[工学]CH7_控制系统的性能分析和校正.ppt

控制工程 基础 第七章 控制系统的性能分析与校正 l性能分析一个系统，元部件 参数已定，研究它能达到什么指 标，能否满足所要求的各项性能 指标； l综合与校正若系统不能全面 地满足所要求的性能指标，就要 考虑对原系统增加些必要的元件 或环节，使系统能够全面地满足 所要求的性能指标。 第七章 控制系统的性能分析 与校正 4系统的性能指标 4系统的校正概述 4串联校正 4反馈校正 4顺馈校正 4用频率法对控制系统进行设计与校正 4典型控制系统举例 7.1 系统的性能指标 n时域性能指标 n开环频域指标 n闭环频域指标 n综合性能指标(误差准则) n误差积分性能指标 n误差平方积分性能指标 n时间乘误差绝对值 系统的校正概述 所谓校正（或称补偿）就是给系 统附加一些具有某种典型环节特性的 电网络，运算部件或测量装置等，靠 这些装置的配置来有效地改善整个系 统的控制性能。 这一附加的部分称为校正元件或 校正装置，通常是一些无源或有源微 积分电路，以及速度、加速度传感器 等。 校正装置在系统中的联结方式： l顺馈校正 l干扰补偿 l串联校正 l反馈校正 l顺馈校正 - 补偿器放在 系统回路之外 不影响特征方程，只补偿由于 输入造成的稳态误差。 l干扰补偿 - 当干扰直接可测量时 不影响特征方程，只补偿由于 干扰造成的稳态误差。 l串联校正 - 在系统主反馈回路内采用的 校正方法，校正装置串联在系统 的前向通道中。 l反馈校正 - 在系统主反馈回路内采用的 校正方法，在系统中增加某些局 部反馈环节。 - 串联校正 l超前校正 l滞后校正 l滞后-超前校正 lPID调节器 l超前校正 1、超前网络 2、超前校正的作用 - 由于正相移的作用，使 截止频率附近的相位明显上 升，具有较大的相位裕量， 既改善了原系统的稳定性， 又提高了系统的截止频率， 获得足够的快速性。 l滞后校正 1、滞后网络 2、滞后校正的作用 - - 滞后校正并不是利用 相角滞后作用来使原系 统稳定，而是利用幅值 衰减作用使系统稳定的 ，校正后，截止频率前 移，以牺牲快速性换取 稳定性。 滞后校正不改变 低频段的特性，故对 稳态精度无破坏作用 。相反，还允许适当 提高开环增益，进一 步改善稳态精度。 对于高精度、而快速 性要求不高的系统采 用滞后校正。如恒温 控制等。 l滞后-超前校正 1、滞后-超前网络 滞后网络超前网络 lPID调节器 在机电控制系统中，为了改进反馈控制系统的性 能，人们经常选择各种各样的校正装置，其中最简 单最通用的就是PID控制器。模拟PID控制器 大多数是液压的、气动的、电气的和电 子型的，或是由它们构成的组合型。由 于微处理器的大量应用，许多变成了数 字型的。 大多数PID控制器是现场调节的，某 些PID控制器还具有在线自动调节能力。 Proportion Integral Differentiation 1、PD调节器 相当于超前校正 2、PI调节器 相当于滞后校正 3、PID调节器 相当于滞后-超前校正 反馈校 正 反馈校正在控制系统中得到 广泛应用，常见的有被控量的速 度、加速度反馈、执行机构的输 出及其速度的反馈；以及复杂系 统的中间变量反馈等。 一、利用反馈校正改变局部结构和参数 二、利用反馈校正取代局部结构 一、利用反馈校正改变局部结构和参数 1、比例反馈包围积分环节 由原来的积分环节变成惯性环节 - 2、比例反馈包围惯性环节 结果仍为惯性环节，但时间常数减 小了。反馈系数越大，时间常数越小。 - 3、微分反馈包围惯性环节 结果仍为惯性环节，但时间常数增 大了。反馈系数越大，时间常数越大。 - 4、微分反馈包围振荡环节 结果仍为振荡环节 ，但阻尼比却显著增大 。从而可改善小阻尼环 节的不利影响。 - 二、利用反馈校正取代局部结构 - 常被用来改造不 希望有的某些环节， 或用来消除非线性、 变参量的影响。 用频率法对控制系统进 行校正 一、典型系统的希望对数频率特性 二阶最优模型 高阶最优模型 希望对数频率特性的高频段 伯德图低频段与复现带的关系 典型系统的希望对数频率特性 二、希望对数频率特性与系统性能指标的关系 三、用希望对数频率特性进行校正装置的设计 一、典型系统的希望对数频率特性 中频段： 20dB/dec，10倍频程穿越0dB线， c适度 低频段： 有足够高度(保证稳态精度) 高频段： 有足够衰减特性，抗扰性好。 工程上常采用的希望对数频率特性有两种： 1、典型二阶最优模型 2、典型高阶最优模型 1、典型二阶最优模型 - 典型二阶最优模型特点： 2、典型高阶最优模型 被控对象参数不能改变 3、希望对数频率特性的高频段 前面已经说明，无论是典型二 阶最优模型还是典型高阶最优模型， 高于 的幅频特性都呈现 -40dB/dec。但是，系统中各个部件可 能还存在一些小时间常数，致使高频 段呈现出-60dB/dec-100dB/dec的形 状。 小 参 数 区 高频区 高频区伯德图 呈很陡的斜率下降，有利于 降低高频躁声。 但高频段有多个小惯性环节， 将对高阶模型系统的相位裕度产生不利影响， 使原来的相角裕度 小 参 数 区 高频区 小 参 数 区 高频区 4、伯德图低频段与复现带宽的关系 无论是二阶最优模型还是高阶最优模型 ，其低频段的增益都越来越高。 误差传递函数 工 作 禁 区 5、典型系统的希望对数频率特性 l低频段：增益应尽量高，以保证 复现频带（工作频带）内的静态 误差； l中频段：要保证稳定性和足够的 快速性； l高频段：要考虑抑制噪声，又不 能过多影响系统稳定性。 二、希望对数频率特性与系统性能指标的关 系 希望对数频率特性所对应的动态特性 主要取决于中频段。 对于二阶最优模型： 性能指标参阅表7-2及前面讲过的公式 ； 下面重点讨论高阶最优模型： 通过分析，可得高阶系统最优模型性能 指标间的经验公式如下： 例如 某单位反馈系统，其开环为典型高阶 最优传递函数 三、用希望对数频率特性进行校正装置 的设计 原来系统的对数频率特性一般叫 做固有频率特性，就是不好改变的意 思。根据指标，确定出希望对数频率 特性，所谓校正，就是附加上校正装 置，使校正后的频率特性成为希望频 率