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机电系统3 - 1
机电一体化系统设计 稳:针对闭环系统,当参数匹配不当时,会引起振荡。 准:调节过程结束后输出量与给定量之间的偏差越小越好。 快:当系统输出量与输入量之间产生偏差时,消除这种偏差的快速程度。 因系统的稳准快是相互制约的,故被控对象不同,各种系统对稳准快有所侧重。快速性好,可能引起振荡,或超调,控制精度变差。 控制系统的分类 1) 按控制器的输入中是否有被控对象状态,分为顺序控制和反馈控制。前者依据时间、逻辑、条件等顺序决定被控对象的运行步骤,如PLC控制的红绿灯,后者依据被控对象的运行状态决定被控对象的变化趋势,如双闭环调速。 2) 按系统输出变化规律分为镇定系统,如恒温调节,随动系统,如炮描雷达。 3) 按信号处理形式分为连续控制(模拟)和离散控制(数字/计算机)。 电枢控制直流电动机 直流电动机的原理:当励磁绕组中有电流ia流过时,处在磁场中的转子绕组则会产生电磁力矩,转子旋转。同时,转子切割磁力线产生反电势。转子转速与气隙磁场强度及电枢电压有关,所以,控制电枢电压或励磁电流就能控制电机转速。 1)励磁绕组中励磁电流 if=If=恒值 (1) 2)气隙磁通与励磁电流成正比,则 Φ(t)=kfif=kfIf=恒值 (2) 3)电机转矩 Tm(t)=kmia Φ(t)= kiia(t) (3) 上式拉氏变换: Tm(s)=kmia Φ(s)= kiia(s) (4) 4)反电势: 5)由电枢回路的平衡方程 6)转矩平衡方程及其拉氏变换 依次查看式(8)(3) (11)(5),可得系统方块图 3.4 数字控制系统分析3.4.1 控制信号的采样与复原 稳态误差 为 要使系统的稳态误差为零,则 p≥m 其中, 为一个待定的 多项式。 (2)最快速达到稳态的要求 ?因为……和……都是……多项式,……是……有限阶多项式。它的次数等于………趋于零的拍数。为使……尽快为零,希望这个多项式的次数为最小,可取 若要使设计的数字控制器最简单,且………以最少的拍数达到零,可选…………… 。 (3)………物理可实现的要求 所谓数字控制器………物理可实现问题,是要求数字控制器算法中不允许出现对未来时刻的信息的要求。这是因为未来信息尚属未知,不能用来计算控制量。具体说来,就是………的无穷级数展开式中不能出现………的正幂项。 设广义对象的脉冲传递函数为??? ?若我们希望闭环脉冲传递函数 可求得数字控制器的脉冲传递函数 的无穷级数展开式将出现……的正幂项。 若 ,则 只有 时才能满足物理可实现条件。为此,取 闭环脉冲传递函数应具有形式 其中, (4)闭环稳定性要求 设系统开环传递函数为 ………是………的不包含单位圆外或单位圆上的零、极点部分。即………有…………………等……个单位圆外或单位圆上的零点,…………………等……个单位圆外或单位圆上的极点。 由上式可知,………若有单位圆上或单位圆外的极点,并且该极点没有与………或…………的零点对消的话,则它也将成为………的极点,从而造成闭环系统不稳定。 1) ………的极点要求 可以将闭环传递函数改写成 ?解决方法: a.利用………的零点去对消………不稳定的极点;b.利用…………的零点来对消这些极点。 1)物理意义 采样信号…的频谱……在高频部分重现 …?频谱 ………。 2)采样信号频谱特点 ●当……≥2……时,…………的频谱与………相比,只是在高频重现………的频谱,相邻两个频谱之间并不重叠,如图3.27b、c所示,若采用具有图3.28所示频谱特性的低通滤波器或称理想保持器,消除高频分量,则可以不失真地由…………恢复…………; 2)采样信号频谱特点 ●当……<2………时,则 ………的相邻的两个频谱之间产生了重叠,从而引起畸变,这时由理想保持器也不能恢复原来的…………,如图3.27d所示。 (2)香侬定理 若……是一个带宽为2……的有限带宽信号,则由采样信号………能够无失真地恢复到原信号………的条件为 ………………≥2 …………其中, ………………为采样角频率。 每周期应该有多少采样点 ? 最少2点: 需注意,满足采样定理,只保证不发生频率混叠,而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。 零阶保持器:将前一个采样时刻的采样值………保持到下一个采样时刻………,如图3.29所示。 3.28 理想保持器的频谱 3.29应用零阶保持器恢复的信号 (3)保持器 保持器:将离散的采样信号恢复到原连续信号的装置。理想的保持器如图3.28所示频谱的低通滤波器。 零阶保持器:将前一个采样时刻的采样值………保持到下一个采样时刻……..…,如图3.29所示。零阶保持器的时域函数: …………………………(
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