模拟控制系统.ppt

以驱动控制对象的工作
给定量 + e
x 比较控制指令和检测信
sf
息，并输出调节信号
控制器 执行器
检测环节
被控量 被控对象 y
系统部件，其传递特性 是系统的重要参数
检测控制对象的工作状态，并反馈到系统输入端
例：闭环系统控制直流电动机的转速
ux + ue 含电压放大器的
uf
控制器
含功率放大器的 执行器
被控参数 Y(s)
0.001V/rpm
H (s) 990.1 测速发动机 1 s / 505
解：
理想情况下， G→∞，
H0

1 F
=200oC/V，xi
=xf
=TF
=0.5V
实际情况下， G=20000oC/V, H G =198oC/V
1 GF
实际输出：
To =Hxi =99oC/V
稳态误差：
△To =(Ho-H)xi =1oC/V
相对稳态误差： △To /T =1%
9.3 控制系统动态特性分析
H G 1 GF
G GF 1
1


1 F
1

1 1

1 F
1 1 1 GF


1 F
1
1 GF

GF
GF
1) 系统稳态误差 =理想无差系统输出-实际有差系统输出
xo
H0 xi Hxi (H0 H )xi

1 1 GF

H
0
xi


1 GF

H
0
xi
系统的增益误差
3) 系统相对稳态误差
xo xo (理 想)
(H H0 )xi H0 xi
1 1 GF
xi + xe xf
G F
xo
例：某温控系统的反馈系数F=0.005V/oC，G=20000oC/V，
若被控温度期望值xo=T=100oC,求 ⑴ 给定信号xi，⑵ 传递函数H，⑶ 实际输出To，⑷ 稳态误差
uo (t) U (1 e RC ), t 0 时间响应快慢的重要参数，一般取(3~5)t
3) 一阶惯性环节的频率响应
R
+1
+
U_ i
jC
U
_
o
H j 1
1 jRC
c

1 RC
H ( j) 1 1 j c
|Hj|
1
c

低通滤波器
4) 一阶惯性环节的s域模型
1) 一阶惯性环节的时域模型
由KVL 代入元件约束 得到关系式
uR+uC=ui
uR=iR，i
C
duc dt
RC
duo dt
uo

ui
2) 一阶惯性环节的阶跃响应
0 ui (t) U
t0 t0
+R
+
ui _
C
_uo
ui
Ui
0
t
uo Ui
0
t
t
时间常数t RC是反映一阶惯性环节
200
功率放大器
10
直流电动机
50 s/51
被控参数 Y(s)
1) 传递函数
0.001V/rpm
测速发动机
G(s) 100,000 1 s/5
100,000
H (s) G(s) 1 G(s)F(s)
1 s/5 1 100
100,000 990.1 s / 5 101 1 s / 505
R
+1
+
U_ i
jC
U
_
o
s j
+R
U
i
(s)
_
1/sC
+
U
_
o
(s)
H ( j) 1 1 j c
1
H (s)

sC R 1
sC
1
1 ts
(t RC)
Ui(s) 1/(1+ts) Uo(s)
2 含一个一阶惯性环节的闭环系统的动态分析——时间响应
例
电压放大器
控制信号 + Ue(s) Ux UF(s)
给定量 + e x sf
控制器 执行器
检测环节
被控量 被控对象
y
控制器电路、执行器电路具有惯性元件（电感L或电容C） 电动机等执行器有机械惯性 检测环节的传感器具有机械惯性、热惯性等
惯性元件
对激励的响应需要时间 对不同的信号频率反映不同
模拟控制系统存在
时间响应问题 频率响应问题
1 一阶惯性环节的时间响应和频率响应 (以RC电路为例,无初始储能)
U
电动机
n
线性检测环节F
电动机的传递特性： K n/U 50
ux=3V ue=ux-uf 2 基本功能
n=3000rpm
uf=0.001n
>0, Uf <3V, n<3000rpm, U↑ =0, Uf =3V, n=3000rpm, U=60V
<0, Uf >3V, n>3000rpm, U↓
偏差e 自动调节 调节
F=0.001 n↑
n=3000rpm n↓
3 研究核心
• 稳态精度分析
• 动态特性分析
• 稳定性分析
• 特性的补偿
9.2 控制系统的稳态特性分析
在稳定状态下，系统的实际输出达到期望输出的精确程度
1. 无差调节 （精度达100%的系统）
xi + xe
G
xf
xo
F
若实际输出=期望输出， xf=xi , xe=xi -xf =0
第九章 模拟控制系统
9.1 模拟控制系统的组成 9.2 控制系统的稳态特性分析 9.3 控制系统动态特性分析 9.4 控制系统稳定性分析 9.5 控制系统特性的补偿 9.6 过程控制系统
9.1 模拟控制系统的组成
被控对象受模拟信号驱动和控制的系统，又称连续控制系统
典型结构（负反馈系统）
由电子装置构成，接受控制指令 并放大到足以推动执行器工作 接受控制器的信号并输出足够大功率
1 s/5
电压放大器
控制信号 + Ue(s) Ux UF(s)
200
功率放大器
10
直流电动机
50 s/51
被控参数 Y(s)
0.001V/rpm
2) 时间响应
H (s) 990.1 1 s / 505
测速发动机
静态增益
H (0) G(0) 100
•
时间常数t B

1 505

2ms
G(s) 100,000 1 s/5
Байду номын сангаас
tK

1 5

0.2s
5t 10ms
100t B t K
5t 1s
以损失放大倍数为代价，使响应时间加快
3 含一个一阶惯性环节的闭环系统的动态分析——频率响应
电压放大器
控制信号 + Ue(s) Ux UF(s)
200
功率放大器
10
直流电动机
50 s/51
2. G为比例放大时，实现无差调节的条件 xo=Gxe
设为稳定输出
若无差调节，则xe为0
要求G→∞
传递函数
H

lGim 1
G GF

1 F
3. G为比例放大时的系统调节误差
理想情况下 （G→∞） 系统稳态输出无偏差
xi +
H

1 F
==
H0
xe
G
xo
xf F
系统的环路增益
实际情况下 （G为有限值）