與頻域法相似,利用根軌跡法進行系統(tǒng)的設計也有兩種方法:1)常規(guī)方法;2)Matlab方法。Matlab的根軌跡方法允許進行可視化設計,具有操作簡單、界面直觀、交互性好、設計效率高等優(yōu)點。目前常用的Matlab設計方法有:1)直接編程法;2)Matlab控制工具箱提供的強大的Rltool工具;3)第三方提供的應用程序,如CTRLLAB等。本節(jié)在給出根軌跡的設計思路的基礎上,將重點介紹第一、二種方法。
6.4.1 超前校正 關于超前校正裝置的用途,在頻率校正法中已進行了較詳細的敘述,在此不再重復。
利用根軌跡法對系統(tǒng)進行超前校正的基本前提是:假設校正后的控制系統(tǒng)有一對閉環(huán)主導極點,這樣系統(tǒng)的動態(tài)性能就可以近似地用這對主導極點所描述的二階系統(tǒng)來表征。因此在設計校正裝置之前,必須先把系統(tǒng)時域性能的指標轉化為一對希望的閉環(huán)主導極點。通過校正裝置的引入,使校正后的系統(tǒng)工作在這對希望的閉環(huán)主導極點處,而閉環(huán)系統(tǒng)的其它極點或靠近某一個閉環(huán)零點,或遠離s平面的虛軸,使它們對校正后系統(tǒng)動態(tài)性能的影響最小。
是否采用超前校正可以按如下方法進行簡單判斷:若希望的閉環(huán)主導極點位于校正前系統(tǒng)根軌跡的左方時,宜用超前校正,即利用超前校正網(wǎng)絡產(chǎn)生的相位超前角,使校正前系統(tǒng)的根軌跡向左傾斜,并通過希望的閉環(huán)主導極點。 (一)根軌跡超前校正原理 設一個單位反饋系統(tǒng),G0(s)為系統(tǒng)的不變部分,Gc(s)為待設計的超前校正裝置, Kc為附加放大器的增益。繪制G0(s)的根軌跡于圖6—19上,設點Sd 為系統(tǒng)希望的閉環(huán)極點,則 若為校正后系統(tǒng)根軌跡上的一點,必須滿足根軌跡的相角條件,即
∠Gc(Sd)G0(Sd)=∠Gc(Sd)+G0(Sd)=-π
于是得超前校正裝置提供的超前角為:
顯然在Sd已知的情況下,這樣的Gc(s)是存在的,但它的零點和極點的組合并不唯一,這相當于張開一定角度的剪刀,以Sd為中心在擺動。若確定了Zc和Pc的位置,即確定了校正裝置的參數(shù)。下面介紹三種用于確定超前校正網(wǎng)絡零點和極點的方法。
(二)三種確定超前校正裝置參數(shù)的方法 零極點抵消法
在控制工程實踐中,通常把Gc(s)的零點設置在正對希望閉環(huán)極點Sd下方的負實軸上,或位于緊靠坐標原點的兩個實極點的左方,此法一般可使校正后系統(tǒng)的期望閉環(huán)極點成為主導極點。
比值α最大化法
能使超前校正網(wǎng)絡零點和極點的比值α為最大的設計方法。按照該法去設計Gc(s)的零點和極點,能使附加放大器的增益盡可能地小。
以圖6—19上的點O和Sd,以Sd為頂點,線段O 為邊,向左作角γ,角γ的另一邊與負實軸的交點Zc=-1/T,點Zc就是所求 的一個零點。再以線段ZcSd為邊,向左作角 ∠PcSdZc,該角的另一邊與負實軸的交點Pc=-1/αT,點 就是所求Gc(s)的一個極點。根據(jù)正弦定理,由圖6—18求得:
于是有:
將夾角γ作為自變量,式(6—24)對γ求導,并令其等于零,即dα/dγ=0 由上式解得對應于最大α值時的γ角為
不難看出,當希望的閉環(huán)極點Sd被確定后,式(6—25)中的θ和φ均為已知值,因而由上式可求得γ角,然后由式(6-22)和式(6-23)求得相應的零極點。
幅值確定法
設系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù):
且令超前校正裝置的傳遞函數(shù):
若要求校正后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)K(Kp,Kv,Ka),則由上式可首先確定k:
在開環(huán)增益k確定后,根據(jù)根軌跡原理,若Sd為校正后的閉環(huán)極點,則它除必須滿足相角條件外,還應滿足幅值條件:
上式中, |
|
同樣根據(jù)平面三角形原理,對于△ZcOSd有:
而對于△PcOSd有:
由上二式消去sinθ,并由式(6-29)可得:
根據(jù)三角函數(shù)性質,上式可寫成如下形式:
進而有:
由于k可由穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)確定,u由未校正傳遞函數(shù)求出,因此根據(jù)上式求出角γ。最后可用式(6-22)和式(6-23)確定校正裝置的零極點和具體參數(shù)。
通過上述分析可知,對于超前校正裝置的參數(shù)確定,可用三種方法進行設計,其中第一法是工程經(jīng)驗方法,第二法則是從抑制高頻噪聲角度出發(fā)進行設計,第三法則先在滿足靜態(tài)性能指標的條件下設計滿足動態(tài)性能指標的控制器。但必須指出,上述三法均用于對靜態(tài)性能要求不高而系統(tǒng)的動態(tài)性能需要改善的控制系統(tǒng),校正后的系統(tǒng)應滿足根軌跡的相角條件和幅值條件。若系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標較高,可能無法設計合適的超前校正裝置,此時應采用遲后-超前校正裝置。
(三)根軌跡超前校正的步驟 綜上所述,用根據(jù)軌跡法進行超前校正的一般步驟為:
1)根據(jù)對系統(tǒng)靜態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標的要求,分析確定希望的開環(huán)增益k閉環(huán)主導極點Sd的位置.
2)畫出校正前系統(tǒng)的根軌跡,判斷希望的主導極點位于原系統(tǒng)的根軌跡左側,以確定是否應加超前校正裝置。
3)根據(jù)式(6—21)解出超前校正網(wǎng)絡在Sd點處應提供的相位超前角φ。
4)選擇前面介紹的三種方法之一,求γ,爾后用圖解法或根據(jù)式(6—22)和式(6—23)求得Gc(s)的零點和極點,進而求出校正裝置的參數(shù)。
5)畫出校正后系統(tǒng)的根軌跡,校核閉環(huán)主導極點是否符合設計要求。
6)若采用第一法和第二法,則還須根據(jù)根軌跡的幅值條件,確定校正后系統(tǒng)工作在 處的增益和靜態(tài)誤差系數(shù)。如果所求的靜態(tài)誤差系數(shù)與要求的值相差不大,則可通過適當調整Gc(s)零點和極點的位置來解決;如果所求的靜態(tài)誤差系數(shù)比要求的值小得多,則需考慮用別的校正方法,如用遲后—超前校正。
下面舉例分別介紹上述三法的使用,進而對根軌跡超前校正步驟進行說明。
例6-5 已知一單位反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:
試設計一超前校正裝置,使校正后系統(tǒng)的無阻尼自然頻率 ,阻尼比 。
解:(1)這是一個積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)的系統(tǒng),系統(tǒng)的無阻尼自然頻率 ,阻尼比 ,閉環(huán)極點為 以及靜態(tài)速度誤差系數(shù) ,校正前系統(tǒng)的根軌跡如圖6—20虛線所示。
(2)由 和 ,求得希望的閉環(huán)極點為:
。
(3)計算超前校正裝置在 處需提供的相位超前角。由于未校正系統(tǒng)的 在 處的相角為:
為了使校正后系統(tǒng)的概軌跡能通過希望的極點,超前校正裝置必須在該點產(chǎn)生的超前角。
(4)根據(jù)根軌跡的相角條件,確定超前校正裝置的零點和極點。因為 , ,所以 。按照最大α值的設計方法,可計算或作圖求出 , 。這一校正裝置的傳遞函數(shù) 。于是求得由校正網(wǎng)絡和附加放大器組成的超前校正裝置的傳遞函數(shù),并得到校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函
數(shù)
式中,。由上式作出校正后系統(tǒng)的根軌跡,如圖6—20中的實線所示。
(5)確定系統(tǒng)工作在希望閉環(huán)極點處的增益和靜態(tài)速度誤差系數(shù)。由根軌跡的幅值條件
解得 。由于 ,因而 。系統(tǒng)對應的開環(huán)傳遞函數(shù)為
由上式求得校正后系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)
