一种基于截止频率控制回路设计方法

摘要

本发明公布一种基于截止频率控制回路设计方法，适用于前向串联比例控制、积分控制或比例-积分控制的单回路或多回路控制回路设计。本发明的方法将除前向通路控制器以外的其它控制环节等效为广义被控对象，根据控制系统快速性要求确定截止频率，基于截止频率和广义被控对象定量计算确定控制器参数。理论分析和仿真验证表明所设计控制回路满足快速性设计指标，具有很好的控制品质。

权利要求

1.一种基于截止频率控制回路设计方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)根据被控对象和执行机构的特性以及控制系统快速性要求，确定开环控制回路的截止频率ωc；

(2)将除前向通路控制器Gc(s)以外的其它控制环节等效为广义被控对象P(s)；如果是多回路控制系统，则将包含被控对象p1(s)在内的内回路等价变换为一个广义被控对象P(s)；

(3)根据广义被控对象P(s)的型别，确定前向通路控制器Gc(s)为比例控制、积分控制或比例-积分控制；

(4)根据开环回路在截止频率处的幅值为1，计算得到前向通路控制器Gc(s)增益，并计算得到前向通路控制器Gc(s)的比例系数和积分系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于截止频率控制回路设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中：若广义被控对象P(s)为零型被控对象，采用“积分控制为主，比例控制为辅”的PI控制或积分控制；若广义被控对象P(s)为一型或一型以上被控对象，采用“积分控制为辅，比例控制为主”的PI控制或比例控制。

3.根据权利要求2所述的一种基于截止频率控制回路设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，对于零型被控对象，则控制器积分系数Ki由下式确定：其中，j为虚数；

取比例系数Kp为积分系数Ki的二十分之一～十分之一，或依据下式确定比例系数Kp和积分系数Ki之间的关系：

4.根据权利要求3所述的一种基于截止频率控制回路设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，对于一型或一型以上被控对象，则控制器比例系数Kp由下式确定：取积分系数Ki为比例系数Kp的二十分之一～十分之一或者取积分系数Ki为0。

说明书

一种基于截止频率控制回路设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种控制回路设计方法，属于控制系统设计领域，。

背景技术

[0002] 传统控制回路设计大多采用“试凑”方法确定控制器参数，设计师需要进行大量繁琐重复的工作，首先得确定控制回路的结构，在此基础上选取一组控制器参数进行数值仿真，计算控制回路的时域指标参数和频域指标参数，当不满足设计指标时，则可能再确定另一种控制回路的结构或选取一组控制器参数进行控制回路各项指标计算，一直迭代，值得满足控制回路的设计指标为止。当控制器参数多于三个或三个以上时，控制回路设计工作量巨大，效率较低，所设计的控制回路其控制品质也在较大程度依赖设计师的经验和水平，另外传统控制回路设计方法属于“试凑”法，难以取得理论支撑，不便于设计师设计水平的提高。

发明内容

[0003] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种基于截止频率控制回路设计方法，可定量计算确定控制器参数，所设计的控制回路具有较好的控制品质和鲁棒性。

[0004] 本发明所采用的技术解决方案是：一种基于截止频率控制回路设计方法，包括下列步骤：

[0005] (1)根据被控对象和执行机构的特性以及控制系统快速性要求，确定开环控制回路的截止频率ωc；

[0006] (2)将除前向通路控制器Gc(s)以外的其它控制环节等效为广义被控对象P(s)；如果是多回路控制系统，将包含被控对象p1(s)在内的内回路等价变换为一个广义被控对象P(s)；

[0007] (3)根据广义被控对象P(s)的型别，确定前向通路控制器Gc(s)为比例控制、积分控制或比例-积分控制：若广义被控对象P(s)为零型被控对象，采用“积分控制为主，比例控制为辅”的PI控制或积分控制；若广义被控对象P(s)为一型或一型以上被控对象，采用“积分控制为辅，比例控制为主”的PI控制或比例控制；

[0008] (4)根据开环回路在截止频率处的幅值为1，计算得到前向通路控制器Gc(s)增益，并计算得到前向通路控制器Gc(s)的比例系数和积分系数；

[0009] 对于零型被控对象，则控制器积分系数Ki的大小可由下式确定：

[0010]

[0011] 其中，j为虚数；

[0012] 比例系数Kp的确定方法如下：

[0013] 方法1：取比例系数为积分系数的二十分之一～十分之一；

[0014] 方法2：依据下式确定比例系数和积分系数之间的关系：

[0015]

