[自动控制原理课件]反馈控制系统设计17（可编辑）

自动控制原理主讲谢红卫国防科技大学机电工程与自动化学院2008年4月2008年7月第十七讲系统校正与超前网络设计（81，82，83，84单元，4学时）81控制系统指标、参数及其调节回顾1、时域动态性能指标及其调节A、动态性能指标（二阶欠阻尼闭环系统）上升时间峰值时间调节时间超调量注意超调量只与有关B、动态性能指标/模型参数（闭环系统）C、动态性能指标调节分析C、动态性能指标调节分析D、频域指标对动态性能指标的调节分析E、其它措施对动态性能指标的调节分析3、附加开环零点（微分型调节）根轨迹左弯，有利于稳定性，主要用于改善过渡过程，提高相角裕度，产生闭环积分效应。这些措施已经是校正措施了。接下来还会详细讨论。5、调节开环增益（比例调节）主要用于改善稳态精度；对过渡过程和稳定性的影响，由根轨迹决定。6、高阶系统的瞬态模式由闭环极点决定，越远离虚轴，对过渡过程的影响越弱；7、各瞬态模式的强度由零、极点相对分布决定，主导极点影响最大，偶极子的影响可以对消、忽视。2、时域稳态性能指标及其调节A、稳态性能指标（闭环系统）误差系数与典型输入有关，总的原则是保证足够大的误差系数。取不同的B、稳态性能指标调节分析由开环参数来调节闭环系统指标1、系统型数V，V系统跟踪能力系统稳定性（积分调节，根轨右弯）2、开环增益系数K，（最便捷的调节手段）K系统稳态误差系统稳定性，动态响应受影响3、扰动补偿4、提高元件精度3、系统稳定性与指标、参数的调节A、S平面内衰减系数（负实部）系统稳定性B、开环增益系数KK对稳定性的调节作用，由根轨迹决定。C、频率域内提高相角裕度和幅值裕度，有利于稳定性。D、附加开环零点，有利于稳定性；附加开环极点，不利于稳定性。4、基于开环看闭环策略的指标、参数和方法相角裕度由开环频率特性分析闭环相对稳定性幅值裕度由开环频率特性分析闭环相对稳定性截止频率系统型数V由开环参数分析闭环稳态误差和稳定性开环增益系数K由开环参数分析闭环稳态误差和根轨迹（附加）开环零、极点由开环参数分析闭环根轨迹NYQUIST判据由开环频率特性分析闭环稳定性NICOLIS图由开环频率特性分析闭环频率特性82控制系统校正的概念1、为什么需要校正设计出满足设计要求的控制系统，是前面学习系统描述和系统分析的落脚点先回顾一下学过的例题。例44（比例调节）已知单位负反馈系统的开环传递函数为2、定义及校正方式定义所谓校正，就是给系统附加（新加）一些具有典型环节特性的电网络、模拟运算部件及测量装置等（校正装置），靠这些环节的配置来有效地改善整个系统的性能，以达到要求的指标。方式（1）串联校正（2）反馈校正（3）前馈校正（4）干扰补偿3、校正方式的选择原则常用的校正方式有串联校正和反馈校正两种。校正方式的选择取决于系统中的信号性质，技术实现的方便性，可供选择的元件，抗扰性要求、经济性要求、环境使用条件以及设计者的经验等因素。串联校正设计比反馈校正设计简单，也比较容易对信号进行各种必要的变换，因此，特别是在教学中，更偏向于采用和讲解串联校正。在性能指标要求较高的控制系统设计中，通常兼用串联校正与反馈校正两种方式。4、设计方法在控制系统设计中，一般依据性能指标的形式来决定应采用的方法。如果性能指标以单位阶跃响应的峰值时间、调节时间、超调、阻尼比、稳态误差等时域特征量给出时，一般采用根轨迹法设计校正；如果性能指标以系统的相角裕度、幅值裕度、谐振峰值、闭环带宽等频域特征量给出时，一般采用频率法设计校正。目前工程技术界多习惯采用频率法，故常常要通过近似公式进行两种指标的互换。83常用校正装置及其特性1、无源超前网络（微分型）传递函数为可以画出的BODE图。可以画出的BODE图。2、无源滞后网络（积分型）传递函数为3、无源滞后超前网络小结优先调整被控对象，其次才考虑增加校正网络；（COMPENSATOR）根据性能指标选择设计方法；（时域根轨迹法；频域频域方法）根据性能要求选择不同的校正网络。（超前校正动态性能；滞后校正稳态精度）BODE图上的超前校正原理图例82型系统的超前校正网络设计。设计要求闭环系统调节时间TS4S，阻尼系数045解1BODE图法围绕期望幅值交界剪切频率C和相位裕度展开设计，所以，首先需要进行设计指标转换分析2未校正系统1/S2相角恒等于180，所以要求超前校正环节所提供的最大相角满足3设计K值，以便保证成为系统校正后的幅值交界频率。从的BODE图上可知，在该点的幅值为121DB。于是应有4校正网络参数为20DB01/T1/T10/BT45901/BT20LGB020LGB4、动机对症才是良药典型的调节或校正手段，各有其特别有效的应用场合，也会带来另外的副作用。要合理配伍，才能设计出好的控制器。如例题所示，单纯考虑比例调节环节，增大控制器放大倍数（增益K），可以满足对稳态误差的设计要求，但常常会带来超调量的增大。稳态误差超调量放大增益K在此情况下，如果超调量超标严重，就可以引入超前校正网络，使闭环系统超调量满足设计要求。超前校正网络的主要作用是，在频率域内，在于提供一个超前相角，从而增大了闭环系统的相角裕度；在S平面内，在于按需要改变了根轨迹形状（向左弯曲）；在时间域内，在于提高等效阻尼系数，减小了超调量和调节时间，改善了系统的瞬态性能。副作用在于，提高了中、高频段的增益，扩大了系统带宽，降低了抗干扰能力。当系统稳态精度要求特别高时，为了使误差系数过高，会使对数幅频曲线抬升太多，甚至使系统失稳。在此情况下，可以考虑引入滞后校正网络，其主要作用是，在中、高频段适度降低系统增益，同时能减小系统带宽，以确保提高系统的稳态精度。其副作用是提供了一个滞后相角，降低了系统的相对稳定性。通过具体的设计例子，才能深刻理解这些特点。关于低频段、中频段、高频段（开环）低频段通常是指开环幅频特性在第一个转折频率以前的区段。在这个区段完全由积分环节和开环增益决定，它主要反映闭环系统的精确性；中频段通常是指开环幅频特性在剪切频率附近的区段。这个区段的特性集中反映闭环系统的稳定性和快速性；高频段通常是指开环幅频特性在中频段以后的区段。这