第六章控制系统的综合校正优秀PPT.ppt

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1、第六章控制系统的综合校正第一页，本课件共有28页 为保证系统的控制性能达到预期的性能指标要求，而有目的为保证系统的控制性能达到预期的性能指标要求，而有目的地增添的元件地增添的元件,称为控制系统的校正元件。根据校正元件与不可变称为控制系统的校正元件。根据校正元件与不可变部分的联接方式部分的联接方式,校正方案分为串联校正和反馈校正。若校正元校正方案分为串联校正和反馈校正。若校正元件在前向通道件在前向通道,与不可变部分相串联与不可变部分相串联,称此种形式的校正为串联称此种形式的校正为串联校正校正,其校正装置的传递函数用其校正装置的传递函数用Gc(s)表示。若校正元件在局部表示。若校正元件在局部反馈回

2、路反馈回路,与不可变部分组成内反馈环与不可变部分组成内反馈环,称此种校正形式为反称此种校正形式为反馈校正馈校正,其校正装置传递函数用其校正装置传递函数用Hc(s)表示表示 第二页，本课件共有28页 串联校正又分为超前校正、滞后校正、滞后超前校正串联校正又分为超前校正、滞后校正、滞后超前校正,这这些串联校正装置实现的控制规律常采用比例、微分、积分等基本控些串联校正装置实现的控制规律常采用比例、微分、积分等基本控制规律制规律,或这些基本控制规律的组合或这些基本控制规律的组合,如比例加微分控制规如比例加微分控制规律律(PD),比例加积分控制规律比例加积分控制规律(PI),比例加积分加微分控制比例加积

3、分加微分控制规律规律(PID)。古典控制理论是用试探法研究单输入单输出的。古典控制理论是用试探法研究单输入单输出的线性定常系统的设计问题线性定常系统的设计问题,其设计方案不是绝对唯一的。在其设计方案不是绝对唯一的。在这一章中将介绍如何用频率特性法、根轨迹法确定校正装置这一章中将介绍如何用频率特性法、根轨迹法确定校正装置的参数问题的参数问题,其重点是频率特性法。其重点是频率特性法。第三页，本课件共有28页6.2 基本控制规律分析基本控制规律分析 不引入比例控制器，则系统的闭环传递函数为：不引入比例控制器，则系统的闭环传递函数为：若引入比例控制器若引入比例控制器(KP1),则有则有：显然显然T 2

4、T 1,说明系统的惯性降低。说明系统的惯性降低。提高比例控制器的增益提高比例控制器的增益,可提高控制精度可提高控制精度,但控制系统的稳定性却随但控制系统的稳定性却随之降低之降低,甚至会造成控制系统不稳定。甚至会造成控制系统不稳定。一、一、比例控制规律比例控制规律(P)第四页，本课件共有28页为微分时间常数为微分时间常数 微分控制规律不能单独使用微分控制规律不能单独使用,因因为它只在暂态过程中起作用为它只在暂态过程中起作用,当系统当系统进入稳态时进入稳态时,偏差信号偏差信号(t)不变化不变化,微微分控制不起作用。若单独使用微分分控制不起作用。若单独使用微分控制规律控制规律,此时相当于信号断路此时

5、相当于信号断路,控控制系统将无法正常工作。另外制系统将无法正常工作。另外,微分微分控制规律虽具有预见信号变化趋势的优控制规律虽具有预见信号变化趋势的优点点,也有易于放大噪声的缺点。对此也有易于放大噪声的缺点。对此,在控制系统设计中在控制系统设计中,同样需要给予足同样需要给予足够的重视。够的重视。二、二、比例加微分控制规律比例加微分控制规律PD 第五页，本课件共有28页三、三、积分控制规律积分控制规律(I)在控制系统中在控制系统中,采用积分控制规律可以提高系统的类型数采用积分控制规律可以提高系统的类型数,从而改善控制从而改善控制系统的稳态性能系统的稳态性能,但同时使稳定性下降但同时使稳定性下降,

6、故常用比例加积分控制规律故常用比例加积分控制规律,使控制使控制系统的稳态性能和动态性能都满足要求。系统的稳态性能和动态性能都满足要求。四、四、比例加积分控制规律比例加积分控制规律(PI)下面举例说明下面举例说明 PI 控制规律可以在保证系统稳定性的基础上提高系统的类控制规律可以在保证系统稳定性的基础上提高系统的类型数。型数。第六页，本课件共有28页例例6.2-2：设系统：设系统试求试求 e ssf(t)。只加比例控制规律只加比例控制规律,不加积分控制规律不加积分控制规律,求得求得e ssf(t)=f0/KP,同时加入同时加入PI控制规律控制规律,求得求得essf(t)=0。说明。说明PI控制规

