控制系统的误差分析和计算

合集下载

控制系统的误差分析和计算

控制系统的误差分析和计算

第六章 控制系统的误差分析和计算
- Y (s)
×
ε ( s)
G (s ) H (s )
Xo ( s)
ε ( s) = X i ( s) − Y ( s) = X i ( s) − H ( s) X 0 ( s)
根据拉氏变换的终值定理 终值定理, 根据拉氏变换的终值定理,得到稳态偏差εss为
ε ss = lim ε (t ) = lim sε ( s)
中国石油大学机电工程学院
10
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
说明: 说明:
误差是从系统输出端 误差 输出端来定义的,是输出期望值与实际输 输出端 出值之差。误差在性能指标提法中经常使用,实际系统中 因为输入信号和输出信号往往量纲不同,一般只具有数学 上的意义。 偏差是从系统输入端 偏差 输入端来定义的,是系统输入信号与主反 输入端 馈信号之差。偏差在实际系统中是能测量的,具有一定的 物理意义。 对于单位反馈系统而言,误差与偏差是一致的。对于非 单位反馈系统,两者是不同的。 必须是稳定系统计算稳态误差(偏差)才有意义。
xo (t ) x i (t )
ess
瞬态响应
China university of petroleum
稳态响应
t
4
中国石油大学机电工程学院
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
是控制系统期望的输出值, 是其实际的输出值, 设xor(t)是控制系统期望的输出值, xo(t)是其实际的输出值, 是控制系统期望的输出值 是其实际的输出值 则误差函数e(t)定义为 则误差函数 定义为
China university of petroleum
控制工程基础

3-3 第三节 系统误差分析与计算

3-3 第三节 系统误差分析与计算

第三节 系统误差分析与计算对于一个控制系统来说,不但要求其是稳定的,而且还要求其动态特性要好。

但这还不够,因为系统在输入作用下的过渡过程和稳态过程组成了时间响应的全部内容,因而研究系统的稳态过程也是相当重要的。

评定稳态过程的质量指标为稳态误差,是系统控制准确度的一种量度,是一项重要的性能指标。

控制系统设计的课题之一,就是如何使系统的稳态误差小于某个允许值。

一、误差与稳态误差1、误差误差——严格说就是被控对象的实际输出信号与理论输出信号之差。

工程上有两种误差定义。

①按输出端定义的误差含义:误差为系统希望输出量与系统实际输出量之差。

即: ()()()r e t c t c t =−或: ()()()r E s C s C s =−一般来说,这种误差信号直观实用,但是常无法进行测量,具有明显的数学意义,工程实际中相对前一种误差较少使用。

②按输入端定义的误差。

()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()11111E s R s B s R s H s C s R s H s s R s R s H s s G s H s R s G s H s R s G s H s =−=−=−Φ⎡⎤=−Φ⎣⎦⎡⎤=−⋅⋅⎢⎥+⎣⎦=⋅+有时也将()()()11e s G s H s Φ=+称为误差传递函数。

或者,误差表示为时间的函数:()()()e t r t b t =−这种形式的误差可以进行测量,具有一定的物理意义。

2、稳态误差在时域中误差是时间t 的函数()e t 。

一个稳定的闭环控制系统,在外加输入作用下,经过一段时间,其瞬态响应分量衰减到可以忽略的程度,其输出信号()c t 趋于稳态分量,同样其误差信号()ss c t ()e t 也将趋于一个稳态的。

()ss e t 稳态误差——当时间当t 时,→∞()e t 的稳态分量称为稳态误差,既稳定系统误差的终值。

记为()ss e t ()。

第六章 控制系统的误差分析和计算.ppt

第六章 控制系统的误差分析和计算.ppt

6.2 输入引起的稳态误差
6.2.1 误差传递函数与稳态误差
➢单位反馈控制系统
输入引起的系统的误差传递函数为
E(s) 1 Xi(s) 1G(s)

E(s) 1 1G(s)
Xi(s)
X i sE(s)源自G(s)X o s
图6-2 单位反馈系统
根据终值定理 e ss lt ie m (t) ls i0s m (E s) ls i0s m 1 G 1 (s)X i(s)
这就是求取输入引起的单位反馈系统稳态误差的方法.需要注意的 是,终值定理只有对有终值的变量有意义.如果系统本身不稳定,用 终值定理求出的值是虚假的.故在求取系统稳态误差之前,通常应 首先判断系统的稳定性.
➢ 非单位反馈控制系统
输入引起的系统的偏差传递函数为:
sXi(s)Y(s)
1
1G(s)H(s)
控制系统的方块图如图6-1所示.实线部分与实际系统有对应关系, 而虚线部分则是为了说明概念额外画出的.
控制系统的误差信号的象函数是 E ( s )s X is X o s (6-1)