校正后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可由Matlab中的G=feedback(Gc*G,1)得到:
由上式可見,校正后的系統(tǒng)雖上升為三階系統(tǒng),但由于所增加的一個閉環(huán)極點 與其零點 靠得很近,因而這個極點對系統(tǒng)瞬態(tài)響應的影響就很小,從而說明了 確為系統(tǒng)一對希望的閉環(huán)主導極點。由于本例題對系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系數(shù)沒有提出具體的要求,故認為上述的設計是成功的。
例6-6 設一單位反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為
試設計一超前校正裝置,使校正后的系統(tǒng)能具有下列的性能指標:超調量 %,調整時間 。
解:(1)作出校正前系統(tǒng)的根軌跡,如圖6—21所示。
(2)根據(jù) ,解得 ,考慮到非主導極點和零點對超調量的影響,取 。又由 ,求得 。進而求得系統(tǒng)的一對希望的閉環(huán)主導極點 。
(3)根據(jù)求得的主導極點,計算超前校正網(wǎng)絡在處應提供的超前角為
(4)由于 的開環(huán)極點正好落在希望閉環(huán)極點 下方的負實軸上,因此可采用第一法進行校正。把 的零點設置在緊靠 這個開環(huán)極點的左側。如設 ,則 的極點落在以 為頂點,向左作角 的負實軸交點上, ,即為所求 的極點。
(5) 校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為
由根軌跡的幅值條件,求得系統(tǒng)工作于 點處的K值為30.4。這樣,上式便改寫為
據(jù)此,求得校正后系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)
如果希望 值有少量地增大,則可通過適當調整 零點和極點的位置來實現(xiàn),但這種調整有可能會破壞 的主導作用。
(6)它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:
或直接由如下的Matlab命令得到:
zpk(feedback(G0*Gc,30.4))
Zero/pole/gain:
(s+1.2)
------------------------------------------
(s+6.631) (s+1.347) (s^2 + 1.972s + 4.085)
下面檢驗希望閉環(huán)極點 是否符合主導極點的條件。不難看出,由于閉環(huán)系統(tǒng)的一個極點與零點靠得很近,故它對系統(tǒng)瞬態(tài)響應的影響很小,同時由于另一極點 距s平面的虛軸較遠,因而這個瞬態(tài)分量不僅幅值小,而且衰減的速度也快。由此得出,上述設計的超前校正裝置能使 成為系統(tǒng)希望的閉環(huán)主導極點。
上面兩個例題均對靜態(tài)誤差系數(shù)沒有特殊要求,否則,宜采用如下方法,即第三法。
例6-7 有一單位反饋系統(tǒng),其開環(huán)傳遞函數(shù): ,設計一超前校正裝置,滿足如下性能指標:靜態(tài)誤差系數(shù) ,閉環(huán)主導極點位于: 處。
解:(1)繪制未校正系統(tǒng)的根軌跡,并根據(jù)靜態(tài)誤差系統(tǒng),確定開環(huán)增益:
, ,
(2)根據(jù)幅值確定法,并代入:
超前校正裝置應提供的超前角度:
(3)根據(jù)公式(6-34)確定夾角 γ:
得到:
(4)由設計要求, , , ,求出校正裝置的參數(shù)。
,
,
得到: , 。因而超前校正裝置的傳遞函數(shù):
(5)校正后閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和主導極點分別為:
G=G0*Gc
Transfer function:
576.8 s + 1921
------------------------------
s^4 + 34 s^3 + 256 s^2 + 384 s
Gl=feedback(G0*Gc,1)
zpk(Gl)
Zero/pole/gain:
576.8 (s+3.33)
------------------------------------------
