专题3：线性系统校正方法.ppt

专题3线性系统的校正方法 用频率响应法对单输入 单输出 线性定常系统进行设计和校正 本章主要内容本章介绍了控制系统校正的基本概念 常用校正方法和常见校正装置的特性 主要阐述了利用频率特性进行串联超前 滞后以及超前 滞后校正的原理和基本方法 同时简要介绍了局部反馈校正的原理 一 系统的设计与校正问题 当被控对象给定后 设计一个实际的控制系统一般要确定 1 根据所要求的被控信号的最大速度或速度等 初步选择执行元件的形式 特性和参数 2 根据要求的测量精度 抗扰动能力 被测信号的物理性质 测量过程中的惯性 非线性度等因素 选择测量元件 3 根据执行元件的功率要求 选择功率放大器 根据系统设计增益的要求确定增益可调的前置放大器 若仅靠调整放大器增益或系统已有的元部件参数 不能使得系统性能指标满足要求 则要在系统中加入参数及特性可调整的校正装置 主要三种校正方法 串联校正 反馈校正 复合校正 性能指标电动机控制系统 1 直流电动机调速系统对速度平稳性 稳态精度要求较高 2 随动系统对于系统输出对系统输入的跟踪速度要尽可能快 系统的快速性 生产过程 石油化工 生物工程 热力工程等 系统输出 温度 流量 压力等 平稳 稳态精度 性能指标的确定要考虑物理可实现性 经济性设计方法 1 根轨迹法校正时域性能指标 单位阶跃响应的峰值时间 调节时间 超调量 阻尼比 稳态误差等 2 频率法校正频域性能指标 相角裕度 幅值裕度 谐振峰值 闭环带宽 静态误差系数等 在实际应用中频率法校正更加广泛 二阶系统频域指标与时域指标的关系 谐振峰值 谐振频率 带宽频率 截止频率 相角裕度 超调量 调节时间 高阶系统频域指标与时域指标的关系 谐振峰值 超调量 调节时间 系统带宽的选择 无论采用哪种校正方式 都要求系统即能跟踪输入又能抑制噪声和扰动 实际系统输入信号一般是低频 噪声一般是高频 要求较高的稳定裕度 要求系统的稳定裕度在45 左右 希望开环对数幅频特性在截止频率处的斜率为 20dB dec 要求较强的从噪声中辨识信号的能力 希望开环对数幅频特性在截止频率处的斜率小于 40dB dec 不同用途的系统对系统带宽是不一样的 若输入信号的带宽 噪声信号主要作用的频带为 而且使处于之外 系统设计工具 在设计校正装置时 主要的研究工具是伯德图 BodeDiagram 即开环对数频率特性的渐近线 它的绘制方法简便 可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息 而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能 正因为如此 伯德图是自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法 在定性地分析闭环系统性能时 通常将伯德图分成低 中 高三个频段 频段的分割界限是大致的 不同文献上的分割方法也不尽相同 这并不影响对系统性能的定性分析 下图绘出了自动控制系统的典型伯德图 典型伯德图从图中三个频段的特征可以判断系统的性能 这些特征包括以下四个方面 典型的控制系统伯德图 伯德图与系统性能的关系 中频段以 20dB dec的斜率穿越0dB 而且这一斜率覆盖足够的频带宽度 则系统的稳定性好 截止频率 或称剪切频率 越高 则系统的快速性越好 低频段的斜率陡 增益高 说明系统的稳态精度高 高频段衰减越快 即高频特性负分贝值越低 说明系统抗高频噪声干扰的能力越强 以上四个方面常常是互相矛盾的 对稳态精度要求很高时 常需要放大系数大 却可能使系统不稳定 加上校正装置后 系统稳定了 又可能牺牲快速性 提高截止频率可以加快系统的响应 又容易引入高频干扰 如此等等 设计时往往须在稳 准 快和抗干扰这四个矛盾的方面之间取得折中 才能获得比较满意的结果 系统设计要求 在实际系统中 