如何优化磁盘驱动器读取系统？

当忽略电机磁场影响时，具有PD控制器的磁盘驱动系统如图6.11.1所示。为了消除PD控制形成的零点因式（s+z）对闭环动态性能的不利影响，系统配置了前置滤波器Gp（s）。要求设计PD控制器Gc（s）和前置滤波器Gp（s），使系统成为最小节拍响应系统，并满足以下设计要求：

（1）单位阶跃响应超调量σp%＜5%；

（2）单位阶跃响应调节时间ts＜50 ms（Δ=2%）；

（3）单位阶跃扰动作用下的最大响应＜5×10-3。

图6.11.1　带有PD控制器的磁盘驱动器控制系统

【解】 由图6.11.1知，当不考虑Gp（s）时，系统开环传递函数为

相应的闭环传递函数为

由表6.7.3可知，二阶最小节拍系统的标准闭环传递函数为

按表6.7.3可知规范化调节时间应为

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而实际系统对调节时间的设计要求为ts＜50 ms，于是可取ωn=120，在这种情况下，调节时间为ts==40.2 ms＜50 ms，满足设计要求。

由图6.11.1可得闭环系统的特征方程为

与式（6.11.1）的系数进行比较，有

解得：

为了消除由于PD控制器而引入的新增闭环零点（s+72.8）的不利影响，将前置滤波器取为

就能进一步抵消PD控制器引入的闭环零点。最后，对所设计的系统进行仿真测试，无前置滤波器时单位阶跃响应如图6.11.2中的虚线所示，表明闭环零点可以减小系统的上升时间，但会恶化系统的超调量；而有前置滤波时系统的单位阶跃时间响应如图6.11.2中的实线所示，其动态性能大为改善，超调量σp%=0.1%，调节时间ts=40 ms（Δ=2%）；该系统对单位阶跃扰动响应的最大值为6.9×10-5，从而全部满足设计指标要求。

图6.11.2　磁盘驱动器读取系统的单位阶跃响应

由于σp%发生在Δ=2%的误差带内，因此也可认为系统的超调量为零。