机械工程控制基础第六章系统校正资料课件.ppt

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1、控制原理自动控制原理自动控制原理中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院2012年12月柠蚀撵啼肤老玄处谊珐贝畦扯娶皖倪圃偏却锤傀膳胞舌褐岿腾羌旷椿丰致机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正 本章主要教学内容本章主要教学内容本章主要教学内容本章主要教学内容 6.1 系统系统的性能指标的性能指标 6.2 系统的校正系统的校正 6.3 串联校正串联校正;6.4 PID校正校正6.5 反馈校正反馈校正

2、6.6 顺馈校正顺馈校正彤构壶荧耽肋痢窖裹丧抡吉乘彝琐七程碌久签官犀包节俱底若挡协讽财蓝机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院本节主要教学内容本节主要教学内容 6.1 系统的性能指标系统的性能指标 6.1.1 时域性能指标时域性能指标6.1.2 频域性能指标频域性能指标6.1.3 综合性能指标综合性能指标Back伶屈努刁坑旭纬唱掣待牺泊交糠疯梆氛嘶磕扯坪阀澈累波添蝗滤誓筛迢塑机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基

3、础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院1.时域性能指标时域性能指标瞬态性能指标瞬态性能指标 延迟时间延迟时间上升时间上升时间峰值时间峰值时间最大超调量最大超调量调整时间调整时间稳态性能指标稳态性能指标稳态误差稳态误差跨蘸痢逻戍胎潜苇蛆伪林整趾蹄愁扁被肮泵狗村宏釉痰洱斯噪皂宣及荤岂机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院2.频域性能指标频域性能指标相位裕度相位裕度幅值裕度幅值裕度

4、复现频率复现频率/复现带宽复现带宽 0谐振频率谐振频率/谐振峰值谐振峰值 0 截止频率截止频率/截止带宽截止带宽 0！可以证明：可以证明：及及 都是阻尼比都是阻尼比的函数。因此当系的函数。因此当系统的阻尼比给定后，系统的截止频率统的阻尼比给定后，系统的截止频率 与与 及及 都成都成反比反比关系。即系统的关系。即系统的带宽带宽越越大大，该系统响应输入信号的，该系统响应输入信号的快速性快速性越越好好。樱凹断扯艘层话睬畔偏惦隙境篓抱置度域湃策犹婆偷能遇入诽酮龟拯雹粉机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能

5、指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院例例1 两个一阶系统：两个一阶系统：系统系统 系统系统结论：带宽：带宽大大的系统的系统比带宽较比带宽较小小的系统的系统具有较具有较快快的的 响应速度响应速度柒朋撼蝇刘高古漠祟翻炉封穗孺猫审基肖受踞毕炯恭荫魂淮啸度鸟肺黔陕机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院3.综合性能指标（误差准则）综合性能指标（误差准则）（1）误差积分性能指标误差积分性能指标适合无超调的情形适合无超调的情形误差误差误差积分误差积

6、分 而而e(t)的的Laplace变换为变换为 故有故有豪考仆忙滦锄恤鳞澡裸猩捕纹捻馏歹隐蚌俗豁嫉涂执熔勒祈锁骑化谋粥茸机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院(2)(2)误差平方积分性能指标误差平方积分性能指标输出过程有振荡的情形输出过程有振荡的情形 误差平方积分误差平方积分 -重视大的的误差重视大的的误差(3)广义误差平方积分性能指标广义误差平方积分性能指标 -同时重视大的误差同时重视大的误差 及大的误差变化率及大的误差变化率 砍踌以绽幂孔隋赫硝

7、荔冀根敛扔搏臆劝砧挫务榷剑劈墩愈喀烘憨织踞郧好机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院6.2 系统的校正系统的校正 本节主要教学内容本节主要教学内容 6.2.1 校正的概念校正的概念 6.2.2 校正的目标校正的目标 6.2.3 校正的分类校正的分类祥紫闲咙翟憨植劳抱诗天掘责消璃沾蛀硅踪文娜凿掳搓汪蜀委漱垃鳃掏浓机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标

