3FeedbackControlSystemCharacteristics2014反馈控制系统的特性资料.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/12/3,张秦艳,#,Fundamentals for Control Engineering,控制工程基础,第三章 反馈控制系统的特性,Feedback Control System Characteristics,2025/3/30 周日,张秦艳,2,目录,3.l,开环和闭环控制系统,3.2,控制系统对参数变化的灵敏度,3.3,控制系统瞬态响应的控制,3.4,反馈控制系统的干扰信号,3.5,稳态误差,3.6,反馈的代价,3.7,设计实例：英吉利海峡海底隧道钻机,3.8,设计实例：火星漫游车,3.9,应用,MATLAB,分析控制系统的特点,3.10,循序渐进设计示例：磁盘驱动读取系统,3.11,小结,2025/3/30 周日,张秦艳,3,提要,掌握以下基本概念：,偏差信号,Deviation signal,误差信号,Error signal,灵敏度,Sensitivity,稳态误差,Steady-state error,会分析开闭环系统对参数变化的灵敏度,会分析一阶系统的瞬态响应,会用灵敏度和传函分析干扰信号对系统的影响,2025/3/30 周日,张秦艳,4,3.1,开环和闭环控制系统,开环系统,(Open-loop system),：没有反馈的系统，其输入信号直接产生输出响应。,闭环系统（,Closed,loop system,）,：将输出的测量值与预期的输出值相比较，产生偏差信号并将偏差信号作用于执行机构的系统。,2025/3/30 周日,张秦艳,5,误差信号（,Error signal,）,：预期的输出信号,R(s)/H(s),与实际的输出信号,Y(s),之差即,E(s)=R(s)/H(s),Y(s).,偏差信号（,Deviation,）,：输入信号,R(s),与实际的反馈信号,Y(s)H(S),之差,E(s)=R(s),Y(s)H(s).,实际的偏差信号为,单位反馈系统（,Unity feedback system,）,:,H(s)=,1,因此,E,a,(s)=E(s),。,2025/3/30 周日,张秦艳,6,3.2,控制系统对参数变化的灵敏度,(Sensitivity),如果,GH(s)1,则,，,如果,H(s)=1,，,就能得到预期的结果,。,但是,G(s)H(s)1,可能引起系统高阶震荡，甚至不稳定。,增加,G(s)H(S),的幅值可以减小,G(s),的参数变化对输出上的影响。,2025/3/30 周日,张秦艳,7,系统灵敏度,系统灵敏度,(System sensitivity):,系统传递函数的变化与引起这一变化的对象传递函数（或参数）的微小增量之比。,系统的传递函数为,灵敏度为,:,取微小增量的极限形式，有,2025/3/30 周日,张秦艳,8,对开环系统,:T=G,，,灵敏度,=1.,对闭环系统,:,1.,对,G(s),：,由,得,2.,对,H(s),3.对中,G,的一个参数,:,2025/3/30 周日,张秦艳,9,如果,则,其中,o,是参数的标称值,(nominal value,)。,2025/3/30 周日,张秦艳,10,例,4.1,反馈放大器,(a),一个开环系统,2025/3/30 周日,张秦艳,11,(b),一个闭环系统,2025/3/30 周日,张秦艳,12,3.3,控制系统瞬态响应的控制,(a),开环速度控制系统,2025/3/30 周日,张秦艳,13,阶跃响应为,其中,令,K,=1+K,a,K,t,K,1,当,K,a,K,t,K,1,1,因此,（,b,）闭环速度控制系统,2025/3/30 周日,张秦艳,14,=10,K,1,K,a,K,t,=100.,当,开环,:,闭环,:,如果,1/,1,=0.10,K,a,K,t,K,l,/,1,=10,当,s=j=j1,2025/3/30 周日,张秦艳,15,3.4,反馈控制系统的干扰信号,干扰信号,(Disturbance Signal),：,指不希望出现的输入信号，它影响系统的输出。