内容发布更新时间 : 2024/11/15 4:05:47星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

来，抗扰性能高。在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化比起单闭环系统小得多。

2.7双闭环直流调速系统的动态性能指标

自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标两类。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，随动系统的动态指标以跟随性能为主。

（一）跟随性能指标

在给定信号或参考输入信号R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。当给定信号变化方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零、给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的输出量动态响应称作阶跃响应，如图2-7a所示。

图2-7a 典型的阶跃响应曲线和跟随性能指标

Fig2-7a the typical step response process and tracing property index 一般希望在阶跃响应中输出量C(t)与其稳态值C?的偏差越小越好，达到C?的时间越短越好。常用的阶跃响应跟随性能指标下列各项：

1．上升时间tr

图2-7a绘出了阶跃响应的跟随过程，图中的C?是输出量C的稳态值。在跟随过程中，输出量从零起第一次上升到C?所经过的时间称作上升时间，它表示动态响应的快速性。

2．超调量σ与峰值时间tp

在阶跃响应过程中，超过tr以后，输出量有可能继续升高，到峰值时间tp时达到输出量最大值Cmax，然后回落。Cmax超过稳态值C?的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量，即

??Cmax?C??100%

C?超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。

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3．调节时间ts

调节时间又称过渡过程时间，它衡量输出量整个调节过程的快慢。理论上，线性系统的输出过渡过程要到t??才稳定，但实际上由于存在各种非线性因素，过渡过程到一定时间就终止了。为了在线性系统阶跃响应曲线上表示调节时间，认定稳态值上下±5%(或取±2%)的范围为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的时间定义为调节时间。显然，调节时间既反映了系统的快速性，也包含着它的稳定性。

（二）抗扰性能指标

控制系统稳定运行中，突加一个使输出量降低的扰动量F以后，输出量由降低到恢复的过渡过程是系统典型的抗扰过程，如图2-7b所示。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。

图2-7b 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标

Fig2-7b sudden plus turbulence of dynamic process and turbulence-proof property

index

1．动态降落?Cmax%

系统稳定运行时，突加一个约定的标准负扰动量，所引起的输出量最大降落值?Cmax称作动态降落。一般用?Cmax占输出量原稳态值C?1的百分数?Cmax?C?1?100%来表示（或用某基准值Cb的百分数?Cmax?Cb?100%来表示）。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值C?2，（C?1?C?2）是系统在该扰动作用下的稳态降落，即静差。动态降落一般都大于稳态误差。调速系统突加额定负载时转速的动态降落称作动态速降?nmax%。

2．恢复时间tv

从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值C?2之差进入某基准值Cb的±5%（或取±2%）范围之内所需的时间，定义为恢复时间tv，见图2-4b。其中Cb称作抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况选定。如果允许的动态降落较大，就可以新稳态值C?2作为基准值。如果允许的动态降落较小，则按进入±5%C?2范围来定义的恢复时间只能为零，就没有意义了，所以必须选择一个比新稳态值更小的Cb作为基准。

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2.8双闭环直流调速系统的频域分析

在设计校正装置时，主要的研究工具是伯德图（Bode Diagram）如图2-8所示，即开环对数频率特性的渐近线。它的绘制方法简便，可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。正因为如此，伯德图是自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法。

L/dB 低频段 中频段 -20dB/dec 高频段 0 ?c ?/s -1

图2-8 典型的控制系统伯德图 Fig2-8 Typical control system Bode Diagram

在定性地分析闭环系统性能时，通常将伯德图分成低、中、高三个频段，频段的分割界限是大致的，从上图中三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：

(1)中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线，而且这一斜率覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好；

(2)截止频率（或称剪切频率）?c越高，则系统的快速性越好； (3)低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高；

(4)高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。 以上四个方面常常是互相矛盾的。对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可能牺牲快速性；提高截止频率可以加快系统的响应，又容易引入高频干扰；如此等等。

设计时往往须在稳、准、快和抗干扰这四个矛盾的方面之间取得折中，才能获得比较满意的结果。

在伯德图，稳定裕度是衡量最小相位系统稳定程度（即相对稳定性）的重要指标，保留适当的稳定裕度可以防止系统在各元件参数发生变化后导致不稳定，稳定裕度也能间接地反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大意味着震荡弱、超调小。稳定裕度包括模稳定裕度Lh和相稳定裕度γ，一般要求：

Lh≥6dB

γ≥40

?2.9双闭环直流调速系统两个调节器的作用

1．转速调节器的作用

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（1）使转速n跟随给定电压Um变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。

（3）其输出限幅值决定允许的最大电流。 2．电流调节器的作用

（1）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压Ui变化。 （2）对电网电压波动起及时抗扰作用。

（3）起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动。

（4）当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。

当故障消失时，系统能够自动恢复正常。

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3 MATLAB语言及Simulink

3.1仿真技术的背景

仿真技术作为一门综合性的科学已有四十多年的发展历史,其间经历了物理模型仿真,模拟计算机仿真和数字计算机仿真。早期,人们采用计算机高级程序语言对系统进行仿真,如BASIC、FORTRAN、PASCAL等。近些年,C语言用得最为普遍。用计算机高级程序语言编制的系统仿真程序,不但要详尽描述各类事件的发生和处理情况,还要规定各类事件的处理顺序。这样,即便是一个很简单的系统,程序也会很长,难于调试。同时,为了设计出优良的人机界面,对数据输入方式和

仿真结果的数据打印格式或图形表达形式要大费心思。

3.2 Matlab和Simulink简介

电子计算机的出现和发展是现代科学技术的巨大成就之一。它对科学计术的几乎一切领域，特别对数值计算，数据处理，统计分析，人工智能以及自动控制等方面产生了极其深远的影响。熟练掌握利用计算机进行科学研究和工程应用的技术，已经成为广大科研设技人员必须具备的基本能力之一。大部分从事科学研究和工程应用的读者朋友可能都已经注意到并为之所困扰的是，当我们的计算涉及矩阵运算或画图时，利用FORTRAN和C语言等计算机语言进行程序设计是一项很麻烦的工作。Matlab正是为了免除无数类似上述的尴尬局面而产生的。在1980年前后，美国的Cleve博士在New Mexico大学讲授线性代数课程时，发现应用其它高级语言编程极为不便，便构思并开发了Matlab（MATrix LABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，矩阵的运算变得异常容易。

为了准确的把一个控制系统的复杂模型输入给计算机，然后对之进行进一步的分析与仿真，1990年MathWorks软件公司为Matlab提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具，并定名为Simulnk，该工具很快在控制界得到了广泛的应用。但因其名字与著名的软件Simula类似，所以在1992年正式改名为Simulink。此软件有两个明显的功能：仿真与连接，亦即可以利用鼠标器在模型窗口上画出所需要的控制系统模型，然后利用该软件提供的功能来对系统直接进行仿真。很明显，这种做法使得一个很复杂系统的输入变得相当容易。Simulink的出现，更使得Matlab为控制系统的仿真与其在CAD中的应用打开了崭新的局面。

目前的Matlab已经成为国际上最为流行的软件之一，它除了传统的交互式编程外，还提供了丰富可的矩阵运算，图形绘制，数据处理，图像处理，方便的Windows编程等便利工具，由各个领域的专家学者相继推出了以Matlab为基础的实用工具箱工具箱,其中主要有信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、鲁棒控制、非线性系统控制设计、系统辨识、最优化、μ分析与综合、模糊逻辑、小波、样条等工具箱,而且工具箱还在不断增加。借助其强大的功能，Matlab广泛应用于自动控制、图像信号处理，生物医学工程，语音处理，雷

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