ghx08第六章自动控制系统的校正一.ppt

第六章 自动控制系统的校正 6-1控制系统校正的基本概念,系统分析：对已知结构参数的系统进行建模,然后对系统进行动、静态性能指标的计算,研究其与参数关系。 系统设计：根据实际运行需要,从工程实际出发,提出期望性能指标,然后根据控制对象,合理选择方案及结构,计算参数和选择元部件,建立起能满足设计指标的系统。 固有系统:通常,系统设计中,根据己知被控对象的特点、技术要求以及经济性、可靠性、维修方便性等要求选定系统其它部件,从而组成最基本的控制系统,称为固有系统。固有系统中除放大器的放大系数可调外,其余参数在设计过程中往往是不变的,故又称为不可变部分。 校正装置:固有系统性能较差,难以满足对性能指标的要求,必须在系统原有结构基础上引入新的附加环节(校正装置)以作为同时改善系统稳态性能和动态性能的手段。这种用添加新环节去改善系统性能的过程称为对控制系统的校正。,蒸汽机转速的闭环自动调速系统,自动防空火力控制系统,第六章重点,重点掌握（串联）超前校正、滞后校正、滞后-超前校正的Bode图及其优缺点（作用） 会用Bode图进行相角超前、相角滞后、相角滞后-超前校正的设计或校正，并熟悉不同校正的校正效果 期望对数频率特性设计法,6-1控制系统校正的基本概念,校正方式:1.串联校正2.并联校正(反馈校正);3.复合控制校正,1 稳态性能指标：常用稳态误差系数Kp、Kv、Ka给出； 2 动态性能指标： 时域指标： 频域指标： 开环频域指标： 闭环频域指标： 复域指标：常以系统主导极点所允许的最小阻尼系数和最小无阻尼振荡角频率表示。,6-1控制系统校正的基本概念 性能指标,6-1控制系统校正的基本概念 设计方法,频率法 利用校正装置改变原系统频率特性形状,使其具有合适的低频段、中频段和高频段从而获得满意的静、动态性能。 根轨迹法 假定校正后闭环具有一对主导共轭复数极点,若原系统性能指标达不到要求,则引入适当校正装置,利用其零极点去改变原根轨迹,使通过期望主导极点。 考虑到校正后系统的闭环零点和非主导极点对性能的影响,故选择期望主导极点时应留有余地。 计算机辅助设计,6-2常用电气型校正装置及其特性,6-2-1.超前校正装置(微分校正装置),6-2-1超前校正装置,设网络对开环放大系数衰减已由放大器补偿,6-2-1超前校正装置,6-2常用电气型校正装置及其特性6-2-1超前校正装置,在由1/T1/(T),L()的斜率为+20,与纯微分环节的L()斜率相同,意味着网络在该频率范围内对输入信号有微分作用,故称微分校正网络; 在由0所有频率下,相角均为正值,即网络输出信号在相位上总是超前于输入信号,故称为相角超前校正网络。,6-2-1超前校正装置,2.有源超前网络,6-2常用电气型校正装置及其特性6-2-2滞后校正(积分校正)装置,6-2-2滞后校正(积分校正)装置,6-2-2滞后校正(积分校正)装置,6-2-2滞后校正(积分校正)装置,因1,故网络负实数极点 -1/(T)位于负实数零点(-1/T)右侧,即极点比零点更靠近原点。若T足夠大,则滞后网络提供一对靠近原点的开环偶极子,在不影响远离偶极子处根轨迹前提下,大大提高稳态性能。,6-2-3滞后-超前校正(积分-微分校正)装置.1,无源滞后-超前网络,6-2-3.1无源滞后-超前网络 exp616259.m,6-2-3滞后-超前校正装置.2有源滞后-超前网络,6-2常用电气型校正装置及其特性:由运算放大器组成的有源校正网络,6-2常用电气型校正装置及其特性:由运算放大器组成的有源校正网络,6-2常用电气型校正装置及其特性:由运算放大器组成的有源校正网络,6-3自控系统的频率法校正6-3-1串联超前校正装置的设计方法 例6-1,6-3-1串联超前校正装置的设计方法 例6-1,6-3-1串联超前校正装置的设计方法 例6-1exp602264.mdl,6-3-1串联超前校正装置的设计方法 例6-1exp602265.m,*6-3-1串联超前校正装置的设计方法 例6-1exp602264.mdl,6-3-1串联超前校正装置的设计方法 例6-1 exp602264.mdl exp602265.m,6-3-1串联超前校正装置的设计步骤,(1)由稳态误差要求,确定开环放大系数K.绘原系统Bode图,求未校正系统截止频率 相角裕度 和幅值裕度 ; (2)确定校正后系统截止频率 和网络的 : 按要求值选定 ,在图查未校正系统的 .取 ,使 ，求出 值. 若事先未提出 要求,则由指标 要求,由下式求超前网络最大超前角 为校正网络引入后截止频率右移导致相角裕度减少的补偿量,一般, 左右. ;在 查 值为 的频率即,串联超前校正网络的设计步骤,6-3-1串联超前校正装置的设计步骤,(3)确定校正网络传递函数: (4)检验性能指标; (5)确定校正网络电气元件参数.,6-3-1串联超前校正装置的设计 例6-3,6-3-1串联超前校正装置的设计 例6-3,6-3-1串联超前校 正装置设计 例6-3,6-3-1串联超前校正装置设计 例6-3 exp602265.m,*6-3-1串联超前校正装置设计 例6-3,6-3-2串联滞后校正装置的设计 例6-4,6-3-2串联滞后校正装置的设计 例6-4,6-3-2串联滞后校正装置的设计 例6-5,6-3-2串联滞后校正装置的设计 例6-5,6-3-2串联滞后校正装置的设计 例6-5 exp605272.m,*6-3-2串联滞后校正装置的设计例6-5H:exp605271.mdl,6-3-2串联滞后校正装置的设计步骤,(1),(1)由稳态误差要求,确定开环放大系数K.