直流电动机和交流发电机控制系统.docx
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直流电动机和交流发电机控制系统
交流发电机电压控制系统
TheControlSystemofAlternatorVoltage
摘要:
导弹能够准确地命中目标,人造卫星能按预定的轨道运行并返回地面,宇宙飞船能准确地在月球着陆,并重返地球,都是由于自动控制技术迅速发展的结果。
经典控制理论的内容主要以传递函数为基础,MATLAB为控制系统设计与仿真强大工具。
自动控制系统有两种最基本的形式--开环控制和闭环控制。
其中闭环自动控制系统是工业生产用得最为广泛的系统。
本文的交流发电机电压控制系统即为闭环负反馈控制系统。
关键词:
MATLAB交流发电机根轨迹法负反馈伺服系统
:
ServoSystem
伺服驱动系统简称伺服系统,是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统,例如数控车床等。
使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量小。
二:
交流发电机电压控制系统工作原理
在交流发电机电压控制系统中,被控量是交流发电机的电压,如图1-9所示。
图中受控对象是励磁控制的三相交流同步发电机,其励磁电压由自动电压调节器AVR提供,通过调节电压调
节器AVR的参考输入电压Ur,可改变供给发电机励磁绕组的励磁
AVR它的输出变量(即控制量)对其输入变量的因果关系,称为
控制器的控制规律。
这里的控制规律可以表示为
(1
Uf二f(Ur)
将iG视为外界负荷变动影响的一个扰动输入,因此,受控对象(发
电机)有两个输入一一励磁电压Uf和负载电流iG。
即被控量Ug可
由两个量来确定:
发电机由原动机带动旋转,并向所接负载供应电力。
控制的
Ug
目的是在随机变化着的负载电流iG干扰之下,保持机端电压Ug为要求的给定值?
G=const(常数)。
这种控制又可称为调节,而相应的系统,则可称之为自动励磁调节系统。
系统的参考输入信号
Ur是与Ug对应(成比例)的直流电压,通常Ur从恒压直流电源的一
个可调分压器上取得所需电压。
AVR
图1-9发电机开环励磁控制系统原理结构图
从图I—9可以看出,由于控制器AVR的输出uf只由参考输入
信号Ur确定而与扰动输入iG无关,所以要在随机变化(即无规律可循的变化)的iG的干扰下保持发电机机端电压Ug为给定值Ug是
不可能的。
因此,这种开环控制系统很少能当作实用的控制系统
来使用。
若如图1-10所示将被控量(发电机的机端电压Ug)通过
电压互感器和整流器输出(电压为Ub),再反馈到电压控制器AVR
反馈控制系统。
图1—10发电机自动励磁控制电压闭环控制系统原理结构
发电机闭环励磁控制系统方框图如图1—11所示。
当发电机机端电压(被控量)Ug偏离了要求的给定值?
G时,它们的差值(误
差)为
对于任意一个控制系统,当受控对象的被控量受外界扰动的影响而发生变化时,都希望通过控制器的自动控制作用,尽量使被控量恢复到给定值或者使误差在很小的可允许的范围内。
图1—11发电机闭环励磁控制系统方框图
已知带有磁场控制电机的伺服系统的开环传递函数为:
…K
(S)(0&+1)(0-2卄1)
,充分利用刚学习的现代控制系统理论知识来分析该系统并设计合适的K值范围。
三:
系统实现方案及其步骤
我们知道,一个控制系统的参数和其性能指标(如稳态误差,
调节时间,超调量,阻尼比,系统稳定性等)是系统的本质核心
部分。
今天我们将利用我们刚学过的根轨迹法,频率响应法(Bode
图和Nichols图)等来判定系统稳定性和设计合适参数。
的根越靠近左半轴系统越稳定。
我们可以看出当K越大,系统的
根轨迹越往右半轴,说明系统将随K值增大而变得不稳定。
2.Bode图法
要判定闭环系统的稳定性,首先绘制其开环对数幅频特性
由图示可知,系统开环是稳定的。
当K=5时,Y=13.6°>0,k
g=6.85dB闭环系统稳定;
当K=20时,Y=-9.66°<0,系统不稳定。
相角裕量和增益裕量图3图4
3.Nichols图法
F面给出了开环对数幅相曲线的Nichols图,从中可以看出闭环系统的谐振频率和峰值,从而可以判断系统的相对稳定性。
但是就本系统而言,该方法优点不太明显。
4.Nyquist图法
由上面两个开环系统奈魁斯特图可知,当K=10时,极
坐标图不包围(-1,j0)点,因此闭环系统是稳定的;当K=50
时,极坐标图顺时针包围(-1,j0)点两圈,表明系统不稳定。
四:
讨论