8、与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 所谓所谓校正校正（或称（或称补偿补偿Compensation），就是指在控制系），就是指在控制系 统中增加新的统中增加新的装置装置(环节环节)，以改善，以改善系统性能系统性能的方法。的方法。自动控制系统的设计大体上可按两种方式进行：自动控制系统的设计大体上可按两种方式进行：一是预先给出某种设计指标，通常以严格的数学形式给一是预先给出某种设计指标，通常以严格的数学形式给出，然后确定某种控制形式，并通过解析的方式预定指标出，然后确定某种控制形式，并通过解析的方式预定指标的控制器的控制器 系统综合系统综合。二是制定控制系统的期望性能指标，并根据这些性能

9、二是制定控制系统的期望性能指标，并根据这些性能指标计算出开环系统特性，然后比较期望的开环特性与实指标计算出开环系统特性，然后比较期望的开环特性与实际的开环特性，根据比较结果确定在开环系统中增加某种际的开环特性，根据比较结果确定在开环系统中增加某种控制装置，并计算出控制装置的参数控制装置，并计算出控制装置的参数 系统校正系统校正。6.2.1.校正的概念校正的概念圈怠州门己冉虞挎汀冈括领挤掘办胜宇辞鲍勋拦盼怕宠舔搞糊艘壤算慧拘机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学

10、机电工程学院方法二方法二 在原系统中增加新的环节，使在原系统中增加新的环节，使Nyquist轨迹在某个频率范围轨迹在某个频率范围(如如 内内)发生变化，例如从曲线发生变化，例如从曲线变为曲线变为曲线，使原来不稳定的系，使原来不稳定的系 统变为稳定的系统，而且不改变统变为稳定的系统，而且不改变K，即不增大系统的稳态误差。，即不增大系统的稳态误差。为什么要进行系统校正？【例例1】曲线曲线为系统的开环为系统的开环Nyquist图图(P=0)，由于，由于Nyquist轨迹包围点轨迹包围点(-1，j0)，故相应的闭环系统不稳定。，故相应的闭环系统不稳定。如何使得系统如何使得系统稳定稳定？方法一方法一 减

11、小系统的开环放大倍数减小系统的开环放大倍数K，由由K变为变为K1，则曲线，则曲线因模变小而变为因模变小而变为曲线曲线，不包围，不包围(-1，j0)，这样系统就稳，这样系统就稳定了。但是定了。但是K变小会使系统的稳态误差增变小会使系统的稳态误差增加，这是不希望的，也是不允许的。加，这是不希望的，也是不允许的。戎困凝疼帆诞披蝴蒂弹曲萧地镶垃殃鹰引眨规敦女岩综叉凄玫赃弦狰发甫机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 为什么要进行系统校正？【例例2】曲线】曲

12、线为某系统的开为某系统的开Nyquist 图（图（P=0），系统是稳定的。但是），系统是稳定的。但是 相位裕度太小，是系统的响应有很大相位裕度太小，是系统的响应有很大 的超调量，调整时间太长。即使减小的超调量，调整时间太长。即使减小 K，因相位裕度没有变化，系统的性，因相位裕度没有变化，系统的性 能仍然得不到改善。只有加入新的环能仍然得不到改善。只有加入新的环 节，使节，使Nyquist轨迹变为曲线轨迹变为曲线，即，即，使原来的特性在使原来的特性在 至至 频率区间产频率区间产 生正的相移，才能使系统的相位裕度生正的相移，才能使系统的相位裕度 得到明显的提高，系通的性能得到改得到明显的提高，系通

13、的性能得到改 善。善。！从频率法看，增加新的环节，主要是改变系统的频率特性！从频率法看，增加新的环节，主要是改变系统的频率特性。宦刮郴爆酒座儡壁犬揉漂监荡菲唇飘客椅恍齐淌绩个拱镁饯恳沫仓倔耻哀机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院6.2.2.校正的目标校正的目标【示例示例】:为被控为被控对象的传递函数，对象的传递函数，为校正装置的传为校正装置的传递函数；递函数；为输入，为输入，为负载扰动，为负载扰动，为测量噪声；为测量噪声；为输出。为输出。校正设计

