当前位置：文档之家 › 按扰动补偿的复合校正

按扰动补偿的复合校正

  • 格式：docx
  • 大小：38.92 KB
  • 文档页数：3

下载文档原格式

  / 3

合集下载

自动控制原理实验-卫星三轴姿态控制系统

自动控制原理实验-卫星三轴姿态控制系统

自动控制理论实验报告人：赵振根02020802班2008300597卫星三轴姿态飞轮控制系统设计一：概述1.1．坐标系选择与坐标变换在讨论卫星姿态时，首先要选定空间坐标系，不规定参考坐标系就无从描述卫星的姿态，至少要建立两个坐标系，一个是空间参考坐标系，一个是固连在卫星本体的星体坐标系。

在描述三轴稳定对地定向卫星的姿态运动时，一般以轨道坐标系为参考坐标系，还有星体坐标系。

（1） 轨道坐标系o o o O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，o OX 轴在轨道平面上与o OZ 轴垂直，与轨道速度方向一致，o OZ 轴指向地心，o OY 轴垂直于轨道平面并构成右手直角坐标系（2） 星体坐标系b b b O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，b OX ，b OY ，bOZ 固连在星体上，为卫星的三个惯性主轴。

其中b OX 为滚动轴，b OY为俯仰轴，OZ为偏航轴。

b1.2 飞轮控制系统在卫星三轴姿态控制中的应用与特点长寿命，高精度的三轴姿态稳定卫星，在轨道上正常工作时，普遍采用角动量交换装置作为姿态控制系统的执行机构。

与喷气推力器三轴姿态稳定系统相比，飞轮三轴姿态稳定系统具有多方面的有点：(1)飞轮可以给出较为精确地连续变化的控制力矩，可以进行线性控制，而喷气推力器只能作为非线性开关控制，因此轮控系统的精度比喷气推力器的精度高一个数量级，而姿态误差速率也比喷气控制小。

(2)飞轮所需要的能源是电能可以不断地通过太阳能电池在轨得到补充，因而适用于长寿命工作，喷气推力器需要消耗工质或燃料，在轨无法补充，因而寿命大大受限。

(3)轮控系统特别适用于克服周期性扰动。

(4)轮控系统能够避免热推力器对光学仪器的污染。

然而，轮控系统在具有以上优越性的同时，也存在两个主要问题，一是飞轮会发生速度饱和。

当飞轮朝着一个方向加速或偏转以克服某一方面的非周期性扰动时，飞轮终究要达到其最大允许转速。

二是由于转速部件的存在，特别是轴承寿命和可靠性受到限制。

自动控制原理--常用校正方式及基本控制规律

自动控制原理--常用校正方式及基本控制规律

PID -- Proportional-Integral-Derivative 比例-积分-微分
P – 反映误差信号的瞬时值大小，改变快速性；
I – 反映误差信号的累计值，改变准确性；
D – 反映误差信号的变化趋势，改变平稳性。
(1) 比例(P)控制规律
R(s) E(s)
M(s)
Gc (s) K p m(t) K pe(t)
复合控制的基本原理：实质上，复合控制是一种按不 变性原理进行控制的方式。不变性原理是指在任何输入下， 均保证系统输出与作用在系统上的扰动完全无关，使系统 输出完全复现输入。
复合校正的基本思想：对提高稳态精度与改善动态性 能这两部分分别进行综合。根据动态性能要求综合反馈控 制部分，根据稳态精度要求综合顺控补偿部分，然后进行 校验和修改，直到获得满意的结果。这就是复合控制系统 综合校正的分离原则。
能。
13
(4) 比例-积分-微分(PID)控制规律
R(s)
E(s) B(s)
K
p
(1
Td
s
1 Ti s
)
M(s)
图 6-6 PID控制器
m(t)
K
pe(t)
Kp Ti
t
e( )d
0
K pTd
de(t) dt
Gc (s)
K p (1 Td s
1 Ti s
)
Kp Ti
(T1s
1)(T2s 1) s
图 6-34 按输入补偿的复合控制系统
实现输出完全复现输入(即Cr(s)=R(s))的全补偿条件
Gr
(s)
1 G0 (s)
➢按不变性原理求得的动态全补偿条件，往往难于实
现。通常，只能实现静态(稳态)全补偿或部分补偿。

