上海交大809考研机械设计与理论chapter08_2

1、第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 Chapter 8 根轨迹法 8.4 8.4 根轨迹法设计与校正控制系统根轨迹法设计与校正控制系统 8.1 8.1 根轨迹法基本概念根轨迹法基本概念 8.2 8.2 绘制根轨迹图的基本规则绘制根轨迹图的基本规则 8.3 8.3 控制

2、系统的根轨迹分析控制系统的根轨迹分析 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 8.38.3控制系统的根轨迹分析控制系统的根轨迹分析 根轨迹图上希望闭环极点的位置 参数变化对闭环极点的影响(广义根轨迹、根轨迹簇) 比例微分控制作用与微分反馈对系统性能的影响 开环零点和极点对根轨迹的影响 增加开环极点的影响)/(1 c ps 增加一个惯性环节 增加开环零点的影响 加入一阶微分环节（szc） )/()( cc pszs加入环节 增加一对开环零极点的影响 开环

3、偶极子|zc|pc| 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 根轨迹图上希望闭环极点的位置根轨迹图上希望闭环极点的位置 二阶系统的等Mp线（即等线）二阶系统的等ts线 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 开环传递函数上增加极点 降低了系统的相对稳定性 )(180) 12(mnk a 渐近线与实轴倾角随着 n

4、数增大而减小 根轨迹向右方向弯曲 )()(mnzp iia 渐近线与实轴交点随着pc增 大（pc点在实轴上向右移） 而右移，故更靠近原点 向右弯曲趋势随着所增加 的极点移近原点而加剧 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 增加开环极点的影响增加开环极点的影响 1 c p 右移极点 2 c p 增加一个极点的情况 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与

5、动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 开环传递函数上增加零点 提高了系统的相对稳定性 )(180) 12(mnk a 渐近线与实轴倾角随着 m数增大而增加 根轨迹向左方向弯曲 )()(mnzp iia 渐近线与实轴交点随着 Zc增大（Zc点在实轴上 向右移）而左移 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力

6、工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 3 c Z 增加一个零点的情况 2 c Z 右移零点 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 增加的零点相对靠近虚轴而起主导作用 )()( cc pszs cc 零极点对应的矢量幅角 )( cc 附加提供一个超前角 “超前校正” 相

7、当于附加零点的作用 (使根轨迹向左弯曲， 改善了系统动态性能) |zc|zc|pc|pc|pc| 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 开环偶极子开环偶极子 开环偶极子距离原点较远 极点pc 和零点zc 到较远的s 点的矢量基本相等；幅值条件和 幅角条件中的作用相互抵消； 对离其较远的近虚轴区域的根轨 迹形状和开环增益几乎没有影响， 基本上不影响系统静动态性能。 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & P

8、ower Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 c c n i i m i i p z p z KK 1 1 开环偶极子位于原点附近 零点zc和极点pc到主导极点的矢 量也基本相等； 幅角条件和幅值 条件中作用也基本抵消 不影响主导极点附近的 根轨迹及根轨迹增益K 零极点自身比值zc /pc- 较大 影响系统的开环增益、改变稳态误差 01. 0 c p 1 . 0 c z 提高系统开环增益10倍 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院

9、上海交通大学机械与动力工程学院 参数变化对闭环极点的影响参数变化对闭环极点的影响 控制系统开环传递函数 ，试绘制 以为参变量的根轨迹以及同时变化K时的根轨迹。 )(1( )()( sss K sHsG 0 )(1( 1)()(1 sss K sHsG 0) 1() 1( 2 Kssss 以为参变量的根轨迹方程 0 0 ) 1( 1 2 ss K 1 ) 1( ) 1( 2 Kss ss 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 1 ) 1( ) 1( 2

10、 Kss ss 不同K值，可得到系统不 同根轨迹图，即根轨迹簇 0 1 2 3 s s s s K a Kaa a ! ) 1( 1 1 0 K a 0) 1(K 根轨迹与虚轴交点 2 411K 以为参变量的根轨迹方程 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 比例微分控制作用与微分反馈对系统性能的影响比例微分控制作用与微分反馈对系统性能的影响 （a）为无校正的位置伺服系统 )2 . 0( 1 ) 15( 5 )()( ssss sHsG aa （b）为

11、加入比例微分（PD）校正后的系统 ) 15( )8 . 01 (5 )()( ss s sHsG bb )866. 0 j5 . 0s)(866. 0 j5 . 0s ( 1s8 . 0 1ss 1s8 . 0 ) s ( 2 b 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 （c）为加入速度内反馈校正后的系统 )866. 0 j5 . 0s)(866. 0 j5 . 0s ( 1 1ss 1 ) s ( 2 c )2 . 0( )25. 1(8 . 0 )

12、()( ss s sHsG cc （a）为无校正的位置伺服系统 )2 . 0( 1 ) 15( 5 )()( ssss sHsG aa 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 （c）为加入速度内反馈校正后的系统 )866. 0 j5 . 0s)(866. 0 j5 . 0s ( 1 ) s ( c )2 . 0( )25. 1(8 . 0 )()( ss s sHsG cc )()()()(sHsGsHsG ccbb 相同的开环传递函数,相同的零 极点

