[物理]自動(dòng)控制第五章ppt課件

1、自動(dòng)控制原理AI20085-1第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第5節(jié)：控制系統(tǒng)性能的頻率呼應(yīng)分析節(jié)：控制系統(tǒng)性能的頻率呼應(yīng)分析 利用頻率呼應(yīng)法分析系統(tǒng)特性應(yīng)清楚以下四個(gè)利用頻率呼應(yīng)法分析系統(tǒng)特性應(yīng)清楚以下四個(gè)關(guān)系關(guān)系 閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與閉環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與閉環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系 閉環(huán)頻率呼應(yīng)與開環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系閉環(huán)頻率呼應(yīng)與開環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系 閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系 閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系自動(dòng)控制原理AI20085-2第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合

2、閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與閉環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與閉環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系R(s)R(s)C(s)C(s)nnss22阻尼比阻尼比 與閉環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系與閉環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系閉環(huán)頻率特性的幅頻特性閉環(huán)頻率特性的幅頻特性:2221,121nppM閉環(huán)頻域目的閉環(huán)頻域目的: :BWppM,自動(dòng)控制原理AI20085-3第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與閉環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與閉環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系 呼應(yīng)速度和閉環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系呼應(yīng)速度和閉環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系24421242nBWsnT4BWsT21pnTpBWT自動(dòng)控制原理AI20085-4第五章 控制系統(tǒng)的頻域分

3、析與綜合呼應(yīng)速度和閉環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系呼應(yīng)速度和閉環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系找出找出 rT利用前式可得左圖利用前式可得左圖 頻帶寬度與呼應(yīng)速度成正比頻帶寬度與呼應(yīng)速度成正比: 頻帶寬度大頻帶寬度大,呼應(yīng)速度快呼應(yīng)速度快,可以使系統(tǒng)跟蹤頻率較快的輸入信號(hào)可以使系統(tǒng)跟蹤頻率較快的輸入信號(hào),但不但不利于抑制高頻噪聲利于抑制高頻噪聲.自動(dòng)控制原理AI20085-5第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合閉環(huán)頻率呼應(yīng)與開環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系閉環(huán)頻率呼應(yīng)與開環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系 等等M M圓和等圓和等N N圓圓單位反響系統(tǒng)單位反響系統(tǒng) sGsGsGB1其頻率特性為其頻率特性為jGjGjGB1令 jQPjG那么那么有有22222221

4、1MMQMMP2222412121NNNQP自動(dòng)控制原理AI20085-6第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合閉環(huán)頻率呼應(yīng)與開環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系閉環(huán)頻率呼應(yīng)與開環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系 等等M M圓和等圓和等N N圓圓等等M M圓和等圓和等N N圓是在開環(huán)頻率特性的復(fù)平面上繪制的圓是在開環(huán)頻率特性的復(fù)平面上繪制的. .將單位反響系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線分別重疊在等將單位反響系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線分別重疊在等M M圓和等圓和等N N圓上圓上, ,可得該可得該系統(tǒng)的閉環(huán)幅頻特性和相頻特性系統(tǒng)的閉環(huán)幅頻特性和相頻特性. .自動(dòng)控制原理AI20085-7第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合例例5.95.9 系統(tǒng)的奈奎斯特

5、曲線和閉環(huán)頻率特性系統(tǒng)的奈奎斯特曲線和閉環(huán)頻率特性 sC 21 ss sKsGK自動(dòng)控制原理AI20085-8第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合閉環(huán)頻率呼應(yīng)與開環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系閉環(huán)頻率呼應(yīng)與開環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系 尼科斯圖：將等尼科斯圖：將等M M 圓和等圓和等N N圓繪制于對(duì)數(shù)幅相圓繪制于對(duì)數(shù)幅相特性圖特性圖 例例5.10 5.10 自動(dòng)控制原理AI20085-9第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系由等由等M M圓確定阻尼比圓確定阻尼比利用開環(huán)頻率呼應(yīng)和等利用開環(huán)頻率呼應(yīng)和等M M圓確圓確定例定例5.95.9所示系統(tǒng)的

6、阻尼比和所示系統(tǒng)的阻尼比和超調(diào)量超調(diào)量由相位裕量確定阻尼比由相位裕量確定阻尼比sradBW/7 . 3自動(dòng)控制原理AI20085-10第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)之間的關(guān)系由開環(huán)頻率呼應(yīng)確定閉環(huán)系由開環(huán)頻率呼應(yīng)確定閉環(huán)系統(tǒng)的呼應(yīng)速度統(tǒng)的呼應(yīng)速度例例5.12 5.12 sC 21ss sKsGK035M32.0sTsTps29. 1,86. 4035MnjjmiipszsKsG11njjmiipzKjG110lg20lg20自動(dòng)控制原理AI20085-11第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)的

