问题

当系统有扰动输入时,闭环传递函数如何求解?

回答
好的,咱们来聊聊在系统受到扰动输入时,怎么求解闭环传递函数。这块儿是控制系统分析里面挺基础也挺重要的一步,理解了它,后续的设计和分析就容易多了。

首先,咱们得明确一下“扰动输入”是个啥。简单来说,扰动就是系统中除了咱们期望的参考信号之外,一切会影响系统输出的其他输入。这些东西可能是外界环境的变化,也可能是系统内部一些无法完全消除的因素。它们就像是给咱们本来设计好的系统“捣乱”的,所以咱们得考虑它们对系统输出的影响,并且想办法把这种影响减小。

闭环传递函数是什么?

在咱们进入扰动输入之前,先回顾一下“闭环传递函数”是啥。通常,咱们说的闭环传递函数是指系统在受到期望输入(通常是参考信号 R(s))作用下,输出 Y(s) 与输入 R(s) 之间的关系。它一般表示为 $G_{cl}(s) = frac{Y(s)}{R(s)}$。这个函数描述了系统在没有扰动时的“理想”响应特性。

引入扰动输入:系统模型是怎么样的?

当有了扰动输入后,咱们需要把这个扰动也纳入到系统的数学模型中。一个典型的带有扰动的闭环系统,在方框图里大概是长下面这个样子的(虽然我不能画图,但你可以脑补一下):

期望输入 R(s):这是咱们想让系统做什么的信号。
控制器 C(s):用来处理信号,生成给被控对象的控制指令。
被控对象 G(s):就是咱们实际要控制的那个东西,比如电机、温度传感器等等。
输出 Y(s):这是被控对象实际的状态。
反馈回路:通常会有一个反馈传函 H(s)(可能 H(s)=1,就是直接反馈输出),把输出 Y(s) 反馈回来。
比较器(求和环节):在这里,期望输入 R(s) 和 反馈信号 会进行比较,产生一个误差信号 E(s)。
扰动输入 D(s):这个扰动信号 D(s) 可以“插入”到系统的不同位置。最常见也最容易分析的位置是:
加在控制器输出和被控对象输入之间:也就是说,扰动直接影响了要施加给被控对象的控制指令。
加在被控对象输出端:扰动直接作用于被控对象的输出。

咱们就以一个最经典的模型为例:扰动 D(s) 加在被控对象 G(s) 的输入端(也就是控制器 C(s) 的输出端)。

求解闭环传递函数(带扰动)

有了上面这个模型,咱们来看如何求解在扰动 D(s) 作用下,输出 Y(s) 与扰动 D(s) 之间的关系,以及与期望输入 R(s) 之间的关系。

1. 求解 Y(s) 与 R(s) 的关系(忽略扰动 D(s) 时):

首先,咱们先把扰动 D(s) 暂时设置为 0,这样就可以得到上面提到的那个“标准”闭环传递函数。

误差信号:$E(s) = R(s) H(s)Y(s)$
控制器输出:$U(s) = C(s)E(s) = C(s)(R(s) H(s)Y(s))$
被控对象输入:$X(s) = U(s)$ (如果扰动加在 G(s) 输入端)
被控对象输出:$Y(s) = G(s)X(s) = G(s)U(s) = G(s)C(s)(R(s) H(s)Y(s))$

整理一下,把 Y(s) 移到一边:

$Y(s) = G(s)C(s)R(s) G(s)C(s)H(s)Y(s)$
$Y(s)(1 + G(s)C(s)H(s)) = G(s)C(s)R(s)$

所以,在没有扰动时,输出 Y(s) 与期望输入 R(s) 的闭环传递函数是:

$G_{cl_R}(s) = frac{Y(s)}{R(s)} = frac{G(s)C(s)}{1 + G(s)C(s)H(s)}$

分母 $1 + G(s)C(s)H(s)$ 通常被称为闭环系统的特征多项式,它的根决定了系统的稳定性。

2. 求解 Y(s) 与 D(s) 的关系(忽略期望输入 R(s) 时):

现在,咱们把期望输入 R(s) 暂时设置为 0,来分析扰动 D(s) 对输出 Y(s) 的影响。

误差信号:$E(s) = 0 H(s)Y(s) = H(s)Y(s)$
控制器输出:$U(s) = C(s)E(s) = C(s)(H(s)Y(s)) = C(s)H(s)Y(s)$
被控对象输入:$X(s) = U(s) + D(s)$ (因为扰动加在 G(s) 输入端)
被控对象输出:$Y(s) = G(s)X(s) = G(s)(U(s) + D(s)) = G(s)(C(s)H(s)Y(s) + D(s))$

整理一下,把 Y(s) 移到一边:

$Y(s) = G(s)C(s)H(s)Y(s) + G(s)D(s)$
$Y(s)(1 + G(s)C(s)H(s)) = G(s)D(s)$

所以,输出 Y(s) 与扰动输入 D(s) 的闭环传递函数是:

$G_{cl_D}(s) = frac{Y(s)}{D(s)} = frac{G(s)}{1 + G(s)C(s)H(s)}$

3. 综合分析:当 R(s) 和 D(s) 同时存在时

在一个线性时不变(LTI)系统中,叠加原理是适用的。也就是说,当有多个输入同时作用时,总的输出是各个输入单独作用时输出的代数和。

所以,总的输出 Y(s) 可以表示为:

$Y(s) = Y_{from_R}(s) + Y_{from_D}(s)$

其中,$Y_{from_R}(s)$ 是在 R(s) 作用下(D(s)=0)的输出,$Y_{from_D}(s)$ 是在 D(s) 作用下(R(s)=0)的输出。

根据咱们前面推导的传递函数:

$Y_{from_R}(s) = G_{cl_R}(s) R(s) = frac{G(s)C(s)}{1 + G(s)C(s)H(s)} R(s)$
$Y_{from_D}(s) = G_{cl_D}(s) D(s) = frac{G(s)}{1 + G(s)C(s)H(s)} D(s)$

将两者相加:

$Y(s) = frac{G(s)C(s)}{1 + G(s)C(s)H(s)} R(s) + frac{G(s)}{1 + G(s)C(s)H(s)} D(s)$

这个 Y(s) 的表达式,就是同时考虑了期望输入 R(s) 和扰动输入 D(s) 作用下的系统输出。

关键点和思考

扰动的位置:上面咱们是以扰动加在 G(s) 输入端为例。如果扰动加在其他位置,推导过程会有所不同,但基本思路是一样的:画出方框图,写出各环节的数学关系,然后解方程组。
比如,扰动加在 G(s) 的输出端:
被控对象输出:$Y_{obj}(s) = G(s)U(s)$
总输出:$Y(s) = Y_{obj}(s) + D(s) = G(s)U(s) + D(s)$
然后继续往前推导 U(s) 的关系,最终会得到一个 Y(s) 的表达式。在这种情况下,Y(s) 与 D(s) 的传递函数分母通常还是 $1 + G(s)C(s)H(s)$,但分子会变。
关注什么? 咱们看 $Y(s)$ 的表达式,可以清楚地看到两部分:一部分是期望输入 R(s) 引起的输出,另一部分是扰动 D(s) 引起的输出。
$G_{cl_R}(s) = frac{G(s)C(s)}{1 + G(s)C(s)H(s)}$ 描述了系统对期望输入的跟踪能力。
$G_{cl_D}(s) = frac{G(s)}{1 + G(s)C(s)H(s)}$ 描述了系统抑制扰动能力的“传递特性”。
如何抑制扰动? 从 $G_{cl_D}(s)$ 可以看出,如果想减小扰动 D(s) 对输出 Y(s) 的影响,就需要让 $frac{G(s)}{1 + G(s)C(s)H(s)}$ 这个传递函数的值在扰动所在的频率范围内尽可能小。
增大控制器增益 C(s):在许多情况下,增大 C(s) 的增益,特别是低频部分的增益,可以有效地减小 $G_{cl_D}(s)$ 的值,从而抑制低频扰动。
增大反馈回路 H(s):如果 H(s) 是一个有增益的环节,增大它也能减小扰动的影响。
选择合适的控制器结构:PID 控制器中的积分环节 (I) 就对抑制常值扰动非常有效。
分母是关键:注意到,无论是对期望输入还是扰动的传递函数,分母都是一样的:$1 + G(s)C(s)H(s)$。这个分母决定了系统的稳定性。如果这个分母在某个频率下变成零,系统就会不稳定,输出可能变成无穷大。

总结一下求解步骤:

1. 画出系统方框图:清晰地表示出期望输入、扰动输入、控制器、被控对象、反馈环节以及它们之间的连接关系。
2. 写出各环节的数学表达式:用传递函数表示各个模块。
3. 写出节点关系:根据方框图,写出信号之间的加减关系,例如误差信号的形成。
4. 解方程组:通过代入和整理,将输出 Y(s) 用输入 R(s) 和 D(s) 的函数表示出来。
5. 分离不同输入的影响:通过将 R(s) 或 D(s) 设置为零,得到各个输入对输出的传递函数。

通过这种方式,咱们就可以系统地分析在有扰动输入时,系统输出的完整情况,并为后续的控制器设计(比如选择合适的 C(s) 来减小扰动影响)提供理论依据。希望这个解释足够详细!

网友意见

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了解闭环传递函数的定义,你就理解了。

很多时候的疑惑,其实是我们忽视了对定义的理解,CloseLoop = Y(s)/R(s)。

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