偏差信号的象函数是 (s)X is Y s
(6-2)
考虑Xi(s)与Y(s)近似相等,且Y(s)=H(s)Xo(s),得
一般情况下,H为常值,故这时:
e ss
ss
H
例6-1 某反馈控制系统如图6-4,当xi(t)=1(t)时,求稳态误差.
解:该系统为一阶惯性系统,系统稳定.误差传递函数为:
Es 1 1 s
Xi(s) 1G(s) 110 s10 s

X
i
(s)
1 s

e ss ls i0s m s s1X 0 i(s) ls i0s m s s11 s0 0

控制工程基础 第6章 控制系统的误差分析和计算

控制工程基础 第6章 控制系统的误差分析和计算

C0 (s)
N (s)
R(s) B(s)
(s)
-
G1 ( s )
+ G2 (s)
H (s)
e(s) -
C(s)
(b)
误差
C0(s) (s) N(s)
R(s)
1 H(s)
R1(s) C0(s)
E1(s(s))H(s)
E(s)
G1(s)
G2(s) C(s)
(c)
e(s) -+ (s)
H (s)
E(s)
因为偏差 (s) R(s) B(s) H (s)C0 (s) H (s)C(s) H (s)e(s)
这里 R(s) H (s)C0 (s) 是基于控制系统在理想工作情况下
(s) 0 得到的。
即当控制系统的偏差信号 (s) 0 时,该控制系统无调节控制
作用,此时的实际输出信号C(s)就是希望输出信号 C0 (s) 。
G(s)H(s)
i1 nv
sv (Tis 1)
i1
(4)稳态误差系数和稳态误差的总结 (系统在控制信号作用下)
此表概括了0型、Ⅰ型和Ⅱ型反馈控制系统在不同输入信号作用下的
稳态误差。在对角线上,稳态误差为有限值;在对角线以上部分,
稳态误差为无穷大;在对角线以下部分,稳态误差为零。由此表可
以得如下结论:
何改变系统结构?
(s)
- G1 K1
解:(1)给定作用下的误差传递函数为
RE (s)
(s)
R(s)
1
1
K1
K2 s
s s K1K2
当给定输入为单位阶跃输入时,稳态误差为
N (s)
+
G2
K2 s

控制系统的误差分析完整版文档

控制系统的误差分析完整版文档

lim
s
A
s0 1 G(s)H(s) s
A
A
lim
s0 1 G(s)H(s) 1 Kp
其中 Kpls i0m G(s)H(s) 定义为稳态位置误差系数。
所谓位置不仅限于字面上的含义,输出量可以是位置,也 可以是温度、压力、流量等,因为这些物理名称对于分析 问题并不重要,故把它们统称为位置。
0型系统
强调:在误差分析中,只有当输入信号为阶跃信号,斜坡2(速度)信号和抛物线(加速度)信号,或者上述三种信号的线性组合时,稳态位
II型系统 Klim sK(s1)(s1) K 置3定误抛义差 物 为系线稳数(态加,速速稳度度态误)信速差号度系引误数起差。的系稳数态和误稳差态a 加速度误s 差系0数才有2 意I义I。 1
ess 0
在阶跃输入时,0型系统的稳态误差为一常值,其大小与开 环增益有关,开环增益越大,稳态误差越小,但总有误差。
如要求在阶跃输入时,系统稳态误差为0,则系统必须是I 型或高于I型的系统
7.1.2 斜坡信号引起的稳态误差
ess lt ie m (t)ls i0s m (E s)ls i01 m G s(s iX ( )s H )(s)
I型或高于I型的系统
v s 0 1
2 2
3 3
I
试求系统的动态误差系数。
A A 动态误差系数法可以描述稳态误差随时间的变化规律。
e 如如系系统 统的的输输入入是是几几ss种种典典型型信信号号的的组组合合
K K 试确定系统的稳态误差。 v
3 扰动信号作用下的稳态误差
II型及以上系统 3 抛物线(加速度)信号引起的稳态误差
III型及以上系统 定义为稳态速度误差系数。
2 斜坡信号引起的稳态误差

