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第8章 复杂控制规律系统设计 ;在工业生产中,大多数过程对象含有较大的纯滞后特性。被控对象的纯滞后时间τ使系统的稳定性降低,动态性能变坏,容易引起超调和持续的振荡
一般来说,这类对象对快速性要求是次要的,而对稳定性、不产生超调的要求是主要的
代表性的方法有纯滞后补偿控制:
史密斯(Smith)预估算法
大林(Dahlin)算法; 设计思路:在选择闭环Z传递函数时,采用相当于连续一阶惯性环节的W(z)来代替最少拍多项式,若对象有纯滞后,则W(z)还应包含有同样的纯滞后环节
(闭环控制系统的纯滞后时间等于被控制对象的纯滞后时间) ; 设计目标:设计合适的数字控制器,使闭环传递函数相当于一个纯滞后环节和一个惯性环节的串联,其中,纯滞后环节的滞后时间与被控对象的纯滞后时间完全相同
保证使系统不产生超调,同时保证稳定性
整个闭环系统的传递函数为
τ为整个闭环系统的惯性时间常数。;
设系统采用零阶保持器,则与W(s)相对应的整个闭环系统的闭环Z传递函数为
可得出大林算法所设计的控制器D(z)为
其中
针对被控对象的不同的形式,要想得到同样性能的系统,就应采用不同的数字控制器D(z);(1) 被控对象为含有纯滞后的一阶惯性环节; (2) 被控对象为含有纯滞后的二阶惯性环节; 振铃(Ringing)现象:数字控制器输出U(z)会以1/2采样频率大幅度上下摆动
振铃现象与被控对象的特性、闭环时间常数、采样周期、纯滞后时间的大小等有关。
振铃现象中的振荡是衰减的,由于被控对象中惯性环节的低通特性,使得这种振荡对系统的输出几乎无任何影响,但是会增加执行机构的磨损,还有可能影响到系统的稳定性,所以应设法消除振铃现象。; 消除振铃的方法:找出造成振铃现象的因子,令该因子中的z=1。
相当于取消了该因子产生振铃的可能性
根据终值定理,该方法不影响输出的稳态值;(1) 被控对象为含有纯滞后的一阶惯性环节
其振铃幅度为
若τ≥τ1,则RA≤0,无振铃现象
若τ τ1,则RA0,有振铃现象
可能引起振铃现象的因子是; 当N=0时,该因子不会引起振铃
当N=1时,有极点 ,若τT,则z→-1,将有严重的振铃现象,令该因子中z=1。
消除振铃后的;若要消除全部可能引起振铃的因子,则消除振铃后的; (2) 被控对象为含有纯滞后的二阶惯性环节
有极点z=-c2/c1,当T→0时,z→-1,将有严重的振铃现象。振铃幅度为 ;若要消除全部可能引起振铃的因子,则消除振铃后的;设被控对象的传递函数为
q为纯滞后时间 ;按大林算法的设计目标,希望闭环传递函数为
当被控对象为含纯滞后的一阶惯性环节时,有;为简便起见,设纯滞后时间q为T的整数倍,q=NT,N为整数
若用前向差分来近似微分,采样周期T足够小,有; 当Tτ时, ,当Tτ1时, ,这样就得到模拟控制器D(s)的离散化形式D(z)
当采样周期T相对于惯性时间足够小时,可采用该控制算法,实践发现,当T≤0.2τ1且T≤0.4τ时,其控制算法就能很好地工作并得到满意的控制性能。; 例 已知被控对象的传递函数为 ,要求希望闭环传递函数为 ,采样周期T=0.1s,用模拟化法求D(z)
解 由已知可知,kp=2,N=1,τ1=0.5s,τ=0.4s。可以看出,T=0.1≤0.2τ1=0.1且T=0.1≤0.4τ=0.16。
因此,可求出数字控制器D(z)为 ; PID算法中的数字控制器D(z)的形式为
若被控对象为含有纯滞后的一阶惯性环节,则在大林算法中消除振铃后的数字控制器为
; 若被控对象为含有纯滞后的二阶惯性环节,则在大林算法中消除振铃后的数字控制器为 ; 若大林算法数字控制器D(z)中,只保留一个z=1极点,而其余的极点都作为可能引起振铃的极点被取消,就可得到典型的PID控制算法
按照不同对象的具体情况,有分析地取消振铃极点,那么大林算法就能够得到比PID算法更好的控制效果
因此,对于被控对象含有较大纯滞后时间的系统,通常不使用PID控制,而采用大林算法; 可以通过大林算法进行PID控制器参数的整定。利用当x→0时,ex→1+x的关系,则当采样周期T足够小时,有; 设一个如图所示的控制系统
被
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