控制系統(tǒng)設計總結

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上控制系統(tǒng)設計 重點一1. 頻譜概念傅里葉級數的系數表示了各次諧波的幅值和相位，這些系數的集合成為頻譜。2. 線狀譜，連續(xù)譜周期信號對其求傅里葉級數，可得到其頻譜，周期信號的頻譜是離散的；非周期信號一般可視為T的周期信號，對其取傅氏變換得到頻譜，一般來說，其頻譜是連續(xù)的。非周期信號可以進行周期延拓，這時它的頻譜就是對應周期信號的頻譜的包絡線，但幅值有可能不同。3. 典型頻譜特性（階躍譜，常值譜，脈沖譜，余弦譜）脈沖信號的頻譜是一常值A且包含所有的頻率，頻譜豐富。余弦譜若輸入為，則其線譜為 函數（脈沖函數）構成，脈沖函數的面積為，即幅值是。常值譜在所有的頻段上均為零，僅在

2、零頻率（直流）上有一個函數。階躍譜有一個連續(xù)變化的部分和一個函數，函數代表直流分量，其他各次諧波構成以連續(xù)譜，連續(xù)譜隨頻率增加很快衰減。（P18）4. 離散，快速傅里葉變換的區(qū)別DFT為離散傅里葉變換，是用數值計算的方法求信號的頻譜。其一般公式為：對一段給定的信號，在一個周期內取N個采樣點，求其離散傅里葉變換，再除以N就可得對應的線譜。求頻譜 ：將其乘上t就可以得到所求頻譜的值求線譜 ：在一個周期內取N個采樣值，求其離散傅立葉變換，再除以NFFT為快速傅里葉變換，它是為了提高DFT的計算效率而提出的。對FFT而言，一般要求時間點數為2的整數次方，即。5. 如何改變譜密度線譜之間的距離，增大周期

3、T，譜線距離減小，譜密度增大。6. 頻率特性測定：加不同頻率正弦，看穩(wěn)態(tài) 或 加脈沖信號，分析輸出響應7.用頻譜分析法求傳遞函數的優(yōu)點快速 精確 簡便 有效例題： 第六節(jié)兩個 計算題二1.典型輸入信號設計 系統(tǒng)設計時，輸入信號是從工作信號中提取抽象的，也就是典型工作信號作為系統(tǒng)設計時的輸入信號，一般也作為系統(tǒng)鑒定時的檢測信號。典型信號的確定P36：根據系統(tǒng)預定執(zhí)行的任務來確定確定典型輸入時要對實際情況做一些簡化2. 計算誤差方法 P41；令，當=0時為0型系統(tǒng)，K用表示，=1時為I型系統(tǒng)，K用表示，=2時為II型系統(tǒng)，K用表示，靜態(tài)誤差：系統(tǒng)類型低頻部分靜態(tài)誤差系數位置速度加速度001/(1+

4、)I1/s01/II2/s001/3. 動態(tài)誤差的頻域解釋（動態(tài)系數法的頻率） 當輸入信號變化時，跟蹤過程中的誤差信號可以看作是由輸入信號中的位置，速度，加速度等分量引起的，各項誤差與相應的分量的比例系數就成為動態(tài)誤差(P42)（為什么動態(tài)誤差系數法計算誤差時只進行有限項計算數就可以達到極高精度？）因為系統(tǒng)對輸入的響應一段時間以后會趨于穩(wěn)定，所以誤差經一定時間后也趨于很小范圍，也就是說誤差主要體現在相應的初始階段，所以動態(tài)誤差系數法計算誤差時可以計算有限項即可。之后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時，誤差也很快趨于0，所以有限項運算也可以獲得較高精度。4. 第一個轉折頻率的物理意義（低頻/高頻的區(qū)分）答：當輸入信

5、號頻譜的主要部分處于系統(tǒng)的低頻段且低于第一個轉折頻率時，系統(tǒng)的特性就可以用低頻模型來代替。5：在控制系統(tǒng)設計時，為什么不是以標準信號作為系統(tǒng)的輸入信號，而是以典型信號作為輸入信號？答：因為系統(tǒng)工作輸入的是工作信號，典型信號是對工作信號的一種近似，設計時，只有以典型信號作為輸入信號，按照性能的要求設計系統(tǒng)的結構和參數，才能保證系統(tǒng)在工作時能符合性能和穩(wěn)定性的要求，系統(tǒng)的誤差和輸入信號形式和系統(tǒng)結構都有關。典型信號確定：根據該系統(tǒng)預定執(zhí)行的任務，總是要對實際情況做一些簡化6.求系統(tǒng)跟蹤誤差的方法卷積法 動態(tài)誤差系數法7.指令誤差為什么有限項，誤差計算，頻域解釋有限項：因為系統(tǒng)對輸入的響應在一段時間