反馈校正和复合校正

反馈校正和复合校正

2.按输入补偿的复合校正 2.按输入补偿的复合校正
G r (s )
R (s )
E (s )
C (s ) G (s )
G ( s )[1 + G r ( s )] C ( s) = ⋅ R( s) 1 + G(s)
[1 − Gr ( s )G ( s )] ⋅ R( s) = 0 E ( s) = R(s) − C ( s) = 1 + G(s)
1 Gr ( s) = G (s)
E ( s) = 0
C ( s) = R(s)
例、（1）当 n(t ) = 0, r (t ) = t 时，c(t ) = t 。 、（ ） 1 2 n(t ) = t 系统的阻尼比 ζ = 0.5 （2）当 r (t ) = t ） 2 求 Gr ( s )
G1 ( s ) K2 。
10 K 2 1+ • = 0 ⇒ s 2 + s + 10 K 2 = 0 s s +1 2 2ζωn = 1 10 K 2 = ωn K 2 = 0.1
K G 例、设单位反馈系统的开环传递函数： ( s ) = s ( s + 1)(0.2 s + 1) 设单位反馈系统的开环传递函数： 试设计串联校正装置满足： 试设计串联校正装置满足： v = 8rad / s γ '' ≥ 40 。 K
ess = 0.1
Gr ( s )
R( s)
G1 ( s )
N(s)
G2 ( s ) K2 s +1
C ( s)
解：根据条件（1） 根据条件（
G2 ( s )[G1 ( s ) + Gr ( s )] C ( s) = ⋅ R( s) 1 + G1 ( s )G2 ( s )

自动控制原理_吴怀宇_第六章控制系统的校正与设计

自动控制原理_吴怀宇_第六章控制系统的校正与设计

扰动补偿 输入补偿
自动控制原理
按扰动补偿的复合控制系统如图6-3所示。
N(s)
+
Gn (s)
R(s) + E(s)
+
G1 (s)
G2 (s)
C(s)
-
图6-3 按扰动补偿的复合控制系统
自动控制原理
按给定补偿的复合控制系统如图6-4所示。
Gr ( s)
R( s) E( s)
+
G( s )
+
C( s)
自动控制原理
6.4.1 超前校正
基本原理：利用超前校正网络的相角超前特性去增大系 统的相角裕度，以改善系统的暂态响应。 用频率特性法设计串联超前校正装置的步骤：
（1）根据给定的系统稳态性能指标，确定系统的开环增益 ；
K）绘制在确定的 值下系统的伯德图，并计算其相角裕 （2 度 ； K 0
（3）根据给定的相角裕度 ，计算所需要的相角超前量 0
m
60º
40º
20º
1
0 4 8 12 14 20

图6-16 最大超前相角 m 与 的关系
自动控制原理
6.3.2 滞后校正装置 相位滞后校正装置可用图6-17所示的RC无源网络实现， 假设输入信号源的内阻为零，输出负载阻抗为无穷大，可 求得其传递函数为：
G c ( s) s zc s 1 1 s 1 ( ) s pc s 1 ( ) s 1
自动控制原理
与相位超前网络类似，相位滞后网络的最大滞后角位于
1 与 1 的几何中心处。
图6-21还表明相位滞后校正网络实际是一低通滤波器， 值 它对低频信号基本没有衰减作用，但能削弱高频噪声， 10 较为适宜。 愈大，抑制噪声的能力愈强。通常选择 一般可取

第六章 线性系统的校正方法

第六章 线性系统的校正方法

例6-4
调小了开环增益
（快速算）
串联滞后校正基本原理总结：
利用滞后网络或PI控制器的高频幅值衰减特性，使已校正 系统截止频率下降，从而使系统获得足够的相角裕度。因此， 滞后网络的最大滞后角应力求避免发生在系统截止频率附近。
在系统响应速度要求不高而抑制噪声电平性能要求较高的 情况下，可考虑采用串联滞后校正。
理上难以准确实现）
2）频率响应校正设计的实质（问答题）
依据：三段频理论
用频域法设计控制系统的实质，就是在系统中加入频率 特性形状合适的校正装置，使得开环系统频率特性形状变成 所期望的形状：低频段增益充分大，以保证稳态误差要求； 中频段对数幅频特性斜率一般为20dB / dec，并且占据充分宽的 频带，以保证具备适当的相角裕度和时域响应的快速性；高 频段增益尽快减小，以消弱噪声影响。
Gc
(s)
(1 Tas)(1 Tbs)
(1 Tas)(1
Tb
s)
1
5. 串联综合法校正
综合校正方法将性能指标要求转化为期望开环对 数幅频特性，再与待校正系统的开环对数幅频特性 比较，从而确定校正装置的形式和参数。该方法适 用于最小相位系统，但有可能求出来的校正装置无 法物理实现。
6-4. 反馈校正
负实零点
（可提高相角裕度）
例6-2
注：
PID控制器可利用有源装置实现
PID控制器各部分参数的 选择，通常可以在系统现 场进行调试（经验很重 要），最后确定。
注：
PID控制的优点： 校正装置中最常用的是PID控制规律。在科学技D由于它自身的优点仍然是得到最广 泛应用的基本控制规律。
第六章 线性系统的校正方法
▪ 6-1 . 系统的设计与校正问题 ▪ 6-2. 常用校正装置及其特性 ▪ 6-3. 串联校正 ▪ 6-4. 反馈校正 ▪ 6-5. 复合校正 ▪ 6-6. 控制系统校正设计

