控制系统的综合校正.ppt

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1、第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正一、设计方法一、设计方法一、设计方法一、设计方法控制系统设计的内涵：控制系统设计的内涵：控制系统设计的内涵：控制系统设计的内涵：根据系统性能指标要求确定控制器的根据系统性能指标要求确定控制器的根据系统性能指标要求确定控制器的根据系统性能指标要求确定控制器的结构形式和参数，并实现之。结构形式和参数，并实现之。结构形式和参数，并实现之。结构形式和参数，并实现之。1 1、根轨迹设计方法、根轨迹设计方法、根轨迹设计方法、根轨迹设计方法系统系统系统系统性能性能性能性能指标指标指标指标闭环主闭环主闭环主闭环主导极点导极点导极

2、点导极点位置位置位置位置系统参系统参系统参系统参数根轨数根轨数根轨数根轨迹迹迹迹加入加入加入加入校正校正校正校正装置装置装置装置主要问题：主要问题：主要问题：主要问题：1 1、设计何种控制规律、设计何种控制规律、设计何种控制规律、设计何种控制规律 2 2、过程复杂、过程复杂、过程复杂、过程复杂6-4 6-4 校正装置设计的方法和依据校正装置设计的方法和依据校正装置设计的方法和依据校正装置设计的方法和依据第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正2 2、频率特性设计方法、频率特性设计方法、频率特性设计方法、频率特性设计方法系统系统系统系统性能性能性能性能指

3、标指标指标指标期望的期望的期望的期望的频率特频率特频率特频率特性性性性系统固系统固系统固系统固有部分有部分有部分有部分频率特频率特频率特频率特性性性性加入加入加入加入校正校正校正校正装置装置装置装置系统固系统固系统固系统固有部分有部分有部分有部分传递函传递函传递函传递函数数数数优点：优点：优点：优点：1 1、开环频率特性图容易绘制、开环频率特性图容易绘制、开环频率特性图容易绘制、开环频率特性图容易绘制简便简便简便简便2 2、系统结构参数与系统性能关系清晰、系统结构参数与系统性能关系清晰、系统结构参数与系统性能关系清晰、系统结构参数与系统性能关系清晰直观直观直观直观第六章第六章第六章第六章 线性

4、系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正二、设计依据和一般步骤二、设计依据和一般步骤二、设计依据和一般步骤二、设计依据和一般步骤（1 1）绘制固有部分的开环伯德图）绘制固有部分的开环伯德图）绘制固有部分的开环伯德图）绘制固有部分的开环伯德图（2 2）列出控制系统需要满足的性能指标）列出控制系统需要满足的性能指标）列出控制系统需要满足的性能指标）列出控制系统需要满足的性能指标（3 3）校正后的开环伯德图（期望开环频率特性）校正后的开环伯德图（期望开环频率特性）校正后的开环伯德图（期望开环频率特性）校正后的开环伯德图（期望开环频率特性）（4 4）求出校正装置的伯德图）求出校正装置的伯德

5、图）求出校正装置的伯德图）求出校正装置的伯德图（5 5）求出校正装置的传递函数）求出校正装置的传递函数）求出校正装置的传递函数）求出校正装置的传递函数（6 6）确定校正装置的结构和参数）确定校正装置的结构和参数）确定校正装置的结构和参数）确定校正装置的结构和参数第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正三、频域性能指标的确定三、频域性能指标的确定三、频域性能指标的确定三、频域性能指标的确定1 1 1 1、控制系统的暂态性能指标、控制系统的暂态性能指标、控制系统的暂态性能指标、控制系统的暂态性能指标(1)(1)(1)(1)以系统的单位阶跃响应为基础而提出的

6、性能指标以系统的单位阶跃响应为基础而提出的性能指标以系统的单位阶跃响应为基础而提出的性能指标以系统的单位阶跃响应为基础而提出的性能指标 最大超调量最大超调量最大超调量最大超调量M M M Mp p p p、调节时间、调节时间、调节时间、调节时间t t t ts s s s(2)(2)(2)(2)以系统闭环频率特性为基础而提出的性能指标以系统闭环频率特性为基础而提出的性能指标以系统闭环频率特性为基础而提出的性能指标以系统闭环频率特性为基础而提出的性能指标 谐振峰值谐振峰值谐振峰值谐振峰值M M M Mr r r r、谐振频率、谐振频率、谐振频率、谐振频率r r r r、带宽、带宽、带宽、带宽b