[0016] 对于一型或一型以上被控对象，则控制器比例系数Kp的大小可由下式确定:

[0017]

[0018] 取积分系数为比例系数的二十分之一～十分之一或者取积分系数为0。

[0019] 本发明与现有技术相比的有益效果是：

[0020] (1)本发明的方法将除前向通路控制器以外的其它控制环节等效为广义被控对象，根据控制系统快速性要求确定截止频率，根据截止频率和广义被控对象定量计算确定控制器参数，适用于前向串联比例控制、积分控制或比例-积分控制的单回路或多回路控制回路设计。

[0021] (2)本发明的方法可定量计算得到控制器参数，彻底改变了传统上“试凑”法设计控制器参数的方法，大幅提高设计效率，所设计的控制回路具有较好的控制品质和鲁棒性。

附图说明

[0022] 图1为本发明的单回路控制回路框图；

[0023] 图2为本发明的多回路控制回路框图；

[0024] 图3为设计控制器后控制回路的bode图；

[0025] 图4为设计控制器后控制回路的单位阶跃响应。

具体实施方式

[0026] 本发明提供一种基于截止频率控制回路设计方法，适用于前向串联比例控制、积分控制或比例-积分控制的单回路或多回路控制回路设计，包括下列步骤：

[0027] (1)根据被控对象和执行机构的特性以及控制系统快速性要求，确定开环控制回路的截止频率ωc，此ωc是控制回路一个重要的设计指标，可视为控制回路带宽。

[0028] (2)如图1所示，将除前向通路控制器Gc(s)以外的其它控制环节等效为广义被控对象P(s)，如图2所示，如果是多控制回路，还需将包含被控对象在内的内回路等价变换为一个广义被控对象P(s)。

[0029] (3)根据广义被控对象P(s)的型别，确定前向通路控制器Gc(s)为比例控制、积分控制或比例-积分控制：若广义被控对象P(s)为零型被控对象，采用“积分控制为主，比例控制为辅”的PI控制或积分控制；若广义被控对象P(s)为一型或一型以上被控对象，采用“积分控制为辅，比例控制为主”的PI控制或比例控制。

[0030] (4)根据开环回路在截止频率处的幅值为1，计算得到控制器增Gc(s)益，并计算得到前向通路控制器Gc(s)的比例系数和积分系数。

[0031] 对于零型被控对象，则控制器积分系数的大小可由下式确定：

[0032]

[0033] 其中j为虚数；s为复变量；

[0034] 比例系数Kp的确定方法如下：

[0035] 方法1：取比例系数为积分系数的二十分之一～十分之一；

[0036] 方法2：依据下式确定比例系数和积分系数之间的关系：

[0037]

[0038] 对于一型或一型以上被控对象，则控制器比例系数Kp的大小可由下式确定[0039]

[0040] 积分系数确定方法：方法1)确定积分系数为比例系数的小量即可，例如取积分系数为积分系数二十分之一～十分之一；方法2)或者取积分系数为0。

[0041] 计算机仿真实施例：

[0042] 多回路控制系统如图2所示，内回路反馈为比例控制，其系数为K，前向通路串联控制器Gc(s)为PI控制器，

[0043] 取K＝-0.1239，可得

[0044]

[0045] 则可得广义被控对象p(s)为

[0046]

[0047] 根据控制回路快速性要求，设计系统开环截止频率为ωc＝2.0rad/s，将截止频率代入上式可得广义被控对象在截止频率处的幅值

[0048]

[0049] 由于广义被控对象为0型，则可确定“积分控制为主，比例控制为辅”控制策略，即得控制器在ωc处的幅值增益为-48.32dB，即得

[0050] |Ki|＝0.0077，

[0051] 比例系数主要配置控制器的零点，可取较小的值，本实施例Kp＝0.0556Ki，由于被控对象增益为负，即可得控制器传函

[0052]

[0053] 确定控制器后，开环传函为

[0054]

[0055] 开环控制回路的bode图如图3所示，单位阶跃响应如图4所示，由图可知：

[0056] 1)控制系统稳定，稳态误差为0；

[0057] 2)开环控制回路的幅值裕度为17.47dB，相位裕度为70.4°，截止频率为2.01rad/s，截止处的幅值斜率为-20dB/dec，截止频率远离其前后两个交接频率，满足工程上“错开原理”；

[0058] 3)控制系统具有较好的动态响应特性。

[0059] 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。