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第4讲反馈控制系统设计.ppt

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《控制工程基础》 Basis of Control Engineering 任课教师:李建民 电 话 教学方式:讲授为主 学习方式:听课+自学 第八章 反馈控制系统设计(根轨迹法) 教学要求:(教材第十章) 主要内容:控制器设计思想;串联校正环节特性;相位超前、相位滞后、积分校正控制器的根轨迹设计方法。 基本要求:掌握超前、滞后、积分校正控制器设计方法 8.8 控制系统设计思路 1、控制系统设计的目的: 使闭环系统性能满足要求。 8.8 控制系统设计思路 控制器设计问题: 8.8 控制系统设计思路 2、闭环系统性能: 瞬态性能:超调量、调节时间 稳态性能:稳态误差 应用根轨迹法控制器设计思路 应用根轨迹法控制器设计思路 8.8 控制系统设计思路 3、控制系统设计原则 在工程实践中,只要条件允许,都尽可能通过改进受控对象自身的品质特性来提高控制系统的性能,这是最简单有效的办法。 8.8 控制系统设计思路 4、控制系统一般结构 8.9 串联校正网络(根轨迹观点) 8.9串联校正网络(根轨迹观点) 8.9 串联校正网络(根轨迹观点) 8.9 串联校正网络(根轨迹观点) 3.串联校正系统的基本传递函数 8.9 串联校正网络(根轨迹观点) 3.串联校正系统的基本传递函数 8.10 用根轨迹方法设计超前校正网络 1. 一阶相角超前校正网络(根轨迹观点): 8.10用根轨迹方法设计超前校正网络 1.一阶相角超前校正网络(根轨迹观点): 8.10用根轨迹方法设计超前校正网络 1.一阶相角超前校正网络(根轨迹观点): 8.10 用根轨迹方法设计超前校正网络 一阶相角超前校正网络的一个实现: 8.10用根轨迹方法设计超前校正网络 一阶相角超前校正网络的一个实现: 8.10用根轨迹方法设计超前校正网络 用根轨迹法设计超前校正网络思路 1)“系统”根轨迹满足: 2)由“闭环性能指标”确定“闭环系统”主导极点位置sd。 3)需要确定的Gc(s)参数: 用根轨迹法设计超前校正网络思路 4)由相角条件确定Gc(s)参数z,p: 用根轨迹法设计超前校正网络思路 4)由幅值条件确定Gc(s)参数K: 8.10 用根轨迹方法设计超前校正网络 例1 Ⅱ型系统的超前校正网络设计。设计要求:闭环系统调节时间Ts?4s,超调量?35% 阻尼系数与超调量之间的关系 8.10 用根轨迹方法设计超前校正网络 例1解:(1) 首先由闭环性能指标确定闭环系统期望主导极点位置: 调节时间约束为: 超调量约束为:PO?35% 所以闭环期望主导极点位置为: 8.10 用根轨迹方法设计超前校正网络 例1解:(2) sd应该满足校正后的根轨迹方程 一般把零点z放在主导极点的正下方 所以z=1 8.10用根轨迹方法设计超前校正网络 例1解:(3) 根轨迹的相角方程为 8.10用根轨迹方法设计超前校正网络 例1解:(4) 由幅值方程求取对应的K值 (5)完整的控制器为: (6)相应的根轨迹为: 8.10 用根轨迹方法设计超前校正网络 例1解:(7)求取闭环系统第3个极点 闭环特征方程为: 仅考虑s2的系数有 8.10用根轨迹方法设计超前校正网络 例1解:(8)完整的闭环传递函数为 显然第3个闭环极点、零点离闭环主导极点太近。需要引入前置滤波器F(s),消除第3个闭环极点、零点的影响: 8.10用根轨迹方法设计超前校正网络 例1解:(9)完整的控制系统结构为 相当于 8.10 用根轨迹方法设计超前校正网络 例1解:(10)超前校正的实现 8.10 用根轨迹方法设计超前校正网络 例1解:(10)超前校正的实现 一、超前相角校正网络(根轨迹观点): 二、 设计步骤 (1)根据系统性能指标,导出主导极点的 预期位置; (2)绘制未校正系统的根轨迹,验证未校 正系统能否具有预期主导极点; (3)如果需要校正原有系统,先将超前校 正网络的零点直接配置在预期主导极点的下方(或配置在前 2 个开环实极点的左侧旁)。 (4)由根轨迹的相角条件可知,为了使校正后的根轨迹通过预期主导极点,在预期主导极点处,从开环零、极点出发的各个向量的相角和应为180+k360,据此可以确定超前校正网络的极点; (5)确定系统的总增益,计算系统的稳态误差系数; (6)若稳态误差系数不能满足指标要求,则重复上述过程。 根轨迹方法设计超前校正网络流程图 三、用根轨迹设计超前校正网络 例9.5 Ⅱ型系统的超前校正网络设计。设计要求:闭环系统调节时间Ts?4s,超调量
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