自控论文(负载效应).doc
《自控论文(负载效应).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自控论文(负载效应).doc（7页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
负载效应及负载效应对系统的影响
摘要
理论分析时，我们常常忽略系统输出后接的负载对输出的影响,把系统看成线性系统，则求输出时认为是输入函数与各个环节的传递函数的叠加或者相乘所得。
然而在实际工作系统中，没有空载系统，当某一系统（环节）后接另一环节时，由于其相互作用和影响会产生种种现象或在电路系统中后级与前级相连时由于后级阻抗的影响造成系统阻抗发生变化形成负载效应。
所以研究负载对带有反馈的系统的传递函数的影响是很有必要的。
本文通过对一阶测试系统和二阶测试系统负载效应的分析，提出了测试系统负载效应的改善措施从而给测试系统选择提供依据
关键字：
负载效应测试系统时间常数传递函数
0.引言
在测试过程中，为了完成测试任务，测试系统往往由若干个环节通过串联或者并联所组成。
在现在众多文献中，系统的传递函数是各组成环节传递函数的叠加或连乘来计算的。
这些结论都基于忽略实际测量工作中，测量系统和被测对象会产生的相互作用和彼此间存在能量交换和相互影响，所以这种传递是理想状态下得到的。
事实上当某一系统（环节）后接另一环节时，由于其相互作用和影响会产生种种现象或在电路系统中后级与前级相连时由于后级阻抗的影响造成系统阻抗发生变化而形成负载效应。
负载效应必然会使测量发生偏移产生误差，而且系统的传递函数也会有所变化，因此在测试系统时必须考虑系统接入负载后对研究对象的变化。
1.具有负载效应的系统
1.1典型一阶线性系统的闭环传递函数：
当理论分析时忽略后级所接负载对系统的影响，输入与输出
的关系如图1.1所示的典型的一阶理想电路，关系为
（1-1）
图1.1的传递函数分别为
（1-2）
u
C
i2
ui
uo
ic
i1
R
图1.1一阶系统的典型理想电路
理想状态下，当两个相同电路连接在一起且没有隔离时，如图1.2模拟的测试系统所示，系统总的的传递函数理论上应为：
（1-3）
ui
uo
u
C2
C1
ic
i1
R1
R2
i2
图1.2一阶模拟系统的电路图
则总的传递函数可以等效为图1.3所示。
图1.3等效结构图
在实际电力系统中，如果后接电路不采取隔离方法的话，等式（1-3）是不成立的，即。
两个环节串联后总的传递函数不等于每个环节的传递函数的乘积。
其原因是因为两个环节之间有能量的交换类似于图1.2的连接电路，后接电路会和前电路分流。
若要避免互相影响，环节之间必须采取隔离措施，即环节之间加入“跟随器”。
跟随器的阻抗较大，基本上不从第一环节吸收电流，而输出阻抗又很小，不因第
二环节的负载而改变输出电压。
1.2典型二阶线性系统的闭环传递函数：
当理论分析时忽略后级所接负载对系统的影响，输入与输出的关系如图1.4所示：
图1.4二阶系统的典型理想电路
拉氏变换得
（1-4）
则传递函数为
（1-5）
（1-6）
用图1.1作为测试系统，则连接后的传递函数为：
（1-7）
等效电路也与实际系统中不相等，
（1-8）
从中可以看出给二阶系统添加蓄能元件增加了系统的阶次，是系统的动态品质变差了。
如果想使负载效应的影响变小，应该使等式（1-6）成立，则加入后接的环节的时间常数尽量小，且由公式（1-6）（1-8）的对比可得出：
原来系统的阻尼比和角频率也是有一定的限制。
2.负载效应对系统控制的影响
2.1回路接入负载后的分析：
当多级回路的稳定系统后接负载时即可认为是多接了一个环节。
即输出改变。
