哈工大控制系统设计第17讲-2012

哈尔滨工业大学控制与仿真中心第7章多回路系统的设计——Part1授课教师：马杰CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心Contents多回路系统A1串级调节系统A217March2020A3复合控制系统CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020单回路系统设计的局限性矛盾一：系统中噪声大，输入信号的频谱不宽，此时要求系统的带宽要窄，但带宽变窄，干扰抑制的效果变差；矛盾二：干扰的频谱宽，干扰量大，这时即使做到了最大带宽，仍有可能满足不了要求；矛盾三：要求系统的频率响应较宽，而系统的带宽却做不到。7.1多回路系统CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统022隐形导弹CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统022隐形导弹系统设计存在的困难：舰船的摇摆是一个很大的干扰风载力矩干扰实现目标的跟踪CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统舰用雷达跟踪系统原理框图CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统内回路原理框图1、内回路设计内回路的任务——抑制干扰内回路带宽要宽！CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统内回路原理框图1、内回路设计内回路的开环传递函数openinGKGs扰动响应：011inKGsh称为隔离度0hCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统1、内回路设计扰动响应：011inKGsh称为隔离度0h设100inK0040hdB020khdBCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统1、内回路设计内回路设计时增益要高，为抑制干扰，内回路的带宽也要尽可能的宽，但带宽的拓展受到对象不确定性的限制，也不可能做得太高，一般要求满足5ninoCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计需要跟踪的目标飞行速度600m/s，作用距离4-32km，跟踪的均方根误差应该小于0.310-3rad。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计以高低角E为例。00022200tan1ZZXEXVtVtX0020arctan1ZXEVtX0arctanVtAX方位角：（1）输入信号分析CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计两边求导，有0020arctan1ZXEVtX3220020001112sec2ZdEVtVVtXEdtXXX2322200001cosZdEVtVtXEdtXXCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计0tanVtAXsinsindEVAEdtRsinVtAR2322200001cosZdEVtVtXEdtXX0sinZERCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计sinsindEVAEdtR22202322202222cossinsincoscossincossincossinsintancoscossincostan1sin1cosdEVdAdEAEAEdtRdtdtVVVAEAAEAERXRVREAEAERXVEAERCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计sinsindEVAEdtR222222tan1sin1cosdEVEAEdtR当A=90°、E=45°时，2222max2236001.12510/22410VEradsRCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计（2）确定外回路的被控对象CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计（2）确定外回路的被控对象II型系统CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计（3）确定带宽系统增益：2123aniKKKKT跟踪误差：211anetEEKCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计（3）确定带宽320.31037.5/netradrads10/nradsCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计（3）噪声本系统的噪声主要是雷达接收系统的热噪声，这种噪声可以看作“白噪声”，接收机的均方噪声输出与斜距R的四次方成正比。此噪声的谱密度为2154410NtKRRt——目标的实际斜距，km。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计（3）噪声此噪声的谱密度为2154410NtKR噪声误差:221542810nNbNtbNKRbN——系统的等效噪声带宽bNn与有关CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计（3）噪声1.5bNn221542810nNbNtbNKR2746.1310ntRCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计（3）噪声2746.1310ntR333334,0.01108,0.041016,0.161024,0.351032,0.6310tntntntntnRkmradRkmradRkmradRkmradRkmradCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计（3）噪声333334,0.01108,0.041016,0.161024,0.351032,0.6310tntntntntnRkmradRkmradRkmradRkmradRkmrad带宽过宽导致噪声误差随着斜距的增加而增大，为此应保证跟踪误差的条件下，减小带宽。22tnrCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1:舰用雷达跟踪系统7.1多回路系统2、外回路设计（3）噪声斜距固定增益变增益rntnrnt4km0.2250.010.225100.2250.010.2258km0.0560.040.069100.0560.040.06916km0.0140.160.1650.0560.090.1124km0.0060.350.352.50.10.140.1732km0.0030.630.631.40.1750.190.26CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统锁相伺服系统CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统21.5/90000.024/348.6/1000184010.85pVTKVradKKVHzKgcmANJgcmsRmm基本参数：CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统设计思想：外回路中有两个积分环节，若只由这个外回路来组成反馈系统，将缺一阻尼项，需要加一速率反馈来提供阻尼。除稳定性外，还要保证伺服精度的要求。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统（1）内回路设计：设计目的——抑制干扰轴承噪声、摩擦力矩等170Hz的位置方波CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统（1）内回路设计：170Hz的位置方波扰动内回路带宽满足：170,107/10ininHzrads即75/inradsCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统（1）内回路设计：75/inrads内回路为I型系统2dpvaTKKKKKNdKKJ增益0.0115aKCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统（1）内回路设计：75/inrads内回路为I型系统2dpvaTKKKKKNdKKJ增益0.0115aKCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统（1）内回路设计：75/inrads若要求卷轴的速率跟踪误差小于0.001mm/s0.0115aK10.001dedKR扰动12.7dgcm扰动CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统（2）主回路设计：a)主回路的被控对象——速度反馈+检相CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统（2）主回路设计：b)主回路带宽115/5noinrads75/inradsCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统（2）主回路设计：c)伺服刚度——相位误差到电机输出轴之间的增益15/norads6000/aTSKKKNgcmrad116000eddS扰动扰动K满足静态精度要求CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统（2）主回路设计：d)主回路增益1VCOVKK内回路相当于压控振荡器（V—f），其闭环增益等效为反馈环节的倒数主回路增益：112393VKKsK15/norads困难——主回路增益较主回路带宽高出25倍CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2:锁相伺服系统7.1多回路系统（2）主回路设计：e)主回路校正困难1——主回路增益较主回路带宽高出25倍引入滞后校正1111,251sGss1no2小于10.2sCompanyLog