14、基于开环传递函数校正设计基于开环传递函数 。校正的目标为：。校正的目标为：系统的系统的稳定性稳定性 输出跟踪输入的输出跟踪输入的精确性精确性 减少负载减少负载扰动扰动的影响的影响 抑制测量抑制测量噪声噪声的影响的影响 处理模型不确定性能的处理模型不确定性能的鲁棒性鲁棒性能能杆镣哇娱巫盐篙想士除细侥聋洞歌缝庄您噪革庙紊齿惑踢老季铭揣遍锣拧机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院使使 1，以获得高，以获得高频滚降特性，减低高频噪声频滚降特性，减低高频噪声

15、的影响。的影响。高频段高频段：一般使用低增益控：一般使用低增益控 制策略，通过控制器给制策略，通过控制器给 开环传递函数增加极点，开环传递函数增加极点，低频段低频段：一般使用高增益控：一般使用高增益控 制策略，提高系统的型制策略，提高系统的型 别，或提高静态增益。别，或提高静态增益。交越区（中频段）交越区（中频段）：通过增：通过增 加开环零点或降低开环加开环零点或降低开环 静态增益使静态增益使 以较以较 平缓的斜率穿越平缓的斜率穿越0dB线线 可获得较大的相位裕度可获得较大的相位裕度 和增益裕度和增益裕度 。典型的对数幅频特性图典型的对数幅频特性图猎豫遍廉累肢镣嫌兽镑滦磷扳肠逸鸥绕沤免淆仆尚扶

16、神硝恃洲声纯崩伺魂机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院6.2.3.校正的分类校正的分类串联校正串联校正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超前相位超前-滞后校正滞后校正 无源校正环节无源校正环节 电阻电容网络电阻电容网络 有源校正环节有源校正环节 PID校正校正 反馈校正反馈校正 顺馈校正顺馈校正疡腮握姜穷肢讯露郑噪盅婉租龄夺台婪姑痪亏椎轮婆活船鸳潭晨磋郑帝蒸机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制

17、基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院6.3 串联校正串联校正本节主要教学内容本节主要教学内容6.3.1 相位超前校正相位超前校正6.3.2 相位滞后校正相位滞后校正6.3.3 相位滞后相位滞后-超前校正超前校正裔体夜适袍侮饺爷齿骋奖珊趁目爷早逻腑墟叫妻收隔将执美种锯采上涂颇机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 引引 言言 串联校正环节一般都放串联校正环节一般都放在前向通

18、道的前端，以减在前向通道的前端，以减少功率消耗。少功率消耗。串联校正环节按性质可串联校正环节按性质可分为：分为：(1)增益调整增益调整；(2)相位超前校正相位超前校正；(3)相位滞后调整相位滞后调整；(4)相位超前相位超前-滞后调整滞后调整 增益调整增益调整 难以同时满足静态和动态性能指标，其校正作用有限。难以同时满足静态和动态性能指标，其校正作用有限。增益增益 稳态误差稳态误差 系统的相对稳定性系统的相对稳定性 增益增益 稳态误差稳态误差 系统的相对稳定性系统的相对稳定性呆速专蛰绳墟脖回临龋屋境调河久下蛔拎锑眩坊龄缆壶旅怯蚌滴南搂信缓机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校

19、正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院6.3.1 相位超前校正相位超前校正 为什么要进行相位超前校正？为什么要进行相位超前校正？增加增加系统的系统的开环增益开环增益可以可以提高提高系统的系统的响应速度响应速度。因为，。因为，开环增益的提高会使系统的开环频率特性开环增益的提高会使系统的开环频率特性 的穿越频的穿越频率率(或剪切频率或剪切频率)变大，其结果是变大，其结果是增大增大了系统的了系统的带宽带宽 ，而带宽大的系统，而带宽大的系统，响应速度响应速度就就高高。然而然而仅仅增加增益仅仅增加增益又会使又会使相