7、b b b(3)(3)(3)(3)以系统开环频率特性为基础而提出的性能指标以系统开环频率特性为基础而提出的性能指标以系统开环频率特性为基础而提出的性能指标以系统开环频率特性为基础而提出的性能指标系统开环伯德图的剪切频率系统开环伯德图的剪切频率系统开环伯德图的剪切频率系统开环伯德图的剪切频率c c c c系统的增益裕度系统的增益裕度系统的增益裕度系统的增益裕度GMGMGMGM、相角裕度、相角裕度、相角裕度、相角裕度 三组性能指标不是各自独立三组性能指标不是各自独立三组性能指标不是各自独立三组性能指标不是各自独立,可以混合使用可以混合使用可以混合使用可以混合使用,但不能互相矛盾但不能互相矛盾但不能

8、互相矛盾但不能互相矛盾!第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正2 2 2 2、控制系统的带宽频率的确定、控制系统的带宽频率的确定、控制系统的带宽频率的确定、控制系统的带宽频率的确定（1 1 1 1）信号复现能力和噪声干扰）信号复现能力和噪声干扰）信号复现能力和噪声干扰）信号复现能力和噪声干扰确定方法：确定方法：确定方法：确定方法：有用信号带宽有用信号带宽有用信号带宽有用信号带宽干扰信号带宽干扰信号带宽干扰信号带宽干扰信号带宽需注意问题：需注意问题：需注意问题：需注意问题：s s s s和和和和n n n n靠得比较近时难以确定靠得比较近时难以确定靠得

9、比较近时难以确定靠得比较近时难以确定（2 2 2 2）机械谐振频率的限制）机械谐振频率的限制）机械谐振频率的限制）机械谐振频率的限制考虑的主要问题：考虑的主要问题：考虑的主要问题：考虑的主要问题：尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。考虑的主要问题：考虑的主要问题：考虑的主要问题：考虑的主要问题：避免激起机械振荡，甚至共振。避免激起机械振荡，甚至共振。避免激起机械振荡，甚至共振。避免激起机械振荡，甚至共振。确定方法：确定方法：确定方法：确定方法：需注意问题：需注意问题：需注意问题：

10、需注意问题：b b b b和和和和m m m m靠得比较近会降低相对稳定性靠得比较近会降低相对稳定性靠得比较近会降低相对稳定性靠得比较近会降低相对稳定性 开环伯德图的剪切频率开环伯德图的剪切频率开环伯德图的剪切频率开环伯德图的剪切频率c c c c和和和和m m m m距离尽可能远些距离尽可能远些距离尽可能远些距离尽可能远些第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正（3 3）系统的数学模型）系统的数学模型）系统的数学模型）系统的数学模型将系统固有部分的数学模型在一定条件下予以简化，用较为将系统固有部分的数学模型在一定条件下予以简化，用较为将系统固有部分的

11、数学模型在一定条件下予以简化，用较为将系统固有部分的数学模型在一定条件下予以简化，用较为简单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。简单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。简单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。简单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。要求：选定的要求：选定的要求：选定的要求：选定的c c c c应在近似的数学模型的适用带宽内。应在近似的数学模型的适用带宽内。应在近似的数学模型的适用带宽内。应在近似的数学模型的适用带宽内。几种常见的近似和适用条件几种常见的近似和适用条件几种常见的近似和适用条件几种常见的近似和适用条件第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性

12、系统的校正线性系统的校正四、频率特性设计方法四、频率特性设计方法四、频率特性设计方法四、频率特性设计方法频率特性图可以频率特性图可以频率特性图可以频率特性图可以清楚表明系统改变性能指标的方向。清楚表明系统改变性能指标的方向。清楚表明系统改变性能指标的方向。清楚表明系统改变性能指标的方向。频域设计通常通过频域设计通常通过频域设计通常通过频域设计通常通过BodeBodeBodeBode图进行图进行图进行图进行处理起来十分简单。处理起来十分简单。处理起来十分简单。处理起来十分简单。（当采用串联校正时，使得校正后系统的（当采用串联校正时，使得校正后系统的（当采用串联校正时，使得校正后系统的（当采用串联

13、校正时，使得校正后系统的BodeBodeBodeBode图即为原有图即为原有图即为原有图即为原有系统系统系统系统BodeBodeBodeBode图和校正装置的图和校正装置的图和校正装置的图和校正装置的BodeBodeBodeBode图直接相加）图直接相加）图直接相加）图直接相加）对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气动元件，通常可以通过动元件，通常可以通过动元件，通常可以通过动元件，通常可以通过频率响应实验频率响应实验频率响应实验频率

14、响应实验来获得其来获得其来获得其来获得其BodeBodeBodeBode图。图。图。图。在涉及到在涉及到在涉及到在涉及到高频噪声高频噪声高频噪声高频噪声时，频域法设计比其他方法更为方便。时，频域法设计比其他方法更为方便。时，频域法设计比其他方法更为方便。时，频域法设计比其他方法更为方便。第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正低频段低频段低频段低频段 稳态性能稳态性能稳态性能稳态性能中频段中频段中频段中频段 动态性能动态性能动态性能动态性能高频段高频段高频段高频段 抗干扰抗干扰抗干扰抗干扰三频段三频段三频段三频段第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正

