机械工程控制基础课件第6章PPT文档格式.ppt

1、校正装置校正装置为了改善系统性能，引入的附加装置，为了改善系统性能，引入的附加装置，也叫补偿器；也叫补偿器；校正装置校正装置的物理器件的物理器件可以是电气的、机械的、气动的、液压的等可以是电气的、机械的、气动的、液压的等形式。形式。6惟有增益惟有增益K可可调调K，稳态误差，稳态误差，响应加快，但稳定性下降；，响应加快，但稳定性下降；仅靠增益调整仅靠增益调整一般难以同时满足所有的性能指标。一般难以同时满足所有的性能指标。放大放大控制器控制器控制对象控制对象测量测量K（可调）（可调）校正装置校正装置，就是，就是控制器控制器部分。部分。控制对象是不可变部分，传递函数是确定的。7例：系统校正改善性能示

2、意图例：系统校正改善性能示意图原系统原系统 P=0 不稳定不稳定使系统稳定的方法使系统稳定的方法减小减小K，变为变为K，减小，相位不变。减小，相位不变。系统稳定系统稳定，但，减小，但，减小K使系统的使系统的稳态误差增大稳态误差增大。加入新环节加入新环节（改变系统的频率特性曲线）（改变系统的频率特性曲线）使使Nyquist轨迹在轨迹在12内变化。内变化。系统稳定，且不改变稳态性能系统稳定，且不改变稳态性能（不改变（不改变K）。）。原系统原系统 P=0稳定，稳定，但但相位裕度小，调整时间长相位裕度小，调整时间长减小减小K，不改变相位裕度，不改变相位裕度 加入新环节加入新环节（改变系统的频率特性曲线

3、）（改变系统的频率特性曲线）使使Nyquist轨迹在轨迹在12内变化。产生正的相位，提高相位裕度产生正的相位，提高相位裕度8例：系统校正兼顾幅值和相位例：系统校正兼顾幅值和相位2.校正的分类校正的分类9根据校正环节根据校正环节Gc（s）在系统中的位置，可分为串联校正、反馈在系统中的位置，可分为串联校正、反馈校正和顺馈校正等。校正和顺馈校正等。串联校正：校正环节校正环节Gc（s）和系统不可变部分和系统不可变部分G（s）串联。串联。串联校正比较经济，易于实现，且设计简单，在实际应用中大多串联校正比较经济，易于实现，且设计简单，在实际应用中大多采用此校正方法。采用此校正方法。校正环节校正环节）（sG

4、）（sH）（sGc-10顺馈校正顺馈校正反馈校正：反馈校正：校正环节接在系统的局部反馈通路中。11串联校正按校正环节的性质可分为串联校正按校正环节的性质可分为：增益调整增益调整 相位超前校正相位超前校正相位滞后校正相位滞后校正 相位滞后相位滞后超前校正超前校正6.3 串联校正串联校正串联校正串联校正：校正环节在原传递函数方框图的：校正环节在原传递函数方框图的前向通道前向通道中。中。一般都放在前向通道的一般都放在前向通道的前端前端。校正环节校正环节）（sG）（sH）（sGc-dB9090180180dB9090180180270270不稳定不稳定稳定，相位裕度不够稳定，相位裕度不够12一、相位超

5、前校正一、相位超前校正提供正的相位提供正的相位相位超前校正环节相位超前校正环节（校正装置）（校正装置）传递函数传递函数：13此环节是比例环节、一阶微分环节与惯性环节的串联。此环节是比例环节、一阶微分环节与惯性环节的串联。14幅频特性：幅频特性：频率特性频率特性：相频特性：Gc（j）=（j）=arctgT-arctg T 0 可见相位超前。可见相位超前。不同不同的超前校正环节的超前校正环节Nyquist图图15设超前相位的最大值为设超前相位的最大值为16BodeBode图图：令令得得最大相位处的频率最大相位处的频率显然显然位于两个转折频率的对数中点，即位于两个转折频率的对数中点，即BodeBod

6、e图上的几何中点图上的几何中点最大相位：最大相位：17上述分析表明上述分析表明1.当当=m时，相位超前量最大。，相位超前量最大。2.最大超前相位最大超前相位 仅与与有关，有关，越小，越小，越大。越大。3.不宜不宜选太小，常取太小，常取=0.1。相位超前校正环节两大特点：相位超前：产生正的相位移动，使系统相位裕度增大。幅值扩张幅值扩张：产生正的幅值斜率，：产生正的幅值斜率，改善中频段斜率，改善中频段斜率，加大了带宽，使系统响应速度加快。加大了带宽，使系统响应速度加快。18缺点：缺点：相位超前校正环节对提高系统稳态精度的作用不大，相位超前校正环节对提高系统稳态精度的作用不大，且使抗干扰的能力有所降

7、低。且使抗干扰的能力有所降低。应用：串联相位超前校正环节串联相位超前校正环节一般用于稳态性能已满足要求，一般用于稳态性能已满足要求，但动态性能较差的系统。但动态性能较差的系统。19基于频率响应法的超前校正方法基于频率响应法的超前校正方法采用采用BodeBode图校正，使用频域指标。图校正，使用频域指标。由于由于Bode图简明易绘，用图简明易绘，用Bode图校正系统是一种比较简单实用图校正系统是一种比较简单实用的方法。的方法。用用Bode图校正时，采用相位裕度图校正时，采用相位裕度作为设计指标。作为设计指标。相位裕度相位裕度表征系统的相对稳定性表征系统的相对稳定性带宽带宽b表征系统的响应速度表征

