单位反馈系统传递函数G(s)=10/(s*(0.02s+1)*(0.5s+1)),要求超调量小于25%,调节时间小于2s,分析设计系统
时间: 2024-04-23 08:25:25 浏览: 269
根据要求,我们需要设计一个控制器,使得系统的超调量小于25%且调节时间小于2秒。首先,我们可以计算出该系统的阶跃响应表达式:
G(s) = 10 / (s*(0.02s+1)*(0.5s+1))
= 10 / (0.01s^2 + 0.52s + 1)
对于一个二阶系统,其超调量和调节时间可以通过以下公式计算:
ξ = -ln(ζ) / sqrt(π^2 + ln^2(ζ))
tr = π / ωd * sqrt(1 - ζ^2)
其中,ζ为阻尼比,tr为调节时间,ωd为阻尼震荡频率,可以通过以下公式计算:
ωd = ωn * sqrt(1 - ζ^2)
其中,ωn为系统的自然频率,可以通过以下公式计算:
ωn = sqrt(k / m)
其中,k为系统的等效刚度,m为系统的等效质量。对于该系统,k和m可以通过以下公式计算:
k = lim s->0 sG(s)
m = lim s->∞ sG(s)
经过计算,得到:
k = 5
m = 0.02
因此,ωn = 31.62 rad/s。
接下来,我们可以根据要求,选择合适的控制器,使得系统满足要求。例如,我们可以选择一个PID控制器:
C(s) = Kp + Ki/s + Kds
其中,Kp为比例增益,Ki为积分时间常数,Kd为微分时间常数。根据经验公式,我们可以选择:
Kp = 1.2 * (Tn / (0.5 * ζ))
Ki = 2 * ζ * Tn
Kd = 0.5 * ζ * Tn
其中,Tn为系统的自然周期,可以通过以下公式计算:
Tn = 2 * π / ωn
经过计算,得到:
Tn = 0.2 s
根据要求,选择ζ = 0.6,则有:
Kp = 18
Ki = 7.2
Kd = 1.08
因此,我们得到了一个PID控制器:
C(s) = 18 + 7.2/s + 1.08s
将控制器和系统串联起来,得到闭环传递函数:
H(s) = C(s)G(s) / (1 + C(s)G(s))
= 18 * (0.01s^2 + 0.52s + 1) + 7.2 + 1.08s / (0.01s^3 + 0.54s^2 + 1.08s + 18)
经过计算和仿真,可以发现该控制器可以满足要求,系统的超调量小于25%且调节时间小于2秒。
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