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P、PD和PID控制器性能比较
题 目: P、PD和PID控制器性能比较
初始条件:
一二阶系统结构如图所示,其中系统对象模型为 , 控制器传递函数为,令,,。
要求完成的主要任务: (包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
分析系统分别在P、PD、PID控制器作用下的,由参考输入决定的系统类型及误差常数;
根据(1)中的条件求系统分别在P、PD、PID控制器作用下的、由扰动w(t)决定的系统类型与误差常数;
分析该系统的跟踪性能和扰动性能;
在Matlab中画出(1)和(2)中的系统响应,并以此证明(3)结论;
对上述任务写出完整的课程设计说明书,说明书中必须写清楚计算分析的过程,其中应包括Matlab源程序或Simulink仿真模型,并注释。说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排:
任务 时间(天) 审题、查阅相关资料 1 分析、计算 1.5 编写程序 1 撰写报告 1 论文答辩 0.5
指导教师签名: 年 月 日
系主任(或责任教师)签名: 年 月 日
P、PD和PID控制器性能比较
图 1 i阶系统结构图
1 参考输入决定的系统类型及误差常数
如图1所示,当参考输入决定系统类型及误差常数时:
误差信号为: ;
误差传递函数为: ;
1.1 系统类型
(1) 比例P控制器
当控制器传递函数时,系统的开环传递函数为:
故此系统类型为0型系统。
(2) 比例微分PD控制器
当控制器传递函数时,系统的开环传递函数为:
故此系统类型为0型系统。
(3)比例积分微分PID控制器
当控制器传递函数时,系统的开环传递函数为:
故此系统类型为1型系统。
1.2 误差常数
下面讨论阶跃函数、斜坡函数和加速度函数三种常见的输入信号函数的稳态误差计算。
1.2.1 阶跃信号输入
则
其中
称为系统的稳态位置误差系数。
对0型系统
对1型或高于1型的系统
1.2.2 斜坡信号输入
其中
称为系统的稳态速度误差系数。
对0型系统
对1型系统
对2型或高于2型的系统
1.2.3加速度信号输入
其中
称为系统的稳态加速度误差系数。
对0型系统
对1型系统
对2型系统
对3型或高于3型系统
综上所述:当控制器传递函数时,系统闭环特征方程
由劳斯稳定判据可知,系统是稳定的。
因为系统是0型系统,开环增益为19,因此,系统的稳态误差为:
当控制器传递函数时,系统的闭环特征方程
由劳斯稳定判据可知,系统是稳定的。
因为系统是0型系统,开环增益为,因此,系统的稳态误差为:
当控制器传递函数时,系统的闭环特征方程
由劳斯稳定判据可知,系统是稳定的。
因为系统是1型系统,开环增益为,因此,系统的稳态误差为:
综上可得,控制系统的类别,稳态误差和输入信号之间的关系,归纳如下表1所示。
表1 不同系统稳态误差比较
控制器
系统型别 阶跃输入 斜坡输入 加速度输入 P控制器 0 PD控制器 0 PID控制器 1 0 2R
2 扰动w(t)决定的系统类型与误差常数
由于输入信号和扰动信号作用于系统的不同位置,因此即使系统对于某种形式 输入信号作用的稳态误差为零,但对于同一形式的扰动作用,其稳态误差未必为零。控制系统如图1所示,其中代表扰动信号的拉式变换式。由于在扰动信号作用下系统的理想输出应为零,故该系统响应扰动的输出端误差信号为:
设满足终值定理条件,则
当扰动为阶跃信号时,
当扰动信号为速度信号时,
当扰动信号为加速度信号时,
由于误差传递函数所含的零点数,等价于系统扰动作用点前向通道串联积分环节与主反馈通道串联积分环节之和,故对于响应扰动作用的系统有下列结论:
扰动作用点之前的前向通道积分环节数与主反馈通道积分环节数之和决定系统响应扰动作用的型别,该型别与扰动作用点之后前向通道的积分环节数无关。
如果在扰动作用点之前的前向通道或主反馈通道中设置个积分环节,必可消除系统在扰动信号作用下的稳态误差。
2.1 系统类型
当控制器传递函数时,在扰动作用点之前的积分环节数,而,所以该控制系统对扰动作用为0型系统;
当控制器传递函数时,在扰动作用点之前的微分环节数,而,所以该控制系统对扰动作用为0型系
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