,图,4.10,轧钢机,2025/3/30 周日,张秦艳,16,例,2.4,负载扰动,假定,L,a,是,可忽略的。,开环速度控制系统,2025/3/30 周日,张秦艳,17,开环速度控制系统,系统的误差：,令,R(s)=0,E(s)=(s),则,当,T,d,(s),=,D/s,2025/3/30 周日,张秦艳,18,闭环速度控制,误差,其中,如果,G,1,G,2,H(s),1,，,当,K,a,K,b,，,2025/3/30 周日,张秦艳,19,当放大器增益,K,a,足够高,速度几乎是独立于负载转矩。,2025/3/30 周日,张秦艳,20,等效性,equivalency,灵敏度和闭环系统对扰动输入的响应的等效性,:,在这两种情况下,我们发现增加,G,1,(s)=K,a,放大器增益，都可以减小不期望干扰信号的影响。,2025/3/30 周日,张秦艳,21,测量传感器和输出点的噪声,1),近似为,设计者应尽量使,H,1,(s),达到最大值，以尽量提高传感器的信噪比。,2),2025/3/30 周日,张秦艳,22,输入点的噪声,如果噪声出现在输入信号中，反馈控制系统不能改进信噪比,(,signalnoise ratio,)。,如果噪声的,频谱,（frequency spectrums,）,和输入信号不同，输出的信噪比可以改善，通常只需设计闭环控制系统的传函具有低通特性就可达到目的。,对开环,对闭环：当,H(s)=1,2025/3/30 周日,张秦艳,23,3.5,稳态误差,稳态误差,(Steady-state error),：,指系统瞬态响应消失后，偏离预期响应的持续差值。,？,2025/3/30 周日,张秦艳,24,2025/3/30 周日,张秦艳,25,例 惯性因子,Inertia Factors,惯性因子的传函为,:,R(s)=1/s,开环,:,闭环,:,E,c,(s)=R(s)T(s)R(s),其中,T(s)=G(s)/(1+GH(s),.,稳态误差为：,当,H(s)=,1,/(,1,s+,1,),我们获得,H(0)=,1,G(0)=K.,2025/3/30 周日,张秦艳,26,如果,K=1,e,o,()=0,，,e,c,()=1/2,如果,K=100,e,o,()=-99,，,e,c,()=1/101.,K/K=0.1,e,c,()=1/91,可见,2025/3/30 周日,张秦艳,27,3.6,反馈的代价,好处,:,提供工程师,调整瞬态响应,的能力；,系统的灵敏度和扰动的影响可以明显地减小。,代价,:,增加元件的数量和系统的复杂性,增益的损失,不稳定性,2025/3/30 周日,张秦艳,28,3.7,设计实例：英吉利海峡海底隧道钻机,链接法国和英国的英吉利海峡海底隧道,1987,年开始建造，钻机从海峡两头向中间推进，并在海峡的中间对接。为使对接达到必要的精度，使工商司采用了激光导引系统以保持钻机的直线方向。,钻机的控制模型为,2025/3/30 周日,张秦艳,29,选择,K=100,d(t)=0,r(t)=1(t)d(t)=1(t),r(t)=0,2025/3/30 周日,张秦艳,30,K=20,单位阶跃输入下,单位扰动下,2025/3/30 周日,张秦艳,31,R(s)=1/s:,D(s)=1/s:,表,4.1,钻机系统在两种增益情况下的响应,在这种情况下,为达到好的设计折中，我们选择,K,=20,。,2025/3/30 周日,张秦艳,32,3.8,设计实例：火星漫游车,图,4.24,以太阳能作动力“逗留者号”火星漫游车。该车于,1997,年,7,月,4,日在火星上着陆，于,7,月,5,日展开工作。,2025/3/30 周日,张秦艳,33,由地球上发出的路径控制信号,r(t),能对该装置实施遥控。本例中我们将斜坡信号,r(t)=t,t=0,用作输入信号。,该装置既能以开环方式工作（不带反馈），又能够以闭环方式工作（带反馈）。