第三章控制系统性能改进 反馈,复杂结构1

1、3.4.1 反馈控制系统瞬态响应的改进以开环转速控制系统为例（假设不考虑扰动输入Mc =0）回忆：一阶系统单位阶跃响应 瞬态响应的快慢只与Tm有关，与Kc无关，因此无法通过设计Kc提高响应速度。 当负载转动惯量Jm非常大，此时的时间常数Tm不能满足瞬态响应的要求，则只能期望选用品种有限的来减小Tm。通过改变被控对象Gp(s)来改进系统瞬态响应的余地十分有限。有没有其他思路？3.4.1 反馈控制系统瞬态响应的改进开环控制系统：实际物理系统可实现？对象（Gp）有惯性：分母阶数分子阶数本例中：有没有其他思路？如何解决实现问题？3.4.1 反馈控制系统瞬态响应的改进加入反馈的改进3.4.1 反馈控制系

2、统瞬态响应的改进闭环系统的时间常数比开环系统减少，瞬态响应改进。假设设计Kc使得KcKuKf=100，则瞬态响应改进程度可达100倍以上。3.4.2 反馈控制系统的特性稳态误差的减小开环控制系统参考输入与系统输出的偏差为闭环偏差传递函数为 ：开环控制系统的直流增益单位阶跃输入作用下，利用终值定理闭环系统环路直流增益开环稳态误差闭环稳态误差3.4.2 反馈控制系统的特性稳态误差的减小开环：Gc(0)=1/Gp(0)时，有 eF()=0仅调整功率放大器参数，设Kc=1/Ku 即可采用额外的开环控制器，3.4.2 反馈控制系统的特性稳态误差的减小闭环： Gc(0)足够大，有e()足够小。设计Kc很大

3、或直接串入积分环节(额外设计)。开环控制器与闭环控制器对比3.4.3 反馈控制系统的特性对内部模型的灵敏度系统的灵敏度：反映系统对模型、参数变化的敏感性。传递函数的变化率与整个系统传递函数的变化率之比。开环传递函数的灵敏度闭环传递函数的灵敏度3.4.3 反馈控制系统的特性对内部模型的灵敏度闭环控制系统灵敏度 反馈可以改变模型的灵敏度3.4.4 反馈控制系统的特性对外部干扰的抑制干扰输入对于控制系统来说则完全是多余的 ，电子电路中的内部噪声，电动机的负载变化，燃烧系统中燃气的成分变化等干扰都是实际应用中无法回避的客观存在。 开环控制系统：进入系统的干扰经过对象或部分对象对输出产生直接的影响。反馈

4、控制系统具有抑制外部干扰的能力。 3.4.4 反馈控制系统的特性对外部干扰的抑制1开环控制系统 存在扰动时，无论怎样设计，开环误差不为03.4.4 反馈控制系统的特性对外部干扰的抑制2闭环控制系统扰动产生的转速稳态值：若闭环设计Kc使得KcKuKf=100，由于参考输入为零，则闭环控制稳态误差()比开环控制稳态误差F()小100倍以上，同时也实现了瞬态响应比开环控制改进达100倍以上 反馈控制抑制扰动误差3.5 复杂反馈控制系统的基本结构及其特性 简单控制系统:具有单回路的控制系统;复杂反馈控制系统：多反馈回路或多控制通道。 内环反馈校正 ：内环反馈上校正通过设计Gh(s)，可改进系统的动态品

5、质，达到削弱对象模型Gp(s)不确定影响的目的。串级控制：两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。3.5 复杂反馈控制系统的基本结构及其特性D2(s)？内环反馈抑制扰动3.5 复杂反馈控制系统的基本结构及其特性串级控制的另外一个特性：阶跃输入下的偏差传递函数 3.5 复杂反馈控制系统的基本结构及其特性结论：要消除阶跃参考输入作用下主参数的稳态误差，主调节器必须含有积分环节。 类似的证明，对于进入副回路的阶跃干扰，主调节器和副调节器任一方具有积分作用都可消除主参数的稳态误差。 对于进入主回路的阶跃干扰，只有主调节器具有积分作用才可消除主参数的稳态误差。 对于进

6、入副回路的阶跃干扰，主调节器和副调节器任一方具有积分作用都可消除稳态误差。对于进入主回路的阶跃干扰，只有主调节器具有积分作用才可消除稳态误差。总结：利用串级控制系统特性的基本原则1）对于存在较强外部干扰时，应尽量将较强的外部干扰包含在副回路，从而削弱主要干扰的影响。2）对于具有大的时间常数和模型不确定性（参数摄动和非线性）的对象，应尽量将对象时间常数较大的和模型不确定性较强的部分包含在副回路，通过将副回路设计成（随动控制系统）使副参数在动态上实现1:1跟踪主调节器的输出，从而改进时间常数（响应速度）和消除模型不确定性的影响。总结：利用串级控制系统特性的基本原则3）对于阶跃参考输入和进入主回路的

7、阶跃干扰，主调节器必须含积分环节以便消除主参数的稳态误差。3.5 复杂反馈控制系统的基本结构及其特性内环反馈校正结构可以等效化为串级控制系统结构。无论是内环反馈校正还是串级控制，都具有抑制进入内环的外部干扰、改进内环对象的时间常数和抵御内环对象模型误差和不确定性的能力。 3.5 复杂反馈控制系统的基本结构及其特性设计原则：消除稳态误差及不变性原理（系统输出面对扰动时不变）减小和消除外部扰动的不利影响。适用于扰动量可直接测量的场合。基本思想：利用基于扰动的控制作用来抵消扰动对系统输出的影响。结构：双通道结构要求外部扰动作用点与系统输出测量点间至少存在两个信号传递通道。目的：系统输出完全不受扰动影响。前馈-反馈控制：按参考输入