控制工程基礎(chǔ) 第八章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校正

1、閉環(huán)系統(tǒng)的組成閉環(huán)系統(tǒng)的組成執(zhí)行元件：執(zhí)行元件：受被控對(duì)象的功率要求和所需能源形式、受被控對(duì)象的功率要求和所需能源形式、工作條件限制。工作條件限制。伺服電動(dòng)機(jī)、液壓伺服電動(dòng)機(jī)、液壓/氣動(dòng)伺服馬達(dá)氣動(dòng)伺服馬達(dá)等；等；測(cè)量元件：測(cè)量元件：依賴于被控制量的形式。依賴于被控制量的形式。電位器、熱電電位器、熱電偶、測(cè)速發(fā)電機(jī)以及各類傳感器等；偶、測(cè)速發(fā)電機(jī)以及各類傳感器等；給定元件及比較元件：給定元件及比較元件：取決于輸入信號(hào)和反饋信號(hào)取決于輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的形式。的形式。電位計(jì)、旋轉(zhuǎn)變壓器、機(jī)械式差動(dòng)裝置等電位計(jì)、旋轉(zhuǎn)變壓器、機(jī)械式差動(dòng)裝置等等；等；放大元件：放大元件：由所要求的控制精度和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元

2、件的由所要求的控制精度和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的要求進(jìn)行配置，有些情形下甚至需要幾個(gè)放大器。要求進(jìn)行配置，有些情形下甚至需要幾個(gè)放大器。電壓放大器（或電流放大器）、功率放大器等等，電壓放大器（或電流放大器）、功率放大器等等，放大元件的增益通常要求可調(diào)。放大元件的增益通常要求可調(diào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率放大器功率放大器檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)放大器、校正裝置放大器、校正裝置不可變部分不可變部分可變部分可變部分迫使系統(tǒng)滿足給定的性能迫使系統(tǒng)滿足給定的性能(設(shè)計(jì)系統(tǒng)）設(shè)計(jì)系統(tǒng)）根據(jù)被控對(duì)象及其控制要求，選擇適當(dāng)?shù)目馗鶕?jù)被控對(duì)象及其控制要求，選擇適當(dāng)?shù)目刂破骷翱刂埔?guī)律設(shè)計(jì)一個(gè)滿足給定性能指標(biāo)制器及控制規(guī)律

3、設(shè)計(jì)一個(gè)滿足給定性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)。的控制系統(tǒng)。校正校正(補(bǔ)償補(bǔ)償)：通過(guò)改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，或在系統(tǒng)通過(guò)改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，或在系統(tǒng)中增加中增加附加裝置或元件附加裝置或元件(校正裝置校正裝置)對(duì)已有的對(duì)已有的系統(tǒng)（固有部分）進(jìn)行再設(shè)計(jì)使之滿足性能系統(tǒng)（固有部分）進(jìn)行再設(shè)計(jì)使之滿足性能要求。要求?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)：控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)：！控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是尋找合適的校正裝置！控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是尋找合適的校正裝置控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)在其中起著向?qū)ё饔茫刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)在其中起著向?qū)ё饔?，其提法有多種，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，其提法有多種，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，主要有兩類：時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)。主要有

4、兩類：時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)。1. 時(shí)域指標(biāo)時(shí)域指標(biāo)（1）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度提出要求，穩(wěn)態(tài)指標(biāo)對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度提出要求，它常用它常用穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差表征。表征。（2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)）動(dòng)態(tài)指標(biāo)常用的指標(biāo)參數(shù)為調(diào)整時(shí)間常用的指標(biāo)參數(shù)為調(diào)整時(shí)間ts、超調(diào)量、超調(diào)量Mp等。等。 2、頻域指標(biāo)、頻域指標(biāo)（1）開環(huán)頻域指標(biāo)：）開環(huán)頻域指標(biāo)：主要包括開環(huán)截止頻率主要包括開環(huán)截止頻率 c（增益交點(diǎn)頻（增益交點(diǎn)頻率）、相位裕度率）、相位裕度 、增益裕度、增益裕度Kg等。等。（2）閉環(huán)頻域指標(biāo)：）閉環(huán)頻域指標(biāo)：常見(jiàn)的為諧振峰值常見(jiàn)的為諧振峰值Mr、諧振頻率、諧振頻率 r、閉環(huán)、閉環(huán)截止頻率截

