汽车控制系统校正设计.ppt

汽车控制系统的校正和设计 为什么要校正 设计出满足设计要求的控制系统 例 已知单位负反馈系统的开环传递函数为 设系统的输入为单位阶跃函数 试计算放大器增益KA 200时 系统输出响应的动态性能指标 当KA增大到1500 或减小到13 5时 系统的动态性能指标如何 可见 不能通过调整增益K 使闭环系统的调节时间和超调同步减小 参数调节的能力是有限的 优化控制对象是设计控制系统的首选 但是 当单纯调节对象的参数无法达到控制目标 或者不便于直接调整对象参数时 我们就必须采用校正的手段来修正系统的响应性能 校正定义 就是给系统附加 新加 一些具有典型环节特性的电网络 模拟运算部件及测量装置等 校正装置 靠这些环节的配置来有效地改善整个系统的性能 以达到要求的指标 校正方式 1 串联校正 2 反馈校正 3 前馈校正 4 干扰补偿 3 校正方式的选择原则校正方式的选择取决于系统中的信号性质 技术实现的方便性 可供选择的元件 抗扰性要求 经济性要求 环境使用条件以及设计者的经验等因素 串联校正设计比反馈校正设计简单 也比较容易对信号进行各种必要的变换 因此 特别是在教学中 更偏向于采用和讲解串联校正 在性能指标要求较高的控制系统设计中 通常兼用串联校正与反馈校正两种方式 4 设计方法在控制系统设计中 一般依据性能指标的形式来决定应采用的方法 如果性能指标以单位阶跃响应的峰值时间 调节时间 超调 阻尼比 稳态误差等时域特征量给出时 一般采用根轨迹法设计校正 如果性能指标以系统的相角裕度 幅值裕度 谐振峰值 闭环带宽等频域特征量给出时 一般采用频率法设计校正 目前工程技术界多习惯采用频率法 故常常要通过近似公式进行两种指标的互换 常用校正装置及其特性1 无源超前网络 微分型 传递函数为 即有 其中 C 可以明显看出 采用无源超前网络进行串联校正时 1 整个系统的开环增益要下降a 1倍 设计校正网络的零 极点时 通常将因子a单独考虑 因此 最后需要提高放大器增益来补偿这种损失 2 闭环系统的根轨迹会向左调整 有利于改善稳定性和瞬态性能 衰减系数 可以画出的Bode图 20db 0 1 aT 1 aT 10 aT 45 90 w 1 T 20lga 10lga 正好处在频率和的几何中心 此时有最大超前相角 0 可以画出的Bode图 无源滞后网络 积分型 传递函数为 其中 无源滞后网络对低频有用信号不产生衰减 而对高频信号有削弱作用 b 1值越小 削弱的效果越强 无源滞后 超前网络 一 PID控制器还有必须熟悉的 更为基本的3类校正控制器 1 比例控制器 P控制器 最古老 最简单的控制器 可以看成控制器的源 PID控制器 例如 单纯的比例控制不能改变调节时间 2 积分控制器 3 积分控制器 这3类控制器单独使用时 各有优缺点 因此 常常 并联 使用 构成组合控制器 例如 比例积分控制器 PI控制器 比例微分控制器 PD控制器 比例微分积分控制器 PID控制器 其中 PI控制器是积分型控制器 它可以看作是将滞后校正网络的主导极点取为原点时的极限情况 因此 它的作用也与滞后校正网络类似 主要用于改善 保持系统的稳态性能 如提高型数 精度 PD控制器是微分型控制器 将超前校正网络较大的极点配置到足够大 就可以得到微分控制器 因此 PD控制器的作用主要是用来调节瞬态性能 PID控制器具有综合控制性能 用于更复杂的场合 二 PID控制器设计例温度控制系统 要求校正后的系统超调量不大于10 调节时间小于16 3秒 对阶跃输入的稳态误差为0 解 1 PI控制器通过改变开环系统型数 来达到将稳态误差减小到0的目的 其控制器为 校正后开环系统为 为1型系统 位置误差系数Kp 所以 闭环系统对阶跃输入的稳态误差为0 2 根据性能指标 估计期望的闭环主导极点位置sd a 超调量PO 10 所以取 0 6 能满足要求 且由于主导极点sd的实部 虚部比例为0 6 0 8b 调节时间小于16 3秒 所以取主导极点为 3 校正后主导极点sd应在根轨迹上 画出零 极点图 配置控制器零点 相角方程为 3 因此 可以判断z基本上是在主导极点的下方 画出根轨迹为 4 利用幅值方程求取K 5 完整的PI控制器为 6 计算第3个极点 闭环特征方程为 考虑s2项系数为 7 完整闭环系统传递函数为 8 显然第3个极点 零点离主导极点太近 有必要引入前置滤波器 9 完整的控制系统结构为相当于 10 闭环系统单位阶跃响应与二阶系统近似 对症才是良药 典型的调节或校正手段 各有其特别有效的应用场合 也会带来另外的副作用 要合理配置 才能设计出好的控制器 如例题所示 单纯考虑比例调节环节 增大控制器放大倍数 增益K 可以满足对稳态误差的设计要求 但常常会带来超调量的增大 在此情况下 如果超调量超标严重 就可以引入超前校正网络 使闭环系统超调量满足设计要求 超前校正网络的主要作用是 在频率域内 在于提供一个超前相角 从而增大了闭环系统的相角裕度 在s平面内 在于按需要改变了根轨迹形状 向左弯曲 在时间域内 在于提高等效阻尼系数 减小了超调量和调节时间 改善了系统的瞬态性能 副作用在于 提高了中 高频段的增益 扩大了系统带宽 降低了抗干扰能力 当系统稳态精度要求特别高时 为了使误差系数过高 会使对数幅频曲线抬升太多 甚至使系统失稳 在此情况下 可以考虑引入滞后校正网络 其主要作用是 在中 高频段适度降低系统增益 同时能减小系统带宽 以确保提高系统的稳态精度 其副作用是提供了一个滞后相角 降低了系统的相对稳定性 通过具体的设计例子 才能深刻理解这