自动控制原理第6章 控制系统的校正及综合ppt课件

2010.11.14,1,6章 控制系统的校正及综合,2010.11.14,2,6. 控制系统的校正及综合,6.1 综合与校正的基本概念 6.2 常用校正装置及其特性 6.3 串联校正 6.4 反馈校正 6.5 前馈校正 6.6 本章小结,2010.11.14,3,6. 控制系统的校正及综合,6.1 综合与校正的基本概念 6.2 常用校正装置及其特性 6.3 串联校正 6.4 反馈校正 6.5 前馈校正 6.6 本章小结,2010.11.14,4,6. 控制系统的校正及综合,设计一个自动控制系统一般经过以下三步:,2010.11.14,5,6. 控制系统的校正及综合,能使系统的控制性能满足控制要求而有目的地增添的元件称为控制系统的校正元件或称校正装置.,图61 系统综合与校正示意图,2010.11.14,8,6. 控制系统的校正及综合,系统分析的任务是根据已知的系统，求出系统的性能指标和分析这些性能指标与系统参数之间的关系，分析的结果具有唯一性。 系统的综合与校正的任务是根据控制系统应具备的性能指标以及原系统在性能指标上的缺陷来确定校正装置(元件)的结构、参数和连接方式。系统的综合与校正是系统分析的逆问题。满足系统性能指标的校正装置不是唯一的，需对系统各方面综合考虑，选出最佳方案. 校正的实质是改变闭环系统的零极点的分布，从而达到改善系统性能指标的目的。,系统分析与校正的差别:,2010.11.14,9,6. 控制系统的校正及综合,Gc(s): 校正装置传递函数 G(s) : 原系统前向通道的传递函数 H(s) : 原系统反馈通道的传递函数,2010.11.14,10,6. 控制系统的校正及综合,串联校正装置一般接在系统的前向通道中，具体的接入位置应视校正装置本身的物理特性和原系统的结构而定。一般情况下，对于体积小、重量轻、容量小的校正装置(电器装置居多)，常加在系统信号容量不大、功率小的地方，即较靠近输入信号的前向通道中。对于体积、重量、容量较大的校正装置(如无源网络、液压、气动装置等)，常串接在容量较大的部位，即较靠近输出信号的前向通道中。,(1)串联校正,2010.11.14,11,6. 控制系统的校正及综合,(1)前馈校正,前馈校正是将校正装置前向并接在原系统前向通道的一个或几个环节上。它比串联校正多一个连接点,即需要一个信号取出点和一个信号加入点。,2010.11.14,12,6. 控制系统的校正及综合,(3)反馈校正,反馈校正是将校正装置反向并接在原系统前向通道的一个或 几个环节上，构成局部反馈回路。,由于反馈校正装置的输入端信号取自于原系统的输出端或前向通道中某个环节的输出端，信号功率一般都较大，因此为简化校正装置,在校正装置中不需设置放大电路。但由于输入信号功率比较大，校正装置的容量和体积相应要大一些。此外，反馈校正还可以消除参数波动对系统性能的影响。,2010.11.14,13,6. 控制系统的校正及综合,通过结构图的变换，一种连接方式可以等效地转换成另一种连接方式，它们之间的等效性决定了系统的综合与校正的非唯一性。在工程应用中，究竟采用哪一种连接方式,这要视具体情况而定。一般来说，要考虑的因素有：原系统的物理结构，信号是否便于取出和加入，信号的性质，系统中各点功率的大小，可供选用的元件，还有设计者的经验和经济条件等。由于串联校正通常是由低能量向高能量部位传递信号，加上校正装置本身的能量损耗。必须进行能量补偿。因此，串联校正装置通常由有源网络或元件构成，即其中需要有放大元件。,三种连接方式的合理变换,2010.11.14,14,6. 控制系统的校正及综合,反馈校正是由高能量向低能量部位传递信号，校正装置本身不需要放大元件，因此需要的元件较少，结构比串联校正装置简单。由于上述原因，串联校正装置通常加在前向通道中能量较低的部位上，而反馈校正则正好相反。从反馈控制的原理出发，反馈校正可以消除校正回路中元件参数的变化对系统性能的影响。因此，若原系统随着工作条件的变化，它的某些参数变化较大时，采用反馈校正效果会更好些。,2010.11.14,15,6. 控制系统的校正及综合,反馈校正是由高能量向低能量部位传递信号，校正装置本身不需要放大元件，因此需要的元件较少，结构比串联校正装置简单。