自动控制原理(胥布工)第二版章习题及详解

自动控制原理(胥布工)第二版章习题及详解

第6章习题及详解6-1 试求图6-93所示电路得频率特性表达式,并指出哪些电路得低频段增益大于高频段增益。

(a) (b)(c) (d)图6-93 习题6-1图解:(a) ;(b);(c) ;(d) ;(a)与(c)低频段增益小于高频段增益;(b)与(d)低频段增益大于高频段增益。

6-2 若系统单位脉冲响应为,试确定系统得频率特性。

解:,故6-3 已知单位反馈系统得开环传递函数为试根据式(6-11)频率特性得定义求闭环系统在输入信号作用下得稳态输出。

解:先求得闭环传递函数。

(1),,。

(2),,。

故。

6-4 某对象传递函数为试求:(1)该对象在输入作用下输出得表达式,并指出哪部分就是瞬态分量;(2)分析与增大对瞬态分量与稳态分量得影响;(3)很多化工过程对象得与都很大,通过实验方法测定对象得频率特性需要很长时间,试解释其原因。

解: (1)前一项为瞬态分量,后一项为稳态分量。

(2)与增大,瞬态分量收敛更慢;稳态分量幅值减小,且相位滞后更明显。

(3)因为瞬态分量收敛太慢。

6-5 某系统得开环传递函数为试描点绘制:(1)奈奎斯特曲线;(2)伯德图;(3)尼科尔斯图。

解:各图如习题6-5图解所示。

Nichols ChartOpen-Loop P hase (deg)O p e n -L o o p G a i n (d B )习题6-5图解6-6 给定反馈系统得开环传递函数如下, (a ); (b ); (c ); (d );(e )。

(1) 试分别绘出其开环频率特性得奈奎斯特草图,并与借助Matlab 绘制得精确奈奎斯特曲线进行比较。

(2) 试根据草图判断各系统得稳定性。

解:(1)精确曲线如习题6-6图解所示。

习题6-6图解(2)(a)临界稳定(闭环系统有一对共轭虚根),其余系统稳定。

6-7 给定反馈系统得开环传递函数如下, (a );(b ) ;(c );(d );(1) 试绘出各系统得开环对数幅频渐近特性,并根据所得得渐近特性估算截止频率与相位裕度。