8、系统的响应速度开环增益开环增益K表征系统的稳态误差表征系统的稳态误差201、相位超前校正的基本原理：、相位超前校正的基本原理：利用校正装置的相位超前利用校正装置的相位超前补偿原系统的相位滞后，补偿原系统的相位滞后，来来增大系统的相位裕度，改变系统开环频率特性。增大系统的相位裕度，改变系统开环频率特性。要求校正装置的要求校正装置的最大超前相位最大超前相位出现在系统新的出现在系统新的剪切频率处。剪切频率处。校正后的系统应具有如下特点：低频段低频段的增益满足稳态精度要求；的增益满足稳态精度要求；中频段中频段对数幅频特性斜率为对数幅频特性斜率为-20dB/dec,并具有较宽的带宽；并具有较宽的带宽；高

9、频段高频段要求幅值迅速衰减，以减小噪声的影响。要求幅值迅速衰减，以减小噪声的影响。21（1）根据）根据 的要求，确定开环增益的要求，确定开环增益K，画出未校正系统的，画出未校正系统的伯德图，并测出其相位裕度伯德图，并测出其相位裕度 。2、相位超前校正的基本步骤、相位超前校正的基本步骤（2）由期望的相位裕度）由期望的相位裕度 ，计算需添加的相位超前计算需添加的相位超前量量 。取取值：如果未校正系：如果未校正系统的开的开环对数幅数幅频特性在剪切特性在剪切频率率处的斜的斜率率为-40dB/dec，一般取，一般取 如果如果该频段的斜率段的斜率为-60dB/dec，则取取（3）22（4）（5）从）从Bo

10、de图上找到幅值为负的计算幅值所对应的频率，即为图上找到幅值为负的计算幅值所对应的频率，即为m，这一一频率就是校正后系率就是校正后系统的剪切的剪切频率率c。23（6）确定超前校正）确定超前校正环节的的传递函数函数（7）为了补偿超前校正造成的幅值衰减，原开环增益要加大）为了补偿超前校正造成的幅值衰减，原开环增益要加大K1倍，倍，使使（8）画出校正后系统的伯德图，并验算相位裕度是否满足要求）画出校正后系统的伯德图，并验算相位裕度是否满足要求？如果不满足，则需增大？如果不满足，则需增大值，从步骤值，从步骤3）开始重新进行计算，直）开始重新进行计算，直到满足要求。到满足要求。稳态性能指标：稳态误差稳态

11、误差ess0.050.05；频域性能指标频域性能指标：相位裕度：相位裕度 5050,增益裕度增益裕度2020lgKg10dB。性能要求性能要求：解解（1 1）根据稳态误差确定开环增益根据稳态误差确定开环增益24+-【例例】图示单位反馈控制系统，对系统进行串联校正，使其满图示单位反馈控制系统，对系统进行串联校正，使其满足性能要求。足性能要求。25由图可知：由图可知：系统稳定，且系统稳定，且增益裕度增益裕度 10dB，但但相位裕度相位裕度=1705050，不满足性能要求。不满足性能要求。（2 2）未加校正时的频率特性）未加校正时的频率特性：需增加的相位超前量需增加的相位超前量：m5017538（3

12、 3）得到对应的得到对应的值约为值约为0.240.24（4 4）校正环节在）校正环节在 m m点上造成的对数幅频特性的上移量：点上造成的对数幅频特性的上移量：（5 5）从）从BodeBode图上找到幅值为图上找到幅值为-6.2dB-6.2dB时的频率时的频率=9s=9s-1-1，即为校正，即为校正后系统新的剪切频率。后系统新的剪切频率。26T=0.23 s；T0.055 s（6 6）超前校正环节的传递函数）超前校正环节的传递函数（7）为了补偿超前校正环节的幅值衰减，原开环增益要）为了补偿超前校正环节的幅值衰减，原开环增益要 加大加大K1倍，倍，校正后，系统的开环传递函数校正后，系统的开环传递函

13、数：2728增大相位裕度，增大带宽，加快响应速度增大相位裕度，增大带宽，加快响应速度29二、相位滞后校正二、相位滞后校正相位滞后校正环节相位滞后校正环节传递函数传递函数可见，此环节是一阶微分环节与惯性环节的串联。可见，此环节是一阶微分环节与惯性环节的串联。Gc（j）=（j）=arctgT-arctg T 40，故校正后系统的动态和稳态性能均满足要求。故校正后系统的动态和稳态性能均满足要求。70 第第6章章 小结小结熟练掌握相位超前校正装置、相位滞后校正装置、相位滞后熟练掌握相位超前校正装置、相位滞后校正装置、相位滞后-超前校正装置的频率特性及对系统的影响。超前校正装置的频率特性及对系统的影响。掌握各种校正装置的设计方法。掌握掌握PID调节的基本规律及调节的基本规律及PID调节器的工程设计方法。调节器的工程设计方法。