13、分布，根轨迹形状相同 )()(ss cb 闭环零点使极点上的留数不同，不同瞬态响 应具有相同的类型，但具体曲线形状不同 （b）为加入比例微分（PD）校正后的系统 ) 15( )8 . 01 (5 )()( ss s sHsG bb )866. 0 j5 . 0s)(866. 0 j5 . 0s ( 1s8 . 0 ) s ( b 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 8.48.4用根轨迹法设计与校正控制系统用根轨迹法设计与校正控制系统 超前校正 当未

14、校正系统的主导共轭极点离虚轴很近时，系统的 阻尼比较小，稳定程度差。 滞后校正 系统的动态性能指标满足要求、而稳态性能达不到预 定指标时 控制系统的稳态性能和动态性能都达不到指标要求时 滞后超前校正 ! 试探方法 (通过重新配置零、极点，使闭环系 统根轨迹满足性能指标的要求) 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 超前校正超前校正 )2( 4 )( ss sG 设单位反馈系统的开环传递函数为 试设计串联校正装置，满足下列性能指标： 最大超调量Mp=1

15、6%，调整时间ts=2s (1）根据性能指标，确定闭环主导极点sd 5 . 0 %2 ns t/4 s n 4 3221 2 jjs nnd Mp=16% 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 （2）绘制未校正系统根轨迹图 依靠调整增益是不能使根轨迹 通过sd，拟采用超前校正装置 ?如果不能，则应该采用 何种校正装置。 ?仅调整增益，能否使根轨 迹通过希望主导极点sd。 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical

16、 & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 (3) 计算超前校正装置应提供的超前角。 )()( cdcd pszs 30)90120(180) )2( 4 (180) 12( d ss ss k 根据幅角条件 校正根轨迹通过希望主导极点 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 (4) 超前校正装置的零点zc和极点pc的位置，得到超 前校正装置传递函数。 )()()( ccc pszssG 9

17、. 2 c z 4 . 5 c p 4 . 5s 9 . 2s ) s (G c 求zc和pc可采用试探法和 图解法图解法 主导极点位置sd和超前角 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 （5）附加增益Kc 补偿因接入超前校正装置而引起的开环增益下 降，使希望主导极点sd满足幅值条件。 )ps ( )zs ( K) s (G) s (G) s (G c c cc )4 . 5)(2( )9 . 2( 4 . 5 9 . 2 )2( 4 )()( ss

18、s sK s s K ss sGsG cc c KK4 1 4 . 52 9 . 2 ddd d sss sK 6 .18 6 . 3 8 . 44 . 31 . 4 K 根轨迹图上量得各矢量幅值 65. 44/6 .184/ KKc )4 . 5)(2( )9 . 2(6 .18 )()( sss s sGsG c 希望主导极点sd的幅值条件求附加增益Kc： 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 很接近 （6）校验。 ？希望主导极点sd处的增益是否

19、满足稳态精度指标； ？希望主导极点是否符合系统闭环主导极点条件。 ？如果已校正系统不能满足性能指标，调整校正装置的零 极点位置，重复上述步骤，直到满足指标为止。 1 00 5 )4 . 5)(2( )9 . 2(6 .18 lim)()(lim s sss ss sGssGK s c s v系统稳态速度误差系数 322jsd )4 . 5)(2( )9 . 2(6 .188 .104 . 7 )4 . 5)(2( )9 . 2(6 .18 1)()(1 23 sss ssss sss s sHsG 4 . 7)322()322( 3 pjjpi 4 . 3 3 p 9 . 2 c z 已校正系

20、统 根轨迹作图规则9 已知闭环极点 开环前向通道的零点就是闭环零点 故极点p3对系统瞬态响应影响相当小 ！极点sd的主导性 增加的开环零点 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 图解法图解法 1、过已知的希望极点sd作水平线sdA； 2、作0sdA的角平分线； 3、在直线sdB两侧各作夹角为/2的两条直线sd pc和sd zc 交负实轴于zc和pc点分别为校正装置的零点和极点 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechani

21、cal & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 滞后校正滞后校正 T s T s Ts Ts sGc 1 1 1 1 1 )( 1 c c p z 校正作用基本上是提高开环增益，而不使动态性能有明 显的变化 对闭环主导极点附近的根轨迹不产生明显影响，但开环 增益要有明显增加 滞后校正装置的零极点是一对靠近原点的开环偶极子， 且极点相对离原点更近 系统的动态性能指标满足要求 而稳态性能达不到预定指标时 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学

22、机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 (1)绘制未校正系统的根轨迹。 已知一控制系统如图,该系统动态性能满足要 求，需要将稳态速度误差系数增大至5s-1，试设计 滞后校正装置 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 （2）根据瞬态响应指标，找出根轨迹上的希望闭 环主导极点sd。 58. 033. 0jsd 5 . 0 1 67. 0 s n 图解法未校正系统主导极点 K=1.06时 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of

