机械工程控制基础第六章系统校正.ppt

控制原理控制原理 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 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 第六章 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 6.1 系统的性能指标 6.2 系统的校正 6.3 串联校正; 6.4 PID校正 6.5 反馈校正 6.6 顺馈校正 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 本节主要教学内容 6.1 系统的性能指标 6.1.1 时域性能指标 6.1.2 频域性能指标 6.1.3 综合性能指标 Back 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 1. 时域性能指标 瞬态性能指标 延迟时间 上升时间 峰值时间 最大超调量 调整时间 稳态性能指标 稳态误差 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 2. 频域性能指标 相位裕度 幅值裕度 复现频率/ 复现带宽 0 谐振频率/ 谐振峰值 0 截止频率/ 截止带宽 0 ！可以证明： 及 都是阻尼比的函数。因此当系 统的阻尼比给定后，系统的截止频率 与 及 都成反比 关系。即系统的带宽越大，该系统响应输入信号的快速性 越好。 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 例1 两个一阶系统： 系统 系统 结论：带宽大的系统比带宽较小的系统具有较快的 响应速度 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 3. 综合性能指标（误差准则） （1）误差积分性能指标适合无超调的情形 误差 误差积分 而e(t)的Laplace变换为 故有 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 (2)误差平方积分性能指标输出过程有振荡的情形 误差平方积分 -重视大的的误差 (2) (3) 广义误差平方积分性能指标 (3) -同时重视大的误 差 (4) 及大的误差变化 率 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 6.2 系统的校正 本节主要教学内容 6.2.1 校正的概念 6.2.2 校正的目标 6.2.3 校正的分类 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 所谓校正（或称补偿Compensation），就是指在控制系 统中增加新的装置(环节)，以改善系统性能的方法。 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 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 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 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 控制装置，并计算出控制装置的参数 系统校正。 6.2.1. 校正的概念 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 方法二 在原系统中增加新的环节，使Nyquist轨迹在某个频率范围(如 内)发生变化，例如从曲线变为曲线，使原来不稳定的系 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。 为什么要进行系统校正？ 【例1】 曲线为系统的开环Nyquist图 (P=0)，由于Nyquist轨迹包围点(-1，j0)， 故相应的闭环系统不稳定。 如何使得系统稳定？ 方法一 减小系统的开环放大倍数K， 由K变为K1，则曲线因模变小而变为 曲线，不包围(-1，j0)，这样系统就稳 定了。但是K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。 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 为什么要进行系统校正？ 【例2】曲线为某系统的开Nyquist 图（P=0），系统是稳定的。但是 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 K，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 节，使Nyquist轨迹变为曲线，即， 使原来的特性在 至 频率区间产 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 善。 ！从频率法看，增加新的环节，主要是改变系统的频率特性。 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 6.2.2. 校正的目标 【示例】: 为被控 对象的传递函数， 为校正装置的传 递函数； 为输入， 为负载扰动， 为测量噪声； 为输出。 校正设计基于开环传递函数 。校正的目标为： 系统的稳定性 输出跟踪输入的精确性 减少负载扰动的影响 抑制测量噪声的影响 处理模型不确定性能的鲁棒性能 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 使 1，以获得高 频滚降特性，减低高频噪声 的影响。 高频段：一般使用低增益控 制策略，通过控制器给 开环传递函数增加极点， 低频段：一般使用高增益控 制策略，提高系统的型 别，或提高静态增益。 交越区（中频段）：通过增 加开环零点或降低开环 静态增益使 以较 平缓的斜率穿越0dB线 可获得较大的相位裕度 和增益裕度 。 典型的对数幅频特性图 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 6.2.3. 校正的分类 串联校正 相位超前校正 相位滞后校正 相位超前-滞后校正 无源校正环节 电阻电容网络 有源校正环节 PID校正 反馈校正 顺馈校正 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 6.3 串联校正 本节主要教学内容 6.3.1 相位超前校正 6.3.2 相位滞后校正 6.3.3 相位滞后-超前校正 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 引 言 串联校正环节一般都放 在前向通道的前端，以减 少功率消耗。 