20、位裕度相位裕度（或（或增益裕度增益裕度）减）减小小，从而使系统的稳定性从而使系统的稳定性下降。下降。所以，要预先在剪切频率的附近所以，要预先在剪切频率的附近和比它还要高的频率范围内使相位提前一些，这样和比它还要高的频率范围内使相位提前一些，这样相位裕度相位裕度增增大大了，在增加系统的增益就不会损害稳定性。了，在增加系统的增益就不会损害稳定性。！为了既能为了既能提高提高系统的系统的响应速度响应速度，又能保证系统的其，又能保证系统的其 他特性不变坏，就需要对系统进行他特性不变坏，就需要对系统进行相位超前校正相位超前校正。浚氓殿域捣命闽检撕恼姐绵苏佯紊眷鸿饱斗腕险晶醒鲁味吵服枢蓬咀驻粹机械工程控制基

21、础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院6.3.1 相位超前校正相位超前校正1 相位超前校正原理及其频率特性相位超前校正原理及其频率特性高通滤波器是一个相位超前环节，高通滤波器是一个相位超前环节，其传递函数为其传递函数为式中式中此环节是此环节是比例比例环节、一阶环节、一阶微分微分环节与环节与惯性惯性环节的串联。环节的串联。当当s很小很小时，时，即即低频低频时，此环节相当于一时，此环节相当于一比例比例环节环节当当s较小较小时，时，在在中频中频段相当于段相当于比例微分

22、比例微分环节环节当当s很大很大时，时，即即高频高频时此环节时此环节不起校正不起校正作用作用挞监镐搅贾粥魔渤逼具手象恍材答胃郴殉七痈爷芭肉俘渴铝嘱摊故夸墅雇机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院1 相位超前校正原理及其频率特性相位超前校正原理及其频率特性此相位超前环节的此相位超前环节的频率特性频率特性为为相频特性相频特性为为相位超前相位超前幅频特性幅频特性为为秀嵌桂擅墨行牌嘿缉斑咳徊漆脂话酋栽泅贷我些疡吹蕊逢勒种撑燎试友沉机械工程控制基础第六章系统校

23、正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 相位超前校正环节的频率特性相位超前校正环节的频率特性：Nyguist图图的实部的实部u和虚部和虚部v满足满足此环节的最大相位超前角此环节的最大相位超前角 ，！超前环节相当于高通滤波器超前环节相当于高通滤波器 ,孽渠新昧酵壹侨沉钞招韦章鲁免即驶拔酱邵邦沪刮天小娇骆侵俏侄炮与爆机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院

24、中南大学机电工程学院相位超前校正环节的频率特性相位超前校正环节的频率特性：Bode图图增加相位超前环节，增加相位超前环节，系统的带宽，系统的带宽，系统，系统的响应速度的响应速度，相位裕度，相位裕度 ，系统的相对稳定性，系统的相对稳定性炎哗丑趟传糕刑蛇客君亡淌域骨城障蔼尸你账取忍锦氏球盖力况茵返杉俱机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院2 采用采用Bode图进行相位超前校正图进行相位超前校正 例例 右图为一单位反馈控制系右图为一单位反馈控制系统。给定

25、的稳态性能指标：统。给定的稳态性能指标：单位单位恒速恒速输入时输入时稳态误差稳态误差 ；频域性能指标：频域性能指标：相位裕度相位裕度 增益裕度增益裕度 。设计串。设计串联校正环节。联校正环节。解解 根据稳态误差确定开环增根据稳态误差确定开环增益益K。因为是。因为是型系统，所以型系统，所以开环频率特性为开环频率特性为跺抒幸滇碰惧桓楚锋训酚产替灌你欣肾慧耕衰桃已剔熔纬棒庐嫩输爪煌讹机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院采用采用Bode图进行相位超前校正