15、线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正一个设计合理的系统的三频段一个设计合理的系统的三频段一个设计合理的系统的三频段一个设计合理的系统的三频段中频段的斜率以中频段的斜率以中频段的斜率以中频段的斜率以20dB/dec20dB/dec20dB/dec20dB/dec为宜；为宜；为宜；为宜；低频段和高频段可以有更小的斜率低频段和高频段可以有更小的斜率低频段和高频段可以有更小的斜率低频段和高频段可以有更小的斜率 低频段斜率小，提高稳态性能；低频段斜率小，提高稳态性能；低频段斜率小，提高稳态性能；低频段斜率小，提高稳态性能；高频段斜率小，排除干扰。高频段斜率小，排除干扰。高频段斜率小，排除干扰。高频

16、段斜率小，排除干扰。但中频段必须有足够的频带宽度，以保证系统的但中频段必须有足够的频带宽度，以保证系统的但中频段必须有足够的频带宽度，以保证系统的但中频段必须有足够的频带宽度，以保证系统的相位裕量。相位裕量。相位裕量。相位裕量。c c c c的大小取决于系统的快速性要求。的大小取决于系统的快速性要求。的大小取决于系统的快速性要求。的大小取决于系统的快速性要求。c c c c大快速性好，但抗扰能力下降。大快速性好，但抗扰能力下降。大快速性好，但抗扰能力下降。大快速性好，但抗扰能力下降。第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正六、校正装置的实现问题六、校正

17、装置的实现问题六、校正装置的实现问题六、校正装置的实现问题、什么是实现问题、什么是实现问题、什么是实现问题、什么是实现问题传递函数传递函数传递函数传递函数实际电路或物理系统实际电路或物理系统实际电路或物理系统实际电路或物理系统、实现问题需要考虑的因素、实现问题需要考虑的因素、实现问题需要考虑的因素、实现问题需要考虑的因素技术因素技术因素技术因素技术因素（实现的简便性、可靠性、稳定性、（实现的简便性、可靠性、稳定性、（实现的简便性、可靠性、稳定性、（实现的简便性、可靠性、稳定性、可维护性、体积大小、功耗等）可维护性、体积大小、功耗等）可维护性、体积大小、功耗等）可维护性、体积大小、功耗等）经济因

18、素经济因素经济因素经济因素（实现成本、运行成本、维护成本）（实现成本、运行成本、维护成本）（实现成本、运行成本、维护成本）（实现成本、运行成本、维护成本）、实现问题存在的困难、实现问题存在的困难、实现问题存在的困难、实现问题存在的困难微分校正装置难以实现，且抗干扰能力差微分校正装置难以实现，且抗干扰能力差微分校正装置难以实现，且抗干扰能力差微分校正装置难以实现，且抗干扰能力差七、非线性因素和干扰问题七、非线性因素和干扰问题七、非线性因素和干扰问题七、非线性因素和干扰问题第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正6-5 串联校正的设计串联校正的设计基本思路

19、：基本思路：基本思路：基本思路：通过校正装置的引入改变开环频率特通过校正装置的引入改变开环频率特通过校正装置的引入改变开环频率特通过校正装置的引入改变开环频率特性的形状，使校正后系统的开环频率特性具有如性的形状，使校正后系统的开环频率特性具有如性的形状，使校正后系统的开环频率特性具有如性的形状，使校正后系统的开环频率特性具有如下特点：下特点：下特点：下特点：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；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；中中中中频段对数幅频渐近线的斜率为频段对数幅频渐近线的斜率为频段对数幅频渐近线的斜率为频段对数幅频渐近线的斜率为

20、-20dB/dec-20dB/dec-20dB/dec-20dB/dec，并具，并具，并具，并具有较宽的频带，使系统具有满意的动态性能；有较宽的频带，使系统具有满意的动态性能；有较宽的频带，使系统具有满意的动态性能；有较宽的频带，使系统具有满意的动态性能；高高高高频部分的幅值要求能迅速衰减，以抑制高频干扰频部分的幅值要求能迅速衰减，以抑制高频干扰频部分的幅值要求能迅速衰减，以抑制高频干扰频部分的幅值要求能迅速衰减，以抑制高频干扰的影响。的影响。的影响。的影响。第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正一、串联超前校正一、串联超前校正一、串联超前校正一、串

21、联超前校正 利用超前校正装置产生的相位超前角来补偿利用超前校正装置产生的相位超前角来补偿利用超前校正装置产生的相位超前角来补偿利用超前校正装置产生的相位超前角来补偿原系统中元件产生的相角滞后，以增大系统的相原系统中元件产生的相角滞后，以增大系统的相原系统中元件产生的相角滞后，以增大系统的相原系统中元件产生的相角滞后，以增大系统的相位裕量。位裕量。位裕量。位裕量。第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正设计步骤：设计步骤：设计步骤：设计步骤：1.1.1.1.根据稳态精度的要求，确定系统的开环增益。根据稳态精度的要求，确定系统的开环增益。根据稳态精度的要求