动态稳定性不仅必须保证 而且还要有一定的裕度 以防参数变化和一些未计入因素的影响 在伯德图上 用来衡量最小相位系统稳定裕度的指标是 相角裕度 和以分贝表示的增益裕度GM 一般要求 30 60 GM 6dB 保留适当的稳定裕度 是考虑到实际系统各环节参数发生变化时不致使系统失去稳定 在一般情况下 稳定裕度也能间接反映系统动态过程的平稳性 稳定裕度大 意味着动态过程振荡弱 超调小 设计步骤 系统建模 首先应进行总体设计 选择基本部件 按稳态性能指标计算参数 形成基本的闭环控制系统 或称原始系统 系统分析 建立原始系统的动态数学模型 画出其伯德图 检查它的稳定性和其他动态性能 系统设计 如果原始系统不稳定 或动态性能不好 就必须配置合适的动态校正装置 使校正后的系统全面满足性能要求 二 系统的校正概述 所谓校正 或称补偿 就是给系统附加一些具有某种典型环节特性的电网络 运算部件或测量装置等 靠这些装置的配置来有效地改善整个系统的控制性能 这一附加的部分称为校正元件或校正装置 通常是一些无源或有源微积分电路 以及速度 加速度传感器等 校正装置在系统中的联结方式 顺馈校正 干扰补偿 串联校正和反馈校正 顺馈校正 补偿器放在系统回路之外 不影响特征方程 只补偿由于输入造成的稳态误差 干扰补偿 当干扰直接可测量时 不影响特征方程 只补偿由于干扰造成的稳态误差 串联校正 在系统主反馈回路内采用的校正方法 校正装置串联在系统的前向通道中 反馈校正 在系统主反馈回路内采用的校正方法 在系统中增加某些局部反馈环节 三 串联校正 超前校正滞后校正滞后 超前校正PID调节器 超前校正1 超前网络 2 超前校正的作用 由于正相移的作用 使截止频率附近的相位明显上升 具有较大的相位裕量 既改善了原系统的稳定性 又提高了系统的截止频率 获得足够的快速性 超前校正不改变低频特性 所以不能提高稳态精度 若想进一步提高开环增益 以提高稳态精度 则会降低系统抗高频干扰的能力 滞后校正1 滞后网络 2 滞后校正的作用 滞后校正并不是利用相角滞后作用来使原系统稳定 而是利用幅值衰减作用使系统稳定的 校正后 截止频率前移 以牺牲快速性换取稳定性 滞后校正不改变低频段的特性 故对稳态精度无破坏作用 相反 还允许适当提高开环增益 进一步改善稳态精度 对于高精度 而快速性要求不高的系统采用滞后校正 如恒温控制等 滞后 超前校正1 滞后 超前网络 滞后网络 超前网络 PID调节器 在当今的工业控制器中 有半数以上采用了PID或变形PID控制方案 模拟PID控制器大多数是液压的 气动的 电气的和电子型的 或是由它们构成的组合型 由于微处理器的大量应用 许多变成了数字型的 大多数PID控制器是现场调节的 某些PID控制器还具有在线自动调节能力 ProportionIntegralDifferentiation 1 PD调节器 相当于超前校正 2 PI调节器 相当于滞后校正 3 PID调节器 相当于滞后 超前校正 四 反馈校正 反馈校正在控制系统中得到广泛应用 常见的有被控量的速度 加速度反馈 执行机构的输出及其速度的反馈 以及复杂系统的中间变量反馈等 在随动系统和调速系统中 转速 加速度 电枢电流等 都可作为反馈信号源 而具体的反馈元件实际上就是一些测量传感器 如测速发电机 加速度传感器 电流互感器等 在随动系统和调速系统中 转速 加速度 电枢电流等 都可作为反馈信号源 而具体的反馈元件实际上就是一些测量传感器 如测速发电机 加速度传感器 电流互感器等 从控制的观点来看 反馈校正比串联校正有其突出的特点 一 它能有效地改变被包围环节的动态结构和参数 二 在一定条件下 反馈校正甚至能完全取代被包围环节 从而可以大大减弱这部分环节由于特性参数变化及各种干扰 给系统带来的不利影响 一 利用反馈校正改变局部结构和参数1 比例反馈包围积分环节 由原来的积分环节变成惯性环节 2 比例反馈包围惯性环节 结果仍为惯