自动控制原理 第六章 控制系统的校正

第6章
控制系统的校正
自动控制原理研究的内容有两方面：一方面已知控制系统的结构和参数，研究和分析 其静、动态性能，称此过程为系统分析。本书的第 3 章～第 5 章就是采用不同的方法进行 系统分析；另一方面在被控对象已知的前提下，根据实际生产中对系统提出的各项性能要 求，设计一个系统或改善原有系统，使系统静、动态性能满足实际需要，称此过程为系统 校正。本章就是研究控制系统校正的问题。 所谓校正，就是在工程实际中，根据对系统提出的性能指标要求，选择具有合适的结 构和参数的控制器，使之与被控对象组成的系统满足实际性能指标的要求。系统校正又称 系统综合。校正的实质就是在系统中加入一定的机构或装置，使整个系统的结构和参数发 生变化，即改变系统的零、极点分布，从而改变系统的运行特性，使校正后系统的各项性 能指标满足实际要求。 本章研究的主要内容是工程实际中常用的校正方法，即串联校正、反馈校正和复合校 正的设计思想和设计过程，并介绍基于 MATLAB 和 Simulink 的线性控制系统较正的一般 方法。 通过本章的学习，建立系统校正的概念，掌握校正的方法和步骤，并能利用 MATLAB 和 Simulink 对系统进行校正分析，为进行实际系统设计建立理论基础。
Mγ =
ts = K0 π
(6.11) (6.12) (6.13)
ωc
(1≤Mγ≤1.8)
K 0 = 2 + 1.5( M γ − 1) + 2.5( M γ − 1)2
系统的稳态误差或误差系数( K p , K v , K a )也是系统设计中的一个重要指标，它决定系统 的稳态误差 ess 的大小。在系统设计时，常常是根据所要求的误差系数的大小或稳态误差的 大小确定系统开环放大倍数。 带宽频率 ω b 是指闭环幅频特性 M (ω ) 衰减至零频幅值 M (0) 的 0.707 倍时的频率值。 如 图 6.2 所示，它是系统设计中的一项重要性能指标。无论采用何种校正方法，都要求系统 具有足够的带宽，以使系统能够准确复现输入信号；同时要求带宽频率不能太大，否则不 利于抑制高频噪声干扰信号。设系统输入信号 r (t ) 的带宽为 1 ~ ω M ，高频噪声干扰信号的 带宽为 ω1 ~ ω n ，通常控制系统的带宽取为 ω b = (5 ~ 10)ω M (6.14) 且使 ω1 ~ ω n 处于 (0 ~ ω b ) 范围之外，如图 6.3 所示。

教材PPT模板 (65)



A kv
A k1k 2
1型
补偿后
E(s)

e
(s)R(s)

11
FrG 2 G 1G 2
R(s)
若选择
Fr

1 G2

s(T3s 1) K 2 (T4s 1)
可实现全补偿，
但由于 m n 结构 形式难以实现。
可选
Fr

s K 2 (T4s 1)
nm
采用部分补偿 (微分型前馈校正)
r(t) At时，ess 0
其 中G 1

K 1 (T2s 1) T1s 1
G2

K 2 (T4s 1) s(T3s 1)
解 补偿前开环传函
G(s)

G1G 2

K 1K 2 (T2s 1)(T4s s(T1s 1)(T3s 1)
1)
r(t) At时
e ss
相当于原系统由1型提高为 2型，等效开环传函
G (s) Φ(s) G2 (G1 Fr ) 1 Φ(s) 1 G2Fr
其中 (s) G2 (G1 Fr ) 1 G1G2

K 2 (T4 s 1)[K1 K 2 (T2 s 1)(T4 s 1) s 2 K 2T3 (T1s 1)(T4 s 1)
复合校正的前馈装置是按不变性原理进行设计 的，可分为按输入补偿和按扰动补偿两种方式。
一.按输入补偿的复合校正
C(s) FrG 2 G1G 2 R(s) 1 G1G2
若选择
Fr

1 G2
则 C(s) R(s)
系统对给定输入误差全补偿

自动控制原理第六章第三讲超前网络及其串联校正

由上式可求出a ，再由
根据截止频率
的要求，计算超前网络参数a和T；
求出Ｔ；
即可得超前网络的传递函数：
则已校正系统的传递函数为：
绘出校正后的对数幅频特性：
验证已校系统的相角裕度 ，若不满足 要求，应重选 ,一般使其增大。
步骤：
确定开环增益K（根据稳态误差的要求）；
(
s
E
)
(
1
s
G
)
(
s
G
)
(
2
s
G
)
(
s
C
)
(
s
G
r
+
系统输出：
系统误差：
当：
时，
对输入的 误差全补偿条件
说明： 以上结论仅在理想条件下成立：
无论是输出响应完全复现输入或是完全不受扰动影响, 都是在传递函数零、极点对消能够完全实现的基础上得到的。
由于控制器和对象都是惯性的装置, 故G1(s)和G2(s)的分母多项式的s阶数比分子多项式的s阶数高。 据补偿式可见, 要求选择前馈装置的传递函数是它们的倒数, 即Gr(s)或Gn(s)的分子多项式的s阶数应高于其分母多项式的s阶数, 这就要求前馈装置是一个理想的(甚至是高阶的)微分环节。
滞后-超前网络贡献的幅值衰减的最大值
由相角裕度要求，估算网络滞后部分的交接频率 ， 得：
01
结束
02
绘制已校正系统Bode图，校验性能指标
03
反馈校正
开环传函为：
工作原理 设图中局部反馈回路为G2c(s)， 其频率特性为 ：
反馈校正、复合校正基本原理
整个反馈回路的 传递函数等效为：
理想的微分环节实际不存在, 所以完全实现传递函数的零、极点对消在实际上也是做不到的。