由于上述原因，串联校正装置通常加在前向通道中能量较低的部位上，而反馈校正则正好相反。从反馈控制的原理出发，反馈校正可以消除校正回路中元件参数的变化对系统性能的影响。因此，若原系统随着工作条件的变化，它的某些参数变化较大时，采用反馈校正效果会更好些。,2010.11.14,16,6. 控制系统的校正及综合,6.1 综合与校正的基本概念 6.2 常用校正装置及其特性 6.3 串联校正 6.4 反馈校正 6.5 前馈校正 6.6 本章小结,2010.11.14,17,6. 控制系统的校正及综合,(1)超前校正网络,(2)滞后校正网络,(3)滞后-超前校正网络,(4)有源校正网络,2010.11.14,18,6. 控制系统的校正及综合,网络的传递函数,(1)超前校正网络 （P189）,式中,2010.11.14,19,6. 控制系统的校正及综合,(1)超前校正网络,由式(6-1)可看出，无源超前网络具有幅值衰减作用，衰减系数为1/d。如果给超前无源网络串接一放大系数为d的比例放大器，就可补偿幅值衰减作用。此时，超前网络传递函数可写成： G(S)=(1+TS)/(1+T/d S) (6-2),-1/T,- d/T,s,p,Z,j,0,z,p,由上式可知，超前网络传递函数有一个零点Z(-1/T)和一个极点p(-d/T)，它们在复平面上的分布如图所示。,2010.11.14,20,6. 控制系统的校正及综合,用S=j代入式(6-2)得到超前校正网络的频率特性 G(j)=(1+jT)/(1+jT/d ） (6-3) 根据上式得超前网络极坐标图。当d值趋于无穷大时,单个超前网络的最大超前相角m = 90度;当d = 1时超前相角m = 0度,这时网络已经不再具有超前作用,它本质上是一个比例环节.,(6-4)P190,2010.11.14,21,6. 控制系统的校正及综合,图6-5 超前网络的d-m曲线,当m 60度，d急剧增大，网络增益衰减很快。,d,1,5,10,15,90,60,30,0,d值过大会降低系统的信噪比,m,(度),m 度,2010.11.14,22,6. 控制系统的校正及综合,图6-6 无源超前网络(1+TS)/(1+T/dS)的Bode图,2010.11.14,23,6. 控制系统的校正及综合,（2）由相频特性可求出最大超前相角对应的频率m （P190），,（3）m 是两个转折频率的几何中心点；,(4）在m处的对数幅值为 。,（1）最小幅值增益是 频率范围1/T；,2010.11.14,24,6. 控制系统的校正及综合,Ui,Uo,R1,R2,C,图6-7 无源滞后网络,(2)滞后校正网络,Z1=R1 Z2=R2+1/CS G(s)=Z2/(Z1+Z2) =(1+TS)/(1+iTS) （6-6） T=R2C i=(R1+R2)/R2 1,2010.11.14,25,6. 控制系统的校正及综合,向量zs和ps与实轴正方向的夹角的差值小于零， 即 = zp0 这表明滞后网络具有相位滞后作用。,用s=j代入式（6-6）,得到滞后网络的频率特性 G(j)=(1+jT)/(1+i jT) (6-7),图6-8,2010.11.14,26,6. 控制系统的校正及综合,2,10,100,-90,-60,-30,0,(度),m,i,图6-9 滞后网络的b-m曲线,(6-8) P196,当 值趋于无穷时，单个滞后网络的最大滞后相角m= -90度； 当 时，网络本质上是一个比例环节，此时 m=0度。 m与参数i之间的关系如下图,2010.11.14,27,6. 控制系统的校正及综合,由相频特性可得最大滞后相角对应的频率为 最大的幅值衰减为-20lgi,最大的衰减频率范围是,(6-9),-20lgi,-90,0,dB,-20dB/dec,1/T,m,1/iT,图6-10 无源滞后网络（1+TS)/(1+iTS)的Bode图,2010.11.14,28,6. 控制系统的校正及综合,(3)引前-滞后校正网络 P200,(6-10),2010.11.14,29,6. 控制系统的校正及综合,(6-10),令,则式(6-10)可写成,黑部分和红色部分分别与超前装置和滞后装置的传递函数形式相同，故具有滞后超前的作用。