7、關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系 位置誤差系數(shù)位置誤差系數(shù)njjmiisppzKGsGK1100lim0 0型系統(tǒng)：型系統(tǒng)：初值：初值：而而 njjmiipsszsKsG11njjmiipzKjG1010lg20lg20自動(dòng)控制原理AI20085-12第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合速度誤差系數(shù)速度誤差系數(shù)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系I型系統(tǒng)NoImage初值：njjmiipszKsG11直線方程： lg20lg2020lg11njjmiipzKjGvnjjmiiKpzK11故：所以直線在頻率軸上的交點(diǎn)為 njjmiipsszsKsG121自

8、動(dòng)控制原理AI20085-13第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合加速度誤差系數(shù)加速度誤差系數(shù)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性與開環(huán)頻率呼應(yīng)的關(guān)系II型系統(tǒng)njjmiipzKjG12010lg20lg20 njjmiipszKsG121初值anjjmiiKpzK11直線方程sBWMT, %直線在頻率軸上的交點(diǎn)為自動(dòng)控制原理AI20085-14第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合系統(tǒng)時(shí)域目的系統(tǒng)時(shí)域目的( (穩(wěn)定性穩(wěn)定性, ,穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性, ,動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性) )頻域描畫系統(tǒng)特性頻域描畫系統(tǒng)特性cNyquist Nyqu

9、ist 穩(wěn)定判據(jù)穩(wěn)定判據(jù)添加低頻段幅值添加低頻段幅值, ,或衰減高頻段幅值或衰減高頻段幅值改善穩(wěn)態(tài)特性改善穩(wěn)態(tài)特性重點(diǎn)重點(diǎn): :綜合滯后綜合滯后, ,超前以及滯后超前以及滯后- -超前補(bǔ)償器超前補(bǔ)償器. . 本節(jié)的設(shè)計(jì)思想可以推行到本節(jié)的設(shè)計(jì)思想可以推行到PI(PI(滯后補(bǔ)償器特例滯后補(bǔ)償器特例),PD(),PD(超前超前補(bǔ)償器特例補(bǔ)償器特例) )和和PID(PID(滯后滯后- -超前補(bǔ)償器特例超前補(bǔ)償器特例) )的綜合方法中的綜合方法中. .自動(dòng)控制原理AI20085-15第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合 調(diào)整增益以滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要

10、求調(diào)整增益以滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要求自動(dòng)控制原理AI20085-16第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6 6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合 綜合步驟：綜合步驟： 對(duì)某個(gè)方便的增益值繪制系統(tǒng)的伯德圖；對(duì)某個(gè)方便的增益值繪制系統(tǒng)的伯德圖； 由超調(diào)量目確實(shí)定需求的相位裕量；由超調(diào)量目確實(shí)定需求的相位裕量； 在相頻特性曲線上找出產(chǎn)生希望的相位裕量所在相頻特性曲線上找出產(chǎn)生希望的相位裕量所對(duì)應(yīng)的頻率對(duì)應(yīng)的頻率 ； 改動(dòng)幅頻特性曲線的增益值，使幅頻特性曲線改動(dòng)幅頻特性曲線的增益值，使幅頻特性曲線在在 處為處為 ，增益的調(diào)整量是產(chǎn)生要求，增益的調(diào)整量是產(chǎn)生要求的相位裕量所需添加的增益值。

11、的相位裕量所需添加的增益值。0d B%.84. 9% 自動(dòng)控制原理AI20085-17第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6 6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合例例5.135.13K=3.6的系統(tǒng)波德圖的系統(tǒng)波德圖:確定確定K,K,使使51.5828 .1616 . 3106 . 32018.44K%48. 9%6.0019.59M 1,111TsTssGc自動(dòng)控制原理AI20085-18第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合 滯后補(bǔ)償器的綜合滯后補(bǔ)償器的綜合 滯后校正的籠統(tǒng)闡明滯后校正的籠統(tǒng)闡明自動(dòng)控制原理AI20085

