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自动控制演示文稿第1页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出n基本概念基本概念（1）当确定了被控对象后，根据当确定了被控对象后，根据技术指标技术指标来确定来确定控制控制方案方案，进而选择进而选择传感器传感器、放大器放大器和和执行机构执行机构等就构成了等就构成了控制系统的控制系统的基本部分基本部分，这些基本部分称为，这些基本部分称为不可变部分不可变部分（除放大器的增益可适当调整，其余参数均固定不便）。（除放大器的增益可适当调整，其余参数均固定不便）。当由系统不可变部分组成的控制系统不能全面满足设计当由系统不可变部分组成的控制系统不能全面满足设计需求的性能指标时，在已选定的系统不可变部分基础上，需求的性能指标时，在已选定的系统不可变部分基础上，还需要增加必要的元件，使重新组合起来的控制系统能还需要增加必要的元件，使重新组合起来的控制系统能全面满足设计要求的性能指标，这就是控制系统的全面满足设计要求的性能指标，这就是控制系统的综合综合与校正问题与校正问题。第2页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出控制系统的综合与校正问题，是在已知下列条件的基控制系统的综合与校正问题，是在已知下列条件的基础上进行的，即础上进行的，即1 已知控制系统的不可变部分的特性与参数已知控制系统的不可变部分的特性与参数；2 已知对控制系统提出的全部性能指标已知对控制系统提出的全部性能指标。根据第一个条件初步确定一个切实可行的校正方案根据第一个条件初步确定一个切实可行的校正方案，并在此基础上根据第二个条件；利用本章将要介绍的理，并在此基础上根据第二个条件；利用本章将要介绍的理论和确定校正元件的参数。论和确定校正元件的参数。第3页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出控制系统的综合与校正问题与前面讲解的分析问题控制系统的综合与校正问题与前面讲解的分析问题既有联系又有差异；既有联系又有差异；分析问题分析问题，是在已知控制系统的结是在已知控制系统的结构形式与全部参数的基础上，求取系统的各项性能指标，构形式与全部参数的基础上，求取系统的各项性能指标，以及这些性能指标与系统参数间的关系以及这些性能指标与系统参数间的关系。而。而综合与校正综合与校正问题问题，是在给定系统不可变部分的基础上，按系统应是在给定系统不可变部分的基础上，按系统应有的性能指标，寻求全面满足性能指标的校正方案，有的性能指标，寻求全面满足性能指标的校正方案，并合理确定校正元件的参数并合理确定校正元件的参数。因此，综合与校正问题不。因此，综合与校正问题不像分析问题那么简单，也就是说，能全面满足性能指标的像分析问题那么简单，也就是说，能全面满足性能指标的控制系统并不是唯一的。控制系统并不是唯一的。第4页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出（2）校正装置可以串联在前向通道之中，形成串联校）校正装置可以串联在前向通道之中，形成串联校正，也可以接在系统的局部反馈通道之中，形成并联校正，也可以接在系统的局部反馈通道之中，形成并联校正或反馈校正，如下图所示。正或反馈校正，如下图所示。第5页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第6页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出串联校正装置通常由一些串联校正装置通常由一些无源无源或或有源有源网络组成。网络组成。它结构简单，价格低廉，易于实现，但它无法它结构简单，价格低廉，易于实现，但它无法减弱系统固有部分参数变化减弱系统固有部分参数变化对系统性能的不良影对系统性能的不良影响。反馈校正通常是在系统中加入速度或加速度响。反馈校正通常是在系统中加入速度或加速度反馈。反馈校正除改善系统特性外，还能削弱系反馈。反馈校正除改善系统特性外，还能削弱系统非线性特性的影响，减弱或消除系统固有部分统非线性特性的影响，减弱或消除系统固有部分参数变化对系统性能的影响，抑制噪声的干扰。参数变化对系统性能的影响，抑制噪声的干扰。第7页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出无源串联校正无源串联校正，往往需要附加放大器用来提往往需要附加放大器用来提高增益以补偿串联校正过程中引起的幅值衰高增益以补偿串联校正过程中引起的幅值衰减；减；有源串联校正，有源串联校正，由于在其元件中含有放大由于在其元件中含有放大器，因此上述补偿问题可在有源校正电路器，因此上述补偿问题可在有源校正电路中自行解决，而不必增加额外的附加放大中自行解决，而不必增加额外的附加放大器。器。