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文档简介
CH.9DesignviaRootLocusCH.9DesignviaRootLocus1Figure9.1
a.possibledesignpointviagainadjustment(A)
designpointthatcannot
bemetviagainadjustment(B);
需補償器設計9.1IntroductionFigure9.1
a.possibledesign2Figure9.1
a.possibledesignpointviagainadjustment(A)
designpointthatcannot
bemetviagainadjustment(B);
Figure9.1(b)
responsesfrompolesatAandB9.1IntroductionFigure9.1
a.possibledesign3補償器種類
Figure9.2
Compensation
techniques:
a.
cascade;
b.
feedback補償器種類
Figure9.2
Compensatio49.2節:
designofcascadecompensationtoimproveess9.3節:
designofcascadecompensationtoimprove暫態反應9.4節:
designofcascadecompensationtoimproveboth
ess
and暫態反應9.5節:
designoffeedbackcompensation9.2節:59.2cascadecompensationtoimprovesteady-stateerror改善ess
補償器3種
1/S:ideaintegralcompensator理想積分器
→
ess=0亦變transientresponse
Fig.9.3b(i.e.變根軌跡圖)
K1+K2/S:PIcontroller(Proportional-plus-Integral)→
ess=0
可不變
transientresponseFig.9.3c
(S+Zc)/(S+Pc):Pc<ZcLagCompensator→
ess↓
可不變
transientresponse9.2cascadecompensationto6Figure9.3a.rootlocusb.
notontherootlocuswith1/Scompensatoradded此設計已無從獲致系統AFigure9.3a.rootlocusb.not7補償器1/S:ideaintegralcompensator
→
ess=0
∵systemtype
增1
ess=finite→ess=0(缺點activenetwork)(缺點變transientresponse)補償器1/S:ideaintegralcomp8Figure9.3
c.
onrootlocuswithPIcompensatoradded
當a甚小→0
不變transientresponse
PIcontroller補償Figure9.3c.onrootlocusw9(S
+a)/S:PIcontroller(Proportional-plus-Integral)→
ess=0
∵systemtype
增1可不變transientresponse
當a甚小
Fig.9.3c(缺點activenetwork)
(不變transientresponse)
绘未补偿系统根轨迹课件10绘未补偿系统根轨迹课件11補償器(S+Zc)/(S+Pc):
Pc<ZcLagCompensator暫態反應okay希望調降穩態誤差暫態反應okay維持P點;Zc→Pc控制器角度貢獻→
0補償器(S+Zc)/(S+Pc):Pc<Zc12绘未补偿系统根轨迹课件13绘未补偿系统根轨迹课件14绘未补偿系统根轨迹课件15Figure9.4
Closed-loopsystemfor
Example9.1:
設計目標:希望
ess=0;不變transientresponse
(下頁說明控制器選擇)
beforecompensationafterPIcompensationFigure9.4Closed-loopsy16改善ess
補償器3種(控制器選擇)
1/S:ideaintegralcompensator理想積分器
→
ess=0亦變transientresponse
Fig.9.3b(i.e.變根軌跡圖)
K1+K2/S:PIcontroller(Proportional-plus-Integral)→
ess=0
可不變
transientresponseFig.9.3c
(S+Zc)/(S+Pc):Pc<ZcLagCompensator→
ess↓可不變transientresponse改善ess補償器3種(控制器選擇)17Figure9.5
RootlocusforuncompensatedsystemofFig.9.4(a)3階系統Figure9.6
Rootlocusforcompensated
systemofFigure9.4(b)Example9.1Figure9.5
Rootlocusforunco18Figure9.7timeresponse
PIcompensatedsystemresponseandtheuncompensatedsystemresponseofExample9.1設計目標:
ess=0不變transientresponseFigure9.7timeresponse
19Figure9.8
PIcontrollerFigure9.8
PIcontroller201/111.未補償系統ζ=0.174→根軌跡決定系統位置
2.ess降低10倍→先求未補償系統的ess
1/111.未補償系統ζ=0.174→根軌跡決定21Uncompensatedsystem
先畫根軌跡找出系統現況2/11Uncompensatedsystem
先畫根軌跡找出22Uncompensatedsystem找未補償系統的穩態誤差e(∞)=1/(1+Kp)=0.108
Kp
=lims→0G(s)=164.6/20=8.233/11Uncompensatedsystem找未補償系統的23改善ess
補償器3種(控制器選擇)4/11
1/S:ideaintegralcompensator理想積分器
→
ess=0亦變
transientresponse
Fig.9.3b(i.e.變根軌跡圖)
K1+K2/S:PIcontroller(Proportional-plus-Integral)→
ess=0可不變transient
responseFig.9.3c
(S+Zc)/(S+Pc):Pc<ZcLagCompensator→
ess↓
可不變
transientresponse改善ess補償器3種(控制器選擇)4/1245/115/1125绘未补偿系统根轨迹课件26e(∞)=1/(1+Kp)
=0.108
Kp
=lims→0G(s)=164.6/20=8.23
ec(∞)=0.0108
由Gc(s)調整7/11Uncompensatedsysteme(∞)7/11Uncompensatedsystem27Figure9.12CompensatedsystemofFigure9.11
8/11ec(∞)=0.0108
=1/(1+Kpc)
Kpc=lims→0Gc(s)G(s)=lims→0Gc(s)Kp
=lims→0
Gc(s)8.23=91.593
lims→0
Gc(s)=Zc/Pc=11.132Gc(s)=(s+Zc)/(s+Pc)→取Pc=0.01→Zc=0.111Figure9.12Compensatedsyst28Table9.1
Predictedcharacteristicsofuncompensatedandlag-compensatedsystemsforExample9.29/11Table9.1
Predictedcharacteri29Figure9.13
Stepresponsesofuncompensatedandlag-compensatedsystemsfor
Example9.210/11
Figure9.13
Stepresponsesof30Figure9.14
StepresponsesofthesystemforExample9.2
lagcompensator更趨近原點→反應較慢最終之ess不變11/11Figure9.14
Stepresponsesof31執行Lagcompensation的相關公式執行Lagcompensation的相關公式329.3ImprovingTransientResponseviaCascadeCompensation改善暫態反應
補償器3種
S:
puredifferentiator純微分器
S
+Zc:
PDcontroller
(Proportional-plus-Derivative)
(S+Zc)/(S+Pc):Pc>ZcLeadCompensator超前補償器
9.3ImprovingTransientRespon33Figure9.15UsingPDcompensation(S
+Zc)改變暫態反應%OS不變1/3
a.uncompensated;b.compensatorzeroat–2;
c.compensatorzeroat–3;d.compensatorzeroat–4Figure9.15UsingPDcompensa34Figure9.16timeresponse2/3UncompensatedsystemandidealderivativecompensationsolutionsfromTable9.2Figure9.16timeresponse35Table9.2
PredictedcharacteristicsforthesystemsofFigure9.153/3Table9.2
Predictedcharacteri36Example9.3:
S
+Zc:PDcontroller
Figure9.17
Feedbackcontrolsystem1/7設計目標:補償後系統
%OS=16%
i.e.ζ=0.504
tsc=ts/3Example9.3:S+Zc:PDc37Figure9.18Example9.3
Rootlocusforuncompensatedsystem2/7先求未補償系統位置%OS=16%→ζ=0.504
次求未補償系統ts
ts=4/(ζωn)=4/1.205=3.32
Figure9.18Example9.38Figure9.18Example9.3
Rootlocusforuncompensatedsystem2/7Figure9.18Example9.39Figure9.19CompensateddominantpolesuperimposedovertheuncompensatedrootlocusforExample9.33/7希望補償後
