控制工程基础第3版 教学课件 ppt 作者 孔祥东 王益群 第十章
48页1、第十章 典型控制系统的分析与设计实例,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,10-1 打印机皮带驱动器,常用的低价位喷墨式或针式打印机都配有皮带驱动器。它用于驱动打印头沿打印页面横向移动。图10-1给出了一个装有直流电机的皮带驱动式打印机的例子 。,图10-1,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,设计要求:选择合适的电机参数、滑轮参数和控制器参数后,研究皮带弹性系数对系统的影响。 设计过程:首先建立皮带驱动系统的基本模型,选择若干系统参数,并据此来建立系统状态流图模型,选定系统状态变量得出系统相应的传递函数,进一步选定除弹性系数外的其他系统参数;最后研究弹性系数在一定范围内变化时对系统的影响,10-1 打印机皮带驱动器,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,10-1 打印机皮带驱动器,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,10-1 打印机皮带驱动器,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,作用在质量上的净张力: 定义状态变量: 则 x1 的一阶导数:,10-1 打印机皮带驱动器,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,电机旋转运动的微分方程,当L0时
2、,电动机磁场电流 ,而电动机转距为 ,于是有,10-1 打印机皮带驱动器,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,写成矩阵形式: 表示上述状态方程的状态流图如图10-3所示,其中还包括了表示扰动力矩的节点。,图10-3 打印机皮带驱动系统的状态流图模型,10-1 打印机皮带驱动器,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,由状态流图,便可以确定传递函数,以获得减小扰动对系统的影响方法。利用Mason增益公式,可得:,10-1 打印机皮带驱动器,将表10-1中所列参数值代入上式后得,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,选择合适的弹性系数 和增益 ,使得状态变量 对扰动的响应能迅速减小。由 可知,要使 幅值变小,就意味着应使 近似等于预期的位移 。若皮带无弹性,即 ,则能精确地达到 。实际弹性系数 将导致 与 有偏差。作为测试,可以考虑扰动力矩为阶跃信号的情况,即 ,这时有: 由终值定理可知: 这意味着的稳态值 为零。,10-1 打印机皮带驱动器,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,研究k在140范围内的实际取值以及系统的实际响应。取值k=20和k2=0.1,此时有: 其特征方程有1个实根和
3、2个复根,其部分分式可分解为: 其中 。由于留数太小,系统对单位阶跃的响应将是很小的。又由于A、B比C小得多,上式还可近似为:,10-1 打印机皮带驱动器,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,利用拉氏反变换可得: 图10-4为 的仿真曲线。从图10-4可知该系统能将外来扰动的影响减小到相当微弱的程度,这表明我们实现了预期的设计目标。,图104 对阶跃扰动的响应(峰值为-0.0325),10-1 打印机皮带驱动器,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,10-2 工作台控制系统,工作台控制系统可以使工作台运动至指定的位置。工作台在每个轴上由电机和导引螺杆驱动,其中x轴上的运动控制系统框图如10-5所示。 给定的系统设计要求: (1) 超调量小于5%。 (2) 具有最小调整时间(2%准则)和上升时间。 设工作台控制系统的构成如图10-6所示,其中采用了功率放大器和直流电机作为受控对象,其传递函数为:,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,10-2 工作台控制系统,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,在设计时,可以先以连续系统为基础,设计合适的 ,然后将转换为 。为了确定未校正系统的响应,
4、控制器取为简单的增益K,并以K为可变参数绘制系统的根轨迹。 当k=700时,系统主导复极点的阻尼系数为 。此时系统的超调量可望满足要求。经过仿真,系统的超调量为5%,上升时间为0.4s,调节时间(2%准则) 为1.12s。这些值被记录于下表中:,10-2 工作台控制系统,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,将控制器取为超前校正网络,于是有: 为了保证预期主导极点的主导特性,将网络零点取为 。此时网络极点应为 。最后,在根轨迹上可以确定网络的增益值 。此即所需超前校正网络。,10-2 工作台控制系统,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,校正后的上升时间为0.25s,调节时间(2%准则)为0.60s。结果表明,校正后的系统具有满意的性能。确定了合适的 后,还需确定合适的采样周期,并用第八章的方法来获得 。用 校正之后,连续系统的上升时间为0.25s。因此,为了得到与连续系统一致的预期响应,应该要求采样周期 ,不妨取为 。由: 可得:,其中:,10-2 工作台控制系统,第十章 典型控制系统的分析与设计实例,10-3 激光操纵控制系统,设计要求:如图所示的激光操作系统,用直流电机来操纵激光
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