(s+25.25) (s+4.745) (s^2 + 4.006s + 16.03)
顯然,系統(tǒng)靜態(tài)誤差系數(shù)為: ,主導極點為: ,設計基本符合要求。
6.4.2 遲后校正 通過設置校正裝置的零極點,使之形成一對在S平面上靠近原點的偶極子,這樣,在基本保持原系統(tǒng)主導極點的前提下,可提高系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系數(shù)而不致使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞。
例如,對于一單位反饋系統(tǒng),若其開環(huán)傳遞函數(shù):G0(S)=K/s(s+a)(s+b),則靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv=K/ab ,因為系統(tǒng)主導極點為Sd,則K=|Sd|·|Sd+a|·|Sd+b|。串聯(lián)遲后校正裝置后,開環(huán)傳遞函數(shù):
若要求主導極點基本不變,則
由于設計時選取的-1/τ和-1/βτ均靠近原點,因此
可見校正后靜態(tài)誤差系數(shù)增大了約β倍,而主導極點可基本保持不變。
由上,可得出遲后校正的根軌跡法步驟:
(1)畫出未校正開環(huán)系統(tǒng)的根軌跡;
(2)根據(jù)系統(tǒng)設計的時域指標,確定主導極點Sd,進而計算未校正系統(tǒng)的增益K及靜態(tài)誤差系數(shù)Kv ;
(3)將要求的靜態(tài)誤差系統(tǒng)與未校正系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系數(shù)進行比較;得出遲后校正裝置的β值;
(4)確定校正裝置的零點和極點。零點的確定方法是:以主導極點Sd為頂點,引線為起起始邊,向左旋轉5°-10° ,此邊與負實軸的交點即為校正裝置的零點-1/τ ,由(3)中β值進而確定校正裝置極點-1/βτ。
(5)畫出校正后系統(tǒng)的根軌跡。若新的主導極點Sd1或靜態(tài)誤差系數(shù)與設計要求相關較大,則宜適當調整β或-1/υ ,直至滿足要求。
需要說明的是,上述推導過程中按Kv 進行說明,但對于Kp或Ka結論相似。
例6-8 已知一單位反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為
要求校正后的系統(tǒng)能滿足下列的性能指標:阻尼比ξ=0.5 ;調整時間ts=10s;靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv≥5/s。解:(1)繪制未校正系統(tǒng)的根軌跡如圖6—23中的虛線所示。
(2)根據(jù)給定的性能指標,確定系統(tǒng)的無阻尼自然頻率為
據(jù)此,求得希望的閉環(huán)主導極點
(3)由根軌跡的幅值條件,確定未校正系統(tǒng)在 處的增益,即根據(jù) ,求得 ,,相應的靜態(tài)速度誤差系數(shù)為
(4)基于校正后的系統(tǒng)要求,據(jù)此算出遲后校正裝置的參數(shù)β值,即
考慮到遲后校正裝置在 點處產(chǎn)生遲后角的影響,所選取的β值應大于7.5,現(xiàn)取β=10。
(5)由點 作一條與線段O 成 角的直線,此直線與負實軸的交點就是校正裝置的零點,由圖6—23 可知,零點 ,極點為 。這樣,校正裝置的傳遞函數(shù)
校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)
校正后系統(tǒng)的根軌跡如圖6—23中的實線所示。由該圖可見,若要使 ,則校正后系統(tǒng)主導極點的位置略偏離要求值,即由 點移到 點。相應的增益 。
校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為
相應的靜態(tài)速度誤差系數(shù)為: 。
比較未校正系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的根軌跡可見,校正后系統(tǒng)的 從0.8減到0.7,這意味著調整時間略有增加。如果對此不滿意,則可重新選擇希望閉環(huán)主導極點的位置,且使其 值略高于0.8。
