第八章反馈控制系统设计1.ppt
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1、第八章 反馈控制系统设计 (教材第10章),8-1 控制系统指标、参数及其调节回顾 8-2 控制系统校正的概念 8-3 常用校正装置及其特性 8-4 用Bode图设计超前校正网络 8-5 用Bode图设计滞后校正网络 8-6 用根轨迹设计超前校正网络 8-7 用根轨迹设计滞后校正网络 8-8 PID控制器 8-9 控制系统的反馈校正与干扰补偿 8-10 控制系统设计综合实例,第十七讲:系统校正与超前网络设计 (8-1, 8-2 ,8-3, 8-4单元,4学时),8-1 控制系统指标、参数及其调节回顾 8-2 控制系统校正的概念 8-3 常用校正装置及其特性 8-4 用Bode图设计超前校正网络
2、,8-1 控制系统指标、参数及其调节回顾 1、时域动态性能指标及其调节 A、动态性能指标(二阶欠阻尼闭环系统) 上升时间 峰值时间 调节时间 超调量 注意:超调量只与 有关!,B、动态性能指标/模型参数(闭环系统),时间常数 衰减系数 阻尼振荡频率 相角偏离 阻尼系数 本振频率,固定 , (阻尼增强,闭环积分效应) 则: , (快速性变缓) (振荡变弱) , (逼近变快,与 , 不同步!) (逼近变好) (衰减变快) (极点左移,稳定性增强) 注意: 超调量 、相角只与 有关!,C、动态性能指标调节分析,固定 , 则: , (快速性变快) (振荡变强) , (逼近变快,与 , 同步!) (衰减
3、变快) 注意: 超调量 、相角只与 有关! 设计原则:先根据对超调量的要求,决定 ,再由对响应速度的要求决定 !,C、动态性能指标调节分析,相角裕度 : (开环求参数,判定闭环性 能,与阻尼同步增强) 谐振峰值 ( , 闭环指标) (超调增大) 谐振频率 ( , 闭环指标) , (速度变快) 系统带宽 ( 闭环指标) , (速度变快),D、频域指标对动态性能指标的调节分析,1、 附加不可忽视的闭环零点(闭环微分效应), 等效导致( )超调量增加,响应速度 加快,零点越靠近原点,效应越显著。,E、其它措施对动态性能指标的调节分析,Y(s),R(s),Gu(s),+,-,H(s),K,2、 附加不
4、可忽视的闭环极点(闭环积分效应), 等效导致( )超调量减少,响应速度 变缓,零点越靠近原点,效应越显著。,Y(s),R(s),Gu(s),+,-,H(s),K,3、 附加开环零点(微分型调节) 根轨迹左弯,有利于稳定性,主要用于改善过渡过程,提高相角裕度,产生闭环积分效应。,Y(s),R(s),Gu(s),+,-,H(s),K,这些措施已经是校正措施了。接下来还会详细讨论。,Y(s),R(s),Gu(s),+,-,H(s),K,4、 附加开环极点(积分型调节) 根轨迹右弯,不利于稳定性,基本不会采用。,5、调节开环增益(比例调节) 主要用于改善稳态精度;对过渡过程和 稳定性的影响,由根轨迹决
5、定。 6、 高阶系统的瞬态模式由闭环极点决定, 越远离虚轴,对过渡过程的影响越弱; 7、 各瞬态模式的强度由零、极点相对分布 决定,主导极点影响最大,偶极子的影 响可以对消、忽视。,2、时域稳态性能指标及其调节 A、稳态性能指标(闭环系统) 误差系数与典型输入有关,总的原则是保证足够大的误差系数。,取不 同的,型,0型,型,A1(t),At,0,0,0,At2/2,A1(t),At,At2/2,k,k,k,0,0,0,问题:,1,2,3,Kp=?,Kv=?,Ka=?,误差系数,稳态误差,B、稳态性能指标调节分析 由开环参数来调节闭环系统指标! 1、系统型数V, V 系统跟踪能力 系统稳定性 (
6、积分调节,根轨右弯) 2、开环增益系数K, (最便捷的调节手段) K 系统稳态误差 系统稳定性,动态响应受影响 3、扰动补偿 4、提高元件精度,3、系统稳定性与指标、参数的调节 A、S平面内 衰减系数(负实部) 系统稳定性 B、开环增益系数K K对稳定性的调节作用,由根轨迹决定。 C、频率域内 提高相角裕度和幅值裕度,有利于稳定性。 D、附加开环零点,有利于稳定性;附加开环极点,不利于稳定性。,4、基于开环看闭环策略的指标、参数和方法 相角裕度 由开环频率特性分析闭环相对稳定性 幅值裕度 由开环频率特性分析闭环相对稳定性 截止频率 系统型数V由开环参数分析闭环稳态误差和稳定性 开环增益系数K
7、由开环参数分析闭环稳态误差和根轨迹 (附加)开环零、极点由开环参数分析闭环根轨迹 Nyquist判据由开环频率特性分析闭环稳定性 Nicolis图由开环频率特性分析闭环频率特性,8-2 控制系统校正的概念 1、为什么需要校正? 设计出满足设计要求的控制系统,是前面学习系统描述和系统分析的落脚点! 先回顾一下学过的例题。,例4.4(比例调节):已知单位负反馈系统的开环传递函数为,设系统的输入为单位阶跃函数,试计算放大器增益KA=200时,系统输出响应的动态性能指标。当 KA 增大到 1500 ,或减小到 13.5时,系统的动态性能指标如何?,可见,不能通过调整增益K,使闭环系统的调节时间和超调同
8、步减小。参数调节的能力是有限的。,优化控制对象是设计控制系统的首选。 但是!,当单纯调节对象的参数无法达到控制目标,或者不便于直接调整对象参数时,我们就必须采用校正的手段来修正系统的响应性能。,2、定义及校正方式 定义 所谓校正,就是给系统附加(新加)一些具有典型环节特性的电网络、模拟运算部件及测量装置等(校正装置),靠这些环节的配置来有效地改善整个系统的性能,以达到要求的指标。 方式 (1)串联校正 (2)反馈校正 (3)前馈校正 (4)干扰补偿,Y,Y,3、校正方式的选择原则 常用的校正方式有串联校正和反馈校正两种。校正方式的选择取决于系统中的信号性质,技术实现的方便性,可供选择的元件,抗
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