机械工程控制基础-第5章.ppt

第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.2基本控制规律 5.3 串联校正 5.4 反馈校正 5.5 顺馈校正与复合控制系统 5.1系统综合与校正概述 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.1系统综合与校正概述 5.1.1系统设计指标 5.1.2 系统设计的一般过程和系统校正的基本概念 系统稳定性、响应速度、稳态精度等品质特性的量化指标要求，这 些量化指标要求是系统设计的依据和技术约束条件。 1 静态设计 系统设计的第一项工作就是确定组成系统的基本元件和结构及其数 学模型和性能参数。 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 2 动态设计 一般来说，由静态设计确定的不可变部分只是系统的一个雏形，其 技术性能是不能满足设计指标要求的。因此必须对其进行改造，使 其不足得到补偿和校正。补偿校正的办法一是调整原有结构参数， 二是引进补偿装置（即校正装置）。 （1）校正方式 串联校正 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 2 动态设计（1）校正方式 串联校正 校正元件 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 2 动态设计（1）校正方式 校正元件 反馈（并联）校正 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 2 动态设计（1）校正方式 校正元件 顺馈（前馈）校正 补偿原理性误差引起的控制精度之不足 主控制通道主反馈回路 含校正装置的开环控制通道 复合控制系统 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 2 动态设计（1）校正方式 校正元件 顺馈（前馈）校正 补偿由扰动作用引起的控制精度之不足 复合控制系统 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 2 动态设计（2）校正装置 按幅频特性来划分，可将校正装置分为有源校正装置 （对信号有增益作用）和无源校正装置（对信号无增益作用） 两大类型 按相频特性来划分，可将校正装置分为相位超前、 相位滞后及相位滞后 超前三大类型 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.2基本控制规律 1比例（P）控制律 用比例控制律来进行系统校正，可提高系统的开环增益， 从而可提高系统的控制精度，但同时会使系统的稳定性裕量减小， 甚至可能导致系统失去稳定。因此，比例控制律一般不单独使用 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.2基本控制规律2比例微分（PD）控制律 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.2基本控制规律2比例微分（PD）控制律 用PD控制律进行系统校正，可有效改善系统的动态性能 例 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 校正作用使不稳定系统变为 稳定系统 ，增益交界频率 也比校正前增大 校正前 校正后 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.2基本控制规律3积分（I）控制律 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.2基本控制规律3积分（I）控制律 用I控制律进进行系统统校正，可提高系统统的无差度，从而可消除 或减小稳态误稳态误 差，改善系统统的稳态稳态 性能，但同时时也给给系统统 增加了一个开环环0极点，使系统统开环产环产 生 的相位滞后量， 从而将导导致相位裕量减小，相对稳对稳 定性下降 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.2基本控制规律3积分（I）控制律 例 型 型 校正前校正后 不稳定 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.2基本控制规律4比例积分（PI）控制律 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 例 型 型 校正前校正后 可稳定 用PI 控制律进行系统校正，可在保证系统稳定性不受影响的 情况下，改善系统的稳态性能 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.2基本控制规律5比例积分微分（PID）控制律 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 主导作用PI控制律主导作用PD控制律 PID控制律兼有 PI 和 PD 两种控制律的作用， 能同时改善系统的稳态和动态性能。 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 基本公式 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.1串联超前校正 （1）有源超前校正电网络 比例系数 分度系数 时间常数 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 （1）有源超前校正电网络 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 （1）有源超前校正电网络 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 （1）有源超前校正电网络 频率特性具有PD 控制律的特征， 不仅能提供超前相位，还能提供增益， 从而能同时增大系统相位裕量和增益交界频率 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.1串联超前校正 （2）无源超前校正电网络 比例系数 分度系数 时间常数 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.1串联超前校正 （2）无源超前校正电网络 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 无源超前校正特性有源超前校正特性 有源校正装置的校正作用可用无源校正装置辅之以附加放大器（或增 大未校正系统开环增益）来实现 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.1串联超前校正 （3）串联超前校正的校正作用 利用有源校正装置（或无源装置另附加放大器）的相位超前特性和高频频 幅值值增益特性同时时增大相位裕量和提高响应应速度。 位于校正后系统统的增益交界频频率附近。 