串联校正环节按性质可 分为： (1) 增益调整； (2) 相位超前校正； (3) 相位滞后调整； (4) 相位超前-滞后调整 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。 增益 稳态误差 系统的相对稳定性 增益 稳态误差 系统的相对稳定性 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 6.3.1 相位超前校正 为什么要进行相位超前校正？ 增加系统的开环增益可以提高系统的响应速度。因为， 开环增益的提高会使系统的开环频率特性 的穿越频 率(或剪切频率) 变大，其结果是增大了系统的带宽 ，而带宽大的系统，响应速度就高。 然而仅仅增加增益又会使相位裕度（或增益裕度）减小， 从而使系统的稳定性下降。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相位提前一些，这样相位裕度 增大了，在增加系统的增益就不会损害稳定性。 ！ 为了既能提高系统的响应速度，又能保证系统的其 他特性不变坏，就需要对系统进行相位超前校正。 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 6.3.1 相位超前校正 1 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， 其传递函数为 式中 此环节是比例环节、一阶微分环节与惯性环节的串联。 当s很小时， 即低频时，此环节相当于一比例环节 当s较小时， 在中频段相当于比例微分环节 当s很大时， 即高频时此环节不起校正作用 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 1 相位超前校正原理及其频率特性 此相位超前环节的频率特性为 相频特性为 相位超前 幅频特性为 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 相位超前校正环节的频率特性：Nyguist图 的实部u和虚部v满足 此环节的最大相位超前角 ， ！ 超前环节相当于高通滤波器 , 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 相位超前校正环节的频率特性：Bode图 增加相位超前环节， ， ， ，系统的带宽 ，系统 的响应速度，相位裕度 ，系统的相对稳定性 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 2 采用Bode图进行相位超前校正 例 右图为一单位反馈控制系 统。给定的稳态性能指标：单位 恒速输入时稳态误差 ； 频域性能指标：相位裕度 增益裕度 。设计串 联校正环节。 解 根据稳态误差确定开环增益 K。因为是型系统，所以 开环频率特性为 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 采用Bode图进行相位超前校正 从Bode图可知，校正前系统 的相位裕度为 ，增益裕度大 于10dB，故系统是稳定的。但 因相位裕度小于 ，相对稳定 性不符合要求。采用超前环节校 正。 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 采用Bode图进行相位超前校正 超前校正环节的零点转角频率 极点转角频率 这是超前校正环节在 点上造成的对数幅频特性的上移量。 从Bode图上找到-6.2dB时的频率约为 ,这一频率就是校 正后系统的剪切频率 。 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 为了补偿超前校正环节造成的幅值衰减,原开环增益要增大 到 倍,使 , 故 故 校正后系统的传递函数为 相位校正环节的频率特性为 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 右图为校正后的 Bode图. 校正后系统的带宽增加,相 位裕度从 增加到 . 小结 串联超前校正环节的效 果：（1）增大了相位裕度， 加大了带宽，即提高了系统的 相对稳定性；（2）提高交越 频率，加快了系统响应速度， 使过渡过程得到显著改善。 （3）高频段增益提高，抗测 量噪声能力变差。由于系统的 增益和型次都未变，稳态精度 提高很少。 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 6.3.2 相位滞后校正 1 相位滞后校正原理及其频率特性 由电阻电容组成的相位滞后校正环节 的传递函数为 式中 当s很小时, 不起校正作用 当s较大时, 比例+积分+一阶微分 当s很大时, 比例环节 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 相位滞后校正 此滞后校正环节的频率特性为 相频特性为 即相位滞后,其幅频特性为 当 时, 当 时, 此滞后校正环节是一个低通滤 波器。当 增益全部下降 ,而相位增加不大。 只要增加低频段的增益,可减少 系统的稳态误差。 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 相位滞后环节校正的 机理并不是相位滞后,而是 使得大于1/T的高频段内的 增益全部下降,并且保证在 这个频段内的相位变化很 小.因此, 和 要选得尽 可能大. 相位滞后校正 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 给定的稳态性能指标:单位恒速输入时的稳态误差 ; 频域性能指标:相位裕度 ,增益裕度 . 2 采用Bode图进行相位滞后校正 例 设一单位反馈控制系统,其开环传递函数为 解 根据稳态性能指标确定开环增益K. 对于型系统 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 选 取零点剪切频率 由右图可知,原系统的相位 裕度为 ,增益裕度为 ,系统是不稳 定的. 设计裕度 T=10s 要使 成为已校正 的系统的剪切频率,就需要 将该点在原对数幅频特性 点移动-20dB. 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 故在剪切频率上,相位滞后环 节的对数幅频特性曲线分贝 值应为 当 时,有 极点转角频率 相位滞后校正环节的频率特 性为 已校正的系统的开环传递函 数为 系统的响应速度降低. 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 式中 用于补偿滞后环节的滞后相角。 