6、后會趨于穩(wěn)定，所以誤差經過一段時間后也趨于很小范圍，也就是說誤差主要體現在響應的初始階段，所以動態(tài)誤差系數法計算誤差時可以計算有限項即可，之后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時，誤差也會很快趨于零，所以有限項運算也可以獲得較高精度所謂用穩(wěn)態(tài)概念來計算，就是說可以將誤差看作是由各階導數引起的，由于只與前0.2秒信號有關，所以只考慮有限項，這就是動態(tài)誤差系數法從頻域上來說，當輸入信號的頻譜分布在低頻段時，就可以用低頻數學模型來代替實際系統(tǒng)，而動態(tài)誤差系數就是這低頻模型中的各次系數8.系統(tǒng)低頻段設計特點系統(tǒng)低頻段主要根據輸入信號和干擾來確定，主要關注性能信號頻度特點輸入信號應該位于哪個頻段根據實際任務三1. 噪聲和干擾

7、的區(qū)別（噪聲的概念和意義）干擾（如負載變化，電源波動，基座運動等）與有用信號分開，一般是可測量的或是能觀測的，噪聲與有用信號混雜，無法分離出來。干擾可以抑制，但是噪聲只能衰減。干擾一般作用在系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，噪聲一般是由于測量帶來的，一般作用在系統(tǒng)的輸出輸入端。干擾和噪聲都是隨機信號。噪聲的概念：混在有用信號上的外加信號常稱作“噪聲”，噪聲一般是由測量帶來，作用于系統(tǒng)的輸入端或輸出端。2. 時域（用什么函數）描述隨機信號答：概率密度函數3. 信號之間相關關系 答：平穩(wěn)隨機過程（統(tǒng)計特性不隨時間變化，均值為常值，協(xié)方差函數僅與時間差相關），且均值為0時，相關函數就是均值為零的協(xié)方差函數。相關函數表

8、示了距離為的前后兩瞬間的關聯程度。P574. 白噪聲的相關函數，什么是白噪聲（意義，對系統(tǒng)的影響） 答：有些噪聲信號，如電子設備的熱噪聲，其頻譜是常值，且從零頻率一直延伸到大大超出系統(tǒng)的帶寬。這樣的噪聲一般稱白噪聲。一階系統(tǒng)在白噪聲通過的輸出均方值與一個帶寬為的理想濾波器相同，系統(tǒng)本身帶寬為（1/T）而可以用于計算系統(tǒng)的等效噪聲帶寬，設計系統(tǒng)時，力求獲得最小的等效噪聲帶寬。5. 均方誤差（計算？） 答：均方誤差定義：P71，6.相關函數與譜密度是什么關系（不同）？答：關系：相關函數是譜密度的傅氏積分，譜密度是相關函數的傅氏變換，兩者是一對傅氏變換，對應著時域和復頻域。不同：相關函數是零均值的平

9、穩(wěn)隨機過程的均方差函數，譜密度是信號的標本函數x(t)，是其頻譜，為功率譜密度，它代表信號功率（能量）在頻譜上的分布，二者是傅氏變換與反變換的關系。7.帶寬的大小對系統(tǒng)的跟蹤誤差、干擾誤差、噪聲誤差有什么影響？答：設計時，要保證系統(tǒng)帶寬大于等于輸入信號和干擾信號的頻譜，從而保證精度，抑制干擾。要保證系統(tǒng)帶寬小于噪聲所規(guī)定的性能界限，衰減噪聲。貸款太窄，不能很好地復現輸入，抑制干擾，跟蹤誤差，干擾誤差大。帶寬太寬，會進入系統(tǒng)的不確定部分，噪聲誤差大。通常帶寬和系統(tǒng)增益互相影響，互相制約。當增益大時，跟蹤誤差、干擾誤差減小，噪聲誤差增大。8.相關函數，譜密度，均方誤差的特點和關系都是描述隨機信號的

