机械工程控制基础第六章系统校正-文档资料ppt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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程第六章第六章 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 系统的性能指标系统的性能指标 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
2、.5 反馈校正反馈校正6.6 顺馈校正顺馈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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程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病原
3、体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程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复现频率复现频率/复
4、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。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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程
5、度的病理生理过程例例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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程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分 而而e(t)的的Laplace变换为变换为
6、故有故有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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程(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(3)误差平方积分误差平方积分 -重视大的的误重视大的的误差差(4)(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 (5)-同时重视大的同时重视大的误差误差(6)及大的误差变化及大的误差变化率率 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
7、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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程 所谓所谓校正校正(或称
8、(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,
9、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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程方法二方法二 在原系统中增加新的环节,使在原系统中增加新的环节,使Nyq
10、uist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
11、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。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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程 为什么要进行系统校正?【例例2】曲线】曲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
12、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
13、节,主要是改变系统的频率特性。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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程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
14、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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程使使 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
15、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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环
16、境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程6.3 串联校正串联校正本节主要教学内容
17、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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程 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;
18、(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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程6.3.1 相位超前校正相位超前校正 为什么要进行相位
19、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
20、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。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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程6.3.1 相位超前校正
21、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
22、中南大学机电工程学院病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程 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:Nygui
23、st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 ,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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程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,系统的相对稳定性机械
24、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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程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
25、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病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程采用采用Bode图进行相位超前校正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
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