机械工程控制基础第8章系统的设计与校正.ppt
- 文档编号:5084804
- 上传时间:2023-05-08
- 格式:PPT
- 页数:55
- 大小:2.22MB
机械工程控制基础第8章系统的设计与校正.ppt
《机械工程控制基础第8章系统的设计与校正.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机械工程控制基础第8章系统的设计与校正.ppt(55页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
第八章系统的设计与校正,控制系统的分析:
对已知结构和参数的系统通过所建立的数学模型,利用时间响应、频率响应等方法进行了瞬态和稳态特性的分析。
所谓校正,就是系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构和装置,使系统整个特性发生变化,从而满足各种给定的性能指标。
控制系统的设计或综合:
根据给定的性能指标确定系统的结构和参数匹配。
执行机构功率放大器检测装置,控制系统,放大器、校正装置,不可变部分,可变部分,迫使系统满足给定的性能,(设计系统),第一节、系统的性能指标及校正方式,根据被控对象及其控制要求,选择适当的控制器及控制规律设计一个满足给定性能指标的控制系统。
校正(补偿):
通过改变系统结构,或在系统中增加附加装置或元件(校正装置)对已有的系统(固有部分)进行再设计使之满足性能要求。
控制系统的设计任务:
!
控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置,一、控制系统性能指标分类,控制系统的性能指标在其中起着向导作用,其提法有多种,在满足系统稳定的前提下,主要有两类:
时域指标和频域指标。
1.时域指标
(1)稳态指标稳态指标对控制系统的稳态精度提出要求,它常用稳态误差表征。
(2)动态指标常用的指标参数为调整时间ts、超调量Mp等。
2、频域指标
(1)开环频域指标:
主要包括开环截止频率c(增益交点频率)、相位裕度、增益裕度Kg等。
(2)闭环频域指标:
常见的为谐振峰值Mr、谐振频率r、闭环截止频率b或带宽等。
由于性能指标在一定程度上决定了系统实现的难易程度、工艺要求、可靠性和成本,因此性能指标的提出要有一定依据,不能脱离实际的可能性。
二、时域指标和频域指标的对应关系,用开环频率特性设计系统时,常采用的动态指标有:
相位裕度和增益交点频率c。
用闭环频率特性设计系统时,常采用的动态指标有:
谐振峰值Mr、谐振频率r。
相位裕度和谐振峰值Mr反映了过渡过程的平稳性,它们与时域指标超调量Mp相对应;,增益交点频率c、谐振频率r,反映了响应的快速性,它们与时域指标调整时间ts相对应;,在此,主要通过开环频率特性来研究闭环系统的动态性能。
一阶系统传递函数的标准形式为,1一阶系统,从图8-1(c)中可以看出,一阶系统的开环剪切频率c等于开环增益K,也就是积分时间常数的倒数1/T。
从图8-1(d)中可以看出,闭环对数幅频特性曲线的转角频率为1/T。
另外,当=1/T时,闭环频率特性的幅值为,即频率为零时幅值的0.707倍,故这一点的频率值也是一阶系统的频宽b。
即:
c=b=1/T因此,一阶系统的时域指标ts为:
ts=3T=3/c=3/b(=0.05)(8-1)故开环指标剪切频率c或闭环指标频宽b,可以反映系统过渡过程时间的长短,即反映了系统响应的快速性。
2二阶系统,图示为二阶系统的结构图。
其开环传递函数为:
(8-2),如用阻尼比和无阻尼自然频率n表示,则开环传递函数为:
(8-3),(8-4),比较式(8-2)和式(8-3)可知,
(1)开环频域指标与时域指标的关系,由图8-3开环对数幅频特性曲线得知,转角频率1=1/T,斜率为-20db/dec直线或其延长线与0分贝线的交点频率2=K。
可得如下方程:
由(8-4)、(8-5)得,(8-5),由c的定义知,(8-6),1)增益交点频率c,(8-7),解得,(8-8),故,2)相位裕度,(8-9),由的定义知,由于二阶系统调整时间ts=3/(n)(=0.05),将式(8-8)代入可得出,(8-10),谐振频率r:
带宽频率b:
相对谐振峰值Mr:
(2)闭环频域指标与时域指标的关系,例8-1某单位负反馈系统的前向通道传递函数为,试求:
1)计算系统的增益交点频率c及相位裕度;2)计算系统闭环的谐振峰值Mr及谐振频率r。
解:
1)系统的开环传递函数为,开环频率特性为,对于=c,有,解得,根据相位裕度的定义得,2)计算Mr及r,系统的闭环传递函数,得知,因此,1、在低频段,提供尽可能高的增益,用最小的误差来跟踪输入。
2、在中频段(增益交点频率附近的频段),幅频特性曲线应当限制在-20db/dec左右,以保证系统的稳定性。
3、在高频段,开环幅频特性曲线尽可能快地衰减,以减小高频噪声对系统的干扰。
三、系统设计的一般原则,对系统性能指标的要求最终可归结为对系统开环频率特性的要求,因而系统设计的实质就是对开环波德图进行整形。
其通常的要求为:
四、设计方法,设计的方法很多,按考虑问题的出发点之不同而异。
1.按最终的性能指标,优化设计:
使系统达到最好的目标;特性设计:
使系统达到所提出的某项或某几项指标。
2.按校正装置的构成,无源校正:
用无源校正装置改善系统的动态性能。
无源校正装置又可分为超前校正装置,滞后校正装置及超前-滞后校正装置。
有源校正:
用有源校正装置改善系统的动态性能。
3.按所采用的设计工具,如用波德图或奈奎斯特图作为设计工具,称为频率特性设计法;如用根轨迹图,称为根轨迹设计法。
4.按校正装置处于系统中的位置,串联校正:
校正装置与前向通路传递函数串接。
反馈校正或并联校正:
校正装置置于反馈通路中。
Gc(s)为校正装置的传递函数。
校正系统的类型:
1.系统是稳定的,并有满意的瞬态响应和频带宽度,但稳态精度是超差的。
必须提高低频增益以减小稳态误差,同时维持曲线的高频部分。
这种校正可用图中的虚线表示。
2.系统是不稳定的,或者稳定并具有满意的稳态误差,但瞬态响应不满意。
必须改变响应曲线的高频部分以提高增益交点频率,提高响应速度。
3.系统是稳定的,但无论是稳态误差还是瞬态响应都不满意。
必须通过增大低频增益和提高增益交点频率来改进。
第二节调整增益的校正,一个系统的开环增益为K1,由于相位裕度1为正,因而系统是稳定的。
开环增益增加到K2,对数幅频特性将往上平行移动,而对数相频特性保持不变。
2K1,所以稳态精度提高,增益交点频率2较之1增加,导致了瞬态响应速度加快。
开环增益增加到K3,30系统失去了稳定性已不能使用。
第三节串联超前校正,一、串联超前校正应用场合与校正效果,串联超前校正:
指输入在正弦信号作用下,其输出的正弦信号相位超前。
主要用于稳态精度已经满足要求,但瞬态响应指标还需进一步改善的情况。
从波德图上看,低频部分不需变动,只改变中频部分形状,使增益交点频率c向后移动。
超前校正可以使相位裕度与带宽BW增加,因而可提高瞬态响应,但不影响稳态精度。
二、串联超前校正装置,可由RC串联超前校正装置实现,相位超前的角度与校正装置的参数、输入信号的频率等因素有关。
其传递函数为:
式中:
通常,的最小值常为0.07左右,如果太小,由于校正造成的衰减较大,则需串联一增益很大的放大器,以补偿超前校正装置造成的衰减。
由超前网络的波德图知,相位角将在某一频率时出现最大值,称为最大超前角m,其对应的频率为m。
或,上式对求导一次再令其等于零,可求得,这一超前网络对数频率特性为,因为lg(1/T)和lg(1/T)的中间值为,故在波德图上,m正好在lg(1/T)和lg(1/T)几何位置的中点上。
于是,最大超前角m为,或,得,值越小,由回路带来的相位超前角m越大,反之,如果根据设计确定了需要的m后便可求出值。
三.利用波德图进行串联超前校正,1、按精度要求计算开环增益K,2、作出校正前系统的波德图,3、计算未经校正时的系统稳定裕度,4、确定采用何种校正装置,5、确定校正装置的值。
6、确定超前校正装置的转角频率.,7、确定超前校正装置的传递函数,8、确定校正装置的RC参数,9、绘制校正后的波德图,例8-2某一随动系统的方块图如图8-13所示,为达到单位斜坡输入时的稳态误差ess=0.05,相位裕度50,增益裕度Kg10dB,试确定校正装置及参数。
1、按精度要求计算开环增益K,由于系统为型系统,且为单位斜坡输入,故有:
所以:
因而系统的开环频率特性为:
解:
以波德图作为工具,按下述步骤进行设计:
2、作出校正前系统的波德图,按开环频率特性可作出系统的波德图如图8-14所示。
虚线为校正前的波德图,实线为校正后的波德图。
3、计算未经校正时的系统稳定裕度,由图8-14波德图可见,校正前的增益交点频率,所以:
相位裕度,增益裕度Kg=dB,按要求,相位裕度不小于50,为此需要使相位裕度再增加5018=32。
4、确定采用何种校正装置,如果采用滞后校正装置,由于相位滞后角不可能使总相位裕度提高。
故达不到系统所提出的相位裕度的要求,所以不能用滞后校正。
本例可以采用超前校正装置,由于串联超前校正装置可使增益交点频率后移,为了补偿交点频率的变动而引起的相位变化,所以在需要的相位增加量上再增加5,即达到32+5=37,此角即由超前校正装置产生,所以令m=37。
由,可以确定出值,当m=37时,=0.25。
5、确定校正装置的值。
6、确定超前校正装置的转角频率.,超前校正装置的转角频率有两个,即为,如果能确定出,就能确定出来。
因为,所以,校正装置在此频率的振幅变化量为:
20lg2=6.02(dB),我们可以把它作为求出新的增益交点频率基点,这时当然有:
在校正前的开环系统上,求得新的增益交点频率为:
所以:
由上面两式,又可得到:
7、确定超前校正装置的传递函数,由T与T,本来可以确定校正装置的传递函数为:
但由于超前校正装置会使输出衰减,为了不使稳态精度发生变化,必须再串联一放大器,其增益为,其超前校正装置的传递函数为:
8、确定校正装置的RC参数,如选C1=10f,则由T=R1C1,可以得到:
由可以得到:
9、校正后的波德图见图8-14所示,其方块图如图815。
第四节串联滞后校正,一、串联滞后校正应用场合与校正结果,当控制系统具有良好的动态性能,而其稳态误差较大时,一般适合对系统进行滞后校正。
使校正后的系统既保持原有的动态性能,又使系统的开环增益有较大幅度的增加,以满足静态精度的要求。
从图8-20可以看出,串联滞后校正只引起低频部分变化,而对中频及高频部分没有影响,即是说,对原系统的增益交点频率c及相位裕度不产生影响。
二、串联滞后校正装置,滞后校正装置的传递函数为:
上式中,,滞后校正装置的波德图如图8-24。
由滞后网络的波德图知,相位角将在某一频率时出现最大值,称为最大超前角m,其对应的频率为m。
或,上式对求导一次再令其等于零,可求得,这一滞后网络对数频率特性为,于是,最大超前角m为,或,得,故在波德图上,m正好在lg(1/T)和lg(1/T)几何位置的中点上。
三、应用举例,例8-3如图8-25所示的随动系统,当输入端加入斜坡信号的幅值为10(rad/s)时,要求输出的最大稳态误差不超过5(0.0873rad),试为此系统设计一适当的滞后校正装置,以满足所提出的稳态误差。
解:
此系统的瞬态指标已达到,主要是设计一适当的校正装置以满足稳态误差的要求,因此用滞后校正方法。
1、画出未经校正系统的开环传递函数的波德图如图8-26所示。
系统的开环传递函数为:
2、求出满足稳态误差系统应具有的增益值。
此系统为型系统,且输入为斜坡信号,所以稳态误差为:
所以:
系统校正前的增益值K=17.7(25db),为达到稳态误差的要求,增益值还要增加:
如果仅靠改变增益的办法,由图8-26可见,虽然可以使稳态误差达到要求。
但瞬态响应指标与稳定性发生了变化,现在本题要求这些指标不变,即保持增益交点频率不变,为此必须加入滞后校正装置。
3、确定滞后校正装置值,所增加的增益值,由滞后校正装置提供,所以:
4、确定滞后校正装置的转角频率1/T,1/T,由于不要求改变瞬态响应指标,因而校正前后的增益交点频率不变,同时在加入滞后校正装置后,在增益交点频率处产生的滞后角不超过5,所以一般选择1/T为:
而,所以:
本题选:
所以,而,5、确定滞后校正装置的传递函数为:
6、确定滞后校正装置的参数,选,由,得:
7、校正后系统方块如图8-27。
8、校正后系统的开环传递函数。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 机械工程 控制 基础 系统 设计 校正