单闭环直流调速系统的性能指标与时域分析

项目3单闭环直流调速系统的性能指标与时域分析学习目标能通过劳斯表简单的计算与排列，初步判断单闭环直流调速系统的稳定性。能理解闭环特征根对单闭环直流调速系统稳定性及动态特性的影响。能利用系统型别对单闭环直流调速系统的稳态特性进行初步分析与判断。能理解单闭环直流调速系统稳定性、稳态性和动态特性与系统闭环特征根之间的相互关系。2项目3单闭环直流调速系统的性能指标与时域分析拓展能力能理解一般自动控制系统时域解的物理意义。能理解典型测试信号所表达的物理概念，以及它们对一般自动控制系统时域性能指标建立的意义。能理解一般自动控制系统时域性能指标与实际自动控制系统工作要求之间的关系。能根据自动控制系统的系统框图，通过对其型别(开环传递函数)、特征方程(闭环传递函数)的初步分析，了解自动控制系统在三大性能指标方面所具有的功能特点。能理解二阶自动控制系统的阻尼比、无阻尼自然振荡频率的物理含意，并了解通过改变一般自动控制系统阻尼比来改善系统性能指标的物理意义。通过学习，能初步建立实践与理论相结合的工作思路。3项目3单闭环直流调速系统的性能指标与时域分析工作任务将单闭环直流调速系统的调速指标与一般自动控制系统的时域性能指标进行对照，理解调速性能指标的实践意义。学习利用单闭环直流调速系统各部件技术参数，通过简单计算获取调速系统参数、开环增益，并理解开环增益对单闭环直流调速系统的影响。理解特征根与系统参数之间的关系，从而了解特征根与单闭环直流调速系统相对稳定特性、动态响应特性之间的关系，并由此理解自动控制的本质内容。4相关知识引导自动控制系统“时域解”的一个明显优点就是能够直观地调节系统的动态性能与稳态性能。实际应用中，人们住往需要首先定义并规定好如何来度量自动控制系统的性能，然后根据所要求的性能，通过调节系统参数来获得他们所期望的响应(输出)，使之满足规定的性能要求。由于每一个“有用”的自动控制系统的“时域解”总是包括暂态分量与稳态分量。下面就通过一个常用的电路实例来说明这个概念的定义，以及相应的物理意义。【例3-1】一阶RC电路如图3-1所示，试分析零初始条件下，开关S闭合后，电容两端所产生的电压变化。参见教材P615相关知识(一)自动控制系统时域分析中的典型测试信号1) 阶跃信号(位置信号)2) 斜坡信号(速度信号)3) 抛物线信号(加速度信号)(二)单位阶跃响应下的时域性能指标1) 最大超调量2) 调整时间3) 上升时间和峰值时间4) 振荡次数5) 稳态误差6相关知识(三)一阶自动控制系统时域动态响应1) 当输入信号为单位阶跃信号时(1) 上升时间(2) 调整时间(3) 稳态误差2) 当输入信号为单位斜坡信号时(四)二阶自动控制系统时域动态响应1．二阶自动控制系统闭环极点分布与时域动态响应2．二阶自动控制系统欠阻尼单位阶跃响应的性能指标1) 快速性能指标计算公式(1) 上升时间(2) 峰值时间(3) 调整时间2) 相对稳定性性能指标(1) 最大百分比超调(2) 振荡次数7相关知识(五)自动控制系统的时域稳定性分析1．稳定的概念及稳定的充要条件2．自动控制系统稳定性的时域分析方法——Routh-Hurwitz判据1) 劳斯-赫尔维茨判据2) 劳斯表的构成3) 劳斯-赫尔维茨判据的应用(六)自动控制系统的时域稳态特性分析1．系统稳态误差的概念1) 系统误差2) 稳态误差2．单位反馈系统的跟随稳态误差8任务单闭环直流调速系统的性能分析与时域性能指标任务引导项目2已经建立了单闭环直流调速系统的系统框图。在这一基础上，开始对单闭环直流调速系统的性能进行时域分析，通过分析找出单闭环直流调速系统所存在的问题，并就这些问题进行分析。为了分析方便，将直流调速系统的系统框图重录于此，如图3-22所示。9任务相关知识1．调速系统对转速的控制要求与系统性能指标之间的关系(1) 调速(2) 稳速(3) 加速减速控制2．调速指标与系统性能指标之间的关系1) 调速范围2) 静差率3) 时域分析的一般方法10任务实施(一)任务目标(二)任务内容(三)知识点(四)任务实施步骤1．给定单闭环直流调速系统各部件参数及开环增益的计算(1) 三相桥式晶闸管触发整流装置参数。(2) 直流电动机参数。(3) 测速发电动机。(4) 给定参数。2．单闭环直流调速系统的稳定性分析3．单闭环直流调速系统的动态特性及稳态特性分析(设)11任务实施(五)任务完成结论(1) 自动控制系统闭环特征方程的根(极点)决定了控制系统输出响应的动态及稳态响应结果。(2) 控制系统中的实极点不会产生振荡。(3) 通过对本例的分析，还可以知道：自动控制系统的稳定性、动态特性与稳态特性是相互矛盾的。(4) 提高系统的开环增益可提高控制系统的快速响应能力和稳态精度，但却会降低系统的稳定性。12小结(1) 自动控制系统的时域分析法是在一定的输入条件下，使用拉普拉斯变换直接求解自动控制系统的“时域解”，从而得到控制系统直观而精确的时域输出响应曲线和性能指标的一种方法。(2) 系统稳定与否用系统的绝对稳定性来衡量。本项目介绍了劳斯-赫尔维茨稳定性判据。反馈控制系统稳定的充要条件是：控制系统闭环传递函数的极点均处于复数平面的左半平面。同时通过一些相应的实例分析还可以知道，反馈控制系统的相对稳定性也与系统闭环传递函数极点在复数平面上的位置有关。(3) 自动控制系统的性能指标包括稳态指标