《系统的性能校正》PPT课件

机械控制工程第八章系统的性能校正 第八章系统的性能校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 1 1性能指标 1 上升时间tr 2 峰值时间tp 3 最大超调量Mp 4 调整时间ts 5 延迟时间 时域指标 1 稳态误差 瞬态指标 稳态指标 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 1 1性能指标 闭环 1 零频幅值A 0 2 复现带宽频率 M3 截止频率 b频带宽度0 b4 谐振频率 r5 谐振峰值Mr 开环 1 相位裕度 2 幅值裕度Kg 频域指标 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 1 1性能指标 综合性能指标 1 误差积分性能指标 适用于xi t 1 无超调情况 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 1 1性能指标 重视大误差忽略小误差 性能最优系统就是使I取极小的系统 2 误差平方积分性能指标 适用xi t 1 有超调情况 综合性能指标 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 1 1性能指标 系统的性能指标要根据它所要完成的具体任务而提出 应有所侧重 性能指标的提出要有根据 不能脱离实际 几个性能指标会互相矛盾 要折衷考虑并加以校正 3 广义误差平方积分性能指标 综合性能指标 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 1 2系统的性能校正 校正 控制系统中加入辅助装置改善系统性能的方法 校正的实质 1 增加附加装置 校正装置 使系统的零 极点重新分配2 增加附加装置 改善原有频率特性形状 常用的校正方式 串联校正并联校正PID调节器 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 1 2系统的性能校正 1 串联校正 在前向通道中串联校正装置Gc s 原传递函数 校正后 串联校正按Gc的性质可分为 增益调整 只能改变极点位置 不改变根轨迹形状 相位超前校正相位滞后校正相位滞后 超前校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 1 2系统的性能校正 2 并联校正 1 局部反馈校正 校正装置包围的环节不宜过多 2个或3个 Gc s 比例为主或以微分为主 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 1 2系统的性能校正 2 并联校正 2 顺馈校正 Gc分输入顺馈和扰动顺馈校正装置可采用有源 运算放大器 或无源 RC 实现 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 1 2系统的性能校正 3 PID校正 在工业控制上 常采用能够实现按偏差的比例 P 积分 I 微分 D 进行控制作用的PID校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 2 1相位超前校正 超前校正滞后校正滞后 超前校正PID调节器 串联校正分为 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 2 2相位超前校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 2 2相位超前校正 2 超前校正的作用 由于正相移的作用 使剪切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 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 2 2相位超前校正 根据对稳态速度误差分析 确定开环增益k 利用求得的k 绘制原系统的Bode图 确定校正前的相位和幅值裕度 确定需要增加的相位超前角 m 计算衰减系数 确定与校正前系统的幅值等于 20lg 1 所对应的频率 并以此作为新的幅值交界频率 确定超前校正装置的转折频率 增加一个增益等于1 的放大器 或将原有放大器增益提高1 倍 3 计算超前校正装置步骤 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 2 3相位滞后校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 2 3相位滞后校正 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 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 2 3相位滞后校正 4 计算滞后校正装置步骤 根据对稳态误差分析 确定开环增益k 利用所求k绘原系统的Bode图 确定校正前相位和幅值裕度不满足要求 选择新的幅值交界频率 新的幅值交界频率选在相角等于 180 加上必要的相位裕度 系统要求的相位裕度增加5 12 所对应的频率上 确定滞后网络的转折频率 1 T 这点应低于新的幅值交界频率1倍到10倍频程 确定校正前幅频曲线在新的幅值交界频率除下降到0dB所需要的衰减量 这一衰减量等于 20lg 从而确定 然后确定另一转折频率 若全部指标满足要求 把T和 代入求滞后网络的传递函数 机械控制工程第八章系统的性能校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 2 4相位滞后 超前校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 2 4相位滞后 超前校正 2 滞后 超前校正设计步骤 根据对稳态误差分析 确定开环增益k 利用求得的k 绘制原系统的Bode图 确定校正前的相位和幅值裕度 选择新的频幅交界频率 相角等于 180时的频率 确定滞后网络的转折频率 这点应低于新的幅值交界频率1倍到10倍频程 取 10 确定另一转折频率 1 T 取滞后环节的传递函数 确定校正前幅频曲线在新的幅值交界频率除下降到0dB所需要的衰减量 通过 幅值交界频率 衰减量 点画出斜率为 20dB的直线 求出与0dB及 20dB线的两个交点对应频率分别为1 T1和 T1两个转折频率 得到超前环节将滞后超前环节组合得到校正传递函数 检验校正后系统是否满足性能指标 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 3 1PID控制规律 PID控制 就是对偏差进行比例 积分 微分变换的控制规律 Kp 比例系数Ti 积分时间常数Td 微分时间常数 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 3 2PD调节器 1 PD校正器 比例 微分校正 相当于超前校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 3 2PD调节器 机械控制工程第八章系统的性能校正 相位裕量增加 因为 c 0 稳定性提高 c增大 快速性提高 Kp 1时 系统的稳态性能没有变化 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 8 3 2PD调节器 机械控制工程第八章系统的性能校正 2 PD控制规律的实现 PD校正装置 8 3 2PD调节器 机械控制工程第八章系统的性能校正 近似PD校正装置 无源阻容网络 若 则 机械控制工程第八章系统的性能校正 采用上述阻容网络实现PD校正装置时 i的取值一方面受到超前校正装置物理结构的限制 另一方面 i太大 通过校正装置的信号幅值衰减太严重 一般取 i 20 故该阻容网络只能近似地实现PD控制 该网络通常也被称为实用微分校正电路 机械网络 机械控制工程第八章系统的性能校正 近似PD校正装置的特性 采用近似PD校正装置进行串联校正时 整个系统的开环增益将下降 i倍 为满足稳态精度的要求 必须提高放大器的增益予以补偿 若该增益衰减量已通过放大器进行了补偿 则近似PD校正装置的频率特性可写为 转折频率 机械控制工程第八章系统的性能校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 从Bode图可见 近似PD校正装置在整个频率范围内都产生相位超前 故也称之为相位超前校正 其超前的相位角为 令 可求出最大超前相角对应的频率 易见 在对数坐标中 则有 机械控制工程第八章系统的性能校正 即 m是两个转折频率 1和 2的几何中心 最大超前相角 相位超前校正装置具有高通滤波特性 i值过大对抑制系统高频噪声不利 因此 在选择 i值时 还需要考虑系统高频噪声的问题 为了保持较高的系统信噪比 通常选择 i 10左右较为适宜 此时 所能获得的最大相位超前角约为55 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 3 3PI调节器 相当于滞后校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 近似PI校正装置 对阻容网络 8 3 3PI调节器 相当于滞后校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 对机械网络 当 j 1时 近似PI校正装置的特性 其中 转折频率 机械控制工程第八章系统的性能校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 3 4PID调节器 相当于滞后 超前校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 3 4PID调节器 相当于滞后 超前校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 3 4PID调节器 相当于滞后 超前校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 8 3 4PID调节器 相当于滞后 超前校正 令 则其传递函数与无源阻容近似PID网络相同 机械控制工程第八章系统的性能校正 机械控制工程第八章系统的性能校正 由Bode图可见 近似PID校