第8页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出（3 3）稳态性能、稳定性、动态性能）稳态性能、稳定性、动态性能 稳态性能（稳态误差）与开环增益及系统型稳态性能（稳态误差）与开环增益及系统型 别的关系；（参见别的关系；（参见P P）稳定性（相对稳定性）与开环增益及系统型稳定性（相对稳定性）与开环增益及系统型 别的关系；别的关系；动态性能（稳态时间）动态性能（稳态时间）（4 4）基本控制规律分析基本控制规律分析第9页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出超前校正及其特性超前校正及其特性（PD控制器控制器）第10页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出（近似近似PD控制器控制器）第11页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第12页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出PD控制器与近似（带惯性）控制器与近似（带惯性）PD控制器的比较控制器的比较后者所能提供的最大超前相角小于前者，但是由于后后者所能提供的最大超前相角小于前者，但是由于后者具有描述惯性环节的时间常数的存在，故可在抗干者具有描述惯性环节的时间常数的存在，故可在抗干扰性方面优于前者。全面考虑，则一般选用后者作为扰性方面优于前者。全面考虑，则一般选用后者作为超前校正环节。超前校正环节。第13页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出n超前校正参数的确定超前校正参数的确定概括起来讲，主要内容是：一个定义，一张图，五个公式，概括起来讲，主要内容是：一个定义，一张图，五个公式，一个流程。一个定义是指超前校正的定义：在控制系统中，一个流程。一个定义是指超前校正的定义：在控制系统中，当具有相位超前特性的当具有相位超前特性的PDPD控制器作为对系统特性校正的一控制器作为对系统特性校正的一种装置时，这种校正形式称为超前校正。一张图是指近似种装置时，这种校正形式称为超前校正。一张图是指近似 PD 控制器的波特图：五个公式是指控制器的波特图：五个公式是指（PD控制器控制器）（近似近似PD控制器控制器）第14页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第15页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出一个流程是指：一个流程是指：在未校正的考虑在未校正的考虑 的的 上找上找 所对所对应的应的 为为校核校核第16页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第17页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第18页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出问题问题1 1、超前串联校正环节的加入使原系统的如下参、超前串联校正环节的加入使原系统的如下参数中的那些发生变化？如何变化？定性的给出数中的那些发生变化？如何变化？定性的给出分析。分析。2 2、根据上述问题的分析，请你总结一下什、根据上述问题的分析，请你总结一下什么时候用超前校正比较适合，并给出具体的么时候用超前校正比较适合，并给出具体的步骤？步骤？3 3、超前校正有什么优点，有什么缺点？为什么、超前校正有什么优点，有什么缺点？为什么？请给出定性的分析。？请给出定性的分析。第19页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出增大，因为是超前校正；增大，因为是超前校正；增大；增大；增大，因为是近似增大，因为是近似PD控制，微控制，微分作用的加入使系统抗干扰能力显著增强分作用的加入使系统抗干扰能力显著增强增大，分析增大，分析增大增大第20页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第21页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第22页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出2 2、根据上述问题的分析，请你总结一下什、根据上述问题的分析，请你总结一下什么时候用超前校正比较适合？么时候用超前校正比较适合？要求校正系统的剪切频率应大于未校正系要求校正系统的剪切频率应大于未校正系统的剪切频率统的剪切频率第23页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出例例1（教材例（教材例6-36-3）设某控制系统不可变部分的开环设某控制系统不可变部分的开环传递函数为传递函数为 要求系统具有如下性能指标：要求系统具有如下性能指标：（1 1）开环增益）开环增益 ；（2 2）相角裕度）相角裕度 ；（3 3）幅值裕度）幅值裕度 ；（4 4）剪切频率）剪切频率 。试确定串联超前校正装置的参数。试确定串联超前校正装置的参数。第24页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出n迟后校正环节分析迟后校正环节分析串联串联迟后校正不影响系统的相对稳定性的条件是在根轨迹迟后校正不影响系统的相对稳定性的条件是在根轨迹图上通过校正前后系统的相轨迹不发生明显的变化，因而图上通过校正前后系统的相轨迹不发生明显的变化，因而闭环主导极点的位置不发生明显改变来保证的。