文档介绍：第7章线性系统的校正方法
在前面各章中,我们较为详细地讨论了系统分析的基本方法。可以看出,所谓系统分析,就是在已经给定系统的结构、参数和工作条件下,对它的数学模型进行分析,包括稳定性和动态性能分析,看其是否满足要求,以及分析某些参数变化对上述性能的影响。系统分析的目的是为了设计一个满足要求的控制系统,当现有系统不满足要求时,需要找到如何改善系统性能的方法,这就是系统的校正。
本章介绍控制系统的校正方法。下面先介绍控制系统设计的一般步骤,从而阐明系统校正在整个系统设计中的地位和作用。
控制系统校正的概念
控制系统的设计步骤
完成一个控制系统的设计任务,往往需要经过理论与实践的多次反复才能得到比较合理的结构形式和满意的性能。系统的设计过程一般有以下几步。
(1)拟定性能指标
性能指标是设计控制系统的依据,因此,必须合理地拟定性能指标。在不少系统的设计中,有些指标往往并不明确给出,而是由设计人员根据设计要求进行转换。
系统性能指标要切合实际需要,既要使系统能够完成给定的任务,但同时也要考虑实现条件和经济效果。一般来说,性能指标不应当比完成给定任务所需要的指标更高,例如,若系统的主要要求是具有较高的稳态性能,那么,就不必对系统动态过程提过高的性能指标,因为这需要昂贵的元件或者复杂的控制装置。
如果在设计过程中,发现很难满足给定的性能指标,或者设计出的控制系统造价太高,则需要对给定的性能指标作必要的修改。
工程上存在各种性能指标。一种指标对于某一类系统适用,但对另一类系统不一定也适用,所以不同类型的系统需要不同类型的指标。此外,控制系统的很多校正方法是在频域里进行的,需要用频域指标,但时域指标又有它直观、便于测量等优点,因此在许多场合下,时域和频域这两类指标常同时采用。
(2)初步设计
初步设计是控制系统设计中的最重要的一环,主要包括下列几个内容。
1)根据设计任务和设计指标,初步确定比较合理的设计方案,选择系统的主要元部件,拟出控制系统的原理图。
2)建立所选元部件的数学模型,并进行初步的稳定性分析和动态性能分析。一般来说,这时的系统虽然在原理上能够完成给定的任务,但系统的性能一般不能满足要求的性能指标。
3)对于不满足性能指标的系统,可以在其中再加一些元件,使系统达到给定的性能指标。这一步就是本章要重点介绍的系统校正。
4)分析各种方案,选择最合适的方案。对于给定的同一个设计要求,一般可以设计出许多方案,即系统设计是不唯一的,因此,要对得到的各种方案进行比较和论证,不断改进,最后确定一个较好的方案,这样就完成了初步设计工作。
初步设计工作主要是理论分析与计算,在其中必须进行很多的近似,例如,模型简化和线性化等,所以,得到的方案可能没有理论分析的结果理想。为了检验初步设计结果的正确性,并改进设计,还需要进行原理试验。
(3)原理试验
根据初步设计确定的系统工作原理,建立实验模型,进行原理试验。根据原理试验的结果,对原定方案进行局部的甚至全部的修改,调整系统的结构和参数,进一步完善设计方案。
(4)样机生产
在原理试验的基础上,考虑到实际的安装、使用、维修等条件,应进行样机生产。通过对样机的实验调整,在确认其已满足性能指标和使用要求的前提下,进行实际的运行和环境条件考验实验。根据运行和实验的结果,进一步改进设计。在完全达到设计要求情况下,即可将设计定型并交付生产。
可见,一个完整的控制系统设计要经过多次反复试验与修改,才能逐步完善。设计的完善与合理性在很大程度上取决于设计者的经验。
校正的概念与校正方案
前面已经指出,当根据系统所完成的任务,制定出合理的性能指标后,即可选择主要的元部件。例如,要设计一个调速系统,根据系统的调速范围、调速精度等,确定需采用直流调速方式。根据系统的输出功率和供给的能源形式,选择可控硅整流装置及相应的触发电路等;根据负载和调速精度的要求,选择直流电动机以及相应的激磁电路等;根据调速精度选择测速发电机作为测量元件。这样,系统的结构和主要元部件就选定了。。
根据系统中各元部件的特性以及系统结构,可以建立系统的数学模型,然后运用前面各章介绍的分析方法,不难分析系统的动态特性,从而检验系统是否满足给定的性能指标。初步设计出的系统一般来说是不满足性能指标要求的。一个很自然的想法就是在已有系统中加入一些参数和结构可以调整的装置,来改善系统特性。从理论上来讲这是完全可以的,因为加入了校正装置就改变了系统的传递函数,也就改变了系统的动态特性。
一般说来,系统中的测量、放大和执行元件是构成控制系统的基本元件,、触发器、可控硅整流装置、电动机及其励磁电路、测速发电机等。这些装置一经选定后都有