10、量相關函數是零均值的平穩(wěn)隨機過程的均方差函數，譜密度是信號的標本函數相關函數是譜密度的傅氏積分，譜密度是相關函數的傅氏變換，兩者是一對傅氏變換，對應著時域和復頻域相關函數就是均值為零時的協(xié)方差函數，表征了一個零均值的平穩(wěn)隨機過程的統(tǒng)計特性四1. 不確定性的概念（噪聲，干擾）答：不確定性指的是設計所用的數學模型與實際物理系統(tǒng)之間的差別。其表示方法有兩種：加性不確定性和乘性不確定性。2. 控制系統(tǒng)設計準則（應優(yōu)先保證什么條件）答：名義系統(tǒng)應該是穩(wěn)定的。名義系統(tǒng)是對實際系統(tǒng)的建模描述，如實際系統(tǒng)，其名義系統(tǒng)為，對此系統(tǒng)控制時，微分控制規(guī)律為，則要求必須是穩(wěn)定的。低頻段增益應高于跟蹤誤差和干擾抑制所要

11、求的性能界限。因為低頻段主要體現跟蹤誤差，所以低頻段增益必須保證足夠大才能將系統(tǒng)跟蹤誤差等控制在要求范圍內。系統(tǒng)高頻段應低于不確定性所要求的界限函數。不確定性是指實際系統(tǒng)與名義系統(tǒng)之間的差別，產生主要原因是參數不確定性和未建模動態(tài)性引起的，表示方法有加性不確定性。和乘性不確定性。由名義系統(tǒng)與實際系統(tǒng)的差別，系統(tǒng)若穿越不確定性界限易因參數變化引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。（應優(yōu)先保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即優(yōu)先保證名義系統(tǒng)穩(wěn)定，又要是高頻段低于不確定界，在此前提下才能盡可能提高性能。）3. 0型系統(tǒng)的設計 答：令控制對象為一階，有，對象帶寬為，則系統(tǒng)帶寬易取：，然后取增益，增益滿足靜態(tài)誤差要求即可（1/(1+)），有

12、增益和帶寬即可求出轉折頻率，最后再使用反饋校正，反饋加在執(zhí)行機構上，傳遞函數為取即可。4.加性/乘性不確定性不確定性指系統(tǒng)所用數學模型與實際物理系統(tǒng)之間的差別5.帶寬的多種定義和意義帶寬是在頻率特性上定義的，它表示了一個系統(tǒng)跟蹤輸入正弦信號的最大頻率0型系統(tǒng)設計特點6.帶寬帶來的問題帶寬太窄，不能很好的復現輸入、抑制干擾、跟蹤誤差，干擾誤差大，帶寬太寬，會進入系統(tǒng)的不確定性部分，噪聲誤差大五伺服系統(tǒng)：是指輸出跟隨指令變化的系統(tǒng)。（輸出跟隨輸入，指標有跟蹤速度，跟蹤誤差等。調節(jié)方法就是校正，有微分，超前，遲后，反饋等形式）例如位置跟蹤系統(tǒng)，常見于機電系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)主要滿足跟蹤精度的要求。又稱隨動

13、系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)。要求輸出能復現輸入，抑制干擾，衰減噪聲。一般要采取校正，在帶寬和增益之間找這種點，在保證穩(wěn)定性的前提下，盡量滿足性能指標。伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)，一般指位置跟蹤系統(tǒng)伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)，是一種能實現輸出變量精確地跟隨或復現輸入變量的控制系統(tǒng)。1. 基本I型和改進I型的區(qū)別答：基本I型是在整個頻帶上只有一個轉折點，而改進I型頻率特性由三段構成，-20，,-40，-20。二者Bode圖：改進I型系統(tǒng)和基本I型比較而言，有兩種優(yōu)點：在保證相等帶寬情況下可獲得極大低頻段增益，抑制低頻段誤差等。在相同增益（特別是低頻段）時，改進I型能有更低的帶寬，可以降低噪聲誤差，也可以獲得更好的魯棒性。

14、所以，進行I型審計時，可以優(yōu)先保證低頻段增益和不確定性界限在輸入信號頻帶之間，即以-40dB/dec下降。在一個較合適的位置在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性能指標下，任取一個滿足設計要求的以-20dB/dec穿越0分貝線即可。2. II型系統(tǒng)的應用場合（設計準則） 答：II型系統(tǒng)一般用于重型設備，如遠程的高炮、大型天線等。這是因為這些設備比較笨重，其傳動往往需要一套比較復雜的裝置。 （如果對象的帶寬較低，而所要求的精度又較高，這時可選II型系統(tǒng)來提高低頻段增益）II型1應用時，可能出現的問題：由于傳動系統(tǒng)存在齒隙，易造成系統(tǒng)的自震蕩。由于對象的帶寬低，若干擾較大，干擾頻譜寬，就不能良好的抑制干擾。由于II型系