闭环主导极点的位置不发生明显改变来保证的。在这种情况下，校正前后闭环主导极点对应的增益系数如在这种情况下，校正前后闭环主导极点对应的增益系数如何变化，增大、还是减小？何变化，增大、还是减小？第25页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出1 1闭环主导极点闭环主导极点 在闭环极点中，一些极点靠近虚轴，而它们附近在闭环极点中，一些极点靠近虚轴，而它们附近又没有闭环零点。这些极点对系统阶跃响应起主又没有闭环零点。这些极点对系统阶跃响应起主导作用，因为这些极点对应瞬态响应中衰减较慢导作用，因为这些极点对应瞬态响应中衰减较慢的项。这些对瞬态特性具有主导作用的闭环极点，的项。这些对瞬态特性具有主导作用的闭环极点，称为闭环主导极点。称为闭环主导极点。2 2闭环偶极子闭环偶极子 相距很近的一对极点与零点，其对系统动态性能相距很近的一对极点与零点，其对系统动态性能的影响可忽略不计，把这一对零极点称为偶极子。的影响可忽略不计，把这一对零极点称为偶极子。经验表明，一对零极点的距离是至其它极点或零经验表明，一对零极点的距离是至其它极点或零点距离的十分之一以下，则这对零极点便可称为点距离的十分之一以下，则这对零极点便可称为偶极子，其对系统瞬态响应的影响可忽略不计。偶极子，其对系统瞬态响应的影响可忽略不计。第26页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第27页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第28页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第29页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出这一结果说明：在保持系统动态性能基本不变这一结果说明：在保持系统动态性能基本不变的前提下，有近似的前提下，有近似PI控制器实现的迟后校正可控制器实现的迟后校正可将系统开环增益提高将系统开环增益提高 倍。倍。第30页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出n迟后校正参数的确定迟后校正参数的确定概括起来讲，主要内容是：一个定义，一张图，五个公式，一个流概括起来讲，主要内容是：一个定义，一张图，五个公式，一个流概括起来讲，主要内容是：一个定义，一张图，五个公式，一个流概括起来讲，主要内容是：一个定义，一张图，五个公式，一个流程。程。程。程。一个定义是指迟后校正的定义：在控制系统中，当具有相位迟一个定义是指迟后校正的定义：在控制系统中，当具有相位迟一个定义是指迟后校正的定义：在控制系统中，当具有相位迟一个定义是指迟后校正的定义：在控制系统中，当具有相位迟后特性的后特性的后特性的后特性的PIPIPIPI控制器作为对系统特性进行校正的一种装置时，这控制器作为对系统特性进行校正的一种装置时，这控制器作为对系统特性进行校正的一种装置时，这控制器作为对系统特性进行校正的一种装置时，这种校正形式称为迟后校正。种校正形式称为迟后校正。种校正形式称为迟后校正。种校正形式称为迟后校正。一张图是指近似一张图是指近似一张图是指近似一张图是指近似 PI PI PI PI 控制器的波特图：控制器的波特图：控制器的波特图：控制器的波特图：五个公式是指五个公式是指五个公式是指五个公式是指（PIPI控制器控制器控制器控制器）（近似近似PI控制器控制器）第31页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第32页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出一个流程是指：一个流程是指：校核校核第33页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第34页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出例例2 设某控制系统不可变部分的开环传递函数为设某控制系统不可变部分的开环传递函数为 要求系统具有如下性能指标：要求系统具有如下性能指标：（1 1）系统型别）系统型别 ；（2 2）开环增益）开环增益 ；（3 3）相角裕度）相角裕度 ；（4 4）剪切频率）剪切频率 。试应用频率响应法确定由近似试应用频率响应法确定由近似PIPI控制器实现的串联迟后控制器实现的串联迟后校正参数。校正参数。第35页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第36页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出（1 1）迟后校正主要用来校正系统的低频段，用来增大）迟后校正主要用来校正系统的低频段，用来增大未校正系统的开环增益，以便提高系统的稳态控制精度。未校正系统的开环增益，以便提高系统的稳态控制精度。而超前校正主要在于改变未校正系统中频段的形状，以而超前校正主要在于改变未校正系统中频段的形状，以便提高系统的动态特性。