12、-19第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6 6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合 滯后補(bǔ)償器的綜合滯后補(bǔ)償器的綜合 滯后補(bǔ)償器的傳送函數(shù)為：滯后補(bǔ)償器的傳送函數(shù)為： 當(dāng)當(dāng) 滯后補(bǔ)償器的波德圖為：滯后補(bǔ)償器的波德圖為：?T1K00125自動(dòng)控制原理AI20085-20第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6 6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合 滯后補(bǔ)償器的綜合步驟：滯后補(bǔ)償器的綜合步驟： 設(shè)定增益設(shè)定增益 ，使該值滿足穩(wěn)態(tài)誤差目的的要，使該值滿足穩(wěn)態(tài)誤差目的的要求，并繪制出在該值下的系統(tǒng)伯德圖；求，并繪制出在該值下的系統(tǒng)伯德圖； 在相頻特性圖上找出對(duì)應(yīng)于希望

13、的相位裕量的在相頻特性圖上找出對(duì)應(yīng)于希望的相位裕量的頻率，該頻率是綜合后系統(tǒng)的幅穿頻率，而希頻率，該頻率是綜合后系統(tǒng)的幅穿頻率，而希望的相位裕量是希望的動(dòng)態(tài)特性所決議的相位望的相位裕量是希望的動(dòng)態(tài)特性所決議的相位裕量再添加裕量再添加 的平安裕量；的平安裕量； 選擇滯后補(bǔ)償器以整形系統(tǒng)的幅頻特性圖；選擇滯后補(bǔ)償器以整形系統(tǒng)的幅頻特性圖； 重新設(shè)置系統(tǒng)增益重新設(shè)置系統(tǒng)增益 以補(bǔ)償綜合滯后補(bǔ)償器以補(bǔ)償綜合滯后補(bǔ)償器所引起的任何衰減，使系統(tǒng)堅(jiān)持步驟所引起的任何衰減，使系統(tǒng)堅(jiān)持步驟1 1所所確定的穩(wěn)態(tài)誤差。確定的穩(wěn)態(tài)誤差。019. 69decdB /20019. 69自動(dòng)控制原理AI20085-21第五

14、章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6 6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合 例例5.145.14系統(tǒng)的系統(tǒng)的BodeBode圖圖 sradc/8 . 9sradT/07.011,111TsTssGc自動(dòng)控制原理AI20085-22第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合 超前補(bǔ)償器的綜合超前補(bǔ)償器的綜合 超前校正的籠統(tǒng)闡明：超前校正的籠統(tǒng)闡明：自動(dòng)控制原理AI20085-23第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6 6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合 超前補(bǔ)償器的綜合超前補(bǔ)償器的綜合 超前補(bǔ)償器的傳送函數(shù)為：超

15、前補(bǔ)償器的傳送函數(shù)為： 超前補(bǔ)償器的超前補(bǔ)償器的BodeBode圖圖 ： TtgTtgc1111111111111maxmaxmaxjjTTjTTjTjTjj Gc自動(dòng)控制原理AI20085-24第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合超前補(bǔ)償器的綜合超前補(bǔ)償器的綜合 TtgTtgc11由知11max1max1max1tgtgTtgTtg故21111maxtg所以2222max2max2max211411411sintgtg自動(dòng)控制原理AI20085-25第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合超前補(bǔ)償器的綜合超前補(bǔ)償器的綜合和11sin1max有.1,11sin,1max1maxmaxjGTc及1maxjG

16、c所以自動(dòng)控制原理AI20085-26第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合T超前補(bǔ)償器的綜合超前補(bǔ)償器的綜合所以及sTKpv1 . 0, 40%,20%小結(jié)：小結(jié)：自動(dòng)控制原理AI20085-27第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6 6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合 超前補(bǔ)償器的綜合步驟：超前補(bǔ)償器的綜合步驟： 根據(jù)所要求的調(diào)整時(shí)間、峰值時(shí)間或上升時(shí)間根據(jù)所要求的調(diào)整時(shí)間、峰值時(shí)間或上升時(shí)間確定閉環(huán)系統(tǒng)的頻帶寬度；確定閉環(huán)系統(tǒng)的頻帶寬度； 設(shè)置未綜合系統(tǒng)的增益設(shè)置未綜合系統(tǒng)的增益 ，使之滿足穩(wěn)態(tài)誤，使之滿足穩(wěn)態(tài)誤差的要求；差的要求； 繪制該增益值下系統(tǒng)的繪制該增益值下系統(tǒng)的

