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控制系统性能指标

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控制系统性能指标

本章主要内容:

1控制系统的频带宽度

2系统带宽的选择

3确定闭环频率特性的图解方法

4闭环系统频域指标和时域指标的转换

五、闭环系统的频域性能指标

1

控制系统的频带宽度

1 频带宽度

当闭环幅频特性下降到频率为零时的分贝值以下3分贝时,对应的频率称为带宽频率,记为ωb。即当ω> ωb

2。Ig ΦO)∣<20?∣ΦQ,0)∣-3

而频率范围

根据带宽定义,对高于带宽频率的正弦输入信号,系统输岀将呈现较大的衰减,因此选取适当的带宽,可以抑制高频噪声的影响。但带宽过窄又会影响系统正弦输入信号的能力,降低瞬态响应的速度。因此在设计系统时,对于频率宽度的确定必须兼顾到系统的响应速度和抗高频干扰的要求。

2、丨型和II型系统的带宽

Φ(-0 = -―-

凶为开环系s?j?ι翌,,E

所以20 Igl Φ(J?) = 2Glg 1 / JiT応孑=20Ig-L

二阶系虬的例环传禺为,

(】)(,¥,〕= — ~

Λ'+2CΓ?1S +Λ?;

1

圜为I (I I(√,3) =L ∕∣ T此∕?>3+4ζ,T?∕∕? = ?∣2

叫=叫[(1 -2√2) + √(l-2ζ*3)2+l P

2、系统带宽的选择

由于系统会受多种非线性因素的影响,系统的输入和输岀端不可避免的存在确定性扰动和随机噪声,因此控制系统的带宽的选择需综合考虑各种输入信号的频率范围及其对系统性能的影响,即应使系统对输入信号具有良好的跟踪能力和对扰动信号具有较强的抑制能力。

总而言之,系统的分析应区分输入信号的性质、位置,根据其频谱或谱密度以及相应的传递函数选择合适带宽,而系统设计主要是围绕带宽来进行的。

3、确定闭环频率特性的图解方法

b)称为系统带宽

G(购)= /(少*顾町

Φ(√*J )-Af(α)>

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由李式购鳩理部梱竽关系得

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设仪(血)为常?L 在20log. 1(?)-rZCftI)^面上捋到 等α曲线.華一"曲钱和等Wl???it 于卩的

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称■

i

Ae^ e~jφ

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又知

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4、闭环系统频域指标和时域指标的转换

工程中常用根据相角裕度 Y 和截止频率ω估算时域指标的两种方法。 相角裕度Y 表明系统的稳定程度,而系统的稳定程度直接影响时域指标 σ % ts

1 、系统闭环和开环频域指标的关系

系统开环指标截止频率 ωC 与闭环带宽ω b 有着密切的关系。对于两个稳定程度相仿的系统, ω C 大的

系统,ω b 也大;ω C 小的系统,ω b 也小。

因此ωC 和系统响应速度存在正比关系,

ωC 可用来衡量系统的响应速度。又由于闭环振荡性指标谐振

Mr 和开环指标相角裕度 Y 都能表征系统的稳定程度。

系统开环相频特性可表示为

1 、尼科尔斯图线 设开环和闭环频率特性为

Slna

Cg 卩 ± JeOSi :

?> + λ∕r

- 1

护⑹)≡-I?0 ÷

y{(u)

G(Jii)) ~IlIll EE ≡ J(β>)[-cos7(

G(J3

I .l(ffj)-wx7(ftj)]-

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2 、开环频域指标和时域指标的关系 典型二阶系统开环传递函数为

2.幵环頻城描标和时域橢标的关系

典型二l?焉?t 幵环作递為数为

K

s(Γs + l)

对于二阶系?L -???:

30ξf <χ<70fl Q 0,27< f √D.K

估笊时域霜标方进:

(I )从开坏对数频率待性曲纯确定相金裕度 ¢2) iM? Y 查对座的歹

(3)由 ? ?i? σ% :由 ωn t t =3.5∕? 求

Λ(S + 2?U )

G(H =

可武弼

*1—2"

?1角裕度耳求捋

例4:C>?fl ??X???统开环传毬ι??t为

G(y)=

(1 + 0. kχi+0.5jχi + 5) 试??κ为何值时*闭环象i?稔定?

解:? τ; = 0.],T1=O AT;=!

rι????实柚吏点为b *厂十丁

&= M——=

i?点的开环?ιft????为l-τ,rτ

A =曙僞+殆+TM + T:苗;讥 + TJ + 2T跖

“、< I

∕12(Z S+7^)+77(7'I+Γ√ + 7^7l+∕p + 2V3η

-^Λ??^

OJ-Tr5+O^5? ]>0?6 + 275.fx0,5

?H)Jfi??? K < ∣9.8 ?i?? +

例2已知一单位反馈系统,其开环传函为

σw=?

试用奈氏判据判定系统稳定性

判据P=1 N=1∕2,Z=P2N,系统稳定。

当K<1时,奈氏曲线逆时针不包围点(一

要求:

? (V = 0 BI h X=-K P = O

当⑴一?X叶、r = 0 y = 0

(-yτ0)

K

臺氏曲??是以点曲圖呛,V为半径的曲,如下

IKffi (?)所示.-

1, j0 )半圈,开环传递函数右半平面有一个极点。根据奈氏曲奈氏訓憾和闭坏?城為比??条

件;?;

KT£;

A r)¢0.1 x 0.5xl

当κ> 1时,奈氏曲线逆时针包围点(一

1,j0 ),但有一个极点,系统不稳定。奈氏曲线如下

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