第三章控制系統(tǒng)性能改進(jìn) 反饋,復(fù)雜結(jié)構(gòu)1

1、3.4.1 反饋控制系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的改進(jìn)以開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為例（假設(shè)不考慮擾動(dòng)輸入Mc =0）回憶：一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng) 瞬態(tài)響應(yīng)的快慢只與Tm有關(guān)，與Kc無(wú)關(guān)，因此無(wú)法通過(guò)設(shè)計(jì)Kc提高響應(yīng)速度。 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm非常大，此時(shí)的時(shí)間常數(shù)Tm不能滿足瞬態(tài)響應(yīng)的要求，則只能期望選用品種有限的來(lái)減小Tm。通過(guò)改變被控對(duì)象Gp(s)來(lái)改進(jìn)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的余地十分有限。有沒(méi)有其他思路？3.4.1 反饋控制系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的改進(jìn)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：實(shí)際物理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)？對(duì)象（Gp）有慣性：分母階數(shù)分子階數(shù)本例中：有沒(méi)有其他思路？如何解決實(shí)現(xiàn)問(wèn)題？3.4.1 反饋控制系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的改進(jìn)加入反饋的改進(jìn)3.4.1 反饋控制系

2、統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的改進(jìn)閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)減少，瞬態(tài)響應(yīng)改進(jìn)。假設(shè)設(shè)計(jì)Kc使得KcKuKf=100，則瞬態(tài)響應(yīng)改進(jìn)程度可達(dá)100倍以上。3.4.2 反饋控制系統(tǒng)的特性穩(wěn)態(tài)誤差的減小開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)參考輸入與系統(tǒng)輸出的偏差為閉環(huán)偏差傳遞函數(shù)為 ：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的直流增益單位階躍輸入作用下，利用終值定理閉環(huán)系統(tǒng)環(huán)路直流增益開(kāi)環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差閉環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差3.4.2 反饋控制系統(tǒng)的特性穩(wěn)態(tài)誤差的減小開(kāi)環(huán)：Gc(0)=1/Gp(0)時(shí)，有 eF()=0僅調(diào)整功率放大器參數(shù)，設(shè)Kc=1/Ku 即可采用額外的開(kāi)環(huán)控制器，3.4.2 反饋控制系統(tǒng)的特性穩(wěn)態(tài)誤差的減小閉環(huán)： Gc(0)足夠大，有e()足夠小。設(shè)計(jì)Kc很大

3、或直接串入積分環(huán)節(jié)(額外設(shè)計(jì))。開(kāi)環(huán)控制器與閉環(huán)控制器對(duì)比3.4.3 反饋控制系統(tǒng)的特性對(duì)內(nèi)部模型的靈敏度系統(tǒng)的靈敏度：反映系統(tǒng)對(duì)模型、參數(shù)變化的敏感性。傳遞函數(shù)的變化率與整個(gè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的變化率之比。開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的靈敏度閉環(huán)傳遞函數(shù)的靈敏度3.4.3 反饋控制系統(tǒng)的特性對(duì)內(nèi)部模型的靈敏度閉環(huán)控制系統(tǒng)靈敏度 反饋可以改變模型的靈敏度3.4.4 反饋控制系統(tǒng)的特性對(duì)外部干擾的抑制干擾輸入對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)則完全是多余的 ，電子電路中的內(nèi)部噪聲，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載變化，燃燒系統(tǒng)中燃?xì)獾某煞肿兓雀蓴_都是實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法回避的客觀存在。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：進(jìn)入系統(tǒng)的干擾經(jīng)過(guò)對(duì)象或部分對(duì)象對(duì)輸出產(chǎn)生直接的影響。反饋

4、控制系統(tǒng)具有抑制外部干擾的能力。 3.4.4 反饋控制系統(tǒng)的特性對(duì)外部干擾的抑制1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 存在擾動(dòng)時(shí)，無(wú)論怎樣設(shè)計(jì)，開(kāi)環(huán)誤差不為03.4.4 反饋控制系統(tǒng)的特性對(duì)外部干擾的抑制2閉環(huán)控制系統(tǒng)擾動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)值：若閉環(huán)設(shè)計(jì)Kc使得KcKuKf=100，由于參考輸入為零，則閉環(huán)控制穩(wěn)態(tài)誤差()比開(kāi)環(huán)控制穩(wěn)態(tài)誤差F()小100倍以上，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)響應(yīng)比開(kāi)環(huán)控制改進(jìn)達(dá)100倍以上 反饋控制抑制擾動(dòng)誤差3.5 復(fù)雜反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其特性 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng):具有單回路的控制系統(tǒng);復(fù)雜反饋控制系統(tǒng)：多反饋回路或多控制通道。 內(nèi)環(huán)反饋校正 ：內(nèi)環(huán)反饋上校正通過(guò)設(shè)計(jì)Gh(s)，可改進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品

