任意廣義對象的最少拍控制器設(shè)計

發(fā)布時間:2024-03-24
對于任意廣義對象,上述設(shè)計方法要作相應(yīng)的修改,這時的設(shè)計目標應(yīng)包括三個方面,即穩(wěn)定性、準確性和快速性。
當g(z)含有單位圓上或圓外零極點時,為保證d(z)與g(z)不會發(fā)生零極點對消,在選擇φ(z)時,必須附加一個穩(wěn)定性約束條件。
設(shè)廣義脈沖傳遞函數(shù)g(z)為
其中,b1,b2,…,bu是g(z)的u個不穩(wěn)定零點,a1,a2,…,av是g(z)的v個不穩(wěn)定極,g‘(z)是g(z)中不包含單位圓上或單位圓外的零極點部分。當對象不包含延遲環(huán)節(jié)時,m=1;當對象包含延遲環(huán)節(jié)時,m>1。
為避免發(fā)生d(z)與g(z)的不穩(wěn)定零極點對消,φ(z)應(yīng)滿足如下穩(wěn)定性條件。
(1)因,所以φe(z)的零點應(yīng)包含g(z)在z平面單位圓上或單位圓外的所有極點,即
 (1)
其中,f1(z-1)是關(guān)于z-1的多項式且不包含g(z)中的不穩(wěn)定極點ai。
(2)因,所以φ(z)應(yīng)保留g(z)所有不穩(wěn)定零點。即
 (2)
其中,f2(z-1)為關(guān)于z-1的多項式且不包含g(z)中的不穩(wěn)定零點bi。
因此,滿足了上述穩(wěn)定性條件后
即d(z)不再包含g(z)的z平面單位圓上或單位圓外零極點。
考慮到準確性、快速性,應(yīng)選擇
(3)
其中,對應(yīng)于階躍、等速、等加速輸入,p應(yīng)分別取為1,2,3。
綜合考慮閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準確性,φ(z)必須選為
(4)
其中,m為廣義對象g(z)的瞬變滯后,該滯后只能予以保留;bi為g(z)在z平面的不穩(wěn)定零點;u為g(z)不穩(wěn)定零點數(shù);v為g(z)不穩(wěn)定的極點數(shù)(z=1極點除外);q分別取1,2,3;ci為q+v個待定系數(shù),ci(i=0,1,2,…,q+v)應(yīng)滿足下式:
 (5)
具體地,有:
 (6)
前q個方程實際上就是準確性條件,后v個方程是由aj(j=1,2,…,v)是g(z)的極點得到的。
〖例1〗 在圖1所示的系統(tǒng)中,被控對象,已知k=10s-1,t=tm=0.025s,則按前面所述最少拍設(shè)計方法,針對單位速度輸入信號設(shè)計最少拍控制系統(tǒng),并討論輸入形式改變時系統(tǒng)性能的變化情況。
圖1 最少拍有紋波系統(tǒng)框圖
解:
可以看出,g(z)的零點為-0.718(單位圓內(nèi))、極點為1(單位圓上)、0.368(單位圓內(nèi)),故u=0,v=0(z=1除外),m=1。根據(jù)穩(wěn)定性要求,g(z)中z=1的極點應(yīng)包含在φe(z)的零點中,由于系統(tǒng)針對等速輸入進行設(shè)計,故p=2。為滿足準確性條件另有φe(z)=(1-z-1)2f1(z-1),顯然準確性條件中已滿足了穩(wěn)定性要求,于是可設(shè)
解得 。
閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為

計算出各點信號:
因y(z)=r(z)φ(z)=u(z)g(z),所以
各點信號波形如圖2所示。
圖2 有紋波最少拍系統(tǒng)各點波形圖
保持按照這種輸入設(shè)計的d(z)不變,改變輸入形式時情況如下。
(1) 輸入為單位階躍信號
此時
因輸入為1(t),由偏差可知輸出:
另外,也可以直接計算
即y(0)=0,y(t)=2, y(2t)=y(3t)=…=1
因此,按單位速度輸入設(shè)計的最少拍系統(tǒng),當輸入變?yōu)閱挝浑A躍輸入時,需經(jīng)過2個采樣周期,輸出才可以跟蹤上輸入。且t=t時,超調(diào)最大,達到100%。而如按單位階躍輸入,ts=t,采樣點處無超調(diào)。
(2)輸入為單位加速度信號
即e(0)=0,e(t)=t2/2,e(2t)=e(3t)=…=t2。
可以看出,當輸入形式為單位加速度時,系統(tǒng)經(jīng)過2拍達到穩(wěn)定,即ts=2t,但系統(tǒng)始終存在誤差t2,輸出可以跟蹤輸入,但只能做到恒差跟蹤。
綜上可以看出,按照某種典型輸入設(shè)計的最少拍系統(tǒng),當輸入形式改變時,系統(tǒng)的性能變壞,輸出響應(yīng)不一定理想。
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