1
§ 7-1系统设计概述系统分析,在系统的结构,参数已知的情况下,
计算出它的性能 。
系统校正,在系统分析的基础上,引入某些参数可以根据需要而改变的辅助装置,来改善系统的性能,这里所用的辅助装置又叫校正装置 。
一般说来,原始系统除放大器增益可调外,其结构参数不能任意改变,有的地方将这些部分称之为
,不可变部分,。 这样的系统常常不能满足要求 。
如为了改善系统的稳态性能可考虑提高增益,但系统的稳定性常常受到破坏,甚至有可能造成不稳定 。
为此,人们常常在系统中引入一些特殊的环节 ——
校正装置,以改善其性能指标 。
2
常用的几种校正方法:
1.从校正装置在系统中的连接方式来看,可分为:
串联校正 反馈校正前馈校正:输入控制方式 前馈校正:干扰控制方式
()Rs ()Cs
()Gs)( sG c
)( sH
1 ()Gs 2
()Gs
()cGs
()Hs
()Rs ()Cs

()Cs?
()Ns
()Es
2
()Gs
1
()Gs
()
c
Gs
()
n
Gs
()Hs
1
()Gs
()
c
Gs
()Hs
()Cs
2
()Gs
()Rs
3
校正类型比较:
串联校正,
分析简单,应用范围广,易于理解、接受。
反馈校正,
常用于系统中高功率点传向低功率点的场合,一般无附加放大器,所以所要元件比串联校正少。另一个突出优点是:只要我们合理地选取校正装置参数,可消除原系统中不可变部分参数波动对系统性能的影响。
在 特殊的系统中,常常同时采用串联,反馈和前馈校正。
4
2,从校正装置自身有无放大能力来看,可分为:
无源校正装置,
自身无放大能力,通常由 RC网络组成,在信号传递中,会产生幅值衰减,且输入阻抗低,输出阻抗高,
常需要引入附加的放大器,补偿幅值衰减和进行阻抗匹配。
无源串联校正装置通常被安置在前向通道中能量较低的部位上(参见书最后附表 ) 。
有源校正装置:
常由运算放大器和 RC网络共同组成,该装置自身具有能量放大与补偿能力,且易于进行阻抗匹配,
所以使用范围与无源校正装置相比要广泛得多。
5
§ 7-2 不同域中性能指标的表示及其相互转换我们研究了系统的,三性”,
稳 定 性--是系统工作的前提,
稳态特性--反映了系统稳定后的精度,
动态特性--反映了系统响应的快速性。
人们追求的是稳定性强,稳态精度高,动态响应快。
不同域中的性能指标的形式又各不相同:
1,时域指标:超调量 σp,过渡过程时间 t s,以及峰值时间 tp,上升时间 tr等 。
2,频域指标,( 以对数频率特性为例 )
① 开环:增益剪切频率 ωc,相位裕量 r及增益裕量
Kg等 。
② 闭环:谐振峰值 Mr,谐振频率 ωr及截止频率 ωb
等 。
6
稳定性运动方程的特征根具有负实部,
则系统稳定。
频率特性的相位裕量 γ > 0,
增益 裕量
g
K > 0,则系统稳定。
由运动方程的系数决定。
取决于系统频率特性低频段的特性,
对型号数相同的系统来说,低频段幅值越大,稳态误差 e
ss
越小。
主要特性参数,
过渡过程时间,t
s
最大超调量,σ
P
(以及上升时间 t
r
、峰值时间 t
P
,
延迟时间 t
d
、振荡次数 u 等)。
t
s
越短,σ
P
越小,动态特性越好。
主要取决于频率特性中频段的特性参数,
相位裕量,γ
增益剪切频率,ω
c
γ 越小,振荡得越厉害,
ω
c
越大,响应速度越快
(闭环:谐振频率 ω
r,
谐振峰值 M
r
,
截止频率 ω
b
等 )。
稳态特性动态特性时 域微分方程 — 数学求解频 域频率特性 — 频率法
(开环 B ode 图为例)
性能数学模型
7
一,时域与开环频域之间动态性能指标的关系研究表明,对于二阶系统来说,不同域中的指标转换有严格的数学关系。而对于高阶系统来说,这种关系比较复杂,工程上常常用近似公式或曲线来表达它们之间的相互联系。
主要讨论,与 ωc,之间的关系
1.二阶系统
()Rs ()Cs2
( 2 )
n
nss

p?st
8
( 1) 与 之间的关系典型二阶系统的开环传递函数为其频率特性幅值根据系统增益剪切频率 ωc的定义,令求得则
p
)2 ζs ( s
ωG ( s )
n
2n