便提高系统的动态特性。（2 2）迟后与超前组合校正。迟后校正部分和超前校）迟后与超前组合校正。迟后校正部分和超前校正部分既发挥了各自的长处又用对方的长处弥补了自正部分既发挥了各自的长处又用对方的长处弥补了自己的短处。如超前校正部分可以提高系统的快速性，己的短处。如超前校正部分可以提高系统的快速性，恰好可弥补滞后校正部分使系统反应速度降低的不利恰好可弥补滞后校正部分使系统反应速度降低的不利影响。影响。第37页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出6-2 已知单位反馈系统的开环传递函数为已知单位反馈系统的开环传递函数为试设计串联超前校正环节，使系统的开环速试设计串联超前校正环节，使系统的开环速度增益度增益 ，相角裕度，相角裕度 。第38页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出6-6 已知单位反馈系统的开环传递函数为已知单位反馈系统的开环传递函数为试确定串联超前校正环节试确定串联超前校正环节 ，使校正后系，使校正后系统开环增益不小于统开环增益不小于 ，最大超调量小于，最大超调量小于30%，调整时间小于，调整时间小于3s。第39页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出6-13 设某单位反馈系统的开环传递函数为设某单位反馈系统的开环传递函数为要求系统的开环速度增益要求系统的开环速度增益 ；最大超调量最大超调量 ；调整时间调整时间 （）；）；试确定串联滞后校正环节的传递函数。试确定串联滞后校正环节的传递函数。第40页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出n迟后迟后超前校正参数的确定超前校正参数的确定概括起来讲，主要内容是：一个定义，一张图，六个概括起来讲，主要内容是：一个定义，一张图，六个公式，一个流程。公式，一个流程。一个定义是指迟后一个定义是指迟后超前校正的定义：在控制系统中，当超前校正的定义：在控制系统中，当具有相位迟后具有相位迟后超前特性的超前特性的PIDPID控制器作为对系统特性进控制器作为对系统特性进行校正的一种装置时，这种校正形式称为迟后行校正的一种装置时，这种校正形式称为迟后超前校正。超前校正。一张图是指近似一张图是指近似 PID PID 控制器的波特图：控制器的波特图：第41页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第42页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出（PID控制器）控制器）（近似（近似PID调节器）调节器）六个公式是指六个公式是指第43页，共57页，编辑于2022年，星期二超前：超前：，以，以 为纵坐标，为纵坐标，作作 与与 和和 线的交点为线的交点为 ，得得退出退出一个流程是指：一个流程是指：迟后：迟后：校核校核考虑开环增益未考虑开环增益未校正的校正的 定定 即即第44页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出n 用希望对数频率特性确定校正参数用希望对数频率特性确定校正参数 1 1、几个基本概念、几个基本概念（1 1）何谓系统对数频率特性）何谓系统对数频率特性 加入串联校正装置后系统达到了给定性能指标的加入串联校正装置后系统达到了给定性能指标的 要求，我们称这时的开环对数频率特性为希望对要求，我们称这时的开环对数频率特性为希望对 数幅頻特性，简称希望对数频率特性或希望特性数幅頻特性，简称希望对数频率特性或希望特性（2 2）何谓中频宽）何谓中频宽 一般将开环对数种幅頻特性一般将开环对数种幅頻特性+30dB到到-15dB的范的范 围，成为中频段，简称中频宽。围，成为中频段，简称中频宽。（3 3）低频段低频段、中频段、中频段、高频段及其对系统相关性高频段及其对系统相关性 能的影响能的影响第45页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出2 2、希望频率特性中频段的形状、希望频率特性中频段的形状第46页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出3、相互转换的几个重要公式（参考、相互转换的几个重要公式（参考P214）第47页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出“希望特性希望特性”校正的步骤一般如下：校正的步骤一般如下：（1 1）根据对系统型别及稳态误差的要求，确）根据对系统型别及稳态误差的要求，确定系统的型别和开环增益定系统的型别和开环增益 。（2 2）绘制考虑开环增益后未校正系统的幅频）绘制考虑开环增益后未校正系统的幅频特性曲线特性曲线。（3 3）根据动态性能指标的要求，由）根据动态性能指标的要求，由“经验公式经验公式”计算剪切频率计算剪切频率 （应比实际计算值取得大一（应比实际计算值取得大一些以留下设计余地）、相角裕度些以留下设计余地）、相角裕度 （应该留几度（应该留几度的余地）、中频区宽度的余地）、中频区宽度 以及中频区的上下限交以及中频区的上下限交接频率接频率 、。