17、BodeBode圖，并確定未綜合圖，并確定未綜合系統(tǒng)的相位裕量；系統(tǒng)的相位裕量； 確定為滿足阻尼比或超調(diào)量所要求的系統(tǒng)相位確定為滿足阻尼比或超調(diào)量所要求的系統(tǒng)相位裕量，然后估算由補(bǔ)償器所應(yīng)提供的相位值；裕量，然后估算由補(bǔ)償器所應(yīng)提供的相位值； 從該相位值確定參數(shù)從該相位值確定參數(shù) 確定補(bǔ)償器在相位峰值處的幅值；確定補(bǔ)償器在相位峰值處的幅值；019. 69097. 33自動(dòng)控制原理AI20085-28第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6 6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合 超前補(bǔ)償器的綜合步驟超前補(bǔ)償器的綜合步驟( (續(xù)續(xù)) ) 在未綜合系統(tǒng)的幅頻特性曲線上找出補(bǔ)償器幅在未

18、綜合系統(tǒng)的幅頻特性曲線上找出補(bǔ)償器幅值的負(fù)值處，確定對(duì)應(yīng)的頻率為綜合后系統(tǒng)的值的負(fù)值處，確定對(duì)應(yīng)的頻率為綜合后系統(tǒng)的幅穿頻率；幅穿頻率； 計(jì)算補(bǔ)償器的參數(shù)計(jì)算補(bǔ)償器的參數(shù) 及高端轉(zhuǎn)機(jī)頻率；及高端轉(zhuǎn)機(jī)頻率； 重新設(shè)置系統(tǒng)增益以補(bǔ)償超前補(bǔ)償器的增益衰重新設(shè)置系統(tǒng)增益以補(bǔ)償超前補(bǔ)償器的增益衰減；校驗(yàn)系統(tǒng)頻帶寬度以保證系統(tǒng)的呼應(yīng)速度；減；校驗(yàn)系統(tǒng)頻帶寬度以保證系統(tǒng)的呼應(yīng)速度； 計(jì)算機(jī)仿真一校驗(yàn)系統(tǒng)能否滿足一切要求；計(jì)算機(jī)仿真一校驗(yàn)系統(tǒng)能否滿足一切要求； 假設(shè)不滿足要求，那么重新綜合。假設(shè)不滿足要求，那么重新綜合。s rad/ 7 . 29自動(dòng)控制原理AI20085-29第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合

19、第第6 6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合 例例5.155.15系統(tǒng)系統(tǒng)要求要求: :42.0K=1440K=1440時(shí)未綜合時(shí)未綜合系統(tǒng)的系統(tǒng)的BodeBode圖圖dBjGc77. 3maxdB77.3srad/39maxsradT/27.251sradT/18.601 18.6027.2538.2111ssTsTssGc144040/59. 46%)20%(456. 0, 1 . 0KKsradsTvBWp21T 2211111TsTsTsTssGsGsGc滯后超前121T自動(dòng)控制原理AI20085-30第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)

20、：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合超前超前滯后補(bǔ)償器的綜合滯后補(bǔ)償器的綜合超前超前滯后補(bǔ)償器的傳送函數(shù)滯后補(bǔ)償器的傳送函數(shù)超前超前滯后補(bǔ)償器的滯后補(bǔ)償器的Bode圖圖11T1Tcc101 41 s s sKs GK4812/ 29. 2%25. 13%, 2KKs radsTvBWp自動(dòng)控制原理AI20085-31第五章 控制系統(tǒng)的頻域分析與綜合第第6 6節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合節(jié)：控制系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)綜合 超前超前滯后補(bǔ)償器的綜合步驟：滯后補(bǔ)償器的綜合步驟： 根據(jù)所要求的調(diào)整時(shí)間、峰值時(shí)間或上升時(shí)間確定閉根據(jù)所要求的調(diào)整時(shí)間、峰值時(shí)間或上升時(shí)間確定閉環(huán)系統(tǒng)的頻帶寬度環(huán)系統(tǒng)的頻帶寬度 ； 設(shè)置未綜合系統(tǒng)的增益設(shè)置未綜合系統(tǒng)的增益 ，使之滿足穩(wěn)態(tài)誤差的要求；，使之滿足穩(wěn)態(tài)誤差的要求； 繪制該增益值下系統(tǒng)的繪制該增益值下系統(tǒng)的BodeBode圖；圖； 計(jì)算相位裕量以滿足阻尼比或超調(diào)量的要求；計(jì)算相位裕量以滿足阻尼比或超調(diào)量的要求； 在在 附近選擇綜合后系統(tǒng)的幅穿頻率附近選擇綜合后系統(tǒng)的幅穿頻率 ； 在在 處確定附加的相位超前量以滿足相