2n22
2n
)ωω(2 ζ)ω(
ω)G ( j ω

1)ωG(j c?
24nc 2 ζ4 ζ1ωω
24
cn
2 ζ4 ζ1
ωω

2 ζ
2 ζ4 ζ1
tg90)G ( jω
24
1c
24
1
24
1
c
2 ζ4 ζ1
2 ζ
tg
2 ζ
2 ζ4 ζ1
tg90)G ( jω180γ



9
上式的关系曲线见图。
当 时,可近似直线关系,如虚线。
90
60
30
0
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0
600
100?
100%eσ 2ζ1
ζ
p

r
M
0,2 0,80,6 1,00 0,4
1
3
2
r
M
p
p
又因为
10
与 的关系是通过中间参数 ζ相联系的。
对于二阶系统来说,越小,越大;
为使二阶系统不至于振荡得太厉害以及调节时间太长,一般取,300 ≤ ≤700
p?
p?
11
( 2) 与,之间的关系将 代入,得到可见,ζ确定以后,增益剪切频率 ωc大的系统,过渡过程时间 ts 短,而且正好是 反比关系 。
我们还可以从 的角度进行分析 。
由二阶系统的分析可得到,将其代入得到上式表明了,ωc和之间的关系。 确定以后,、
ωc也是 反比关系,两种分析结果完全一致。
st c?
n
s ωζ
3t?
ζ
2 ζ4 ζ13ωt 22
cs

γtg2 ζ 2 ζ4 ζ1
24

tg γ
6ωt
cs?
24
cn
2 ζ4 ζ1
ωω

n
s ωζ
3t?
st? st
12
2,高阶系统对于高阶系统,开环频域与时域指标之间难以找到准确的关系式。为了说明开环频域指标与时域指标的近似关系,介绍如下两个经验公式:
可以看出,减小,增大;过渡过程时间 随 的减小而增大,但随 ωc的增大而减小。
对二阶 和高阶系统的分析可知,系统开环频率特性中频段的两个重要参数,ωc反映了闭环系统的时域响应特性。所以可以这样说:闭环系统的动态性能主要取决于开环对数幅频特性的中频段。
)90γ( 3 51)γs i n 10,4 (0,1 6p (s)ωKπ
c
st
)90γ( 3 51)γs i n 12,5 (1)s i n 1(5.12K 2
p
st
13
例,设某一系统的开环传递函数试估算该系统的时域性能指标。
解:各环节的转折频率系统的开环对数幅频图如下所示。
1)1 ) ( 1 1,8 s1 ) ( 0,0 2 5 ss ( 0,0 2 s
1)2 5 0 ( 0,5 9 sG ( s )


400 2 5.0 15002.0 1 085.08.11 17.159.0 1
80
120
40
0.01
()L? dB
10.1
-20
0.085 1.7 12
40?
60?
6040
20?
14
相位裕量
=1800+φ( ωc) =1800+( -tg-10.02?12-
tg-10.025?12-tg-111.8?12+tg-10.59?12-900)
=1800+(-13.50-16.70-89.60+820-900)=52.20
代入经验公式求得:
0,6 8 ( s )
12
3,1 42,5 8 7
ω
k π
t
2,5 8 7( 0,2 7 )2,50,2 71,521)
52s i n
1
2,5 (1)
52s i n
1
1,5 (2k
2 7 %0,2 70,1 0 80,1 61)
52s i n
1
0,4 (0,1 6σ
c
s
22
p




