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流体机械自动控制
第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性 二、动态特性
（一）调节规律 对第3种调速器的数学模型，忽略 T y ，b p ， n' ，则有 T
Gr ( s ) Tn Td T 1 ns bt Td bt Td s bt
：具有PID规律。
对第4种调速器的数学模型，忽略 T y ， b p ，Tn' ，也可得出与第 3种模型相同的结论。
-20
s
bp
*
-5
1 T1
b Ty1
1 Td
根轨迹增益
K
bb T1Ty1Ty
* t
-25 -40
-35
-30
-25
-20
-15 Real Axis
-10
-5
0
5
10
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性
二、动态特性
Root Locus
（四）调速器内环稳定性
• • • • PI 辅接型 PI 中接型 软反馈+加速度 软反馈+加速度 辅接型 中接型
•
并联PID(电子调节器)型
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性
一、数学模型
1、PI 辅接型 框图如图所示。 其传递函数为：
Gr ( s) Td s 1 Y ( s) X c ( s) Ty1TyTd 3 Ty1 s ( Td )Ty s 2 [Ty (bt bp )Td ]s bp b b
Gr ( s)
(三阶)
忽略Ty1 (Ty1 0)， 则：
Td s 1 Y ( s) X c ( s) Td Ty s 2 [Ty (bt bp )Td ]s bp
(二阶)
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性 一、数学模型
2、PI 中接型 框图如图所示。 其传递函数为：
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主讲人
赵斌娟
副教授
目
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 概 述
录
机械液压调速器 电气液压调速器 微机调速器 调速器与调节对象的动态特性 水轮机调节系统动态特性及参数整定
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性
一、数学模型
主要讨论以下几种典型结构：
第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性 二、动态特性
（一）调节规律 对第1种调速器的数学模型，忽略 T y ， p ，则有ห้องสมุดไป่ตู้ b
Gr ( s ) 1 1 bt bt Td s
：具有PI型规律。
对第2种调速器的数学模型，忽略 T y ， p ，也可得出与第1种模 b 型相同的结论。
（四）调速器内环稳定性
20
25
Imaginary Axis
调速器子系统本身即为一闭环系统，故 须考虑其自身的稳定性。 以PI 辅接型为例，考虑到小时间常数T1， 开环传递函数为：
15 10 5 0
bp bt*Td
bt Td -10 G0 ( s ) K b 1 1 s( s )( s )( s -15 ) T1 Ty1 Td
Imaginary Axis
Root Locus 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -15
1 Ty s
bp bt*Td
1 T1
b Ty1
1 Td
-10 Real Axis
-5
0
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性 二、动态特性
（四）调速器内环稳定性 对电液随动系统，方框图为：
开环传递函数为三阶Ⅰ型系统，原则上可能造成不稳定， Ty T 但 ， y 1 相对较大，不易发生不稳定，但若增益过大( 过 大)，则会产生振荡。 b
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性
思考题
１、绘制几种典型调速器的结构框图，并进行等效变 换，导出其基本调节规律。 ２、分析PI、PID两种调速器对输入 x c 的阶跃响应的差别。 ３、当调速器作为随动系统使用时，信号响应时间 TL 受哪 些因素影响。 ４、简要分析调速器的内环稳定性。
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
一、数学模型 第一节 调速器动态特性
4、软反馈+加速度 中接型 框图 如图 所示。
其传递函数(忽略 T y1 )为：
Gr ( s ) Td s 1 ' Tn s 1 [( bt b p )Td s b p ](Ty s 1) Tn s 1 ( 三阶)
第五章 调速器与调节对象的动态特性
二、动态特性 第一节 调速器动态特性
（三）指令信号实现时间 TL 3 、指令信号加入点对 TL的影响 ②对辅接PI 型和加速度+软反馈型，输入点变为 C1 。 则： TL 3Ty / bt 显然比常规方式也下降了很多。
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性 二、动态特性
（一）调节规律 对第5种调速器的数学模型，忽略 T y ， p，则有： b
KI Gr ( s ) K P KDs s
显然具有PID型规律。 与第3，4相比较，有
KP Td Tn 1 T 1 , KI , KD n bt Td bt bt Td bt
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性
二、动态特性
（三）指令信号实现时间 TL 机组并入大电网时，频率为常数，水轮机调节系统相当于一个 开环系统，输入信号为功给信号。此时(稳定性不成问题)，对功给 信号—指令信号的响应速度成为主要关心的问题。 对功给阶跃信号响应的调节时间即称为指令信号实现时间 TL 。 其实质就是单位阶跃响应中最大时间常数的3~4倍。 影响它的主要因素有：调速器结构、校正装置参数和指令信号 加入位置等。
其阶跃响应为： t * t * Td Ty Ty* bt Td bt*Td * Ty Td * y( t ) C 0 (1 e * e ) (其中：Td , Ty * ) * * * b p Td Ty Td Ty bp bt * bT TL 3Td 3 t d 故信号响应时间为： bp
随动系统部分：
1 Gr 2 ( s ) 1 Ty s
K D s2 K P s K I Gr ( s ) Gr 1 ( s ) Gr 2 ( s ) 1 b p [ K D s 2 ( K P ) s K I ](Ty s 1) bp
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
第二节 水轮机动态特性
二、动态特性 借用水轮机稳态特性（以混流式为例）：
Gr 1 ( s )
Gr 2 ( s )
Td s 1 Y1 ( s ) X c ( s ) Ty1Td s 2 [Ty1 (bt b p )Td ]s b p
( 调速器部分)
Y ( s) 1 Y1 ( s ) 1 Ty s
(随动系统部分 )
所以， Gr ( s) Gr 1 ( s) Gr 2 ( s) Td s 1 Ty1 0 ，则有： G ( s ) 令 r (b b )T T s 2 [T (b
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性 二、动态特性
（二）频率特性 PI型调速器的频率特性
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性 二、动态特性
（二）频率特性 PID型调速器的频率特性 由比较可见： PID型调速器的增益交 界频率大于PI型调速器的。 故PID型的速动性较好， 但其抗干扰性较差。
1 Kp 考虑到 bt
bp K p 1
(bt b p )
， 则： TL 3 b p Td T 可见三种典型结构对常规方式输入， L 表达式均相同。
1 KI ， btTd
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
第一节 调速器动态特性
二、动态特性
（三）指令信号实现时间 TL 2、校正装置对TL 的影响 ①由于PID比PI优越，在相同工况点，PID的参数可比PI的整定 值小，故PID比PI的 TL 小。 ②由于在并网后，调速器参数大都进行参数切换，无论是PID还 是PI，参数均较小。 故 TL均较小，调节规律对TL 的影响实际上已不存在。
t p d y y
p bt )Td ]s b p
(二阶)
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第五章 调速器与调节对象的动态特性
一、数学模型 第一节 调速器动态特性
辅接型
3、软反馈+加速度 框图如图所示。
其传递函数(忽略 T y1 )为：
Gr ( s ) Td s 1 ' 2 Tn s 1 TyTd s [Ty (bt b p )Td ]s b p Tn s 1 ( 三阶)
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