串联滞后（及PI）校正的效果 增加相位裕度，提高系统的相对稳定性 抬高低频段分贝数，减少稳态误差 系统带宽降低，系统快速性能受限 注：确定校正后系统的穿越频率 时，确定校正 环节的转折频率应考虑其相位滞后的影响，条件为 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 ( 取 ) 6.3.3 相位滞后-超前校正 超前校正的作用:提高系统的相对稳定性和响应快速性 滞后校正的作用:在基本上不影响原有动态性能的前提下,提高 系统的开环放大系数,从而显著改善动态性能 滞后-超前校正环节:同时改善系统的动态性能和稳态性能 1 相位滞后-超前校正原理及其频率特性 式中, 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 分别为 和 . 滞后校正在前，超前校正在 后，且高频段和低频段均无 衰减。 当 滞后超前环节的频率特性 Bode图如右图所示. (取 ) 频率特性为 前一项代表超前校正,后一 项代表滞后校正. 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 给定的性能指标:单位恒速输入 时的稳态误差 频域 性能指标:相位裕度 ,增益 裕度 。 2 采用Bode图进行滞后-超前校正 例 已知开环传递函数为 解 根据稳态性能指标确定开 环增益K。对型系统 开环频率特性为 从其Bode图可以看出，该 系统的相位裕度约为 , 系统是不稳定的. 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 先采用超前校正，使相 角在 上超前。但 若单纯采用超前校正,则低 频段衰减太大；若附加增 益 ，则剪切频率右移， 仍可能在相位交接频率 的右边，系统仍然不稳 定。因此在超前校正基础 上再采用滞后校正，可使 低频段有所衰减，因而有 利于 左移。 若选未校正前的相位交 接频率 为新系统 的剪切频率，则取相位裕度 . 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 由上图可知,当 时, 幅值约等于13dB.这一点在 校正后是剪切频率,所以校 正环节在 点上应产 生-13dB增益. 因此在Bode图上过(1.5 , -13dB)作斜率为20dB/dec 斜线,它和-20dB及零分贝 线的交点分别是超前部分 的零点转角频率与极点转 角频率. 即选 , 选滞后部分的零点转角频率远 低于 , 则 选 则极点转角频率为 因此滞后部分的频率特性为 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 超前部分的零点转角频率 则 极点转角频率为 超前部分的频率特性为 综上所述,滞后-超前校正环节 的频率特性为 已校正的开环传递函数为 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 6.4 PID 校正 6.4.1 PID控制规律 有源校正环节由运算放大器和电阻、电容组成的反馈网 络连结而成，被广泛地用于工程系统中， 常被称为调节器。 PID调节器按偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)、 和微分(Derivative)进行控制的调节器. -比例系数 -积分时间常数 -微分时间常数 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 1 PD调节器 传递函数为 若 时, 的频率特 性为 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 PD（超前）校正的作用 增加相位裕量,增强相对稳定性 幅值穿越频率增加,系统的快速 性提高 高频增益上升,抗干扰能力减弱 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 当 时, 的频率 特性为 2 PI调节器 传递函数为 PI校正也具有相位滞后特点， 为降低稳态误差，一般推荐使 用PI校正。 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 PI调节器的作用 加入PI控制后,系统从0型 提高到型，是系统的稳 态误差消除或减少 相位裕量减小,相对稳定 程度变差 注：滞后或PI校正的限制 在低频段无法找到所需的相 位裕度或不允许降低带宽的 场合不能使用。 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 当 时,PID调节器的Bode 图如右所示. 低频段:积分作用,改善稳态性能 中频段:微分作用,改善动态性能 当 时, 的频率 特性为 3 PID调节器 传递函数为 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 （1）比例系数 直接决定控制作用的强弱。 ，系统的稳态误差，系统的动态响应速度； 过大则会使动态质量变坏，甚至导致系统不稳定。 （2）在比例之上加积分环节（PI）可以消除系统的稳态误 差。但积分的加入将使系统的动态过程变慢，且过强 的积分作用使系统的超调量增大，从而使系统的稳定 性变坏。 （3）微分的控制作用与偏差的变化速度有关。微分控制能 预测偏差，产生超前的校正作用，有助于减少超调， 克服振荡，使系统趋于稳定，并能加快系统的响应速 度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能。 微分的不足之处是放大了噪声。 PID调节器的作用 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 6.4.2 有源校正环节实现PID 1 PD校正环节 由运算放大器和RC网络组成的有源校正环节. 根据复阻抗概念,有 由 可得传递函数为 其中 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 2 PI校正环节 根据复阻抗概念,有 其传递函数为 其中 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 3 PID校正环节 复阻抗 传递函数为 式中 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 故 称为工程最佳 阻尼比。 调节时间 ， 超调量 ， 转折频率 ， 当阻尼比 时， 6.4.3 PID调节器设计 如何用希望特性来确定有源校正 网络的参数? 工程上常采用两种 典型的希望的对数频率特性。 1 二阶系统最优模型 设单位反馈系统的开环传递 函数为 闭环传递函数为 机械工程控制基础第六章 系统的性能指标与校正 中南大学机电工程学院 2 高阶系统最优模型 低频段：较高的值和斜率， 可提高系统的稳态 精度。 中频段：斜率为 高频段：衰减较大，可抑制 测量噪声。 初