交流发电机电压控制系统
The Control System of Alternator Voltage
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
一：Servo System
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，可改变供给发电机励磁绕组的励磁电压，从而改变发电机机端电压。控制器是自动电压调节器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—1)
___ 在图l—9中，发电机机端电压受负荷电流影响，则应将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——励磁电压和负载电流。即被控量可由两个量来确定：
______________ (1—2)
发电机由原动机带动旋转，并向所接负载供应电力。控制的目的是在随机变化着的负载电流干扰之下，保持机端电压为要求的给定值＝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是与对应(成比例)的直流电压，通常从恒压直流电源的一个可调分压器上取得所需电压。
图1-9_ 发电机开环励磁控制系统原理结构图
从图l—9可以看出，由于控制器AVR的输出只由参考输入信号确定而与扰动输入无关，所以要在随机变化(即无规律可循的变化)的的干扰下保持发电机机端电压为给定值是不可能的。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)通过电压互感器和整流器输出（电压为），再反馈到电压控制器AVR的输入端与参考输入电压进行比较得偏差信号：则
_______________ （1-3）
反馈电压极性与相反为负反馈信号，即可构成按偏差控制的反馈控制系统。
图1—10 发电机自动励磁控制电压闭环控制系统原理结构图
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) 偏离了要求的给定值时，它们的差值（误差）为
____________________ (1—4)
___ 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：_ ，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。
1． 根轨迹法
系统的稳定性可以通过它的根轨迹直接反映出来。传递函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，γ =13.6 ゜ >0,k g =6.85dB 闭环系统稳定；
当 K=20 时，γ =-9.66 ゜ <0, 系统不稳定。