反馈控制系统设计课件
56页1、College of Automatic Control Engineering , CUIT,第十章 反馈控制系统设计 The Design of Feedback Control Systems,本章主要内容:系统设计方法串联校正网络串联校正设计前置滤波器最小拍响应系统设计设计实例,教学目标:熟练掌握利用根轨迹和Bode图设计超前-滞后校正器方法 充分理解前置滤波器作用及最小拍设计方法 具备选择合理的设计方法进行系统设计的能力,参阅教材第10章,P468-518,College of Automatic Control Engineering , CUIT,引例:如图:问:系统是否满足在 r(t)=t 作用下的ess0.01,相角裕度 pm 30o,若不满足应该如何解决。,分析:,1)稳态误差:,2)相角裕度:,如何解决:,在原系统中加入一些机构或装置,College of Automatic Control Engineering , CUIT,如:加入如下校正装置(超前校正),分析是否满足稳态误差和相角裕度的要求:,1)稳态误差:,2)相角裕度:,校正前后:有哪些不同?,Col
2、lege of Automatic Control Engineering , CUIT,College of Automatic Control Engineering , CUIT,College of Automatic Control Engineering , CUIT,二、控制系统设计方法,根轨迹法:控制系统指标以时域设计要求给出时,可以将其转化为对闭环系统极、零点的设计要求。采用复数域根轨迹方法,设置校正网络使闭环根轨迹通过期望极零点。,频率特性法:控制系统指标以频域设计要求给出时,可以利用极坐标图、Bode图、Nichols图等,设置校正网络使系统闭环满足频域性能指标。,必须指出:工程实践中,只要条件允许,首先尽可能通过改进被控对象本身的品质特性提高控制系统性能。例如:选用高性能电机可有效提高位置伺服系统性能。,只有在改进被控对象品质后仍无法满足系统性能要求或被控对象无法改变时,必须为系统引入校正装置。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,10.2 串联校正网络,在串联校正和反馈校正中,校正环节与被控对象在开环
3、传递函数中属串联关系。校正的目的都是要得到合适的开环传递函数Gc(s)G(s)H(s),校正环节特性直接影响校正效果和系统性能。,常用的校正装置其传递函数为:,将多个一阶校正网络串联即可构成高阶校正装置。,作为分析设计高阶校正网络的基础,先讨论一阶校正网络:,根据其零、极点关系不同,可分为超前校正网络和滞后校正网络。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,一、相位超前校正网络简称超前校正网络(Phase-lead network),当 时,该网络称为相位超前网络,超前网络的标准形式:,超前校正网络可以用图示无源电路实现,College of Automatic Control Engineering , CUIT,超前校正网络频率特性,,其中相角为:,相角有最大值:,College of Automatic Control Engineering , CUIT,超前校正网络的相位超前特性对系统校正十分重要,一般利用其最大超前角为闭环系统提供合适相位裕度的补偿。,一阶超前校正网络可提供的最大超前角与的关系,一阶超前校正网络可提供的
4、最大超前角最大不超过70,若需更大的超前角,可串联多个网络。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,二、相位滞后校正网络简称滞后校正网络(Phase-lag network),令,其中,实现电路,College of Automatic Control Engineering , CUIT,滞后校正网络频率特性:,同样在 时取得最大滞后角,但并不利用此角。,滞后校正主要利用高频时幅值衰减性:,College of Automatic Control Engineering , CUIT,10.3 串联超前校正设计,超前校正主要在于利用超前网络提供的超前相角,增大系统相角裕度,从而改善系统的动态性能。,一、频域超前校正法,6)绘制校正后系统Bode 图,验证指标。,4)在未校正系统幅频特性曲线上确定增益为 对应频率,以此频率作为校正后系统的截止频率 且 ;,1)在保证稳态精度前提下,计算未校正系统的相角裕度;,设计步骤:,2)在允许范围内,确定所需要的最大超前相角 ;,3)利用式 计算对应的 ;,5)计算校正网络的极点和零点: ;
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