15、統(tǒng)型別高，相角滯后，在大信號輸入作用下，也有可能造成系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。3. 系統(tǒng)校正（超前，遲后，反饋）的含義和作用 答：超前：遲后：又稱積分校正，傳遞函數， 遲后校正的增益到高頻段要衰減倍。1、系統(tǒng)設計中如果滿足了增益要求，帶寬有可能會超出允許范圍，造成不穩(wěn)定，這時需要用遲后校正來壓低帶寬。2、在保持帶寬不變的情況下提高系統(tǒng)的增益。？反饋：反饋校正的作用是可以抑制干擾的影響。（微分環(huán)節(jié)的作用是提供超前的相角，增加系統(tǒng)的相角裕度，增加系統(tǒng)的阻尼比（對二階系統(tǒng)效果明顯）4. 遲后校正問題，好處（原因）答：遲后校正在低頻部分的相位滯后有時會給系統(tǒng)帶來問題。尤其是II型系統(tǒng)采用遲后校正后就成為一條件穩(wěn)

16、定系統(tǒng)。所謂條件穩(wěn)定系統(tǒng)是指增益在某一范圍內才能穩(wěn)定工作的系統(tǒng)。增益大或小時都是不穩(wěn)定的。 即使不構成條件穩(wěn)定系統(tǒng)，遲后校正對于大信號下的系統(tǒng)特性也是不利的。采用遲后校正后系統(tǒng)在打信號下的特性就變壞了，這種系統(tǒng)在承受干擾或者投入工作時，會出現大幅度的振蕩，甚至不穩(wěn)定。5.三個校正的含義和本質伺服系統(tǒng)設計時往往需要滿足某項指定的性能指標，例如對增益有一定要求，或者對帶寬有一定要求，但若根據這些性能要求確定了系統(tǒng)增益或帶寬，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能就保證不了，因此伺服系統(tǒng)需要校正，其校正有微分校正，滯后校正和反饋校正三種方式，微分校正是為系統(tǒng)提供阻尼用，主要用于系統(tǒng)阻尼不夠的場合，滯后校正是伺服系統(tǒng)所特有

17、的，用來壓低帶寬，又稱積分校正，主要用于系統(tǒng)滿足增益要求但帶寬超出允許范圍，或者要求系統(tǒng)在保持帶寬不變情況下提高系統(tǒng)增益的場合，反饋校正主要用于解決高增益和允許的帶寬之間的矛盾，也叫并聯校正，起的作用和滯后校正一樣，但由于系統(tǒng)的中頻段是用反饋來形成的，所以較之串聯校正具有更大的靈活性。7.基本1型，改進1型，2型系統(tǒng)的特點和例子（儀表不考）基本1型系統(tǒng)是指只有一個轉折頻率的系統(tǒng)基本1型系統(tǒng)的增益較低，往往不能滿足跟蹤要求，所以大部分1型系統(tǒng)都屬于改進1型，其頻段由三段所構成2型系統(tǒng)中最為簡單的一種系統(tǒng)是只有一個轉折頻率的系統(tǒng)，稱為基本2型系統(tǒng)改進1型的優(yōu)點： 在保證相等帶寬下可獲得較大的低頻段

18、增益，抑制低頻誤差等；在相同增益（特別是低頻段時），改進1型能有更低的帶寬，可以降低噪聲誤差，也可以獲得更好的魯棒性，所以進行1型設計時，可以優(yōu)先保證低頻段增益和不確定性界限在輸入信號頻帶之間，即以-40db/dec下降，在一個比較合適的位置在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定等性能指標下，任意取一個滿足設計要求的以-20db/dec 穿越0分貝線即可例題：147頁，152頁 計算題六（可能考分析題）調節(jié)系統(tǒng)：是指將輸出穩(wěn)定在一個設定值不動的系統(tǒng)。（任務是保持輸出一定范圍內保持不變，主要是一直干擾帶來的輸出波動。指標有干擾誤差等。主要靠PID校正來保證達到相應指標）系統(tǒng)主要考慮的問題就是抑制干擾。調節(jié)系統(tǒng)的手段是利

