自动控制系统的设计与校正.ppt

1、机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法1机械与电子工程学院机械与电子工程学院西北农林科技大学西北农林科技大学杨兵力杨兵力机械工程控制基础机械工程控制基础11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法2第六章第六章 线性系统的校正方法线性系统的校正方法一一、控制系统的分析控制系统的分析 在控制系统的结构和参数已确定的条件下，计算或估在控制系统的结构和参数已确定的条件下，计算或估算控制系统的性能。算控制系统的性能。二二、控制系统的综合控制系统的综合 在已知被控对象的条件下在已知被控对象的条件下,根据系统预先给定的性能指根据

2、系统预先给定的性能指标，设计和选择控制器的结构和参数标，设计和选择控制器的结构和参数,使控制器与被控对象使控制器与被控对象组成一个能满足性能要求的控制系统。组成一个能满足性能要求的控制系统。控制系统的控制系统的 两个基本问题两个基本问题:11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法3 基于一个控制系统可视为由控制器和被控对象基于一个控制系统可视为由控制器和被控对象两大部分组成，当被控对象确定后，对系统的设计两大部分组成，当被控对象确定后，对系统的设计实际上归结为对控制器的设计，这项工作也称为对实际上归结为对控制器的设计，这项工作也称为对控制系统的校

3、正。控制系统的校正。11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法4 在实际过程中，既要理论指导，也要重视实践经验，往往在实际过程中，既要理论指导，也要重视实践经验，往往还要配合许多局部和整体的试验。所谓校正，就是在系统中加还要配合许多局部和整体的试验。所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。工程实践中常用的校正方法，串联校正、反馈校正和复合校正。工程实践中常用的校正方法，串联校

4、正、反馈校正和复合校正。6.1 引言引言系统的设计与校正问题系统的设计与校正问题11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法5 目前，工业技术界多习惯采用频率法，故通常通过近似目前，工业技术界多习惯采用频率法，故通常通过近似公式进行两种指标的互换。公式进行两种指标的互换。6.1 引言引言系统的设计与校正问题系统的设计与校正问题一一、控制系统的性能指标控制系统的性能指标时域指标时域指标稳态稳态 型别、静态误差系数型别、静态误差系数动态动态 超调、调整时间超调、调整时间频域指标频域指标开环频率、闭环带宽、谐振峰值、谐振频率开环频率、闭环带宽、谐振峰值、

5、谐振频率增益穿越频率、幅值裕度和相位裕度增益穿越频率、幅值裕度和相位裕度 11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法6校校正正方方式式串联校正串联校正 反馈校正反馈校正 校正装置校正装置校正装校正装置置前馈校正前馈校正复合校正复合校正 二、校正方式二、校正方式11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法7前馈校正前馈校正复合校正复合校正(b)前馈校正（对扰动的补偿）前馈校正（对扰动的补偿）(a)前馈校正（对给定值处理）前馈校正（对给定值处理）图图6-4 按扰动补偿的复合校正控制系统按扰动补偿的复合校正

6、控制系统(a)11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法8(b)按输入补偿的复合控制按输入补偿的复合控制反馈校正反馈校正:不需要放大器，可消除系统原有部分参数波动不需要放大器，可消除系统原有部分参数波动 对系统性能的影响对系统性能的影响 串联校正串联校正:串联校正装置分为无源和有源两种串联校正装置分为无源和有源两种 参数可调整参数可调整 在性能指标要求较高的控制系统中，常常兼用串联校正和在性能指标要求较高的控制系统中，常常兼用串联校正和反馈校正反馈校正,也即复合校正。也即复合校正。11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校

7、正方法控制系统的校正方法96.2 输入信号与控制输入信号与控制系统带宽系统带宽噪声输入信号11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法106.3 基本控制规律分析基本控制规律分析（1）比例（）比例（P）控制规律）控制规律（2）比例）比例-微分（微分（PD）控制规律）控制规律（3）积分（）积分（I）控制规律）控制规律（4）比例）比例-积分（积分（PI）控制规律）控制规律（5）比例（）比例（PID）控制规律）控制规律11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法11I 积分发生在低频段，稳态性能积分发生在低频

8、段，稳态性能(提高提高)D微分发生在高频段，动态性能微分发生在高频段，动态性能(改善改善)增加一个极点，提高型别，稳态性能增加一个极点，提高型别，稳态性能两个负实零点，动态性能比两个负实零点，动态性能比PI更具优越性更具优越性两个零点一个极点11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法126.4 超前校正参数的确定超前校正参数的确定无源校正网络无源校正网络有源校正网络有源校正网络1.无源校正网络无源校正网络超前校正超前校正滞后校正滞后校正滞后超前校正滞后超前校正(1)无源超前网络无源超前网络a.电路电路b.零极点零极点分布图分布图11/10/202

