文档介绍：机械工程控制基础
主讲人:许泽银
E-mail:xuzeyin @
一、概述
1、控制系统设计的基本任务
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的控制系统。
具体而言,控制系统的设计任务是在已知被控对象的特性和系统的性能指标条件下设计系统的控制部分(控制器)。
闭环系统的控制部分一般包括测量元件、比较元件、放大元件、执行元件等。
执行元件受被控对象的功率要求和所需能源形式以及被控对象的工作条件限制,常见执行元件:伺服电动机、液压/气动伺服马达等;
测量元件依赖于被控制量的形式,常见测量元件:电位器、热电偶、测速发电机以及各类传感器等;
给定元件及比较元件取决于输入信号和反馈信号的形式,可采用电位计、旋转变压器、机械式差动装置等等;
放大元件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,如电压放大器(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。
各类控制元件除了要满足系统的性能指标要求外,还要注意到成本、尺寸、质量、环境适应性、易维护性等方面的要求。
2、控制系统的校正
测量、给定、比较、放大及执行元件与被控对象一起构成系统的基本组成部分(固有部分),固有部分除增益可调外,其余结构和参数一般不能任意改变。
由固有部分组成的系统往往不能同时满足各项性能的要求,甚至不稳定。尽管增益可调,但大多数情况下,只调整增益不能使系统的性能得到充分地改变,以满足给定的性能指标。
校正(补偿):通过改变系统结构,或在系统中增加附加装置或元件(校正装置),对已有的系统(固有部分)进行再设计使之满足性能要求。
校正是控制系统设计的基本技术,控制系统的设计一般都需通过校正这一步骤才能最终完成。从这个意义上讲,控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置。
3、控制系统的校正方式
串联校正
Gc(s)
G (s)
H(s)
Xi(s)
Xo(s)
并联校正(反馈校正)
Gc(s)
G2(s)
H(s)
Xi(s)
Xo(s)
G1(s)
G3(s)
复合(前馈、顺馈)校正
Gc(s)
G2(s)
Xo(s)
G1(s)
Xi(s)
H(s)
Gc(s)
G2(s)
Xo(s)
G1(s)
N(s)
Xi(s)
H(s)
校正方式取决于系统中信号的性质、技术方便程度、可供选择的元件、其它性能要求(抗干扰性、环境适应性等)、经济性等诸因素。
一般串联校正设计较简单,也较容易对信号进行各种必要的变换,但需注意负载效应的影响。
反馈校正可消除系统原有部分参数对系统性能的影响,所需元件数也往往较少。
性能指标要求较高的系统,往往需同时采用串、并联校正方式。
分析法(试探法)
综合法(期望特性法)
4、控制系统的设计方法
直观、设计的校正装置物理上易于实现。
根据性能指标要求确定系统期望的开环特性,再与原有开环特性进行比较,从而确定校正方式、校正装置的形式及参数。
分析法或者综合法都可应用根轨迹法和频率响应法实现
5、频率响应设计法的优点
频率特性图可以清楚表明系统改变性能指标的方向;
频域设计通常通过Bode图进行,由于Bode图的取对数操作,当采用串联校正时, 使得校正后系统的Bode图即为原有系统Bode图和校正装置的Bode图直接相加,处理起来十分简单;
对于某些数学模型推导起来比较困难的元件,如液压和气动元件,通常可以通过频率响应实验来获得其Bode图,当在Bode图上进行设计时,由实验得到的Bode图可以容易地与其他环节的Bode图综合;
在涉及到高频噪声时,频域法设计比其他方法更为方便。
6、控制系统设计的性能指标
稳态精度:稳态误差ess
过渡过程响应特性
相对稳定性:增益裕量Kg、相位裕量(c)
扰动的抑制:带宽
时域:上升时间tr、超调量Mp、调节时间ts
频域:谐振峰值Mr、增益交界频率c、谐振
频率r、带宽b