19、用PID進行參數整定，以達到目的。1. PID含義 答：P代表比例控制，I代表積分控制，D代表微分控制，P128:此類系統(tǒng)還可以分為兩種，一種勢以提供阻尼為主的PD控制，另一種是采用PI控制率的系統(tǒng)。比例控制直接反映在系統(tǒng)增益上，和帶寬直接有關。微分環(huán)節(jié)的作用是提供超前的相角，增加系統(tǒng)的相角裕度，增加系統(tǒng)的阻尼比（對二階系統(tǒng)效果明顯，高階不明顯）。積分環(huán)節(jié)主要用來消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，積分規(guī)律應在到達中頻段時就衰減掉，使其帶來的相位滯后不致影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.過程控制系統(tǒng)的設計特點 答：若采用比例微分規(guī)律，應該用其幅頻特性增加比較平緩的頻段，。過程控制系統(tǒng)增益低，帶寬窄，所以在控制規(guī)律中要加積分

20、環(huán)節(jié)來提高其低頻段增益以減小或消除靜差。綜上，基本控制規(guī)律是PI，微分項D則可以在一定程度上提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但其作用有限。3.敘述微分環(huán)節(jié)的作用是什么？在過程控制系統(tǒng)中，微分環(huán)節(jié)的應用有什么特點？答：微分環(huán)節(jié)的作用是提供超前的相角，增加系統(tǒng)的相角裕度，增加系統(tǒng)的阻尼比（對二階系統(tǒng)效果明顯），但一般會放大噪聲。在過程控制系統(tǒng)中，要謹慎使用微分環(huán)節(jié)。這是因為微分校正在提供相角的同時，也增加了幅頻特性，增大了剪切頻率，對于有時延的系統(tǒng)，滯后環(huán)節(jié)的相移是，相移隨頻率而比例增加。加大帶寬會增加相位滯后，抵消校正環(huán)節(jié)的相位超前。一般采取微分校正，使幅頻特性基本不變，而相頻特性有所增加，增加系統(tǒng)的相角裕度

21、。4.過程控制系統(tǒng)的對象有什么特點？答：一般都有明顯的時滯特性，因為過程控制中對象一般為基性對象，如熱容，是溶液基等對象，所有對象輸入激勵需經一定時間才能達到測量環(huán)節(jié)，即有時滯反應。以熱工對象為例，當輸入熱流后，需經一段時間水溫才能上升，測量環(huán)節(jié)才能測量出來，但若以此時的測量值直接用于校正系統(tǒng)易引起不穩(wěn)定或使穩(wěn)定性變差。5.調節(jié)系統(tǒng)的定義，主要內容，任務調節(jié)系統(tǒng)是指輸入不變，輸出不變的系統(tǒng)（即保持在設定度）以抑制干擾為設計中主要考慮的問題，將被調節(jié)量保持在設定值上的控制系統(tǒng)叫調節(jié)系統(tǒng)調節(jié)系統(tǒng)的任務是將被調量保持在設定值上，因此調節(jié)系統(tǒng)設計中主要考慮的是抑制干擾采取的手段是PID控制，衡量指標是

22、隔離度，隔離度等于坦克車體震動的幅度和允許程度的比值，理論上限制隔離度提高的因素主要是火炮的諧振6.過程控制為什么用PI不用D在過程控制系統(tǒng)中，由于調節(jié)對象一般都帶有滯后特性，系統(tǒng)主導極點的阻尼比并不直接受微分項支配，所以微分項的阻尼作用在這里是不明顯的，若設計不好，甚至會帶來相反的效果。過程控制中若采用比例加微分規(guī)律，應用于其幅頻特性增加比較平緩的頻段。在過程控制系統(tǒng)中，由于滯后緩解的存在，系統(tǒng)的增益都很低，因此調節(jié)規(guī)律中無一例外都加有積分規(guī)律。綜上所述，PID規(guī)律可以滿足過程控制系統(tǒng)的常規(guī)設計要求，這里基本控制規(guī)律是PI，微分項D可以在一定程度上提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但其作用是有限的。7.PID各參數的用途控制系統(tǒng)的比例環(huán)節(jié)直接反映在系統(tǒng)增益上，所以和帶寬直接有關，控制規(guī)律中采用微分項主要是為了增加系統(tǒng)的阻尼，積分項主要是用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，各有作用，配齊后來滿足不同使用要求例題：182頁，184頁 計算題七1. 什么時候使用多回路系統(tǒng)，如何進行設計（設計特點，調試方法）答：當系統(tǒng)滿足以下條件：噪聲處于高頻段，而輸入信號的頻譜并不寬，這時需要一個窄帶寬系統(tǒng)，但帶寬太窄，無法抑制干擾。干擾比較大，