5、止頻率 b或帶寬等。或帶寬等。由于性能指標(biāo)在一定程度上決定了系統(tǒng)實(shí)由于性能指標(biāo)在一定程度上決定了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難易程度、工藝要求、可靠性和成本，現(xiàn)的難易程度、工藝要求、可靠性和成本，因此性能指標(biāo)的提出要有一定依據(jù)，不能因此性能指標(biāo)的提出要有一定依據(jù)，不能脫離實(shí)際的可能性。脫離實(shí)際的可能性。二時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系二時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系用用開環(huán)頻率特性開環(huán)頻率特性設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)， 常采用的動(dòng)態(tài)指標(biāo)有：常采用的動(dòng)態(tài)指標(biāo)有：相位裕度相位裕度 和和增益交點(diǎn)頻率增益交點(diǎn)頻率 c。用用閉環(huán)頻率特性閉環(huán)頻率特性設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，常采用的動(dòng)態(tài)指標(biāo)有：設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，常采用的動(dòng)態(tài)指標(biāo)有：諧振峰值諧振峰值

6、Mr、諧振頻率諧振頻率 r。相位裕度相位裕度 和和諧振峰值諧振峰值Mr反映了過(guò)渡過(guò)程的反映了過(guò)渡過(guò)程的平穩(wěn)性平穩(wěn)性，它們與時(shí)域指標(biāo)超調(diào)量它們與時(shí)域指標(biāo)超調(diào)量Mp增益交點(diǎn)頻率增益交點(diǎn)頻率 c 、諧振頻率、諧振頻率 r，反映了響應(yīng)的，反映了響應(yīng)的快速快速性性，它們與時(shí)域指標(biāo)調(diào)整時(shí)間，它們與時(shí)域指標(biāo)調(diào)整時(shí)間ts在此，主要通過(guò)開環(huán)頻率特性來(lái)研究閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)在此，主要通過(guò)開環(huán)頻率特性來(lái)研究閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。態(tài)性能。一階系統(tǒng)傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為一階系統(tǒng)傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為1一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)1( )1G sTs)707. 0(1212rM)707. 0( ,212nr42244221nb24241nc22

7、2412arctan%100%21enst5 . 3tan7sct)(sGc(rad/s)(a)提高低頻增益提高低頻增益TSTSTSTSsUsUi1111)()(011CRT 212RRR212RRR11)1 (21)1 (21sinmmmTT1,1mm)1lg1(lg21lgTTmTm1mm1sin1sinmm05. 0sse50)(10 dbKg KveSS12005. 011SSeKv) 15 . 0(20jj)/(6sradc38m1sin1sinmm38mTT1,1m與T1T1Tm104. 211111111jjTjTjTm)(2 . 6)(dbjGmmc)/(41. 4924. 0

8、1sradTC)/(4 .1824. 091sradTC)(227. 041. 41sT)(054. 04 .181sTT1054. 0) 1227. 0(24. 0)(SSSGC17. 424. 01K4 .1841. 417. 41054. 01227. 0)()(SSSSKSGSGCC,101fC11CRT )(7 .221010227. 0611kCTR212RRR)k(6 . 72RcR1C2R2Ui(S)Uo(S)圖8-18超前校正裝置)1(111)()(TSTSTSTSSUSUio22CRT 1221RRR 1111211211sinmmmTT1,1mmm)1lg1(lg21lgTTmTm1)02. 01)(05. 01 (7 .17)02. 01)(05. 01 (1 . 05 . 09 .6173. 5)(SSSSSSsG0873. 010KKRess)db2 .41(5 .114K)db(2 .16252 .41K45. 6)db(2 .16lg20T1T1T1,)10121(1cT)/(14sradc)/( )4 . 17(14)10121(1sradT)/(4 . 11sradT)(7 . 0sT );(5 . 4),/(22. 0