22、，确定系统的开环增益。根据稳态精度的要求，确定系统的开环增益。第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系

23、统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正串联超前校正对系统性能的影响：串联超前校正对系统性能的影响：串联超前校正对系统性能的影响：串联超前校正对系统性能的影响：1.1.1.1.不改变系统的开环增

24、益，即不影响系统的不改变系统的开环增益，即不影响系统的不改变系统的开环增益，即不影响系统的不改变系统的开环增益，即不影响系统的稳态性能。稳态性能。稳态性能。稳态性能。2.2.2.2.在幅值穿越频率处提供了一个超前角，从在幅值穿越频率处提供了一个超前角，从在幅值穿越频率处提供了一个超前角，从在幅值穿越频率处提供了一个超前角，从而增大了相角稳定裕量，提高了系统的稳定性。而增大了相角稳定裕量，提高了系统的稳定性。而增大了相角稳定裕量，提高了系统的稳定性。而增大了相角稳定裕量，提高了系统的稳定性。3.3.3.3.增大了幅值穿越频率，使系统频带变宽，增大了幅值穿越频率，使系统频带变宽，增大了幅值穿越频率

25、，使系统频带变宽，增大了幅值穿越频率，使系统频带变宽，提高了系统的快速性。提高了系统的快速性。提高了系统的快速性。提高了系统的快速性。对比对比对比对比第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正二、串联滞后校正二、串联滞后校正二、串联滞后校正二、串联滞后校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正设计步骤：设计步骤：设计步骤：设计步骤：1.1.1.1.根据稳态精度的要求，确定系统的开环增益。根据稳态精度的要求，确定系统的开环增益。根据稳态精度的要求，确定系统的开环增益。根据稳态精度的要求，确定系统的开环增益。第六章

26、第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系

27、统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正串联滞后校正对系统性能的影响：串联滞后校正对系统性能的影响：串联滞后校正对系统性能的影响：串联滞后校正对系统性能的影响：1.1.1.1.不改变系统的开环增益，即不影响系统的不改变系统的开环增益，即不影响系统的不改变系统的开环增益，即不影响系统的不改变系统的开环增益，即不影响系统的稳态性能。稳态性能。稳态性能。稳态性能。2.2.2.2.减少了开环频率特性在幅值穿越频率处的减少了开环频率特性在幅值穿越频率处的减少了开环频率特性在幅值穿越频率处的减少了开环频率特性在幅值穿越频率处的幅值，从而增大了相角稳定裕量，提高了系统幅值，从而增大了相角稳定裕量，

28、提高了系统幅值，从而增大了相角稳定裕量，提高了系统幅值，从而增大了相角稳定裕量，提高了系统的稳定性。的稳定性。的稳定性。的稳定性。3.3.3.3.降低了幅值穿越频率，使系统频带变窄，降低了幅值穿越频率，使系统频带变窄，降低了幅值穿越频率，使系统频带变窄，降低了幅值穿越频率，使系统频带变窄，降低了系统的快速性。降低了系统的快速性。降低了系统的快速性。降低了系统的快速性。对比对比对比对比第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正三、串联滞后三、串联滞后三、串联滞后三、串联滞后超前校正超前校正超前校正超前校正1.1.1.1.根据稳态精度的要求，确定系统的开环增

29、益，根据稳态精度的要求，确定系统的开环增益，根据稳态精度的要求，确定系统的开环增益，根据稳态精度的要求，确定系统的开环增益，画出未校正系统的画出未校正系统的画出未校正系统的画出未校正系统的BodeBodeBodeBode图。图。图。图。设计步骤：设计步骤：设计步骤：设计步骤：第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正设计步骤：设计步骤：设计步骤：设计步骤：四、按期望频率特性进行设计四、按期望频

30、率特性进行设计四、按期望频率特性进行设计四、按期望频率特性进行设计（1 1）绘制固有部分的开环伯德图）绘制固有部分的开环伯德图）绘制固有部分的开环伯德图）绘制固有部分的开环伯德图（2 2）绘制期望开环频率特性）绘制期望开环频率特性）绘制期望开环频率特性）绘制期望开环频率特性（3 3）比较求出校正装置的伯德图）比较求出校正装置的伯德图）比较求出校正装置的伯德图）比较求出校正装置的伯德图（4 4）求出校正装置的传递函数）求出校正装置的传递函数）求出校正装置的传递函数）求出校正装置的传递函数（5 5）确定校正装置的结构和参数）确定校正装置的结构和参数）确定校正装置的结构和参数）确定校正装置的结构和参数