、的实际取值按照下的实际取值按照下述不等式来确定。述不等式来确定。第48页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第49页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出（4 4）绘制系统的期望特性曲线）绘制系统的期望特性曲线 1 1根据已经确定的型别和开环增益根据已经确定的型别和开环增益k绘制期绘制期望特性的低频特性。望特性的低频特性。2 2根据对系统响应速度及阻尼比的要求，根据对系统响应速度及阻尼比的要求，通过期望的剪切频率通过期望的剪切频率 ，相角裕度，相角裕度 ，中频区宽度，中频区宽度 以及中频区的上下限交接频率以及中频区的上下限交接频率 ，绘制期望特性的中频区特性，为了保证系绘制期望特性的中频区特性，为了保证系统具有足够的相角裕度，一般取中频区的斜率统具有足够的相角裕度，一般取中频区的斜率为为 。3 3绘制期望特性的低、中频区特性间的过渡特绘制期望特性的低、中频区特性间的过渡特性，其斜率一般为性，其斜率一般为 。第50页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出 4 4根据对系统幅值裕度根据对系统幅值裕度 及抑制高频干扰及抑制高频干扰的要求，绘制期望特性的高频段，为了使得校正装的要求，绘制期望特性的高频段，为了使得校正装置比较简单而便于实现，一般要求期望特性的高频置比较简单而便于实现，一般要求期望特性的高频特性与系统不可变部分的高频特性重合或斜率一致。特性与系统不可变部分的高频特性重合或斜率一致。5 5绘制期望特性的中、高频特性间的过渡特性，其斜绘制期望特性的中、高频特性间的过渡特性，其斜率一般为率一般为 。（5 5）由曲线）由曲线减去减去得到曲线得到曲线，曲线，曲线就是串联校正就是串联校正装置的对数幅频特性，由此求其传递函数。装置的对数幅频特性，由此求其传递函数。（6 6）验证校正后的系统是否完全满足所提出的性能）验证校正后的系统是否完全满足所提出的性能指标，如果不完全满足要求则需要按照上述步骤进指标，如果不完全满足要求则需要按照上述步骤进行重新设计。行重新设计。第51页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出n 反馈校正参数的确定反馈校正参数的确定 1、负反馈的功能、负反馈的功能（1）比例负反馈可以减弱为其包围环节的惯性，）比例负反馈可以减弱为其包围环节的惯性，从而将扩展该环节的带宽；从而将扩展该环节的带宽；（2）负反馈可以减弱参数变化对系统性能的影）负反馈可以减弱参数变化对系统性能的影响；响；（3）负反馈可以消除系统不可变部分中不希）负反馈可以消除系统不可变部分中不希望有的特性；望有的特性；（4）负反馈可以消弱非线性影响；）负反馈可以消弱非线性影响；（5）负反馈矫正的系统低速平稳性比串联校）负反馈矫正的系统低速平稳性比串联校正的好。正的好。第52页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出2 2、反馈校正、反馈校正对于下图所示的控制系统，局部反馈部分的频率对于下图所示的控制系统，局部反馈部分的频率特性为特性为 等效串联环节的传递函数；等效串联环节的传递函数；小闭环的开环传递函数。小闭环的开环传递函数。第53页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出第54页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出 1 当满足时当满足时 ，有，有 则则 和和 无关。无关。2 当满足当满足 时有时有 这就是反馈校正装置所起的作用。这就是反馈校正装置所起的作用。第55页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出反馈校正的步骤一般如下：反馈校正的步骤一般如下：（1）根据对系统型别及稳态误差的要求，确）根据对系统型别及稳态误差的要求，确定系统的型别和开环增益定系统的型别和开环增益 ；（2）绘制考虑开环增益后未校正系统的幅频）绘制考虑开环增益后未校正系统的幅频特性曲线特性曲线；（3）根据给定性能指标要求，绘制期望特性）根据给定性能指标要求，绘制期望特性曲线曲线；（4）由曲线）由曲线减去曲线减去曲线得到曲线得到曲线，曲线，曲线就是就是 的对数幅频特性；的对数幅频特性；第56页，共57页，编辑于2022年，星期二退出退出（5）找出）找出 的频率范围，的频率范围，检验局部反馈回路的稳定性及检验局部反馈回路的稳定性及 附近的附近的 程度；程度；（6）在）在 的频率范的频率范围内取特性曲线围内取特性曲线的镜像（即关于的镜像（即关于0dB线对称线对称）得到曲线）得到曲线，曲线，曲线就是反馈环节的幅频特就是反馈环节的幅频特性，并由此求出其传递函数；性，并由此求出其传递函数；（7）验证校正后的系统是否完全满足所提出）验证校正后的系统是否完全满足所提出的性能指标，如果不完全满足要求，则需要按的性能指标，如果不完全满足要求，则需要按照上述步骤进行重新设计。照上述步骤进行重新设计。第57页，共57页，编辑于2022年，星期二