第6章 控制系统的误差分析和计算

第6章 控制系统的误差分析和计算
H(s) H(s)
ess = lime(t ) = lims ⋅ E(s) = lims ⋅
t →∞ s→0 s→0
H(s)
ε (s)
H(s)
控制系统的误差分析和计算
输入及干扰引起的稳态误差计算 输入作用下的偏差传递函数及稳态偏差计算
1 ΦRε (s) = = R(s) 1+ G1(s)G2 (s)H(s)
满足由0<K<6,显然调整 值也无法使稳态误差小于 。 调整K值也无法使稳态误差小于 调整 值也无法使稳态误差小于0.1。
式中:K − 开环放大系数; ν − 积分环节个数; 控制系统的误差分析和计算 G0 (s) −开环传递函数去掉积分和比例环节; 输入及干扰引起的稳态误差分析
G 0 (0) = 1 ,
s→0
KP的大小反映了系统在阶跃输入下的稳态精度。KP越大, 的大小反映了系统在阶跃输入下的稳态精度。 越大, ess越小。所以说 P 反映了系统跟踪阶跃输入的能力。 越小。所以说K 反映了系统跟踪阶跃输入的能力。 稳态误差为零的系统称为无差系统,为有限值称有差系统。 稳态误差为零的系统称为无差系统,为有限值称有差系统。 无差系统 有差系统 在单位阶跃作用下, 的系统为有差系统, 在单位阶跃作用下,υ=0 的系统为有差系统, 系统为无差系统 为无差系统。 υ>=1 的系统为无差系统。
ν = 0 → Kν = lims ⋅ Gk (s) = 0 → ess−r = ∞
s→0
ν = 1 → Kν = lims ⋅ Gk (s) = K → ess−r = 1/ K
s→0
ν ≥ 2 → Kν = lims ⋅ Gk (s) = ∞ → ess−r = 0
s→0
Kυ的大小反映了系统在斜坡输入下的稳态精度。K υ越大, 的大小反映了系统在斜坡输入下的稳态精度。 越大, 斜坡输入下的稳态精度 ess越小。所以说 Kυ 反映了系统跟踪斜坡输入的能力。 越小。 反映了系统跟踪斜坡输入的能力。 斜坡输入的能力

控制系统的误差分析与校正

控制系统的误差分析与校正

控制系统的误差分析与校正控制系统是现代工业及其他领域中广泛使用的一种技术手段,用于实现精确控制和自动化。

然而,在实际应用中,由于各种因素的存在,控制系统可能会出现误差。

为了保证系统的稳定性和准确性,在误差分析的基础上进行校正是非常重要的。

一、误差分析误差是指实际输出值与期望输出值之间的差异。

在控制系统中,误差主要来自于三个方面:传感器的测量误差、执行器的执行误差以及控制器的计算误差。

1. 传感器的测量误差传感器是控制系统中用来感知被控对象状态的关键组件,其测量精度直接影响到控制系统的准确性。

然而,由于传感器本身的特性以及外部环境的干扰,传感器输出的数据可能会存在误差。

例如,温度传感器受到温度波动、噪声等因素的影响,导致温度测量结果偏离实际值。

2. 执行器的执行误差执行器是控制系统中用于实现对被控对象操作的部件,例如,电机、阀门等。

执行器的执行误差主要来自于传动装置的摩擦、机械杂质、电力波动等因素,这些因素都可能导致输出的力、位移或流量与控制要求有所偏差。

控制器通常采用数字计算方法来实现控制算法。

由于计算机性能和精度的限制,控制器在进行计算时可能会产生一定的计算误差。

这些误差可能会对控制系统的性能产生一定的影响。

二、误差校正误差校正的目的是消除或减小误差,使得控制系统的输出能够更加接近期望值。

根据误差的来源和特点,误差校正可以采取不同的方法。

1. 传感器的误差校正传感器的误差校正可以通过以下方法实现:(1) 校准:通过与已知准确值进行比较来确定传感器的误差,并进行相应的修正。

(2) 温补:对于温度传感器等受环境因素影响较大的测量装置,可以通过在系统中添加温度补偿模块来校正误差。

2. 执行器的误差校正执行器的误差校正可以通过以下方法实现:(1) 反馈控制:引入反馈环路,通过测量执行器输出的实际值,并与期望值进行比较,根据差异来调整控制信号,使得执行器的输出更加接近期望值。