,2010.11.14,30,当 时，滞后-超前校正装置的Bode图如图所示,图中 是由滞后作用过 渡到超前作用的临界频率，它的大小由下式求出,6. 控制系统的校正及综合,常用的无源校正电路见P202面表6-4。,2010.11.14,31,6. 控制系统的校正及综合,(4)有源校正网络 P204,常用的有源校正网络由运算放大器和阻容网络构成，根据连接方式的不同，可分为P调节器、PI调节器、PD调节器和PID调节器等。运算放大器的一般形式如图。放大器具有放大系数大，输入阻抗高的 特点。通常在分析它的传输 特性时，都假设放大系数趋 于无穷大，输入电流为零， 则运算放大器 的传递函数为,改变 就可得到不同的传递函数，放大器的性能也不同。常用的有源校正网络见P204面表65。,2010.11.14,32,6. 控制系统的校正及综合,6.1 综合与校正的基本概念 6.2 常用校正装置及其特性 6.3 串联校正 6.4 反馈校正 6.5 前馈校正 6.6 本章小结,2010.11.14,33,6. 控制系统的校正及综合,超前校正的主要作用是在中频段产生足够大的超前相角,以补偿原系统过大的滞后相角。超前网络的参数应根据相角补偿条件和稳态性能的要求来确定。 具体步骤见P192,例6-1 设单位反馈系统的开环传递函数为 W(s)=K/(s(0.1s+1) 要求校正后系统满足：(1)相角裕度 50o；(2) 稳态速度误差系数Kv=100秒-1.,解 : （1）由稳态速度误差系数求出开环放大系数 K=Kv=100s-1由于原 系统前向通道中含有一个积分环节，当其开环放大系数 K=100s-1 时，能满足稳态误差的要求。,(1)超前校正网络举例 （P192）,2010.11.14,34,其伯德图如下所示，按下式 可以计算出其穿越频率 ， 即,6. 控制系统的校正及综合,其传递函数为：,2010.11.14,35,其伯德图如下所示，按下式可以计算出其穿越频率 ，即,6. 控制系统的校正及综合,其传递函数为：,可见，相位裕量不满足要求。为不影响低频特性，采用（串联） 引前校正（串联超前校正）。,2010.11.14,36,（3）考虑 ，则原系统相角位移将更负些，故 应相应大一些，今取 ，于是可写出,（2）根据系统相位裕量 的要求，微分校正电路最 相移为,6. 控制系统的校正及综合,（4）设系统校正后的穿越频率 为校正装置（0/+1/0）两交接频率 和 的几何中点，则有,2010.11.14,37,6. 控制系统的校正及综合,解得：,（5）校正后的传递函数为,2010.11.14,38,6. 控制系统的校正及综合,所得满足系统的要求。否则，可重新估计最大相移，再计算。,（6）校验校正后的相位裕量,（7）串联引起校正装置的传递函数为,放大器系数为 。,2010.11.14,39,优点： 使得系统闭环带宽增加，从而使暂态响应加快； 低频段对正弦输入的稳态误差性能没有下降； 引前校正所要求的时间常数T是容易满足的。,缺点：噪声的频率（30-40KHZ ），人耳能听到的频率（2020000 Hz ） 系统闭环带宽增加，为抑制干扰，对其他电路部分提出更高要求； 常常需要增大增益（对稳定性有一定影响）； 穿越频率 被增大，使得 处相位滞后更加严重，往往更难于实现给定的相位裕量。,6. 控制系统的校正及综合,小结： 引前校正的优缺点 P194,2010.11.14,40,6. 控制系统的校正及综合,(2)串联滞后校正举例 （P198）,串联滞后校正装置的主要作用，是在高频段上造成显著的幅值衰减，其最大衰减量与滞后网络传递函数中的参数 i(i1) 成正比。当在控制系统中采用串联滞后校正时，其高频衰减特性可以保证系统在有较大开环放大系数的情况下获得满意的相角裕度或稳态性能。,例6.2 :设原系统的开环传递函数为 W(S) = K / S(S+1)(0.25S+1) 试用串联滞后校正，使系统满足: (1)Kv=10秒-1；(2)相角裕度30o。,2010.11.14,41,6. 控制系统的校正及综合,解：（1）首先确定放大系数K。因为,（2）原系统开环传递函数为,2010.11.14,42,其伯德图如下所示，按下式可以计算出其穿越频率 ，即,6. 