15
用开环频率特性进行系统设计,应注意以下几点:
( 1)稳态特性要求具有一阶或二阶无静差特性,开环幅频低频斜率应有 -20或 -40。为保证精度,低频段应有较高增益。
( 2)动态特性为了有一定稳定裕度,动态过程有较好的平稳性,一般要求开环幅频特性斜率以 -20穿过零分贝线,且有一定的宽度。为了提高系统的快速性,应有尽可能大的 ωc。
( 3)抗干扰性为了提高抗高频干扰的能力,开环幅频特性高频段应有较大的斜率。高频段特性是由小时间常数的环节决定的,由于其转折频率远离 ωc,所以对的系统动态响应影响不大。但从系统的抗干扰能力来看,则需引起重视。
16
二,时域动态指标与闭环频域指标的关系主要研究?p,与 Mr,?r,?b之间的关系
( 1) 二阶系统
1)?p与 Mr的关系二阶系统的谐振频率为:
谐振峰值:
可看出,对于相同的? 来说,Mr越小,?p也越小;如果 Mr
较高,系统的超调量?p也加大,且收敛慢,平稳性及快速性都差。当 Mr=1.2?1.5时,对应的 =20?30%时,可获得适度的振荡性能。若 Mr>2,则与此对应的超调量可达 40%以上。
0,7 0 7 )ζ(02 ζ1ωω 2nr
)0,7 0 7ζ(0ζ12 ζ 1M 2r
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2) 与?b的关系不难发现问题,?b与 Mr均与? 有关。对于给定的?(或谐振峰值 Mr),调节时间与带宽频率成反比。如果系统有较大的带宽,则说明系统自身的
“惯性”很小,动作过程迅速,系统的快速性好,也小。
st
0,7 0 7)ωω(2 ζ)ω-( ω ω)M( ω 2
bn
22
b
2
n
2
n
b
422nb 4 ζ4 ζ-22 ζ-1ωω
422
sb 4 ζ4 ζ-22 ζ-1ζ
3tω
st
18
( 2) 高阶系统工程上常用经验公式
≤ ≤
=0.16+0.4(Mr-1) (1? Mr?1.8)
式中
K=2+1.5(Mr -1)+2.5(Mr -1)2 (1? Mr?1.8)
sin
1M
r?
35?90
( s)ωK πt
c
s?
p?
19
§ 7- 3 频率域中的无源串联校正三个频段的概念中频段 高频段低频段
c
()L?
15
15?
dB
20
控制系统的校正方法通常有两种:
1,分析法。分析法是一种试探的方法,可归结为:
原系统频率特性 +校正装置频率特性 =希望频率特性
G0(jω) Gc(jω) G(jω)
从原有的系统频率特性出发,根据分析和经验,选取合适的校正装置,使校正后的系统满足性能要求。
2,综合法。这种方法可归结为:
希望频率特性 原系统频率特性 =校正装置频率特性
G(j?) G0(j?) Gc(j?)
根据对系统品质指标要求,求出能满足性能的系统开环频率特性,即希望频率特性。再将希望频率特性与原系统频率特性相比较,确定校正装置的频率特性。
21
一、超前校正装置与超前校正
1,超前校正装置具有相位超前特性 (即相频特性> 0)的校正装置叫超前校正装置,有的地方又称为微分校正装置。
超前网络的传递函数可写为
C
()Rs
()Cs
1
R
2
R
(a)
1Ts
1Tsα
α
1
R( s )
C( s )(s )G
c?

CRR RRT
21
21
1R RRα
2
21
22
如果对无源超前网络传递函数的衰减由放大器增益所补偿,则称为超前校正装置传递函数无源超前校正网络对数频率特性
(b)
()L?
1
T
1
T?
2 0 l g
()
m
20?
m
0
0
1Ts
1Tsα( s )G
c?

23
校正网络有下面一些特点:
1,幅频特性小于或等于 0dB。
2,大于或等于零。
3,最大的超前相角 发生的转折频率 1/αT与 1/T的几何中点 ωm处。证明如下:
超前网络相角计算式是根据两角和的三角函数公式,可得将上式求导并令其为零,得最大超前角频率
)(
m?
ωTtga r cωTαtga r c)ω(
22 ωTα1
ω1 )Tα(
tga rc)ω(

αT

m?
24
得最大超前相角或写为
α值越大,则超前网络的微分效应越强。
当 α大于 20以后,的变化很小,α一般取 1?20之间。
α2
1αtgar c
m


1αs i narc
m?

m
m
s i n -1
s i n 1α

m?
0
2
4
6
8
10
12
0
10
20
30
40
50
60
()
m
1 0 l g?
1 3 5 7 9 13 15 17 1911
2 0 l g (d B)?