(2) 预补偿:通过预先确定执行器的误差特性,并在控制信号中进行修正,从而减小执行误差。

控制工程基础—第7章控制系统的误差分析与计算

控制工程基础—第7章控制系统的误差分析与计算
稳态误差 :
ss 0
(3)Ⅱ型系统(N=2)
静态位置误差系数为Kp=∞,稳态误差ss=0。 图7-4 所示为单位反馈控制系统的单位阶跃响应 曲线,其中图7-4a为0型系统;图7-4b为Ⅰ型或 高于Ⅰ型系统。
图7-4 单位阶跃响应曲线
2. 静态速度误差系数Kv 系统对斜坡输入X(s)= R/s2的稳态误差称为速度误 差,即
图7-6 单位加速度输入的响应曲线
表7-1 单位反馈系统稳态误差 ss 输入信号 系统 类型 阶跃 x(t)=R
R 1 K
斜坡 x(t)=Rt
R K
加速度
R 2 x( t ) t 2
0型 I型 Ⅱ型

R K
0 0
0
三、其它输入信号时的误差
如果系统承受除三种典型信号之外的某一信号x(t) 输入,此信号x(t)在t=0点附近可以展开成泰勒级 数为 :
1 R R ss lim s . 3 2 s0 1 G( s ) s lim s G ( s )
s0
( 7-20 )
静态加速度误差系数Ka定义为:
K a lim s G( s )
2 s 0
( 7-21 ) ( 7-22 )
所以
R ss Ka
(1) 0 型系统(N=0)
稳态误差 对式(7-5)进行拉氏反变换,可求得系统的误差 (t) 。对于稳定的系统,在瞬态过程结束后,瞬 态分量基本消失,而(t)的稳态分量就是系统的 稳态误差。应用拉氏变换的终值定理,很容易求 出稳态误差:
E ( s) ss lim ( t ) lim s ( s ) lim s t s0 s0 H ( s)
K v lim sG ( s )
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

