控制系统的设计方法.ppt
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1、2023/8/15,1,CH5、控制系统综合与校正,在控制系统分析的基础上,可以进行控制系统的综合。综合与设计问题,是在已知系统结构和参数(被控系统数学模型)的基础上,寻求控制规律,使系统具有某种期望的性能。按照传统方法,在原系统特性的基础上,将原特性加以修正称为控制系统的校正。例如改变原系统根轨迹的走向,使之满足给定的性能指标,修改原系统的波得图使之成为希望的形状等都属于控制系统的校正内容。当前控制理论的发展已经提出了许多现代化的系统综合方法,例如最优控制、预测控制等。前述几种方法,MATLAB中都有专用的工具箱。本章简要介绍以下几个内容,即经典控制理论的系统校正,状态空间基础上的极点配置方
2、法,基于最优控制理论的线性二次型最优模型等。,2023/8/15,2,第一节 控制系统的一般校正方法,当被控对象给定后,设计一个实际的控制系统一般要确定:(1)根据所要求的被控信号的最大速度或速度等,初步选择执行元件的形式、特性和参数。(2)根据要求的测量精度、抗扰动能力、被测信号的物理性质、测量过程中的惯性、非线性度等因素,选择测量元件。(3)根据执行元件的功率要求,选择功率放大器;根据系统设计增益的要求确定增益可调的前置放大器。若仅靠调整放大器增益或系统已有的元部件参数,不能使得系统性能指标满足要求,则要在系统中加入参数及特性可调整的校正装置。,2023/8/15,3,一、校正方式,系统校
3、正主要是通过增加前向校正装置Gc(s)或者增加反馈校正装置GH(s)实现的,又称为串联校正或反馈校正。,串联校正与反馈校正,2023/8/15,4,二、校正方法,(1)根轨迹法校正:系统设计指标为时域指标时宜用。时域性能指标:单位阶跃响应的峰值时间、调节时间、超调量、阻尼比、稳态误差等;,(2)频率法校正:系统设计指标为频域特征量时宜用。频域性能指标:相角裕度、幅值裕度、谐振峰值、闭环带宽、稳态误差等。在实际应用中频率法校正更加广泛。,(3)参考模型法校正:方便实用的校正方法。,2023/8/15,5,频率响应法的校正装置设计方法:(1)相位超前校正:通过超前校正装置的相位超前特性使校正系统获
4、得希望的相位裕度;(2)相位滞后校正:通过压缩频带宽度使校正系统获得希望的相位裕度。开环频率特性:低频段表征闭环系统的稳态性能中频段表征闭环系统的动态性能高频段表征闭环系统的复杂程度和抑制噪声的能力,2023/8/15,6,1.串联超前校正采用无源超前网络或PD调节器的原理进行串联超前校正。对于无源超前校正主要确定两端的交接频率。,校正后系统开环幅频特性的一般形状:(1)低频段增益充分大,保证稳态误差的要求;(2)中频段幅频特性斜率为-20dB/dec,而且有足够的频带宽度,保证适当的相角裕度;(3)高频段增益尽快减小,尽可能地削弱噪声的影响。,2023/8/15,7,Exp05-01.m:已
5、知系统开环传递函数为:,要求在单位斜坡信号作用下,输出稳态误差:开环系统截止频率:相角裕度:幅值裕度:试设计串联无源超前网络。,解:,2023/8/15,8,未校正系统开环传递函数,计算超前校正装置参数,开环系统截止频率,相角裕度,2023/8/15,9,放大器增益再提高4.6倍,抵消校正网络的衰减。,设计超前校正装置为:,2023/8/15,10,校正后的系统开环传递函数,相角裕度,MATLAB仿真(Exp05-01.m),2023/8/15,11,串联超前校正的局限:(1)闭环带宽的要求,不可能使得分度系数过大。(2)原系统在截止频率附近相角迅速减小,不宜用串联超前校正。,2023/8/1