则由图我们可以看出，没接负载时，即没有后级的回环时，系统的传递函数为：
（2-1）
接入负载后产生一个回环，则系统的传递函数为:
（2-2）
图2.1多级环节结构图
当接入的环节=K时，接入的为阻性负载，为比例环节；当=时，系统接入了一个容性负载，即积分环节；=时，系统接入了感性负载，即微分环节；=时，系统接入了一个一阶系统，即惯性环节；当=时系统接入了一个二阶系统即振荡环节。
2.2接入负载的影响：
假设输入为单位阶跃函数，即=，且系统稳定，则负载的增加，系统的稳态误差也会随之发生变化。
图2.2负反馈系统的动态结构图
如图2.2所示，稳定系统的原稳态误差的传递函数为（2-3）
而接入负载后稳态误差的传递函数变成了
（2-4）
图2.3多级环节结构图
当接入的环节为比例环节，则开环放大系数增大，使系统稳态误差减小。
当接入积分环节时，消除了扰动误差。
图2.3为给定稳态误差的结构图：
图中不带载时的误差传递函数为
（2-5）
图2.4多级环节结构图
如果加入环节后对输入端没有反馈回环时，即使加入一个环节，对系统的给定误差也没有影响。
但当接入的负载对输入端有反馈回环时，对系统的给定稳态误差就有影响，情况如图2.4所示：
系统的误差传递函数为
（2-6）
当接入的为比例环节时，对稳态的误差的影响取决于负反馈环节的传递函数；当接入惯性环节或者接入二阶振荡环节时，系统的阶次增加，使系统的稳态误差变大，若想要减小其影响，在接入负载后再接入补偿校正装置。
2.3减小稳态误差的方法
为了减小系统的给定或者扰动稳态误差，一般采用的方法是提高开环传递函数中的串联积分环节的阶次N，或者增大系统的开环放大系数。
但是N值一般不超过2，值也不能任意增大，否则系统不稳定。
为了进一步减小误差，可以采用补偿的方法。
所谓补偿，就是作用于控制对象的控制信号中，除了偏差信号外，还引入与扰动或给定量有关的补偿信号，以提高系统的控制精度，减小误差。
图2.5所示的控制系统中给定量通过补偿装置，对系统进行补偿校正。
图2.5复合控制系统结构图之一
由此可得到给定误差的拉氏变换为：
（2-7）
如果补偿校正装置的传递函数为
（2-8）
则系统补偿后的误差为零。
图2.6所示结构图中，引入了扰动的补偿信号，补偿校正装置为。
此时，系统的扰动误差就是给定量为零时系统的输出量
（2-9）
图2.6复合控制系统结构图之二
如果取
（2-10）
则使系统误差为零。
当然实现完全补偿困难的，但也可以取得显著的效果。
3.结束语
负载效应存在于各种控制系统中，负载效应对控制系统的输出有影响，这样负载效应就会给生产和制造带来一些不准确甚至错误的信息，导致生产的产品不合格。
所以在选用控制装置时应考虑负载效应，必须分析在接入控制装置之后对原对象研究所产生的影响，进而决定采用怎样的方法来解决负载效应，从而减少负载效应带来的系统误差。
要减小负载效应的影响，即减小加入负载后对系统的稳态的影响，可以串联积分环节由于增加了积分环节，改善了系统的稳态性能，如果接入微分环节，增加了系统的相位裕量使系统在高频段的增益有所增加，从而降低系统的抗高频干扰的能力。
如果想有效地改善负载效应引起的稳态误差，可以再人为地引入补偿装置。
参考文献：
[1]郭爱芳,杨俊英,测试系统的负载效应和改善措施[J].洛阳工学院学报.第14卷12期
[2]熊旭军,宁雅丽,反馈网络的负载效应[J].甘肃广播电视大学学报.2004（3）
[3]方天申,反馈网络的反馈系数与负载效应的函数性[J].河南科学.2003
（1）
[4]王建辉,顾树生,自动控制原理[M].清华大学出版社.2007
[5]胡寿松,自动控制原理[M].科学出版.2007
[6]李梦源,负载效应[M].械工程电测技术.河南科学技术出版社.1996
升级会员 