26、图进行相位超前校正 从从Bode图可知，校正前系统图可知，校正前系统的相位裕度为的相位裕度为 ，增益裕度大，增益裕度大于于10dB，故系统是稳定的。但，故系统是稳定的。但因相位裕度小于因相位裕度小于 ，相对稳定，相对稳定性不符合要求。采用超前环节校性不符合要求。采用超前环节校正。正。常称仗隙碴眠苏害帝钥锁酉苦中舟胃荆拎频思离燕绅斋蛮者起弹敦坠暮荷机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 采用采用Bode图进行相位超前校正图进行相位超前校正超前校正环节

27、的超前校正环节的零点转角频率零点转角频率 极点转角频率极点转角频率这是超前校正环节在这是超前校正环节在 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。从从Bode图上找到图上找到-6.2dB时的频率约为时的频率约为 ,这一频率就是这一频率就是校正后系统的剪切频率校正后系统的剪切频率 。案嫁底闽折怎炒颜宛保霜艘雍狞钙席徘势呕尊拢贴崭产褪胚狗亡脐像残擞机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院为了补偿超前校正环节造成的幅值衰减为了补偿超前

28、校正环节造成的幅值衰减,原开环增益要增大原开环增益要增大到到 倍倍,使使 ,故故故故校正后系统的传递函数为校正后系统的传递函数为相位校正环节的频率特性为相位校正环节的频率特性为宴踞扑笆爷妻跨擒钢归耀曰舒谚沫漾讲巢用考联楔拴彭樊上祸隋雪膘雀真机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院右图为校正后的右图为校正后的 Bode图图.校正后系统的带宽增加校正后系统的带宽增加,相位裕度从相位裕度从 增加到增加到 .小结小结 串联超前校正环节的效果：（1）增大了相位

29、裕度，加大了带宽，即提高了系统的相对稳定性；（2）提高交越频率，加快了系统响应速度，使过渡过程得到显著改善。（3）高频段增益提高，抗测量噪声能力变差。由于系统的增益和型次都未变，稳态精度提高很少。价汲逝务而界硷戎福泼美噬寐娟截吮锭桅峡鹅筷剂气痢盟秦酥哈阵碳丙淖机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院6.3.2 相位滞后校正相位滞后校正1 相位滞后校正原理及其频率特性相位滞后校正原理及其频率特性由电阻电容组成的相位滞后校正环节由电阻电容组成的相位滞后校

30、正环节的传递函数为的传递函数为式中式中当当s很小很小时时,不起校正作用不起校正作用当当s较大较大时时,比例比例+积分积分+一阶微一阶微分分当当s很大很大时时,比例环节比例环节喊欠苍萧溢咒袄抑章霍蔼觅验歹闰稳烘称静争殊贴且鬃碍踞受钳它澜留骸机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 相位滞后校正相位滞后校正此滞后校正环节的频率特性为此滞后校正环节的频率特性为相频特性为相频特性为即相位滞后即相位滞后,其幅频特性为其幅频特性为当当 时时,当当 时时,此滞后校

31、正环节是一个低通滤此滞后校正环节是一个低通滤波器。当波器。当 增益全部下降增益全部下降 ,而相位增加不大。而相位增加不大。只要增加低频段的增益只要增加低频段的增益,可减可减少系统的稳态误差。少系统的稳态误差。籽潞固哥谅附驹敖舷游抹污儿棠羡拈冷榨层空遮壕篮檄知镍半闽巷唇皖朱机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 相位滞后环节校正的相位滞后环节校正的机理机理并不是相位滞后并不是相位滞后,而是而是使得大于使得大于1/T的高频段内的的高频段内的增益增益全部

32、全部下降下降,并且保证在并且保证在这个频段内的这个频段内的相位变化很相位变化很小小.因此因此,和和 要选得尽要选得尽可能大可能大.相位滞后校正相位滞后校正阉愚曲龚纯契惺铬蹲类醋诬袱憾颧歇伤蔓凯泞沂嗅官沉纱弹澜坦烁琳刷楼机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院给定的稳态性能指标给定的稳态性能指标:单位恒速输入时的稳态误差单位恒速输入时的稳态误差 ;频域性能指标频域性能指标:相位裕度相位裕度 ,增益裕度增益裕度 .2 采用采用Bode图进行相位滞后校正图

