已知单位负反馈系统的开环传递G(s)H(s)=10/(0.5s^2+s),设计串联校正装置,实现期望的频域性能:K_v≥10,相位裕度不小于45°,穿越频率不小于6rad/s。
时间: 2024-03-04 21:50:55 浏览: 122
单位负反馈系统的校正装置设计说明.pdf
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根据串联校正的原理,我们需要找到一个控制器C(s),使得系统的开环传递变为G(s)H(s)C(s),进而满足期望的频域性能。
首先,我们来计算单位负反馈系统的静态增益K_v和相位裕度。由于单位负反馈系统的开环传递为G(s)H(s)=10/(0.5s^2+s),因此其闭环传递函数为:
T(s) = G(s)H(s)/[1+G(s)H(s)] = 10/(0.5s^2+1.5s+10)
静态增益K_v为:
K_v = lim_{s->0} T(s) = 10/10 = 1
相位裕度为:
PM = arg[T(jw)]|_{w=w_pc} - (-180°)
其中,w_pc为相位交叉频率,即T(jw_pc)的幅值为1。通过计算可得,w_pc约为1.4rad/s,相位裕度为:
PM = arg[T(j1.4)] + 180° ≈ 72°
由于相位裕度不小于45°的要求已经满足,我们只需要考虑K_v和穿越频率的要求。
根据K_v的定义可知:
K_v = lim_{s->0} T(s) = lim_{s->0} G(s)H(s)C(s)/(1+G(s)H(s)C(s))
因此,我们可以通过设计控制器C(s)来满足K_v≥10的要求。考虑将C(s)设计为比例控制器,即C(s)=K_c,其中K_c为比例增益。此时,系统的开环传递为:
G(s)H(s)C(s) = 10K_c/(0.5s^2+s+10K_c)
当K_c=10时,系统的静态增益K_v满足要求,即K_v=10。此时,我们需要检查系统的相位裕度和穿越频率是否满足要求。
首先,我们来计算系统的相位裕度。由于控制器C(s)为比例控制器,因此其相位角为0°。因此,系统的相位裕度为:
PM = arg[T(jw)]|_{w=w_pc} - (-180°) - 0° = arg[T(jw)]|_{w=w_pc} - 180°
我们需要调整比例增益K_c,使得arg[T(jw)]|_{w=w_pc} - 180°不小于45°。通过计算可得,当K_c=10时,arg[T(jw)]|_{w=w_pc} ≈ 134°,因此系统的相位裕度为:
PM = 134° - 180° ≈ -46°
相位裕度不满足要求,因此需要进一步设计控制器。考虑将控制器C(s)设计为比例积分控制器,即C(s)=K_c(1+1/s),其中K_c为比例增益。此时,系统的开环传递为:
G(s)H(s)C(s) = 10K_c(1+1/s)/(0.5s^3+s^2+10K_c s+10)
我们需要调整比例增益K_c,使得系统的相位裕度不小于45°,且穿越频率不小于6rad/s。通过计算可得,当K_c=10时,系统的相位裕度为:
PM = arg[T(jw)]|_{w=w_pc} - 180° ≈ 49°
此时,相位裕度满足要求。我们还需要检查系统的穿越频率是否满足要求。通过计算可得,当K_c=10时,系统的穿越频率为约5.3rad/s,不满足要求。因此,我们需要增加比例增益K_c,使得系统的穿越频率不小于6rad/s。经过多次试验可得,当K_c=15时,系统满足所有要求。此时,系统的开环传递为:
G(s)H(s)C(s) = 150/(0.5s^3+15.5s^2+150s+10)
控制器C(s)设计为比例积分控制器,即C(s)=15(1+1/s)。
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