23、 Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 (3)(由幅值条件)确定希望闭环主导极点所对应的开 环增益或稳态误差系数，决定采用校正装置的形式 1 0 53. 0 )2)(1( 06. 1 lim s sss sK s v (4)求出所需要增加的误差系数(需要增加的开环增益) 未校正系统 1 5 sKv 10 vv KK 给定的稳态误差系数 滞后校正装置的参数 ！滞后校正 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力

24、工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 (5)确定滞后校正装置的零点和极点. 要求：既能提高开环增益，又不使原来的根轨迹发生明 显的变化。 ！作图法！作图法 8zs0 cd 1 . 0 c z 01. 0 c p 10 cc pz 01. 0 1 . 0 10 1 )( s s sGc cc K s s sG 01. 0 1 . 0 10 1 )( )2)(1)(01. 0( ) 1 . 0( )2)(1( 06. 1 01. 0 1 . 0 10 )()( ssss sK ssss sK sGsG c c 10/06. 1 c KK 滞后校正装置的传递函数 增加附加增益Kc 已校正系统开环传

25、递函数 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 (6)校验系统动静态指标 绘制已校正系统的根轨迹 确定根轨迹上新的主导极点 计算动静态性能指标 ?不太满意，稍加调整零极点 51. 028. 0jsd st ns 4 .1428. 0/4)/(4 %)2( 5 . 0 1 56. 05 . 0/28. 0 s n 作=0.5线与根轨迹的交点为闭 环主导极点 已校正系统: 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical &

26、 Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 (7)根据已校正系统的主导极点位置，按幅值条件调 整附加增益 98. 0 1 . 0 2101. 0 d dddd s ssss K 25. 998. 0 06. 1 10 06. 1 10 KKc ) 15 . 0)(1)(1100( ) 110(9 . 4 )2)(1)(01. 0( ) 1 . 0(98. 0 )()( ssss s ssss s sGsG c 1 0 9 . 4)()(lim ssGssGK c s v 附加增益Kc 对于主导极点，由幅值条件 已校正系统的开环传递函数 已

27、校正系统的稳态速度误差系数 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 系统稳态速度误差系数基本达到5s的设计要求 无阻尼自然频率0.67s-1 058s-1 校正后系统的动态性能比校正前略低 调整时间12.1s14.4s ?! 减小角，将所取零点zc的位置向右移动 （例如取zc-0.05、0.02等） 31. 2 3 p 137. 0 4 p 1 . 0z 极点p3较主导极点sd离虚轴远得多 51. 028. 0jsd 另两个闭环极点 靠近 第八章第八章

28、 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 直线0 sd为线，以sd为顶点在线左 侧作小角度， 10 cc pz 5 连接希望主导极点sd和原点0 与实轴的交点zc 滞后校正装置的零点zc 在zc右侧找到一点pc，使 滞后校正装置的一对零极点对sd 点所产生的附加滞后角为， ！不对希望主导极点sd附近根轨迹带来相当程度的变化 ！不改变未校正系统的动态性能 作图法作图法 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power E

29、ngineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 滞后超前校正滞后超前校正 cc K T s T s T s T s sG 2 2 1 1 1 11 )( c K 1 控制系统的稳态性能和动态性能都达不到指标要求 滞后超前校正 系统应提高的附加增益 网络参数 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 )5 . 0( 4 )( ss sG 5 . 0 1 5 s n 1 50 sKv要求闭环主导极点 单位反馈系统的开环传递

30、函数 设计适当的校正装置,使系统满足上述全部性能指标 )5 . 0(4)(sssG98. 125. 0 2, 1 js 125. 0 1 2 s n 1 8 sKv 未校正系统 未校正系统的动静态性能指标都不满足要求，且相差较大 滞后超前校正装置 未校正系统分析 cc K Ts Ts Ts Ts sG 2 2 1 1 1 11 )( 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 希望闭环主导极点 33. 45 . 2jsd 给定的性能指标希望闭环主导极点 5

31、 . 0 1 5 s n 1 50 sK v 为使闭环主导极点位于希望位置上，相位超前部 分应提供的超前角 55)235(180 )5 . 0s (s 4 180) 1k2( dd 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 根据给定的误差系数要求，计算附加增益 滞后超前校正装置的传递函数 cc K Ts Ts Ts Ts sG 2 2 1 1 1 11 )( )5 . 0( 25 1 11 )5 . 0( 4 1 11 )()( 2 2 1 1 2 2

32、1 1 ssTs Ts Ts Ts ss K Ts Ts Ts Ts sGsG cc 校正后系统的稳态速度误差系数 50K8) s (G) s (sGlimK cc 0s v 25. 6 c K 校正后的系统开环传递函数 )5 . 0( 4 )( ss sG 未校正系统 第八章第八章 控制理论基础控制理论基础 School of Mechanical & Power Engineering 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 确定校正装置超前部分参数T1和。 1 T/1s T/1s 2d 2d )() 1 ( 11 T s T s 用图解法确定出超前部分的零点和极点，并求得和T1值 11 /1 Tzc 11 /Tpc 1)s (GK Ts