1.关于反馈控制系统
通过上述发电机机端电压Ug的自动调节过程可以看出,闭
环控制系统(也即反馈控制系统)属于按偏差信号的大小进行
调节的系统,并且调节的过程是尽量减少产生的偏差。
加到
比较元件的反馈信号的正负符号,起着重要的作用。
图
11所示的符号下的反馈称为负反馈,对于以减少误差为目的
的闭环控制系统,都应采取负反馈的方式。
现假设发电机负荷发生变化,使发电机机端电压Ug下降,则
反馈电压Ub也下降,偏差信号UeF-Ub增大,使控制器AVR动作,
于是发生以下的自动调节过程:
t反《环节,出较元件,、,控««」发电机,亠„
叱T出b*(毎广肚h)TU(T叱T—*便加G~*0
实际的调节过程往往不能一次完成,在几次波动以后,偏差
Ug
逐渐减少,最后使Ug恢复到Ug,AUg=UG-Ug_0。
如果将图1—11中比较元件上的反馈信号变成“正”信号,
则将构成一个具有正反馈的闭环控制系统,在这种情况下,如果还是以发电机负荷发生变化,使发电机机端电压Ug下降的调节过程为例,则调节过程将发生以下情况:
m,itSxftt,,OStWl】」FH
Mg***«bl*%=仏+讪T**«li"HOTTK血G二伽-临)T
即调节过程使误差3g越来越大,因此这样的励磁控制系统
是不能工作的。
2.关于系统稳定性判定
到此为止,我们用了根轨迹法,Bode图法,Nichol图法,Nyquist图法等方法判断系统的相对稳定性并求出系统的两种相对稳定
指标即增益裕度和相角裕度。
并且这两中频域指标还可以用来表示系统的时域性能。
在这些方法中,根轨迹法比较直观简单,但不能够看出系统的频率特性来,而其它几种方法则很容易算出系统的频率特性曲线。
故需依据具体情况选择合适的方法。
参考文献
[美[RichardC.DorfMODERNCONTROLSYSTEMS高教版2001刘叔军樊京等MATLAB7.0控制系统应用与实例机械工业出版社2005
李勇等MATLAB辅助现代工程数字信号处理西安电子科大出版
社2002刘坤等MATLA自动控制原理精解国防工业出版社2004
MATLAB参考程序
%绘制K=10时开环系统波特图,程序代码如下figure
(1);
Go=tf(10,conv([10],conv([0.51],[0.21])));
margin(Go);
gridoff;
%绘制K=50时开环系统波特图,程序代码如下figure
(2);
Go=tf(100,conv([10],conv([0.51],[0.21])));
margin(Go);
gridoff;
%绘制K=10时开环系统奈魁斯特图,程序代码如下:
figure(3);
Go=tf(10,conv([10],conv([0.51],[0.21])));
nyquist(Go);
set(findobj('marker','+'),'markersize',10);
set(findobj('marker','+'),'linewidth',1.5);
gridoff;
%绘制K=50时开环系统奈魁斯特图,程序代码如下:
figure(4);
Go=tf(50,conv([10],conv([0.51],[0.21])));
nyquist(Go);
set(findobj('marker','+'),'markersize',10);
set(findobj('marker','+'),'linewidth',1.5);
gridoff%绘制K=10时开环系统根轨迹图,程序代码如下:
figure(5)num=10;
den=conv(conv([0.51],[0.21]),[10]);
G=tf(num,den);
rltool(G)
rlocus(G)gridonfigure(6)%绘制K=50时开环系统根轨迹图,程序代码如下:
num=50;
den=conv(conv([0.51],[0.21]),[10]);
G=tf(num,den);
rltool(G)rlocus(G)gridon%绘制K=10时开环系统Nichols轨迹图,程序代码下figure(7);
num=10;
den=conv(conv([0.51],[0.21]),[10]);
nichols(num,den);
ngrid%绘制K=100时开环系统Nichols轨迹图,程序代码下figure(8);
num=100;
den=conv(conv([0.51],[0.21]),[10]);
nichols(num,den);
ngrid
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