控制工程基础 第八章 系统的设计及校正

1、闭环系统的组成闭环系统的组成执行元件：执行元件：受被控对象的功率要求和所需能源形式、受被控对象的功率要求和所需能源形式、工作条件限制。工作条件限制。伺服电动机、液压伺服电动机、液压/气动伺服马达气动伺服马达等；等；测量元件：测量元件：依赖于被控制量的形式。依赖于被控制量的形式。电位器、热电电位器、热电偶、测速发电机以及各类传感器等；偶、测速发电机以及各类传感器等；给定元件及比较元件：给定元件及比较元件：取决于输入信号和反馈信号取决于输入信号和反馈信号的形式。的形式。电位计、旋转变压器、机械式差动装置等电位计、旋转变压器、机械式差动装置等等；等；放大元件：放大元件：由所要求的控制精度和驱动执行元

2、件的由所要求的控制精度和驱动执行元件的要求进行配置，有些情形下甚至需要几个放大器。要求进行配置，有些情形下甚至需要几个放大器。电压放大器（或电流放大器）、功率放大器等等，电压放大器（或电流放大器）、功率放大器等等，放大元件的增益通常要求可调。放大元件的增益通常要求可调。执行机构执行机构功率放大器功率放大器检测装置检测装置控制系统控制系统放大器、校正装置放大器、校正装置不可变部分不可变部分可变部分可变部分迫使系统满足给定的性能迫使系统满足给定的性能(设计系统）设计系统）根据被控对象及其控制要求，选择适当的控根据被控对象及其控制要求，选择适当的控制器及控制规律设计一个满足给定性能指标制器及控制规律

3、设计一个满足给定性能指标的控制系统。的控制系统。校正校正(补偿补偿)：通过改变系统结构，或在系统通过改变系统结构，或在系统中增加中增加附加装置或元件附加装置或元件(校正装置校正装置)对已有的对已有的系统（固有部分）进行再设计使之满足性能系统（固有部分）进行再设计使之满足性能要求。要求。控制系统的设计任务：控制系统的设计任务：！控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置！控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置控制系统的性能指标在其中起着向导作用，控制系统的性能指标在其中起着向导作用，其提法有多种，在满足系统稳定的前提下，其提法有多种，在满足系统稳定的前提下，主要有两类：时域指标和频域指标。主要有

4、两类：时域指标和频域指标。1. 时域指标时域指标（1）稳态指标）稳态指标稳态指标对控制系统的稳态精度提出要求，稳态指标对控制系统的稳态精度提出要求，它常用它常用稳态误差稳态误差表征。表征。（2）动态指标）动态指标常用的指标参数为调整时间常用的指标参数为调整时间ts、超调量、超调量Mp等。等。 2、频域指标、频域指标（1）开环频域指标：）开环频域指标：主要包括开环截止频率主要包括开环截止频率 c（增益交点频（增益交点频率）、相位裕度率）、相位裕度 、增益裕度、增益裕度Kg等。等。（2）闭环频域指标：）闭环频域指标：常见的为谐振峰值常见的为谐振峰值Mr、谐振频率、谐振频率 r、闭环、闭环截止频率截

5、止频率 b或带宽等。或带宽等。由于性能指标在一定程度上决定了系统实由于性能指标在一定程度上决定了系统实现的难易程度、工艺要求、可靠性和成本，现的难易程度、工艺要求、可靠性和成本，因此性能指标的提出要有一定依据，不能因此性能指标的提出要有一定依据，不能脱离实际的可能性。脱离实际的可能性。二时域指标和频域指标的对应关系二时域指标和频域指标的对应关系用用开环频率特性开环频率特性设计系统时，设计系统时， 常采用的动态指标有：常采用的动态指标有：相位裕度相位裕度 和和增益交点频率增益交点频率 c。用用闭环频率特性闭环频率特性设计系统时，常采用的动态指标有：设计系统时，常采用的动态指标有：谐振峰值谐振峰值

6、Mr、谐振频率谐振频率 r。相位裕度相位裕度 和和谐振峰值谐振峰值Mr反映了过渡过程的反映了过渡过程的平稳性平稳性，它们与时域指标超调量它们与时域指标超调量Mp增益交点频率增益交点频率 c 、谐振频率、谐振频率 r，反映了响应的，反映了响应的快速快速性性，它们与时域指标调整时间，它们与时域指标调整时间ts在此，主要通过开环频率特性来研究闭环系统的动在此，主要通过开环频率特性来研究闭环系统的动态性能。态性能。一阶系统传递函数的标准形式为一阶系统传递函数的标准形式为1一阶系统一阶系统1( )1G sTs)707. 0(1212rM)707. 0( ,212nr42244221nb24241nc22

7、2412arctan%100%21enst5 . 3tan7sct)(sGc(rad/s)(a)提高低频增益提高低频增益TSTSTSTSsUsUi1111)()(011CRT 212RRR212RRR11)1 (21)1 (21sinmmmTT1,1mm)1lg1(lg21lgTTmTm1mm1sin1sinmm05. 0sse50)(10 dbKg KveSS12005. 011SSeKv) 15 . 0(20jj)/(6sradc38m1sin1sinmm38mTT1,1m与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)图8-18超前校正装置)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