绘原系统Bode图,求未校正系统截止频率 相角裕度 和幅值裕度 ; (2)确定校正后系统截止频率 : 由指标 ,按下式求为补偿滞后网络副作用的新相角裕度 在未校正系统相频特性上找对应 的频率,作为校正后系统截止频率 . (3)求 :在未校正系统频率特性上求 处的 由下式求 值:,6-3-2串联滞后校正装置的设计步骤,(3)确定校正网络传递函数:确定校正网络的第二个转折频率 (4)检验性能指标;若未达到,应进一步左移 后重新计算; (5)确定校正网络电气元件参数.,6-3-2串联滞后校正装置的设计 例6-6,6-3-2串联滞后校正装置的设计 例6-6H:exp606273.mdl H:exp605272.m,*6-3-2串联滞后校正装置的设计 例6-6H:exp606273.mdl,6-3-2串联滞后校正装置的设计 p275 例,由于滞后网络具有低频段不变,中、高频衰减特性,网络串入系统后,使c左移, 增加。如保持原有,就允许K提高,直至c右移到原位置。这表明滞后校正可在保持原系统动态性能不变前提下,提高稳态误差系数,改善静态性能。,6-3-2串联滞后校正装置的设计 p275例H:exp605272.m,6-3-2串联滞后校正装置的设计 p275例exp633275.mdl,*6-3-2串联滞后校正装置的设计 p275例exp633275.mdl,6-3-3串联滞后-超前校正装置的设计 例6-7,6-3-3串联滞后-超前校正装置的设计 例6-7,6-3-3串联滞后-超前校正装置的设计例 6-7exp607279.mdl H:exp607278.m,6-3-3串联滞后-超前校正装置的设计例 6-7 exp607278.m,*6-3-3串联滞后-超前校正装置的设计例 6-7exp607279.mdl,6-3-3串联滞后-超前校正装置的设计步骤,(1)由稳态误差要求,确定开环放大系数K.绘原系统Bode图,求未校正系统截止频率 相角裕度 和幅值裕度 ; (2)确定校正后系统截止频率 ,使在该点能通过校正网络超前环节提供足够相角超前量,以满足相角裕度要求;又能通过校正网络滞后环节,把该点原幅频特性 衰减至0dB. (3)确定滞后-超前校正网络滞后部分的转折频率 的选取依据,一是能把 处原幅频特性 衰减至0dB,二是能使超前部分在 处提供足够相角超前量. 一经确定,则 可求.,6-3-3串联滞后-超前校正装置的设计步骤,(4)确定滞后-超前校正网络超前部分的转折频率 :由于须把原系统 压缩至0dB .故可通 过 作+20直线,与0dB线及 线相交,则交点频率分别为 (5)画出校正后系统Bode图,检验性能指标.,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计设法,设 为系统固有部分传递函数, 为串联校正装置传递函数.校正后系统传递函数和频率特性为: 式中, 为系统固有部分对数幅频特性; 为串联校正装置对数幅频特性; 为系统校正后所期望的对数幅频特性.期望的对数频率特性是根据对系统稳态和瞬态性能要求,并考虑未校正系统特性而确定的期望开环对数幅频特性. 根据绘出的 ,减去 ,即可得 , 在最小相位系统中,根据 形状即可写出,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法,常用期望对数幅频特性有二阶,三阶,四阶期望特性. (1)二阶期望特性:校正后系统为典型二阶系统,又称型二阶系统:,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法,工程上常以 时的二阶期望特性作为二阶工程最佳特性,此时,二阶系统的各项性能指标为,(2)三阶期望特性:校正后系统为典型三阶系统,又称型三阶系统:,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法,(3)四阶期望特性:校正后系统为四阶系统,又称型四阶系统:,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法,四阶期望特性由-20, -40, -20, -40, -60斜率的各段特性组成,故工程上称为1-2-1-2-3型系统. 低频段:斜率-20,高度由开环传递系数决定; 中频段:斜率-20,使系统具有较好相对稳定性; 低,中频连接段, 中,高频连接段:这些频段对系统性能不会产生重大影响,故校正时,应尽量考虑未校正系统特性,以使校正装置简单易实现.即绘制期望特性时,应使这些频段尽可能等于或平行原系统相应频段,连转折频率也应尽可能取未校正系统相应值.,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法 例6-10,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法 例6-10,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法 例6-10,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法 例6-10 exp610289.mdl H:exp607278.m,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法 例6-10exp607278.m,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法 例6-10exp6072781.m,*6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法 例6-10 exp610289.mdl,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法 例6-11,6-3-5串联校正装置的期望对数频率特性设计法 例6-1