自动控制原理(第三版)第6章 控制系统的校正

如果通过调整控制器增益后仍然不能全面满 足设计要求的性能指标，就需要在系统中增加一 些参数及特性可按需要改变的校正装置，使系统 全面满足设计要求。
在研究系统校正装置时，为了方便，将系统 中除了校正装置以外的部分，包括被控对象及控 制器的基本组成部分一起称为“固有部分”。
因此控制系统的校正，就是按给定的固有部 分和性能指标，设计校正装置。
KPLeabharlann e(t) 1 TI
t
e(t)dt
0
TD
de(t) dt
u(t为) 控制器的输出； e(为t) 系统给定量与输出量的偏差
K为P 比例系数； T为I 积分时间常数； TD 为微分时间常数
相应的传递函数为
Gc
(s)
K
P
1
1 TI s
TD
s
KP
KI s
KDs
KP 为比例系数；K I为积分系数；KD 为微分系数。
(1) 原理简单，使用方便。
(2) 适应性强，可广泛应用于各种工业生产部 门，按PID控制规律进行工作的控制器早已商品化， 即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制 功能也仍然是PID控制。
(3) 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性 的变化不太敏感。
自动控制原理
基本PID控制规律可以描述为
u(t)
自动控制原理
2. 频域性能指标
频域性能指标，包括开环频域指标和闭环频 域指标。 (1) 开环频域指标 一般要画出开环对数频率特性，并给出开环频域 指标如下：开环剪切频率c 、相位裕量 和幅值 裕量K g 。 (2) 闭环频域指标 一般给出闭环幅频特性曲线，并给出闭环频域指 标如下：谐振频率 r 、谐振峰值 M r 和频带宽度b 。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

按扰动补偿的复合校正
由前述内容知，通过适当选择系统带宽，可以抑制高频扰动，但对低频扰动却无能
为
力。

为此，可在反馈控制的基础上，加入按扰动补偿的前馈控制．构成复合控制结构，从而
利用可测量的扰动，产生补偿作用，就能减小或抵消几乎所有扰动．包括低顾扰动。

这就
是按扰动补偿的复合控制，其系统结构图如图1所示。

图1中，N(‘)为可测量扰动，Gl(s)和G2(s)为反馈控制部分的前向通路传递函数
；n(‘)为前馈校正装置传递函数。

由图知，扰动N(s)单独作用时系统的输出为
这表明，此情况下系统可完全补偿扰动情号M(‘)对系统输出c(‘)的影响。

则由式(6．51)
可得上式标为系统对扰动的误差全补偿条件，用于确
定前馈校正装置的传递函数6h(5)。

设计按扰动补偿的复合校正系统的一般步骤如下：
(1)将Gi(‘)视为AVX钽电容串联校正装置，按串联校正方法确定Gl(‘)的形式与参数，使系统获
得满意的稳态性能和动态性能。

(2)依据全补偿条件式(6．52)
可测量扰动的影响。

(3)考虑Gl〔‘)的物理实现。

确定前馈校正装置的传递函数G。

[‘)，使系统完全不受
由式(6．52)知，Gh(*)是G1(，)的负倒数，而由物理装置实现的Gl(s)，其分母多
项式
阶次却总是大于成等于分子多项式阶次，从而使得Cn(‘)不具有物理可实现性。

亦即，误差
全补偿条件在物理上无法准确实现。

因此，要实现对扰动情号的完全补偿非常困难，
一般
都采用近似补偿，或在对系统性能起主要影响的频段内采用近似全补偿或稳态全补偿，以
使前馈校正装置在物理上易于实现。

从补偿原理来看，按扰动补偿实际上是应用开环控制方式去补偿可测量扰动信号的
影
响，故前馈补偿并不改变反馈控制系统的稳定性和动态性能。

而从抑制扰动的角度来看，
前馈控制可以减轻反馈控制的负担，使反馈控制系统的开环增益适当取得小一些，从
而有
利于系统的钽电容稳定性。

因此，按扰动补偿的复合校正，在不增大系统开环增益的
前提下，可
以提高系统抑制干扰的能力。

这表明，稳态时系统输出完全不受扰动的影响，这就是
所谓稳态全补偿，它在物理上更易
于实现。

当然，如果采用有源网络，则本例按全补偿TAJA475K016RNJ条件设计的前馈校正装置Gn(‘)是可以实
现的。

cjmc%ddz。