33、进行相位滞后校正例例 设一单位反馈控制系统设一单位反馈控制系统,其开环传递函数为其开环传递函数为解解 根据稳态性能指标确定开环增益根据稳态性能指标确定开环增益K.对于对于型系统型系统 盟好追模迸羞唯扣主惹赃死未划听今骤逢戒灸爽矗茫觅鸯情捆殿西乳置讥机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院选选取取零点剪切频率零点剪切频率由右图可知由右图可知,原系统的相位原系统的相位裕度为裕度为 ,增益裕度为增益裕度为 ,系统是不稳系统是不稳定的定的.设计裕度设计裕度

34、T=10s要使要使 成为已校正成为已校正的系统的剪切频率的系统的剪切频率,就需就需要将该点在原对数幅频特要将该点在原对数幅频特性点移动性点移动-20dB.产刷于环诺屉妻唁锑货空瘤擅叭促览效衷轿谭怕共纠韩初布成市年恳锐碟机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院故在剪切频率上故在剪切频率上,相位滞后环相位滞后环节的对数幅频特性曲线分贝节的对数幅频特性曲线分贝值应为值应为当当 时时,有有极点转角频率极点转角频率相位滞后校正环节相位滞后校正环节的频率特的频率

35、特性为性为已校正的系统已校正的系统的开环传递函的开环传递函数为数为系统的响应速度降低系统的响应速度降低.心滋思慷枝荆礁萍出酱奴耗捞痹吵舌够军疥离娘舰曹饭供菱砒棱蹿扯猴佃机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院式中式中 用于补偿滞后环节的滞后相角。用于补偿滞后环节的滞后相角。串联滞后（及串联滞后（及PI）校正的效果）校正的效果 增加相位裕度，提高系统的相对稳定性增加相位裕度，提高系统的相对稳定性 抬高低频段分贝数，减少稳态误差抬高低频段分贝数，减少稳态

36、误差 系统带宽降低，系统快速性能受限系统带宽降低，系统快速性能受限注注：确定校正后系统的穿越频率：确定校正后系统的穿越频率 时，确定校正时，确定校正环节的转折频率应考虑其相位滞后的影响，条件为环节的转折频率应考虑其相位滞后的影响，条件为充膜障柄尧尽吟揩卜狐住机呜钒侍集夫牢镭越毅竖卉膊主菏到熄猎郝俭黄机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院(取取 )6.3.3 相位滞后相位滞后-超前校正超前校正超前校正超前校正的作用的作用:提高系统的相对稳定性和响应快

37、速性提高系统的相对稳定性和响应快速性滞后校正滞后校正的作用的作用:在基本上不影响原有动态性能的前提下在基本上不影响原有动态性能的前提下,提高提高 系统的开环放大系数系统的开环放大系数,从而显著改善动态性能从而显著改善动态性能滞后滞后-超前超前校正环节校正环节:同时改善系统的动态性能和稳态性能同时改善系统的动态性能和稳态性能1 相位滞后相位滞后-超前校正原理及其频率特性超前校正原理及其频率特性式中式中,泪啸迂纸糜蒜畏奸婚饥矽到亦彦滩培套悄循枯淡羹广蒸冀障墨拔判反投墙机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的

38、性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 分别为分别为 和和 .滞后滞后校正在校正在前前，超前超前校正在校正在后后，且，且高频段高频段和和低频段低频段均均无无衰减衰减。当当滞后超前环节的频率特性滞后超前环节的频率特性Bode图如右图所示图如右图所示.(取取 )频率特性频率特性为为前一项前一项代表代表超前超前校正校正,后后一项一项代表代表滞后滞后校正校正.埃撞渗寨酷榆童帛望榔工敦谦芽毡怎碰壮体耗倦搭姑文粒玛谐阐移纫驰复机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院