dominantpoles=-3.613±j6.192→∠Gc(s)G(s)=1800
目標
設計
Gc(s)=S
+ZcPDcontroller希望補償後tsc=3.32/3=1.107
→(ζωn)c=3.613→%OS不變
→補償後
dominantpoles=-3.613±j6.192Figure9.19Compensatedd40Figure9.204/7
EvaluatingthelocationofthecompensatingzeroforExample9.3希望之角度補償
∠S
+Zc
=1800
-∠G(s)Figure9.2041Figure9.21
RootlocusforthecompensatedsystemofExample9.35/7Figure9.21
Rootlocusforthe42Figure9.22timeresponse
Uncompensatedandcompensatedsystemstepresponsesof
Example9.36/7Figure9.22timeresponse43Table9.3
UncompensatedandcompensatedsystemcharacteristicsforExample9.37/7Table9.3
Uncompensatedandco44Figure9.23
PDcontrollerS
+Zc
Figure9.23
PDcontroller45Example9.4
Leadcompensatordesign
(S+Zc)/(S+Pc):Pc>Zc
設計目標:
補償後系統
%OS=30%
i.e.ζ=0.358
tsc=ts/2
Figure9.26uncompensatedandcompensateddominantpolesExample9.4Leadcompensato46∠kG(s)=-1800
目標→∠Gc(s)+∠kG(s)
=-1800
∠Gc(s)=∠(S+Zc)/(S+Pc)=θc超前控制器設計→選擇Leadcompensator貢獻的角度∠kG(s)=-1800目標→∠Gc(s)+∠47Figure9.25
ThreeoftheinfinitepossibleleadcompensatorsolutionsLeadcompensator貢獻的角度(S+Zc)/(S+Pc):Pc>Zc∠(S+Zc)/(S+Pc)=θc
正值
超前控制器目標→∠Gc(s)G(s)=1800
超前控制器設計→選擇Leadcompensator貢獻的角度→∠Gc(s)=∠(S+Zc)/(S+Pc)=θcFigure9.25
Threeoftheinfin48Table9.4
ComparisonofleadcompensationdesignsforExample9.4Whichisthebestdesign?系統階數?是否有2個主要極點?是否有零點?能否抵消?比較規格達成度確認最佳設計Table9.4
Comparisonoflead49Figure9.28
Compensatedsystemrootlocus(whichisthisdesign?)Figure9.28
Compensatedsystem50Figure9.29
Uncompensatedsystemandleadcompensationresponsesfor
Example9.4Figure9.29
Uncompensatedsyst519.4designofcascadecompensationtoimprovebothess
and暫態反應
improveboth暫態反應firstthenimproveessExample9.5自修9.4designofcascadecompens52改善ess
補償器3種1/3
1/S:積分器→
ess=0(S
+a)/S:PI控制器→
ess=0
(S+Zc)/(S+Pc):Pc<ZcLagCompensator→
ess↓控制器設計原則:選pole,zero
近原點,維持暫態反應不變改善暫態反應
補償器3種
S:微分器
S
+Zc:PD控制器
(S+Zc)/(S+Pc):Pc>ZcLeadCompensator同時改善暫態反應和
ess
PID
控制器:(S
+Zc)(S
+a)/S
Lag-Lead補償器:[(S+Zc)/(S+Pc)]Lead[(S+Zc)/(S+Pc)]Lag設計原則:先調暫態反應再調穩態誤差改善ess補償器3種531.繪未補償系統根軌跡a.根軌跡條數=3
%OS=20%i.e.ζ=0.456b.實軸上根軌跡c.漸近線(3zerosat∞)Ex.9.6Fig.9.37
%OS=20%i.e.ζ=0.456Tsc=Ts/2Ts=4/(ζωn)essc=ess/10kGH(s)==-16/3
=π/3
;π;
5π/3
2/31.繪未補償系統根軌跡Ex.9.6Fig.9541.繪未補償系統根軌跡d.Breakawaypoint1+kGH(s)=0k(s)=-1/[GH(s)]
→dk/ds=0
→
s=-2.43;-8.24(不適用)e.trial-and-error
∠GH(s)=-1800find未補償系統ats=-1.794±j3.501∣kGH(s)∣=1→k=192.12.
先調暫態反應f.補償後系統
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