控制系统的校正及综合,其传递函数为：,可见，相位裕量为负，系统不稳定。如果采用引前校正需要的增 加相位太大，不容易实现，故采用串联滞后校正。,2010.11.14,43,（4）则校正后的系统传递函数应为,（3）根据系统相位裕量 的要求，并考虑校正装置在穿越频率附近造成的相位滞后影响，故选取 ，即,6. 控制系统的校正及综合,即,2010.11.14,44,（5）预交接频率为 ，以及两个频率与最大滞后相移频率的关系为 令 ，则有,6. 控制系统的校正及综合,（6）校正后系统的开环传递函数为,（7）验证校正后系统的相位裕量,2010.11.14,45,6. 控制系统的校正及综合,符合相位裕量要求。问题：如果不符合该如何修正？（两种方法的比较见P200）,2010.11.14,46,6. 控制系统的校正及综合,串联滞后校正对系统的影响,2010.11.14,47,6. 控制系统的校正及综合,(3)串联滞后-超前网络举例 （积分-微分) P200,串联引前校正主要是利用引前网络的相角超前特性来提高系统的相角裕量或相对稳定性，而串联滞后校正是利用滞后网络在高频段的幅值衰减特性来提高系统的开环放大系数，从而改善系统的稳态性能。 当原系统在穿越频率上的相频特性负斜率较大又不满足相角裕量时，不宜采用串联引前校正，而应考虑采用串联滞后校正。但并不意味着串联滞后一定能有效的代替串联超前校正，稳定的运行于系统上；事实上，在某些情况下可以同时采用串联滞后和引前校正，即滞后-引前校正，综合两种校正方法进行系统校正。,2010.11.14,48,6. 控制系统的校正及综合,从频率响应的角度来看，串联滞后校正主要用来校正开环频率的低频区特性，而引前校正主要用于改变中频区特性的形状和参数。因此，在确定参数时，两者基本上可独立进行。可按前面的步骤分别确定超前和滞后装置的参数。一般，可先根据动态性能指标的要求确定引前校正装置的参数，在此基础上，再根据稳态性能指标的要求确定滞后装置的参数。应注意的是，在确定滞后校正装置时，尽量不影响已由引前装置校正好了的系统的动态指标，在确定超前校正装置时，要考虑到滞后装置加入对系统动态性能的影响，参数选择应留有裕量。,2010.11.14,49,6. 控制系统的校正及综合,特点： 1.幅频特性前段是相位滞后部分，该部分具有使增益衰减的作用，所以允许在低频段提高增益，以改善系统稳态特性； 2.幅频特性后段是相位引前部分，因增加了相位引前角度，使相位裕量增大，从而改善了系统暂态性能。,2010.11.14,50,（2）原系统开环传递函数为 ，所以校正 前的开环幅频特性为,例6.3 :设有一单位反馈系统，其开环传递函数为 (P201) W(S) = K / S(S+1)(S+2) 试用串联滞后-引前校正，使系统满足: (1)Kv=10秒-1；(2)相角裕度50o；（3）增益裕量GM10dB。期望幅频特性法,6. 控制系统的校正及综合,解：（1）首先确定放大系数K。根据稳态误差要求,num=20; den=1 3 2 0; bode(num,den),2010.11.14,51,相位裕量如下，不满足设计要求，故需引入校正装置加以校正,6. 控制系统的校正及综合,由L()可知，c 应该在 2区间，则有,2010.11.14,52,（4）确定滞后-引前装置的滞后部分,（3）选择新的穿越频率,分析： 若单独采用引前校正，那么要补偿的相位33.32+50= 83.32， 补偿相位太大，不可行； 若单独采用滞后校正，因原系统带宽仅为02.71，使得校正后的带宽过小且调整控制有限，故采用滞后-引前校正。,6. 控制系统的校正及综合,设交接频率 ，且 ，则有,所以，滞后部分传递函数为,2010.11.14,53,（5）确定滞后-引前装置的超前部分,所以校正后的系统传递函数为：,6. 控制系统的校正及综合,超前部分传递函数为,2010.11.14,54,把 代人上式可得,6. 控制系统的校正及综合,所以引前部分传递函数为,2010.11.14,55,（6）滞后-引前装置的传递函数为,（7）校正后的系统传递函数为：,6. 