6.4.3 遲后—超前校正 由上兩節(jié)的討論可知,超前校正主要用于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度,改善系統(tǒng)的動態(tài)性能,而遲后校正則可以減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。由此設想,若把這兩種校正結合起來應用,必然會同時改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能,這就是遲后—超前校正的基本思路。
當希望的閉環(huán)主導極點Sd位于未校正系統(tǒng)根軌跡的左方時,如只用單個超前網(wǎng)絡對系統(tǒng)進行校正,雖然也能使校正后系統(tǒng)的根軌跡通過Sd點,但無法使系統(tǒng)在該點具有較大的開環(huán)增益,以滿足靜態(tài)性能的需要。對于這種情況,一般宜采用遲后—超前校正。
設遲后—超前校正裝置的傳遞函數(shù)為
其中Gc1(s)起遲后校正作用,它使系統(tǒng)在Sd處的開環(huán)增益有較大幅度的增大,以滿足靜態(tài)性能的需要;Gc2(s)起超前校正作用,利用它所產(chǎn)生的相位超前角φc2使根軌跡向左傾斜,并通過希望的閉環(huán)主導極點Sd,從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。
用根軌跡法進行遲后—超前校正的一般步驟為:
1)根據(jù)對系統(tǒng)性能指標的要求,確定希望閉環(huán)主導極點Sd的位置。
2)設計校正裝置的超前部分Gc2(s)。設計時要兼顧到既使Gc2(s)在Sd處產(chǎn)生的相位超前角φc2滿足Sd點的相角條件,又使Gc2(s)極點與零點的比值β足夠大,以滿足遲后部分使系統(tǒng)在Sd點的開環(huán)增益有較大幅度增大的需要。
3)根據(jù)所確定的β值,按遲后校正的設計方法去設計Gc1(s)。
4)畫出校正后系統(tǒng)的根軌跡。由根軌跡的幅值條件,計算系統(tǒng)工作在Sd處的靜態(tài)誤差系數(shù)。如果所求的值小于給定值,則需增大β值,應從步驟2)開始重新設計。
下面以實例說明這種校正的具體步驟。
例6—9 校正前該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為
要求校正后具有下列的性能指標:阻尼比 ;無阻尼自然頻率 ;靜態(tài)速度誤差系數(shù) 。試設計一遲后—超前校正裝置。
解(1)根據(jù)給定的性能指標,求出希望的閉環(huán)主導極點為
(2)設計校正裝置。超前部分 在 處應提供的超前角
令 的零點 ,以抵消原系統(tǒng)的一個開環(huán)極點。這樣設計不僅使校正后系統(tǒng)的階數(shù)降低,繪制根軌跡方便,而且一般易于實現(xiàn)希望閉環(huán)極點的主導作用。在圖6-24所示的s平面上,以 點為頂點,點 與-1點的連線為邊,向左作角 ,該角的另一邊與負實軸的交點 ,這就是所求超前部分的極點。由此可見, , 。
(3)經(jīng)過超前部分校正后,系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為
據(jù)此,作出相應的根軌跡,如圖6-24中的實線所示。根據(jù)根軌跡的幅值條件,求得系統(tǒng)工作在 點時的增益 ,對應的靜態(tài)速度誤差系數(shù)為
顯然, 不能滿足給定指標的要求,所要增大的倍數(shù) 應由遲后部分 來提供。由此可見,上述確定的β=4能滿足將靜態(tài)速度誤差系數(shù)提高3.35倍的要求。
(4)設計校正裝置的遲后部分 。
由點 向左作一條與線段 成 角的直線,此直線與負實軸交于 ,這就是所求 的零點,它的極點 。于是求得遲后部分的傳遞數(shù)為
經(jīng)遲后—超前校正后,系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為
校正后系統(tǒng)的根軌跡如圖6-24中的虛線所示。由圖可見,校正后系統(tǒng)的主導極點由 點移動到 點,相應的增益 ,靜態(tài)速度誤差系數(shù)為