5、質(zhì)，達(dá)到削弱對(duì)象模型Gp(s)不確定影響的目的。串級(jí)控制：兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。3.5 復(fù)雜反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其特性D2(s)？?jī)?nèi)環(huán)反饋抑制擾動(dòng)3.5 復(fù)雜反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其特性串級(jí)控制的另外一個(gè)特性：階躍輸入下的偏差傳遞函數(shù) 3.5 復(fù)雜反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其特性結(jié)論：要消除階躍參考輸入作用下主參數(shù)的穩(wěn)態(tài)誤差，主調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)。 類似的證明，對(duì)于進(jìn)入副回路的階躍干擾，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器任一方具有積分作用都可消除主參數(shù)的穩(wěn)態(tài)誤差。 對(duì)于進(jìn)入主回路的階躍干擾，只有主調(diào)節(jié)器具有積分作用才可消除主參數(shù)的穩(wěn)態(tài)誤差。 對(duì)于進(jìn)

6、入副回路的階躍干擾，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器任一方具有積分作用都可消除穩(wěn)態(tài)誤差。對(duì)于進(jìn)入主回路的階躍干擾，只有主調(diào)節(jié)器具有積分作用才可消除穩(wěn)態(tài)誤差?？偨Y(jié)：利用串級(jí)控制系統(tǒng)特性的基本原則1）對(duì)于存在較強(qiáng)外部干擾時(shí)，應(yīng)盡量將較強(qiáng)的外部干擾包含在副回路，從而削弱主要干擾的影響。2）對(duì)于具有大的時(shí)間常數(shù)和模型不確定性（參數(shù)攝動(dòng)和非線性）的對(duì)象，應(yīng)盡量將對(duì)象時(shí)間常數(shù)較大的和模型不確定性較強(qiáng)的部分包含在副回路，通過(guò)將副回路設(shè)計(jì)成（隨動(dòng)控制系統(tǒng)）使副參數(shù)在動(dòng)態(tài)上實(shí)現(xiàn)1:1跟蹤主調(diào)節(jié)器的輸出，從而改進(jìn)時(shí)間常數(shù)（響應(yīng)速度）和消除模型不確定性的影響?？偨Y(jié)：利用串級(jí)控制系統(tǒng)特性的基本原則3）對(duì)于階躍參考輸入和進(jìn)入主回路的

7、階躍干擾，主調(diào)節(jié)器必須含積分環(huán)節(jié)以便消除主參數(shù)的穩(wěn)態(tài)誤差。3.5 復(fù)雜反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其特性內(nèi)環(huán)反饋校正結(jié)構(gòu)可以等效化為串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。無(wú)論是內(nèi)環(huán)反饋校正還是串級(jí)控制，都具有抑制進(jìn)入內(nèi)環(huán)的外部干擾、改進(jìn)內(nèi)環(huán)對(duì)象的時(shí)間常數(shù)和抵御內(nèi)環(huán)對(duì)象模型誤差和不確定性的能力。 3.5 復(fù)雜反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其特性設(shè)計(jì)原則：消除穩(wěn)態(tài)誤差及不變性原理（系統(tǒng)輸出面對(duì)擾動(dòng)時(shí)不變）減小和消除外部擾動(dòng)的不利影響。適用于擾動(dòng)量可直接測(cè)量的場(chǎng)合?；舅枷耄豪没跀_動(dòng)的控制作用來(lái)抵消擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。結(jié)構(gòu)：雙通道結(jié)構(gòu)要求外部擾動(dòng)作用點(diǎn)與系統(tǒng)輸出測(cè)量點(diǎn)間至少存在兩個(gè)信號(hào)傳遞通道。目的：系統(tǒng)輸出完全不受擾動(dòng)影響。前饋-反饋控制：按參考輸入