控制系统的校正及综合,校正后的系统相位裕量为：,校正后的系统增益裕量为： 图（P202）,2010.11.14,56,6. 控制系统的校正及综合,6.1 综合与校正的基本概念 6.2 常用校正装置及其特性 6.3 串联校正 6.4 反馈校正 6.5 前馈校正 6.6 本章小结,2010.11.14,57,6. 控制系统的校正及综合,在控制系统的校正中，反馈校正也是常用的校正方式之一。反馈校正除了与串联校正一样，可改善系统的性能以外，还可抑制反馈环内不利因素对系统的影响。,图622表示一个具有局部反馈校正的系统。在此，反馈校正装置 反并接在 的两端，形成局部反馈回环（又称为内回环）。为了保证局部回环的稳定性，被包围的环节不宜过多，一般为2个。,2010.11.14,58,6. 控制系统的校正及综合,由图知，无反馈校正时系统的开环传递函数为 （625）,2010.11.14,59,6. 控制系统的校正及综合,内回环的开环传递函数为 （626） 其闭环传递函数为 （627） 校正后系统的开环传递函数为 （628）,2010.11.14,60,6. 控制系统的校正及综合,若内回环稳定（即 的极点都在左半s平面），则校正后系统的性能可按曲线 来分析。绘制 ，假定：,1.当 时， ， 按式（628）,由 与 之差得 。,2.当 时， ， 则,2010.11.14,61,6. 控制系统的校正及综合,曲线 与曲线 重合。这样近似处理，显然在 附近的误差较大。校正后系统的瞬态性能主要取决于曲线 在其穿越频率附近的形状。一般，在曲线 的穿越频率附近， ，因此，近似处理的结果是足够准确的。,综合校正装置时，应先绘制 的渐近线，再按要求的性能指标绘制 的渐近线，由此确定 ，校验内回环的稳定性，最后按式（626）求得 。,2010.11.14,62,（1）先绘出 的伯德图，见P211 图6-29a ，因为,例6.4 （P211）对象传递函数为 ，式中， 。,采用反馈校正装置，其传递函数为 ，式中,6. 控制系统的校正及综合,。试分析反馈校正装置的作用，绘出校正后等效对数频率，并求出等效开环传递函数。,解：系统的开环传递函数为,故系统不稳定。,2010.11.14,63,（3）绘出 的对数频率特性，见P211 图6-29c，,（2）绘出 的伯德图，见P211 图6-29b，并对称于零分贝线画出 的对数幅频特性。,6. 控制系统的校正及综合,2010.11.14,64,2）在 时，由于 ，则可近似认为,6. 控制系统的校正及综合,可以看出，在i和j时， 。在 和 的频率范围内，这表明局部反馈到输入端的信号比输入信号小很多，可以忽略不计,由开环传递函数对数频率特性可求得，,（4）绘出等效对数频率特性,1）在 时，由于 ，则可近似认为,2010.11.14,65,（5）从图6-29c中可以看到，在 时， 故认为采用近似的方法来估算相位裕量不会引起过大的误差。,结果可得P211图6-29d，从等效对数幅频特性，可写出系统等效开环传递函数为,6. 控制系统的校正及综合,3）在 时，由于 ，则可近似认为,2010.11.14,66,例6.5 （P213）设系统方块图如下图所示，要求选择Wc(s)使得系统达到如下指标：稳态位置误差等于零，稳态速度误差系数Kv=200s-1，相位裕量 。,式中，,6. 控制系统的校正及综合,2010.11.14,67,解：系统的开环传递函数为,6. 控制系统的校正及综合,（1）根据系统稳态误差要求，考虑到反馈校正对低频无影响 （P86）,2010.11.14,68,6. 控制系统的校正及综合,原系统的对数幅频特性和相频特性分别为,未校正系统开环传递函数为,2010.11.14,69,6. 控制系统的校正及综合,该系统的伯德图为,分析： 1）超前校正效果不好，因为补偿相角必须大于56.48度； 2）滞后校正可以考虑； 3）超前-滞后可以考虑； 4）这里采用反馈校正。,2010.11.14,70,以 为交点，-1为斜率画直线与L0相交于,（2）采用期望特性的设计 低频段保持不变，中频段改为-1衰减，高频段保持不变。 综合考虑系统的中频带宽和快速性，选择 。,6. 控制系统的校正及综合,考虑中频段有一定宽度并满足 ，预选 过作-2斜率的直线交L0于 ，于是整个期望特