6、5,12,2.串联滞后校正运用滞后校正网络或PI控制器进行串联校正是利用滞后网络(PI控制器)的高频幅值衰减特性,通过降低校正后系统的截止频率,来获得系统较大的相角裕度。应用滞后校正的场合:(1)对系统响应速度要求不高,对噪声抑制要求较高的场合;(2)未校正系统动态性能已经具备,稳态精度不能满足要求,保持动态性能不变。,2023/8/15,13,Exp05-02.m:设系统开环传递函数为,要求:,试设计串联校正装置。,解:,相角裕度:,幅值裕度:,开环系统截止频率:,2023/8/15,14,未校正系统不稳定,截止频率远大于要求值,通过串联单个超前校正环节不可能产生如此大的相位超前角,一种方案
7、用两级串联校正装置;另一种方案采用滞后校正。,2023/8/15,15,2023/8/15,16,校验:,MATLAB仿真(Exp05-02.m),2023/8/15,17,若校验结果还不能完全满足设计要求,需要进一步调整截止频率或附加的滞后环节相位补偿量串联超前校正和串联滞后校正的比较:(1)超前校正:利用相位超前特性 滞后校正:利用高频段幅值衰减特性(2)超前校正:要附加放大倍数抵消校正网络的衰减 滞后校正:不需要附加放大倍数(3)超前校正:截止频率提高,带宽大于滞后校正,改善系统动态特性 滞后校正:降低截止频率,使得系统响应变慢,2023/8/15,18,3.串联滞后-超前校正当未校正系
8、统不稳定,系统指标既要考虑稳态性能和动态性能指标(响应速度、相位裕度)时,仅用一种校正方式难以实现,这时可考虑串联滞后-超前校正装置。,2023/8/15,19,Exp05-03.m:设未校正随动系统开环传递函数为,设计校正装置,使系统性能满足以下要求:(1)最大指令速度180(o)/s,位置误差不超过1o(2)相角裕度为(3)幅值裕度不低于10dB(4)调节时间不超过3(s),2023/8/15,20,解:,作未校正系统对数幅频特性,2023/8/15,21,采用滞后超前校正,考察未校正的对数幅频曲线可知:,2023/8/15,22,校正后系统的截止频率:,校正后系统,2023/8/15,2
9、3,2023/8/15,24,校正装置,校正系统的开环传递函数:,MATLAB仿真(Exp05-03.m),2023/8/15,25,4.参考模型法校正(串联综合校正法),(1)参考模型校正法将性能指标转化为期望开环对数幅频特性L();(2)将期望对数幅频特性L()与未校正系统的开环对数幅频特性Lo()比较;(3)确定校正装置Lc()的结构与参数,参考模型校正是一种方便实用的校正方法。基本原理:设在串联校正中,校正后系统的开环频率特性由串联校正装置与固有系统共同构成G(s)Gc(s)Go(s),根据性能指标要求,可确定参数规范化的开环幅频特性:L()Lc()+Lo(),2023/8/15,26
10、,因此,如果得到满足性能要求的开环模型L(),即参考模型,则由波得图上的3条特性曲线的线性关系确定校正装置的波得图Lc()。校正装置的波得图表示为 Lc()L()-Lo(),校正装置的传递函数为:Gc(s)G(s)/Go(s)常用的参考模型有二阶参考模型,2023/8/15,27,典型的期望对数幅频特性L()获取:(1)由系统型号、稳态误差要求,确定无差度(积分个数)和增益 K,绘制低频段幅频特性。(2)由系统响应速度、阻尼程度要求,绘制期望幅频特性的中频段,中频段斜率-20dB/dec。(3)绘制低频、中频段衔接频段,一般斜率拟取与前后频段相差-20dB/dec.(4)根据幅值裕度 h(dB
11、)以及抑制高频噪声要求,绘制高频段。为了使得校正装置简单,通常高频段的斜率可与未校正系统重合。,2023/8/15,28,(5)串联校正装置的物理实现,利用期望特性进行校正装置设计(1)根据稳态性能要求,绘制未校正系统的对数幅频特性曲线(2)根据稳态、动态性能指标,绘制期望开环幅频特性(3),求得(4)验证,2023/8/15,29,exp05-04:已知系统的开环模型为要求:Kv=30(1/s),系统带宽试用二阶参考模型法作校正。解:,(1)确定系统的开环放大系数(2)作未校正系统Bode图。说明未校正系统不稳定。,2023/8/15,30,满足给定性能要求的二阶参考模型为作二阶参考模型的B