,本例设计的目的是使漫游车受干扰（如岩石）的影响较小，而且对增益,K,变化的灵敏度也较小。,2025/3/30 周日,张秦艳,34,开环系统,:,闭环系统,:,则对于,K=2,对,K=2,在低频（,50,对,r(t)=t,系统的瞬态响应开始恶化。,2025/3/30 周日,张秦艳,36,3.9,应用,MATLAB,分析控制系统的特点,例,4.2,速度控制系统,表,4.2,速度控制系统的参数,2025/3/30 周日,张秦艳,37,Fig4_27.m,2025/3/30 周日,张秦艳,38,2025/3/30 周日,张秦艳,39,Fig4_28.m,2025/3/30 周日,张秦艳,40,我们通常期望,引入负反馈移明显地减小了干扰对输出的影响。,2025/3/30 周日,张秦艳,41,例,4.3,英吉利海峡海底隧道钻机,Fig4_29.m,2025/3/30 周日,张秦艳,42,2025/3/30 周日,张秦艳,43,Fig4_30.m,2025/3/30 周日,张秦艳,44,如果设计时仅考虑对干扰的抑制，则应该选择,K=100,但实际上需要权衡利弊，在本例中,增加值能更好地抑制噪声,而减小值也能改善某些性能,(,如使超调量更小,).,2025/3/30 周日,张秦艳,45,增加,K,，可以减小系统的灵敏度。,Fig4_31.m,2025/3/30 周日,张秦艳,46,3.10,循序渐进设计示例：磁盘驱动读取系统,折中和优化,磁盘驱动器必须保证磁头的精确位置，并减小参数变化和外部振动对磁头定位造成的影响。,机械臂和支撑簧片将在外部振动（如对笔记本电脑的振动）的频率点上产生共振。对驱动器产生的干扰包括物理振动、磁盘转轴轴承的磨损和摆动,以及元器件老化引起的参数变化等。,2025/3/30 周日,张秦艳,47,6.,检查磁盘驱动系统对扰动和系统参数变化的响应特性,7.,讨论调整放大器增益,Ka,时，系统对阶跃指令的瞬态响应和稳态误差,2025/3/30 周日,张秦艳,48,单位阶跃输入时,R(s)=1/s,当,D(s)=0,则系统稳态误差为,e()=0,现在我们来研究调整,Ka,时系统的瞬态响应特性。,2025/3/30 周日,张秦艳,49,Fig4_34.m,2025/3/30 周日,张秦艳,50,可以看出，当,Ka=80,时系统对输入指令的响应速度明显加快,但响应却出现了振荡。,2025/3/30 周日,张秦艳,51,接下来研究干扰,D(S)=1/s,对系统的影响令,R,（,s,）,0,。我们希望将干扰的影响减小到很低的水平，当,Ka=80,时系统对,D(s),的响应,Y(s),为：,Fig4_35.m,2025/3/30 周日,张秦艳,52,为进一步减小干扰的影响，需要增大,Ka,至超过,80,。,但此时系统对阶跃指令,r(t)=1,t,0,的响应会出现不能接受的振荡。,下一章我们将给出,Ka,的最佳设计值,以使系统响应能够满足既快速又不振荡的要求。,2025/3/30 周日,张秦艳,53,3.11,小结,尽管要付出一定的代价并增加了系统的复杂性,反馈控制还是得到了广泛的应用，最基本的原因在于反馈控制能够做到：,（,1,）减小,G(s),中参数变化时的系统灵敏度；,（,2,）使系统的瞬态响应易于调节；,（,3,）改善对系统中干扰和噪声的抑制；,（,4,）减小系统的稳态误差。,2025/3/30 周日,张秦艳,54,作业,3,Page 208(Eng.)/page 181(Chi.):E4.7,Page 210(Eng.)/Page 183:P4.4,Page 218(Eng.)/Page 191(Chi.):CDP4.1,Page 221(Eng.)/Page 194(Chi.):MP4.6,2025/3/30 周日,张秦艳,55,实验,上网查实验时间安排,10.104.0.252:9090/index.jsp,115,自动控制实验室,周,2,下午,3:30-5:30,401,；,周,3,上午,8:00-10:00,403;,周,4,上午,8:00-10:00,402.,