7、律对干扰信号控制规律对干扰信号f(t),类类型数从型数从0型上升到型上升到型型,抑制阶跃干扰信号的稳态误差由常值变为抑制阶跃干扰信号的稳态误差由常值变为0,参数选参数选择合理择合理,仍能保证控制系统的动态性能。上例充分说明仍能保证控制系统的动态性能。上例充分说明,同时应用同时应用PI控控制规律制规律,即可提高稳态性能即可提高稳态性能,又能保证动态性能。又能保证动态性能。例例6.2-1第七页，本课件共有28页五、五、比例加积分加微分控制规律比例加积分加微分控制规律(PID)PID 控制规律除使系统提高一个类型数之外控制规律除使系统提高一个类型数之外,还提供了两个负实零点。与还提供了两个负实零点。

8、与 PI 控制规律比较控制规律比较,PID 控制规律保持了控制规律保持了 PI 控制规律提高系统稳态性能的控制规律提高系统稳态性能的优点优点,同时多提供一个负实零点同时多提供一个负实零点,更有利于改善系统的动态性能。因此更有利于改善系统的动态性能。因此,PID 控制规律在控制系统中得到广泛应用。控制规律在控制系统中得到广泛应用。第八页，本课件共有28页 超前校正超前校正,实现实现 PD 或近似实现或近似实现 PD 控制规律。控制规律。超前校正装置可以由有源网路或无源网路实现超前校正装置可以由有源网路或无源网路实现,现在以无源网为例说现在以无源网为例说明其特性。明其特性。6.3 超前校正参数的确

9、定超前校正参数的确定 一、超前校正网路的特性一、超前校正网路的特性 第九页，本课件共有28页 超前校正网路是一种带惯性的比例加微分控制器超前校正网路是一种带惯性的比例加微分控制器,近似实现近似实现 PD 控制规控制规律。此网路能提供正的相角律。此网路能提供正的相角,这便是超前校正的超前含意这便是超前校正的超前含意,它正是用超它正是用超前相角对系统实现校正。用此超前网路对系统实现校正时前相角对系统实现校正。用此超前网路对系统实现校正时,可视具体情况把可视具体情况把惯性限制到极小程度惯性限制到极小程度,即使即使Tc很小。由于很小。由于1/a1,所以用此校正网路将所以用此校正网路将使系统的开环放大倍

10、数下降使系统的开环放大倍数下降,为保证系统的开环放大倍数不变为保证系统的开环放大倍数不变,需将需将系统放大器的放大系数提高系统放大器的放大系数提高a倍。通常取倍。通常取a=520,若若a值取的过小值取的过小,超前校超前校正中的微分作用不够强正中的微分作用不够强,若若a值取的过大值取的过大,不仅会使系统放大器需补偿过大不仅会使系统放大器需补偿过大的衰减的衰减,在设计与实现上产生困难在设计与实现上产生困难,同时超前校正效果也不一定最佳。同时超前校正效果也不一定最佳。第十页，本课件共有28页 在绘制超前校正网路频率特性时在绘制超前校正网路频率特性时,认为放大倍数衰减认为放大倍数衰减1/a已为系统放大

11、器已为系统放大器所补偿所补偿,则有则有:其对数频率特性如图其对数频率特性如图 超前校正网路的相角是正的超前校正网路的相角是正的,我们对我们对此网路能提供的最大超前相角此网路能提供的最大超前相角cm(m)最最感兴趣。下面求出现感兴趣。下面求出现cm的频率的频率m及及cm与哪些因素有关。与哪些因素有关。第十一页，本课件共有28页最大超前相角最大超前相角cm(m)的求取：的求取：超前校正网路所提供的最大超前相角超前校正网路所提供的最大超前相角cm仅是仅是a的函数的函数,cm随随a值的变化情值的变化情况见图况见图6.3-4所示。从图中看出，当所示。从图中看出，当a值较小时值较小时,cm较小较小,故超前

12、校正作故超前校正作用不强。用不强。a值取的过大值取的过大,放大倍数下降太多放大倍数下降太多,增加系统放大器的负担增加系统放大器的负担,同时同时a20时时,cm随随a值的增加变化较小。当值的增加变化较小。当a=520时时,cm随随a值增加上升较快值增加上升较快,其其值值cm=4265也较大也较大,超前校正作用显著超前校正作用显著,同时放大倍数衰减也不大。故同时放大倍数衰减也不大。故a值通常取在值通常取在520之间。之间。超前校正网路的对数幅频特性表达式超前校正网路的对数幅频特性表达式,求得对应求得对应=m时的对数幅值时的对数幅值为：为：第十二页，本课件共有28页二、二、按频率特性法确定超前校正参

