调节器的工程设计方法.ppt

2-3调节器的工程设计方法,问题提出,从动态校正的需要来设计调节器,伯德图工具,原系统开环对数频率特性,期望特性,反复试凑,简便实用的工程设计方法,需要经验和技巧,建立工程设计方法的可能性,简便实用的工程设计方法,系统近似为低阶系统,精确实现控制率,近似为典型低阶结构,研究典型系统,研究参数与性能指标的关系,将实际系统校正成典型系统,标准型,2-3调节器的工程设计方法,一、工程设计方法的基本思路,第一步：选择调节器结构、确保稳定性，满 足所需的稳态误差,第二步：选择调节器参数、满足动态性能指标,二、典型系统,2-3调节器的工程设计方法,（一）典型I型系统,中频段以20dB/dec的斜率穿越零分贝线,即,相角裕度,（二）典型II型系统,2-3调节器的工程设计方法,中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线,相角裕度,三、控制系统的动态性能指标,2-3调节器的工程设计方法,（一）跟随性能指标,阶跃响应,1.上升时间 2.超调量 3.调节时间,（二）抗扰性能指标,2-3调节器的工程设计方法,1.动态速降,2.恢复时间,四、典型I型系统参数和性能指标的关系,2-3调节器的工程设计方法,T已知，K是唯一的待定参数,即 K1/T,（一）典型I型系统跟随性能指标与参数的关系,1.稳态跟随性能指标,稳定性,四、典型I型系统参数和性能指标的关系,2-3调节器的工程设计方法,（一）典型I型系统跟随性能指标与参数的关系,1.稳态跟随性能指标,2.动态跟随性能指标,四、典型I型系统参数和性能指标的关系,2-3调节器的工程设计方法,（一）典型I型系统跟随性能指标与参数的关系,1.稳态跟随性能指标,2.动态跟随性能指标,取,（二）典型I型系统抗扰性能指标与参数的关系,2-3调节器的工程设计方法,四、典型I型系统参数和性能指标的关系,系统的抗扰性能与其结构直接有关，因而抗扰性能与跟随性能有一致的一面。,然而，抗扰性能还和扰动作用点以前的传递函数G1(s)有关，所以抗扰性能又有其特殊之处，只靠典型系统传递函数并不能唯一地确定抗扰性能指标。,（二）典型I型系统抗扰性能指标与参数的关系,可令系统中 T1=T , K1K2=K,作业,2-10,五、典型II型系统参数和性能指标的关系,中频宽h: 斜率为-20dB/dec的中频段的宽度,设1点处在-40dB/dec段，则,因此， K=1C,T一定，改变 就等于改变中频宽h,再改变K，从而改变了截止频率c,2-3调节器的工程设计方法,振荡指标法,采用闭环幅频特性峰值Mr最小准则，找出h和c两个参数间较好的配合关系。,设计调节器时，选择参数h和c，就相当于选择参数 和K,对应的最小M峰值是,对于一定的h，只有一确定的c可以得到最小的Mr,设计调节器时，选择参数h和c，就相当于选择参数 和K,对应的最小M峰值是,Mr在1.21.5之间，系统动态性能最好。 h可在310之间选择。,确定了h和c之后，可以算出 和K,K=1C,（一）典型II型系统系统跟随性能指标与参数关系,2-3调节器的工程设计方法,1.稳态跟随性能指标,表2-5 II型系统在不同输入信号作用下的稳态误差,2.动态跟随性能指标,（一）典型II型系统系统跟随性能指标与参数关系,2-3调节器的工程设计方法,设 H(s)=1,阶跃响应,2.动态跟随性能指标,（一）典型II型系统系统跟随性能指标与参数关系,2-3调节器的工程设计方法,表26 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标,(二）典型II型系统抗扰性能指标与参数的关系,2-3调节器的工程设计方法,对于阶跃扰动,则,(二）典型II型系统抗扰性能指标与参数的关系,2-3调节器的工程设计方法,表2-7 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系,输出量标准值 Cb=2K2TN,六、调节器结构的选择和传递函数的近似处理 -非典型系统的典型化,2-3调节器的工程设计方法,（一）调节器结构的选择,根据控制系统要求，确定要校正成哪一类典型系统,稳态精度：II型好于I型,I型动态跟随性能 超调小，抗扰性能稍差,II型动态跟随性能 超调大，抗扰性能较好,1.控制对象是双惯性型,六、调节器结构的选择和传递函数的近似处理,2-3调节器的工程设计方法,其中，T1T2, K2为控制对象放大倍数,若要校正成I型，调节器必须具有一个积分环节，并带有一个比例微分环节，以便对消掉控制对象中的一个惯性环节。,选用PI调节器,1.控制对象是双惯性型,六、调节器结构的选择和传递函数的近似处理,2-3调节器的工程设计方法,若要校正成I型，调节器必须具有一个积分环节，并带有一个比例微分环节，以便对消掉控制对象中的一个惯性环节。,选用PI调节器,校正后系统,取,使两个环节对消,并令,则,2.控制对象为一积分双惯性环节,六、调节器结构的选择和传递函数的近似处理,2-3调节器的工程设计方法,选用PID调节器，校正成II型系统,令,则,课堂习题,有一系统，其控制对象的传递函数为,要求设计一个无静差系统，在阶跃输入下系统超调量小于5，试对系统进行动态校正，决定调节器的结构，并选择其参数,答案,因,所以设计成I型系统,需增加一积分环节，采用积分调节器,则开环传递函数,课堂习题,有一系统，其控制对象的传递函数为,要求设计一个无静差系统，在阶跃输入下系统超调量小于5，试对系统进行动态校正，决定调节器的结构，并选择其参数,答案,因,所以设计成I型系统,需增加一积分环节，采用积分调节器,则开环传递函数,由,得,（二）小惯性环节近似处理,2-3调节器的工程设计方法,六、调节器结构的选择和传递函数的近似处理,若系统开环传递函数,其中，T2、T3是小时间常数，T1T2、T3,近似条件,（二）小惯性环节近似处理,2-3调节器的工程设计方法,六、调节器结构的选择和传递函数的近似处理,若系统有三个小惯性环节,近似条件,近似处理的办法是,结论：当系统有多个小惯性环节时，在一定条件下，可以将它们近似成一个小惯性环节，其时间常数等于原系统各小时间常数之和。,（三）高阶系统的降阶处理,2-3调节器的工程设计方法,六、调节器结构的选择和传递函数的近似处理,近似条件,（四）大惯性环节近似处理,六、调节器结构的选择和传递函数的近似处理,2-3调节器的工程设计方法,若系统开环传递函数为,其中，,且1/T1c,处于低频段,大惯性环节改成积分环节，则开环传递函数,差别只在低频段，