1 E s X i s 1 G s 1 e ss lim e t lim sE s lim s X i s t s0 s 0 1 G s
11
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
非单位反馈系统
1 X i s 1 G s H s
' '
( s) X or ( s) X o ( s) E ( s)
'
( s)
H ( s)
1 单位反馈系统H s 1,E s s E s s H ( s) H ( s) : 求稳态误差,应先求稳态偏差。
9
控制工程基础
n m
14
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
1、影响稳态误差的因素
G s K 1 s 1 2 s 1 v s T1 s 1T2 s 1
s 0
n m
e ss lim e ( t ) lim sE ( s )
t
输出量期望值的大小,即Xor(s)= Xi(s),由此得到:
( s) Xi ( s) H ( s) X 0 ( s) X or (s) X 0 (s) E (s)
单位反馈控制系统的偏差函数(s)和误差函数E(s)是相等的。
7
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
对于非单位负反馈控制系统,其输入量间接反映了输出量 期望值的大小,根据等效规则转变为单位负反馈控制系统。
Xi s
s
× -
( s)
Y s
G s
Xo s
H s
1 ss lim s s lim s Xi s s 0 s 0 1 G s H s
1 ess ss lim s Xi s s 0 H s H s 1 G s H s 1 1
e ss
1 e ss K
ess 0
17
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
4、系统对单位加速度输入的稳态误差 1 1 xi t t 2 X i s 3
1 1 1 1 1 e ss lim s 3 lim 2 2 2 2 lim s G s K a s 0 s s G s s0 1 G s s a s s 0 0
Xi s
第六章 控制系统的误差分析和计算
Xo s
× - Y s
( s)
G s H s
X i (s)
1 X i ' (s) H (s)
' (s)
-
G (s) H (s)
X o (s)
1 1 ( s) X i ( s) X o ( s) X i ( s) X o ( s) [ X i ( s) X o ( s) H ( s)] H ( s) H ( s) ( s) X or (s) X i ' (s) H ( s)
s 0
令:K v lim sG s
s 0
静态速度误差系数
K 1 s 1 对0型系统 K v lim s 0 s 0 T1 s 1
K 1 s 1 对I型系统 K v lim s K s 0 sT1 s 1
K 1 s 1 对II型系统 K v lim s 2 s 0 s T1 s 1
Xi s
× - Y s
( s)
G s H s
' (s)
Xo s
X i (s)
1 H (s)
X i ' (s)
-
G (s) H (s)
X o (s)
在上图中,输出量的期望值即为单位负反馈环节部分的 输入信号,即 X or ( s) Xi ' ( s) 。
8
控制工程基础
t s o
稳态偏差可以间接表示系统稳态控制准确程度。
6
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
3、误差信号和偏差信号的关系
对 e t xor t xo t 求拉氏变换,得到误差信号的象函数为
E s X or s X o s
对于单位负反馈控制系统,H(s)=1,其输入量直接反映了
K 1 s 1 对II型系统 K P lim 2 s 0 s T s 1 1
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
3、系统对单位斜坡输入的稳态误差
11 11 11 1 1 e ss lim s 2 lim lim s 0 s0 s 0 s sG s lim sG s K 1 G s s s sG s slim sG s K vv 0
2、系统对单位阶跃输入的稳态误差
1 e ss lim s E s lim s X i s s0 s 0 1 G s
1 1 1 1 1 1 lim lim ss 00 1 1 G G ss 1 1 lim limG G ss 1 1 K Kpp
xo t xi t
ess
瞬态响应
稳态响应
t
3
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
设xor(t)是控制系统期望的输出值, xo(t)是其实际的输出值, 则误差函数e(t)定义为
e t xor t xo t
稳态误差表述为
ess lim e(t ) = lim[ xor t xo t ]
t t
稳态误差直接表示了系统稳态控制的准确程度。
4
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
2、稳态偏差
稳态偏差由反馈控制系统的偏差函数确定。反馈控制系统 的一般模型为
Xi s
- Y s
×
( s)
G s H s
Xo s
定义:控制系统的偏差信号(s)是系统的输入信号Xi(s)与系统 的主反馈信号Y(s)之差。
13
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
二、静态误差系数
xi t 1 t xi t t 1 2 xi t t 2
ess ?
X i s
×
E s
Gs
X o s
G s
K 1 s 1 2 s 1 v s T1 s 1T2 s 1
第六章 控制系统的误差分析和计算
说明:
误差是从系统输出端来定义的,是输出期望值与实际输 出值之差。误差在性能指标提法中经常使用,实际系统中 因为输入信号和输出信号往往量纲不同,一般只具有数学 上的意义。
偏差是从系统输入端来定义的,是系统输入信号与主反 馈信号之差。偏差在实际系统中是能测量的,具有一定的 物理意义。 对于单位反馈系统而言,误差与偏差是一致的。对于非 单位反馈系统,两者是不同的。
Ka 0 ess
Ka K ess 1 K
19
Kp ess 0
Kv ess 0
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
小结
1、位置误差、速度误差、加速度误差分别指输入为阶跃、 斜坡、加速度信号时输出位置上的误差;
2、对于单位反馈系统, ess ss ; ss 对于非单位反馈系统,先求出 ss ,然后求 ess ;
必须是稳定系统计算稳态误差(偏差)才有意义。
10
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
§6-2 输入引起的稳态误差 一、误差传递函数与稳态误差
先看单位反馈系统
Xi s
× s 1 Xi s 1 G s
(1) 不能很好跟踪输入信号造成的; (2) 由突加的外来扰动引起的。
讨论的是系统在没有随机干扰作用,元件也是理想线性 元件的情况下,系统仍然可能存在的稳态误差。
2
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
§6-1 稳态误差的基本概念
1、稳态误差
定义:稳态误差是控制系统在输入信号作用下稳态输出的 期望值与实际输出值之差。
2
e ss
1 ess K
18
K 1 s 1 对II型系统 K a lim s 2 K s 0 s T1 s 1
2
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析和计算
1t
K p lim G s
s 0
t
K v lim sG s
s 0
1 2 t 2
K a lim s 2G s
s 0
系统型次
ess
1 1 Kp
1 1 K
1 ess Kv
Kv 0 ess
Kv K ess 1 K
1 ess Ka
Ka 0 ess
0型
I型
II型
Kp K ess
Kp ess 0
H 0
3、上述结论对于非典型输入信号具有普遍意义。 这些输入信号的变化一般比较缓慢,可将其在t =0点附近 展成泰勒级数后再计算。
xi t xi 0 xi 0 t
1
1 2 xi 0 t 2 2! 1 稳态误差可看成各典型信号 a0 a1t a2 t 2 作用下误差的总和。 2
2 s
令:K a lim s G s
2 s 0
2
静态加速度误差系数
e ss
K 1 s 1 对0型系统 K a lim s 0 s 0 T1 s 1
相关文档
最新文档