13、数按频率特性法确定超前校正参数 超前校正利用其超前相位增加相角裕度，改善系统的稳定性。另一方超前校正利用其超前相位增加相角裕度，改善系统的稳定性。另一方面，超前校正在幅频特性上提高高频增益，使系统的剪切频率面，超前校正在幅频特性上提高高频增益，使系统的剪切频率c增加，增加，展宽系统的频带，使系统响应速度加快。展宽系统的频带，使系统响应速度加快。下面通过例题说明用对数频率特性确定超前校正参数的步骤及有关问题。下面通过例题说明用对数频率特性确定超前校正参数的步骤及有关问题。第十三页，本课件共有28页例例6.3-1第十四页，本课件共有28页第十五页，本课件共有28页6.4 6.4 滞后校正参数的确定

14、滞后校正参数的确定 一、一、滞后校正网路的特性滞后校正网路的特性 滞后校正网路如图滞后校正网路如图6.4-16.4-1所示。该网路的传递函数为所示。该网路的传递函数为:其频率特性表达式为：其频率特性表达式为：最大滞后相角最大滞后相角cm(m)的求取：的求取：第十六页，本课件共有28页第十七页，本课件共有28页+-(a)0dB(b)第十八页，本课件共有28页二、二、按频率特性法确定串联滞后校正参数按频率特性法确定串联滞后校正参数 大多数系统固有部分的相频特性随着频率大多数系统固有部分的相频特性随着频率的增加而变得越来越负。的增加而变得越来越负。滞后校正利用滞后校正环节幅频特性的高频衰减特性使系统

15、的剪切频率前移，从滞后校正利用滞后校正环节幅频特性的高频衰减特性使系统的剪切频率前移，从而加大相角裕度。但滞后校正环节产生负的相位，特别是在两个转折频率而加大相角裕度。但滞后校正环节产生负的相位，特别是在两个转折频率1/Tc和和1/Tc 之间，负相位的绝对值比较大，因此设计时应使这个频段离校正之间，负相位的绝对值比较大，因此设计时应使这个频段离校正后系统的剪切频率远一些，使滞后校正环节产生的负相位对相角裕度后系统的剪切频率远一些，使滞后校正环节产生的负相位对相角裕度影响小一些。滞后校正使影响小一些。滞后校正使c前移，系统的频带变窄，时域响应速度会变前移，系统的频带变窄，时域响应速度会变慢。慢。

16、第十九页，本课件共有28页例例6.4-1第二十页，本课件共有28页第二十一页，本课件共有28页6.5 滞后超前校正参数的确定滞后超前校正参数的确定 有些系统不可变部分特性与性能指标的要求差距较大，采用单级超前有些系统不可变部分特性与性能指标的要求差距较大，采用单级超前校正或滞后校正不能奏效，这时可以同时使用滞后校正和超前校正，即校正或滞后校正不能奏效，这时可以同时使用滞后校正和超前校正，即滞后一超前校正。滞后一超前校正。一、一、滞后超前校正网路的特性滞后超前校正网路的特性 滞后超前校正网路如图滞后超前校正网路如图6.51所示所示,此网路此网路所对应的传递函数为所对应的传递函数为：第二十二页，本

17、课件共有28页 图图6.52可以看出可以看出,在在01频段里频段里,该网路具有滞后相角该网路具有滞后相角,即具有单独的即具有单独的滞后校正特性。在滞后校正特性。在1频段里频段里,该网路具有超前相角该网路具有超前相角,它将起单独的超它将起单独的超前校正作用。前校正作用。第二十三页，本课件共有28页第二十四页，本课件共有28页二、二、按频率特性法确定滞后超前校正参数按频率特性法确定滞后超前校正参数 例例 6.51 第二十五页，本课件共有28页第二十六页，本课件共有28页6.6 按系统期望频率特性确定串联校正参数按系统期望频率特性确定串联校正参数 系统期望频率特性就是满足性能指标要求的开环对数频率特性。设控制系统期望频率特性就是满足性能指标要求的开环对数频率特性。设控制系统的方块图如图系统的方块图如图6.61所示。所示。根据性能指标要求根据性能指标要求,求出期望频率特性求出期望频率特性20lgG(j),则可根据式则可根据式(6.63)求出校正装置的对数幅频特性求出校正装置的对数幅频特性,进而确定校正装置的传递函数进而确定校正装置的传递函数Gc(s)。第二十七页，本课件共有28页例例 6.61 第二十八页，本课件共有28页