環系統波特圖，程序代碼如下 figure(1);Go=tf(10,conv(1 0,conv(0.5 1,0.2 1);margin(Go);grid off;%繪制K = 50時開環系統波特圖，程序代碼如下

13、figure(2);Go=tf(100,conv(1 0,conv(0.5 1,0.2 1);margin(Go);grid off;%繪制K = 10時開環系統奈魁斯特圖，程序代碼如下:figure(3);Go=tf(10,conv(1 0,conv(0.5 1,0.2 1);nyquist(Go);set(findobj('marker','+'),'markersize',10);set(findobj('marker','+'),'linewidth',1.5);grid off;%繪制K

14、= 50時開環系統奈魁斯特圖，程序代碼如下:figure(4);Go=tf(50,conv(1 0,conv(0.5 1,0.2 1);nyquist(Go);set(findobj('marker','+'),'markersize',10);set(findobj('marker','+'),'linewidth',1.5);grid off %繪制K = 10時開環系統根軌跡圖，程序代碼如下: figure (5) num=10;den=conv(conv(0.5 1,0.2 1),1 0);G=tf(num,den);rltool(G)rlocus(G) grid on figure (6) %繪制K = 50時開環系統根軌跡圖，程序代碼如下: num=50;den=conv(conv(0.5 1,0.2 1),1 0);G=tf(num,den);rltool(