9、2机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法13 时间常数分度系数传递函数传递函数c.频率特性频率特性公式公式11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法14(a)频率特性频率特性20dB/dec11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法15 频率法对系统进行校正的基本思路是：通过所加校正频率法对系统进行校正的基本思路是：通过所加校正装置，改变系统开环频率特性的形状，即要求校正后系统装置，改变系统开环频率特性的形状，即要求校正后系统的开环频率特性具有如下特点：的开环频率特性

10、具有如下特点：2.基于频率响应法串联超前校正基于频率响应法串联超前校正中频段的幅频特性的斜率为中频段的幅频特性的斜率为-20dB/dec,并具有较宽并具有较宽的频带，这一要求是为了系统具有满意的动态性能；的频带，这一要求是为了系统具有满意的动态性能；高频段要求幅值迅速衰减，以较少噪声的影响。高频段要求幅值迅速衰减，以较少噪声的影响。低频段的增益满足稳态精度的要求；低频段的增益满足稳态精度的要求；11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法16 用频率法对系统进行超前校正的基本原理，是用频率法对系统进行超前校正的基本原理，是利用超前校正网络的相位超前

11、特性来增大系统的相利用超前校正网络的相位超前特性来增大系统的相位裕量，以达到改善系统瞬态响应的目点。为此，位裕量，以达到改善系统瞬态响应的目点。为此，要求校正网络最大的相位超前角出现在系统的截止要求校正网络最大的相位超前角出现在系统的截止频率（剪切频率）处。频率（剪切频率）处。11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法17用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤可归纳为：可归纳为：根据稳态误差的要求，确定开环增益根据稳态误差的要

12、求，确定开环增益K。根据所确定的开环增益根据所确定的开环增益K，画出未校正系统的波特图，画出未校正系统的波特图，计算未校正系统的剪切频率计算未校正系统的剪切频率 和相角裕度和相角裕度根据剪切频率根据剪切频率的要求，计算超前网络参数的要求，计算超前网络参数a和和T；11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法18 关键是选择最大超前角频率等于要求的系统剪切关键是选择最大超前角频率等于要求的系统剪切频率，即频率，即以保证系统的响应速度，并充分利用网络的以保证系统的响应速度，并充分利用网络的相角超前特性。显然，相角超前特性。显然，成立的条件是成立的条件是

13、由上式可求出由上式可求出 验证已校系统的相角裕度验证已校系统的相角裕度求出求出11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法19确定开环增益确定开环增益K稳态误差的要求稳态误差的要求画出未校正系统的波特图画出未校正系统的波特图,并求并求未校正系统的开未校正系统的开环对数幅频特性环对数幅频特性在截止频率处的在截止频率处的斜率为斜率为-40dB/dec-60dB/dec求未校正系统幅值为求未校正系统幅值为-10lga处的频率处的频率满足要求？满足要求？结束结束YN11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法2

14、0用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤可归纳为：可归纳为：根据稳态误差的要求，确定开环增益根据稳态误差的要求，确定开环增益K。确定开环增益确定开环增益K后，画出未校正系统的波特图，后，画出未校正系统的波特图，计算未校正系统的相角裕度计算未校正系统的相角裕度由给定的相位裕量值由给定的相位裕量值计算超前校正装置提供的相位超前量计算超前校正装置提供的相位超前量 是用于补偿因超前校正装置的引入，使系统截止频是用于补偿因超前校正装置的引入，使系统截止频率增大而增加的相角滞后量。率增

15、大而增加的相角滞后量。11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法21 值通常是这样估计的：如果未校正系统的开环对数值通常是这样估计的：如果未校正系统的开环对数幅频特性在截止频率处的斜率为幅频特性在截止频率处的斜率为-40dB/dec，一般取，一般取如果为如果为-60dB/dec则取则取根据所确定的最大相位超前角根据所确定的最大相位超前角算出算出的值。的值。按按11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法22计算校正装置在计算校正装置在处的幅值处的幅值10lga 由未校正系统的对数幅频特性曲线，求得其幅

16、值为由未校正系统的对数幅频特性曲线，求得其幅值为-10lga处处的频率，该频率的频率，该频率就是校正后系统的开环截止频率就是校正后系统的开环截止频率即即11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法23确定校正网络的转折频率确定校正网络的转折频率验算相位裕度是否满足要求？如果不满足，则需增大验算相位裕度是否满足要求？如果不满足，则需增大值，从第值，从第步开始重新进行计算。步开始重新进行计算。画出校正后系统的波特图并验算画出校正后系统的波特图并验算11/10/2022机械工程控制基础课件第六章第六章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法24基于上述分析，可知基于上述分析，可知串联超前校正有如下特点串联超前校正有如下特点串联超前校正有如下特点串联超前校正有如下特点：这种校正主要对未校正系统中频段进行校正，使校正这种校正主要对未校正系统中频段进行校正，使校正后中频段幅值的斜率为后中频段幅值的斜率为-20dB/dec，且有足够大的相位裕量。，且有足够大的相位裕量。超前校正会使系统瞬态响应的速度变快。由前例超前校正会使系统瞬态响应的速度变快。由前例知，