12、ode图。校正后系统的传递函数为作校正系统的时间响应与根轨迹图,2023/8/15,31,exp05-05:已知系统的开环模型为要求:Kv5,ts0.3秒。试用二阶参考模型法作校正。解:(1)作固有对象的Bode图。(2)满足给定性能要求的二阶参考模型为作二阶参考模型的Bode图。根据Lc(),求得校正装置的特性为,2023/8/15,32,给定控制系统,通过设计反馈增益阵k使闭环系统具有期望的极点,从而达到适当的阻尼系数和无阻尼自然频率,这就是极点配置问题。但极点配置是基于状态反馈,即u-kx,因此状态x必须可测,当状态不可测时,则应设计状态观测器。设计的状态观测器也应具有适当的频率特性,因
13、此也可指定其极点位置,从而使状态观测器的设计转化为极点配置问题。,第二节 控制系统的极点配置与状态观测器设计,2023/8/15,33,一、问题的提法,给定系统的状态空间描述,若再给定系统的某个期望的性能指标,它既可以是时域或频域的某种特征量(如超调量、过渡过程时间、极、零点),也可以是使某个性能函数取极小或极大。此时,综合问题就是寻求一个控制作用u,使得在该控制作用下系统满足所给定的期望性能指标。作为综合问题,必须考虑三个方面的因素,即1)抗外部干扰问题;2)抗内部结构与参数的鲁棒性(Robustness)问题;3)控制规律的工程实现问题。,2023/8/15,34,二性能指标的类型总的说来
14、,综合问题中的性能指标可分为非优化型和优化型性能指标两种类型。两者的差别为:非优化型指标是一类不等式型的指标,即只要性能值达到或好于期望指标就算是实现了综合目标,而优化型指标则是一类极值型指标,综合目标是使性能指标在所有可能的控制中使其取极小或极大值。对于非优化型性能指标,常用的提法有:1、以渐近稳定作为性能指标,相应的综合题称为镇定问题;2、以一组期望的闭环系统极点作为性能指标,相应的综合问题称为极点配置问题。;,2023/8/15,35,3、以使一个多输入多输出(MIMO)系统实现为“一个输入只控制一个输出”作为性能指标,相应的综合问题称为解耦问题。在工业过程控制中,解耦控制有着重要的应用
15、;4、以使系统的输出y(t)无静差地跟踪一个外部信号作为性能指标,相应的综合问题称为跟踪问题。对于优化型性能指标,则通常取为相对于状态x和控制u的二次型积分性能指标 J。综合的任务就是确定u(t),使相应的性能指标J极小。通常,将这样的控制u(t)称为最优控制,确切地说是线性二次型最优控制问题,即LQ调节器问题。,2023/8/15,36,三、极点配置,本节介绍极点配置方法。首先假定期望闭环极点为s=1,s=2,,s=n。如果被控系统是状态能控的,则可通过选取一个合适的状态反馈增益矩阵K,利用状态反馈方法,使闭环系统的极点配置到任意的期望位置。极点配置定理 线性定常系统可通过线性状态反馈任意地
16、配置其全部极点的充要条件是,此被控系统状态完全能控。,2023/8/15,37,极点配置有两种方法:第一种方法是采用变换矩阵T,使系统具有期望的极点,从而求出矩阵k;第二种方法基于CaylayHamilton理论,通过矩阵特征多项式,可求出k(这种方法称为Ackermann公式)。,在MATLAB中,一般可直接利用控制系统工具箱提供的place和acker函数进行极点配置设计,可免去繁琐的计算过程。,离散系统的极点配置和连续系统的极点配置基本相同,求解反馈增益阵k的方程实质上也是相同的。求解过程与连续系统一样。在MATLAB中,可直接采用控制工具箱中的place和acker进行设计。,2023
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