直接利用相位超前特性来增大相位裕量 为为充分利用相位超前角，应应使最大相位超前角频频率 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.1串联超前校正 例 参数 K0 为可调节参数，要求校正后系统 速度误差系数等于20 (s 1)，相位裕量不小于50 o 解： 1静态计算 （1）确定参数K0 K0 = 10 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 （2）绘制未校正 系统的开环对数 频率曲线图 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 2动态计算 （1）预选预选 超前校正装置的最大相位超前角度 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 2动态计算 （1）预选预选 超前校正装置的最大相位超前角度 一般取 依据未校正系统统相频频曲线线在 的邻邻近频频段下降的快慢 程度凭估计计而定 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 2动态计算 （2）确定超前校正装置的特征参数及传递函数 计算分度系数 确定最大相位超前角度所在频频率和时间时间 常数T 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 2动态计算 （2）确定超前校正装置的特征参数及传递函数 计算分度系数 确定最大相位超前角度所在频频率和时间时间 常数T 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 （3）验证验证 是否满满足要求 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.1串联超前校正 K0 = 4.2X1042 （4）选择具体的校正电网络 选无源超前校正网络并同时调整K0的值 校正前 校正后 校正装置 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.2串联滞后校正 （1）有源滞后校正电网络 比例系数 分度系数 时间常数 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 （1）有源滞后校正电网络 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 （1）有源滞后电网络 频率特性具有具有PI 控制律的特征， 其校正作用主要是改善系统稳态性能 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.2串联滞后校正 （2）无源滞后校正电网络 比例系数 分度系数 时间常数 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.2串联滞后校正 （2）无源滞后校正电网络 无源滞后校正装置和 附加放大器二者相 串联的综合校正作用 等效于有源滞后校正 装置的校正作用 通常取10左右 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 无源滞后校正特性有源滞后校正特性 有源校正装置的校正作用可用无源校正装置辅之以附加放大器（或增 大未校正系统开环增益）来实现 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.2串联滞后校正 （3）串联滞后校正的校正作用 把无源滞后校正装置直接串联于系统前向通路，可提高系统的相对稳定 性但同时将使响应速度变慢。这种校正作用的实现靠的是无源滞后装置的 高频幅值衰减特性 为为防止滞后装置的相位滞后角引起相位裕量减小，滞后装置转转折频频率 =须远须远 小于校正后系统统的增益交界频频率 串联滞后校正适用于动态品质好但稳态精度差、或者稳态精度和稳定性 均差但对快速性要求不高的系统校正 用有源滞后校正装置（或无源滞后校正装置另附加放大器）实施串联滞 后校正可提高系统稳态精度而不致动态品质变坏。这种校正作用主要是利 用校正装置低频幅频特性大于高频幅频特性这一特点来实现的 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.2串联滞后校正 例 参数 K0 为可调节参数，要求校正后系统 解： 1静态计算 （1）确定参数K 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 （2）绘制未校正 系统的开环对数 频率曲线图 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 2动态计算 （1）预选校正后系统的增益交界频率 现选 （2）确定滞后装置特征参数及传递函数 选择滞后装置转角频率 确定时间常数T 无源滞后网络 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 确定分度系数 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 （3）验证 是否满足要求 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.2串联滞后校正 校正前 校正后 校正装置 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 5.3.4串联校正综合法 希望对数幅频曲线的绘制方法 （1）低频段曲线按给定的稳态精度设计指标确定 （2）中频段曲线为使校正后系统具有足够的相对稳定性裕量， 中频段斜率须取 ，上下延伸覆盖的频程长度 应适当大。 通常，中频频段上下转转角频频率可依据 并考虑虑未校正系统统开环对环对 数幅频频曲线线适当确定。 （3）高频段曲线一般与未校正系统的高频段相重合， 至少它们的斜率应当相同 （4）低、中频段衔接频段斜率与这两段的斜率相差 （5）中、高频段衔接频段斜率取 或 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 例 解： 1静态计算 （1）确定参数K 5.3.4串联校正综合法 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 （1）绘制未校正 系统的开环对数 频率曲线图 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 2动态计算 （1）绘制希望对数幅频曲线 低频段曲线按给定的稳态精度设计指标确定 中频段曲线斜率取 高频段曲线与未校正系统的高频段相重合 低、中频段衔接频段斜率与这两段的斜率相差 中、高频段衔接频段与未校正系统的高频段相重合 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 希望对数幅 频率曲线 （2）确定校正装置传递函数 校正装置的对数幅频曲线 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 （3）验证验证是否满满足要求 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.3 串联校正 （4）选择具体的校正装置 校正装置 5.3.4串联校正综合法 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.4 反馈校正 【要点1】比例反馈校正可减小时间常数、提高反应速度 5.4.1 反馈校正作用 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.4 反馈校正 【要点1】比例反馈校正可减小时间常数、提高反应速度 5.4.1 反馈校正作用 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.4 反馈校正 【要点2】反馈校正可减小系统某些参数变化对控制作用的影响 5.4.1 反馈校正作用 假定中的参数随系统统工况的变变化而变变化 第 5 章 控制系统的综合与校正 机械工程控制基础 5.4 反馈校正 5.4.1 反馈校正作用 【要点3】反馈校正可消除系统中某些环节的不良特性， 代之以期望特性 第 5 章 控制系统