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第 8 章 控制系统的工程设计; 所谓工程设计法,是指当系统的静态结构已经确定,选择动态校正环节计算参数,以满足控制系统动态性能指标的设计过程。这种方法又称动态设计法,它主要在频率法的基础上,归纳出一些适合一般控制系统的简单设计法则,最后把控制系统的设计问题归纳为若干代数方程的求解问题。;8. 1 控制系统工程设计概述; 这使得工程设计无法提出一种严格而又统一的设计步骤。此外,从工程上给出的动态性能指标,往往是以最直观的时域指标 M p 、 ts 等表述的,而在实???分析和设计时常用频域指标来描述系统的动态性能,于是就要求建立不同类型性能指标之间的相互关系。在前一章中,我们已讲述了一般的频率法设计步骤,在一般的场合下能设计出动态性能比较好的系统,但有时所得到的校正特性难以实现(如所得校正环节的传递函数分子阶次高于分母阶次)或即使能实现,结构也很复杂。; 因此,必须采用适当的方法,把频率设计方法转化为适合于实际工程系统的工程设计方法。在一般的控制系统的工程设计中,人们往往规定其校正方法以串联校正为主,通过简化处理,将整个系统转化为低阶系统,并把它们归结为几种典型结构,由此将工程设计问题归结为几种典型系统的设计问题。;8. 2 典型系统的特性;8. 2. 1 典型 Ⅰ 型系统 1. 传递函数 典型 Ⅰ 型系统的开环传递函数为如图 8-1 所示为典型 Ⅰ 型系统的方框图和开环对数频率特性的幅频特性图。该系统的闭环传递函数为;; 典型 Ⅰ 型系统的特征如下: (1 )开环传递函数中含有一个积分环节,其低频段对数幅频特性的斜率为 -20dB / dec ,所以系统是一阶无差的。 (2 )因为; 2. 参数之间的关系 研究当参数 K 和 T 之间存在何种关系时,系统具有更好的性能,实质上是研究 ω c 和1/T之间应保持多大间距的问题,这主要取决于要求系统的相位裕度的大小,此时相位裕度为 由式( 8-3 )可知,当 ω c 增大时, γ ( ω c )减小。在实际系统的设计中, T 往往由固定特性所决定,于是只有参数 K 可变。因此,设计问题就归结为确定合理的开环增益 K 。; 将式(8-2 )改写为以下形式:由式( 8-4 )可以看出,这是一个标准的二阶系统。对照第 6 章所述二阶系统的时域和频域性能指标,可以得到 KT 与各特征参量的关系,如表 8-1 所示。;; 例 8-1 如图 8-2 所示的控制系统,其固有部分为一个惯性环节,加入一个积分调节器作串联校正,构成一个无静差系统。试根据“最佳设计原则”确定 τ 的值,并求动态性能指标 tr 、 t s 、 M p 和 ω c 。; 解 因系统固有部分为一个惯性环节,且 T =0.01s , K =10 。按“最佳设计原则”有所以;8. 2. 2 典型 Ⅱ 型系统 1. 传递函数 典型 Ⅱ 型系统的开环传递函数为如图 8-3 所示为典型 Ⅱ 型系统的方框图和开环对数频率特性的幅频图。该系统的闭环传递函数为;; 典型 Ⅱ 型系统的特征如下: (1 )开环传递函数中含有两个积分环节,其低频段对数幅频特性的斜率为 -40dB / dec ,所以系统是二阶无差的。 (2 )由图 8-3 ( b )可知:;相位裕度为 式( 8-8 )可知, 1 / T 1 和 1 / T 2 相距越大(中频带越宽),系统的相对稳定性越高。另外, K 值的大小会改变 ωc 的位置。因此,典型 Ⅱ 型系统的工程设计就归结为 h 值和 ω c 的选择。; 2. 参数之间的关系 在 K 、 T 1 和 ω c 之间的关系问题上有若干种不同的处理方法。各方法出发点不一,但结果大同小异,比较常用的有下面几种: (1 )最大 γ ( ω c )法。这种方法是将 ω c 取在 ω 1 =1 / T 1 和 ω 2 =1 / T 2 的中点,在前面我们已经证明,此时 γ (ω c )最大。即;则; (2 )最小 M p 法。这种方法是以最小超调量为指标推导的,所以叫最小 M p 法。; 在不同的 h 值下,按最小 M p 法确定 ω c 位置的典型 Ⅱ 型系统具有表 8-2 中所列的动态性能指标。; 表 8-3 列出了最大 γ (ω c )法与最小 M p 法的比较。; 从上述比较可以得出如下结论: (1 )同是典型 Ⅱ 型系统,最大 γ ( ω c )法和最小 M p 法的区别仅在于 ω c 位置的取法不同。 (2 )在同样的 h 值之下,最小 M p 法所取 ω c 偏右,由于偏离了中心,系统超调量稍大,但过渡过程时间相对较小,因而
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