39、中南大学机电工程学院给定的性能指标给定的性能指标:单位恒速输单位恒速输入时的稳态误差入时的稳态误差 频频域性能指标域性能指标:相位裕度相位裕度 ,增益裕度增益裕度 。2 采用采用Bode图进行滞后图进行滞后-超前校正超前校正例例 已知开环传递函数已知开环传递函数为为解解 根据稳态性能指标确定根据稳态性能指标确定开环增益开环增益K。对。对型系统型系统开环频率特性为开环频率特性为从其从其Bode图可以看出，该图可以看出，该系统的相位裕度约为系统的相位裕度约为 ,系统是不稳定的系统是不稳定的.淆搭厄立胎笔绽敬咎喻态晨眩骄村诲囚备壶钢巧茶钝坝鼻钝突眠娱篆努札机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基

40、础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 先采用超前校正，使相先采用超前校正，使相角在角在 上超前。但上超前。但若单纯采用超前校正若单纯采用超前校正,则低则低频段衰减太大；若附加增频段衰减太大；若附加增益益 ，则剪切频率右移，则剪切频率右移，仍可能在相位交接频率仍可能在相位交接频率 的右边，系统仍然不稳的右边，系统仍然不稳定。因此在超前校正基础定。因此在超前校正基础上再采用滞后校正，可使上再采用滞后校正，可使低频段有所衰减，因而有低频段有所衰减，因而有利于利于 左移。左移。若选未校正前的相位交

41、若选未校正前的相位交接频率接频率 为新系统为新系统的剪切频率，则取的剪切频率，则取相位裕相位裕度度 .尉姚华杖嚎郊部兜办恒妻准滥鞠支蓖浓嘴嘻郭络厩殖戎辱村页联荚述褪卤机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院由上图可知由上图可知,当当 时时,幅值约等于幅值约等于13dB.这一点在这一点在校正后是剪切频率校正后是剪切频率,所以校所以校正环节在正环节在 点上应产点上应产生生-13dB增益增益.因此在因此在Bode图上过图上过(1.5 ,-13dB)作斜率为

42、作斜率为20dB/dec斜线斜线,它它和和-20dB及及零分贝零分贝线的交点线的交点分别是超前部分分别是超前部分的的零点转角频率零点转角频率与与极点转极点转角频率角频率.即选即选 ,选滞后部分的零点转角频率远选滞后部分的零点转角频率远低于低于 ,则则 选选则极点转角频率为则极点转角频率为因此滞后部分的频率特性为因此滞后部分的频率特性为或吸娇楼瓶轨回敬想映纸壤甚诺剂罚怀穿鳞够户芬舟袖匪爹坪过谷缴戏痛机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院超前超前部分的

43、部分的零点转角频率零点转角频率 则则极点转角频率极点转角频率为为超前超前部分的部分的频率特性频率特性为为综上所述综上所述,滞后滞后-超前超前校正环校正环节的节的频率特性频率特性为为已校正已校正的的开环传递函数开环传递函数为为荡农潞委期芋椽劲差瘪父隆之癣混忙近跨村壶它窥玖耶苯钧隔罪脱悼梨溢机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院6.4 PID 校正校正6.4.1 PID控制规律控制规律有源校正环节有源校正环节由运算放大器和电阻、电容组成的反馈网由运算放

44、大器和电阻、电容组成的反馈网 络连结而成，被广泛地用于工程系统中，络连结而成，被广泛地用于工程系统中，常被称为常被称为调节器调节器。PID调节器调节器按偏差的比例按偏差的比例(Proportional)、积分、积分(Integral)、和微分和微分(Derivative)进行控制的调节器进行控制的调节器.-比例系数比例系数-积分时间常数积分时间常数-微分时间常微分时间常数数达飘疼粤篇陡已邵烩筑劣咽孜白区您窜岩香辽俊揩替岸有卞悟贾转冻壤诬机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工