利用Matlab進行串聯(lián)校正設計步驟,以例6-9為例,要求校正后具有下列的性能指標:阻尼比 ;無阻尼自然頻率 ,但對靜態(tài)誤差系統(tǒng)沒有要求。可按如下步驟進行:
(1) 寫出系統(tǒng)傳遞函數(shù)G,并畫出其根軌跡。
G0=tf(1,conv([1,1],[1,4]),0);
Rlocus(G0);hold on;[x,y]=rloc_asymp(G0);plot(x,y,’:’)
(1)根據(jù)設計要求,畫出其等ξ線和等ωn線,并由圖確定其主導極點。
Zet=[0.5];wn=[2];sgrid(zet,wn)
由圖可得到sd=-1±1.732j
(2)確定超前裝置的補償角φc,利用自編函數(shù)angle_c計算。
Fi_c=angle_c(G0,sd)
(3)確定校正器的零極點??上冗x定校正器的零點zc=-1.2,然后由已知的γ、ωn、θ、φc計算極點。
Pc=find_pc(wn,zc,theta,fi_c)
(4)得到校正裝置Gc,并畫出Gc*G0的根軌跡圖。
Hold on; Rlocus(Gc*G0)
(5)從圖中交互確定在sd處對象的K值,并進而得出系統(tǒng)的閉環(huán)極點及階躍響應。檢驗設計效果。
[K,P]=rloc_find(Gc*G0)。
此例完整程序見下面,設計效果見圖6-25。
G0=tf(1,[conv([1,1],[1,4]),0])
Transfer function:
1
-----------------
s^3 + 5 s^2 + 4 s
Rlocus(G0);hold on;[x,y]=rloc_asymp(G0);plot(x,y,':')
zet=[0.5];wn=[2];sgrid(zet,wn)
sd=-1+1.732j;
Fi_c=angle_c(G0,sd)
Fi_c =
60.0000
Fi_c=Fi_c*pi/180;
zc=-1.2;theta=acos(0.5);
pc=find_pc(wn,zc,theta,Fi_c);
pc =
5.0000
Gc=tf([1,-zc],[1,pc])
Transfer function:
s + 1.2
-------
s + 5
Hold on; Rlocus(Gc*G0)
[K,P]=rlocfind(Gc*G0)
Select a point in the graphics window
selected_point =
-1.0001 + 1.7315i
K =
29.9894
P =
-6.6454
-1.0001 + 1.7315i
-1.0001 - 1.7315i
-1.3543
function ang=angle_c(g,sd)
[p,z]=pzmap(g);
theta_z=0;theta_p=0;
for i=[1:1:length(z)]
theta_z=theta_z+angle(sd-z(i));
end
for i=[1:1:length(p)]
theta_p=theta_p+angle(sd-p(i));
end
ang=(-pi+theta_p-theta_z)*180/pi;end
function pc=find_pc(wn,zc,theta,fc)
gama=atan(sin(theta)/(wn/abs(zc)-cos(theta)));
pc=wn*sin(gama+fc)/sin(pi-theta-fc-gama)
6.4.4基于根軌跡的串聯(lián)校正Matlab設計 在采用根軌跡法對控制系統(tǒng)進行校正時,常用的函數(shù)有:
1.Rlocus: 根軌跡作圖命令;
2.Sgrid: 等ξ線和等ωn線;
3.Tf、Zpk: 求傳遞函數(shù)命令;
4.Rlocfind: 求取根軌跡上某點對應的增益K及閉環(huán)極點;
5.Rloc_asymp: 作軌跡漸近線;
6.Rltool: 由Matlab提供的根軌跡設計工具;
7.Pzmap,pole,zer 求取系統(tǒng)的零極點。
利用Matlab進行串聯(lián)校正設計有兩種方法:一種是利用書中介紹的步驟進行設計,另外也可以用Matlab提供的rltool可視化工具進行交互式設計。 |
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