伺服系统设计-控制系统的设计和校正PPT课件

1 伺服控制系统的设计和校正 2 系统分析 已知确定系统 分析其性能系统设计 给出性能指标 建立一个系统 3 基本概念 1 控制系统设计的基本任务根据系统要求 选择适当的被控参数 执行元件 测量元件 给定元件 比较元件以及控制器及控制规律的过程称为控制系统设计 执行元件受被控对象的功率要求和所需能源形式以及被控对象的工作条件限制 常见执行元件 伺服电动机 调节阀门 液压 气动伺服马达等 测量元件依赖于被控制量的形式 常见测量元件 电位器 热电偶 测速发电机以及各类传感器等 4 给定元件及比较元件取决于输入信号和反馈信号的形式 可采用电位计 旋转变压器 机械式差动装置等等 放大元件由所要求的控制精度和驱动执行元件的要求进行配置 有些情形下甚至需要几个放大器 如电压放大器 或电流放大器 功率放大器等等 放大元件的增益通常要求可调 测量 给定 比较 放大及执行元件与被控对象一起构成系统的基本组成部分 固有部分 固有部分除增益可调外 其余结构和参数一般不能任意改变 5 由固有部分组成的系统往往不能同时满足各项性能的要求 甚至不稳定 尽管增益可调 但大多数情况下 只调整增益不能使系统的性能得到充分地改变 必须另外加入装置以满足给定的性能指标 这个装置就是控制器 6 校正 补偿 通过改变系统结构 或在系统中增加附加装置或元件 校正装置 对已有的系统 固有部分 进行再设计使之满足性能要求 校正是控制系统设计的基本技术 控制系统的设计一般都需通过校正这一步骤才能最终完成 控制系统的设计关键上是寻找合适的校正装置 改变系统闭环零极点分布 2 控制系统的校正 3 校正的实质 例 7 要求系统满足在单位斜坡输入时的稳态误差ess 0 05 以及 p 25 解 通常系统的固定部分只有K可调 根据ess 1 K K 20根据主导极点概念 p 25 43 先绘制出K 20的bode图 8 相位裕度小于零 系统不稳定 要满足动态性能 则K 1 要同时满足静态和动态性能 必须另外增加校正装置 方法有两个 保持K 20 增加相位超前角 增加零点 s 1 超前校正 另外一种方法是 保持K 20 增加中 高频衰减 减小剪切频率 滞后校正 9 4 校正的方式 复合 前馈 顺馈 校正 并联校正 反馈校正 串联校正 10 5 校正装置设计方法及性能指标通常采用频域法 一般给出的性能指标是时域指标 稳态精度 稳态误差ess 低频 过渡过程响应特性 上升时间tr 超调量 p 调节时间ts 谐振峰值Mr 剪切频率 c 谐振频率 r 相位裕度 以及幅值裕度Kg等 校正装置设计方法分析方法 已知系统不足之处 然后作相应的改进 综合法 或称为期望特性法 根据性能指标给出期望的系统的开环频率特性图 再与原有开环特性进行比较 从而确定校正方式 校正装置的形式及参数 11 PID控制器 1 PID控制规律 PID ProportionalIntegralDerivative PID控制 对偏差信号e t 进行比例 积分和微分运算变换后形成的一种控制规律 传递函数为 式中Kp称为可调比例增益 Ti称为可调积分时间常数 Td称为可调微分时间常数 12 2 P I D对控制性能的影响 P控制对系统性能的影响 Kp 1开环增益加大 稳态误差减小 幅值穿越频率增大 动态加快 相位裕度减小 系统稳定程度变差 Kp 1则反之 1 P控制 比例控制 13 2 I控制 积分控制 GH s 为为校正部分 校正装置为积分环节 那么 I控制对系统性能的影响 系统型次提高 稳态性能改善 剪切频率减小 动态变慢 产生相位滞后 系统稳定程度变差 积分控制一般不单独使用 14 3 比例微分控制作用 PD 15 相位裕量增加 阻尼比增加 超调量下降 稳定性提高 c增大 快速性提高 高频段增益上升 可能导致执行元件输出饱和 并且降低了系统抗干扰的能力 综上所述 PD控制通过引入微分作用改善了系统的动态性能 但须注意 微分控制仅仅在系统的瞬态过程中起作用 一般不单独使用 比例微分的转折频率在 c之前 c增大但相位裕度增加 16 4 比例积分微分控制作用 PID 17 PID控制器综合了比例控制 积分控制和微分控制各自的优点 在低频段 PID控制器通过积分控制作用改善了系统的稳态性能 在中频段 PID控制器通过微分控制作用 有效地提高了系统的动态性能 由于只有三个参数需要确定 工程应用比较方便 18 PID控制器的参数工程整定 所谓工程整定 就是根据经验公式确定参数 工程整定的优点 对系统开环传递函数的模型要求不高 1 动态响应法通过实验 系统在开环的情况下 测出系统求取被控对象的动态阶跃响应曲线 从动态响应曲线估计出被控对象的传递函数 然后通过齐格勒 尼柯尔斯给出的调整法则表 确定PID控制器的参数 最后进行细调整 性能指标 要求为保证阶跃响应的最大峰值与第二峰值的比为4 1 衰减比为4 1 适用范围 系统开环传递函数不包括积分环节和振荡环节 阶跃响应曲线特征为S型曲线 19 1 动态响应法 步骤第一步 求取动态响应曲线 上述的S形曲线的传函为 将其拐点切线和时间轴和c t K的交点可得到和T 第二步 估计被控对象的传递函数 20 第三步 基于对象阶跃响应的齐格勒 尼柯尔斯调整法则 确定PID参数 PID控制器有一个位于原点的极点和两个左半平面的零点 1 动态响应法 21 2 临界增益法这种方法是让系统处于闭环状态下进行的 性能指标 要求为保证阶跃响应的最大峰值与第二峰值的比为4 1 衰减比为4 1 适用范围 闭环系统可能出现等幅振荡 步骤第一步 令 将控制器设置为比例控制 将Kp从0增大 首次出现等幅振荡时 记下此时的增益为Kps和振荡周期Ts 第二步 基于临界增益的齐格勒 尼柯尔斯调整法则 确定PID参数 22 PID控制器有一个位于原点的极点和两个左半平面的零点 基于临界增益的齐格勒 尼柯尔斯调整法则 23 例 Kps 1 Kps 10 Kps 29 Kps 30Ts 2 8 采用PID控制 查表有Kp 18 Ti 1 405 Td 0 3512 24 p 62 p 15 满足4 1 但超调量太大 需要调整 增大微分作用减小积分作用 可以减小超调 细调整是有规律的 一般是成比例的放大三个参数 原来Kp 18 Ti 1 405 Td 0 3512