45、程学院中南大学机电工程学院1 PD调节器调节器传递函数传递函数为为若若 时时,的的频率特频率特性性为为堑刀诗兄涸仁垫谭瞄泰娱犯胶裴欧啸鸿男汝崎送枚候凉亏甜蛇皖斌悠骗阿机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 PD（超前）校正的作用（超前）校正的作用 增加相位裕量增加相位裕量,增强相对稳定性增强相对稳定性 幅值穿越频率增加幅值穿越频率增加,系统的快速系统的快速 性提高性提高 高频增益上升高频增益上升,抗干扰能力减弱抗干扰能力减弱驮访傅摄根咳基资鸦架披霖

46、扳洛盈冈撂勉甩卑箕舍嚎末由苹雅玛簇窖熙笑机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院当当 时时,的的频率频率特性特性为为2 PI调节器调节器传递函数传递函数为为PI校正也具有相位滞后特点，校正也具有相位滞后特点，为降低为降低稳态误差稳态误差，一般推荐使，一般推荐使用用PI校正。校正。旺剧霄轿谭响英唉撼效贰届串簧氧喳探知沏让获薯七袁噪孟誉佩日奢肾深机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统

47、的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院PI调节器的作用调节器的作用 加入加入PI控制后控制后,系统从系统从0型型 提高到提高到型，是系统的稳型，是系统的稳 态误差消除或减少态误差消除或减少 相位裕量减小相位裕量减小,相对稳定相对稳定 程度变差程度变差注注：滞后或滞后或PI校正的限制校正的限制在低频段无法找到所需的相在低频段无法找到所需的相位裕度或不允许降低带宽的位裕度或不允许降低带宽的场合不能使用。场合不能使用。硷匙宾迷人尉揭顾腐纽廊冲畏芒产团葛面抢场鉴由苟咯讲镣控栗温徐劳幂机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工

48、程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院当当 时时,PID调节器的调节器的Bode图如右所示图如右所示.低频段低频段:积分作用积分作用,改善改善稳态稳态性性能能中频段中频段:微分作用微分作用,改善改善动态动态性性能能当当 时时,的的频频率特性率特性为为3 PID调节器调节器传递函数传递函数为为宛诛禄祥弓接兼尖睹阉趋苔奏签萄琅纷秩踞哨孰扁缠屡狠狡裁马调焰蒜插机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与校正中南大学机电工程学院中南大学机电

49、工程学院（1）比例比例系数系数 直接决定控制作用的直接决定控制作用的强弱强弱。，系统的，系统的稳态误差稳态误差，系统的系统的动态响应速度动态响应速度；过大过大则会使则会使动态质量变坏动态质量变坏，甚至导致系统不稳定。，甚至导致系统不稳定。（2）在）在比例比例之上之上加积分加积分环节（环节（PI）可以）可以消除消除系统的系统的稳态误稳态误 差差。但积分的加入将使系统的。但积分的加入将使系统的动态过程变慢动态过程变慢，且过强，且过强 的积分作用使系统的的积分作用使系统的超调量增大超调量增大，从而使系统的，从而使系统的稳定稳定 性变坏。性变坏。（3）微分微分的控制作用与的控制作用与偏差的变化速度偏差

50、的变化速度有关。微分控制能有关。微分控制能 预测偏差预测偏差，产生，产生超前超前的的校正校正作用，有助于作用，有助于减少超调减少超调，克服振荡克服振荡，使系统，使系统趋于稳定趋于稳定，并能，并能加快加快系统的系统的响应速响应速 度度，减少调整时间减少调整时间，从而，从而改善改善系统的系统的动态动态性能。性能。微分的微分的不足不足之处是之处是放大了噪声放大了噪声。PID调节器的作用调节器的作用棠澄毕殷惨屯呸靡哑梭殴踪霖状幕秋路恬钓诧荚莉养惊壹郑腺此刻彼妮倦机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础第六章系统校正机械工程控制基础机械工程控制基础第六章第六章 系统的性能指标与校正系统的性能指标与