自动控制原理第六PPT课件

.,1,6-1、系统的设计和校正问题,本章讨论控制系统的设计方法,主要是在系统中加入一些机构和装置，使系统满足设计要求。主要讨论频率法校正和复合校正。,一、校正的作用举例：研究下述例子，可知校正的基本原理。设单位反馈系统的开环传递函数为：,要求控制该过程在单位斜坡输入时，系统的稳态误差不超过1%。,.,2,解：由稳态误差要求，可得K必须大于100：,另一方面，利用Routh判据，其闭环特征方程为:,Routh表,可知系统稳定的条件是0，使积分I部分发生在系统低频段，而使微分D部分发生在系统中频段，以改善系统动态性能。,其中:,.,21,6-2、常用校正装置及特性,一.无源校正1.超前网络,不计负载效应，可得：,.,22,若Gc(s)引入，开环增益要下降为原来的1/a，若这1/a由开环中其他增益所补偿，则有,.,23,其频率特性为：在(1,2)输出信号比输入信号超前(相角)。,超前网络的相角为,求最大超前相角，,.,24,a,m(非线性关系)一般a不超过20，m=650，在m处的对数幅值Lc(m)=20lg|aGc()|=10lga,.,25,(1)通过相角超前特性提高系统的和c,从而减小%和ts%.改善动态性能.(2)无源时使开环增益下降a倍,需其他部分提高放大倍数以使增益不变.(3)抗高频干扰不强,适用于系统满足稳态精度要求,噪声电平不高,但%,ts不满足要求时的系统校正.,超前装置的特点和作用:,.,26,2.迟后网络,.,27,从Bode图中可以看出，迟后网络不影响低频有用信号而抑制高频噪声,采用迟后网络校正，主要是利用其幅值衰减特性,以降低系统的开环截止频率，提高相角裕度。应避免最大迟后相角发生在校正后的开环截止频率c”附近。,.,28,迟后网络当取1/bT=c”对开环频率特性的幅值有利影响和相角不利影响见p229图6-15。bT愈大，即1/bT愈离c”远，对c”处的相角影响愈小。,.,29,3.迟后超前网络,可选择R,c的值,使分母具有两个不相等的负实根,从而得出:,.,30,可由此画出迟后-超前部分的Bode图.,迟后-超前网络相当于带阻滤波器,使a,b频段信号有所衰减,表6-1表示了多种形式的无源校正网络。,.,31,二有源校正网络,在实际应用中,广泛采用无源校正网络，但无源网络的一个很大的缺点是负载效应问题。,为克服负载效应问题,及有时要放大增益,就有必要引入有源校正。,有源校正,主要用运放为主要器件，如：,运放分析主要注(1)虚地(2)零电流输入,.,32,三.PID控制器,P257,.,33,6-3串联校正,一.频率响应法校正设计,要求:满足系统静、动态性能.即稳态误差,截止频率和相角裕度.,.,34,步骤：(1)根据稳态误差要求，确定开环增益K。(2)计算未校正系统的相角裕度。(3)根据(或设定试探)c”的要求，计算超前网络的参数a和T。,二.串联超前校正,要点：利用超前环节的相位超前特性,使交接频率1/aT和1/T位于穿越频率的两旁，用m来补偿系统的相位裕量。,c”的选定，一方面要根据系统响应速度来确定，也要根据相角裕度等综合考虑。,.,35,显然，要产生最大的相角补偿m，应使m=c”设原来校正系统为L()则有:,(4)校验校正后相角裕量”。,若不满足要求，重选m=c”，使c”增大，重复(3)(4)，若算出a0，则超前校正已无能为力，需另选它法。,.,36,例6-3.如下系统,要求ess0.1(在单位斜坡输入下),开环截止频率c”4.4rad/s,相角裕度”450,幅值裕度h”10dB,试设计超前网络.,画出对数Bode图.L()由图中可得未校正系统的c=3.1(rad/s),其相角裕量为:,.,37,显然,该系统幅值裕量为.,.,38,此时,未校正系统在c”的相角裕量为:,.,39,串联超前校正的局限性：,1、由于串联超前网络会使c”比原c增大，当需补偿相角超前量过大时，会使a取的很大，c”过高，对于有些系统克服高频噪声不利。,2、对于固有系统频率特性在截止频率相角迅速减小系统，不宜用超前校正。,.,40,三、串联迟后校正,要点：迟后校正是利用迟后网络的较高频率衰减特性，使已校正的系统截止频率下降，从而使系统获得足够的相角裕度。应使迟后校正发生在较低频段，使系统幅频特性早过0dB。,步骤:,(1)根据稳态误差要求，确定K；,(2)画出固有系统对数频率特性，确定其c,和h。,(3)选择不同的c”,计算不同的值，绘制(c”)曲线;,(4)根据相角裕度”要求，选择已校正系统的截止频率c”。,.,41,考虑到迟后网络在c”会产生一定的相角迟后c(c”),(5)确定迟后参数b和T，(T要考虑实现可能),(6)验算已校正系统的幅值裕度和相角裕度。,.,42,例6-4、如图，要求静态速度误差系数不小于30，幅值裕度不小于10dB，相角裕度不小于400，截止频率不小于2.3rad/s,.,43,.,44,说明未校正系统不稳定，此系统即为截止频率处相角迅速减小的情况，不宜采用超前校正。,.,45,为较为精确的确定幅值裕度,此时应试算出g”，即校正后的()过1800时的值，试算得c”=6.8rad/s。求得幅相裕度为14dB，符合要求。,(1)迟后校正利用的是迟后网络的较高频率衰减特性，应注意1/bT离c”足够远(10倍)，以减少其相角迟后的影响。,(2)在现实中，若T过大，往往实现较为困难。,.,46,串联迟后与串联超前的异同：,相同点：提高系统稳态特性，同时增大相角裕度。,异同点：(1)超前利用相角超前特性。迟后利用幅值高频衰减特性。(2)无源网络中，超前需附加增益，迟后不需要附加增益。(3)超前带宽大于迟后校正带宽。,.,47,四.串联迟后超前环节,基本原理:利用超前部分增加系统相角裕度,利用迟后部分改善稳态性能.,步骤:,(1)根据稳态性能要求确定开环增益K,(2)绘制未校正系统L(),求出c,及h.,(3)选择斜率从-20dB/dec变为-40dB/dec的交接频率作为校正网络超前部分b;以保证-20dB/dec过0dB线且具有足够宽度.,(4)选择c”和校正衰减因子1/a,使,.,48,(5)根据相角裕度要求,估算迟后部分的交接频率a,(6)校验,要求设计校正装置,满足下列性能指标:(1)当输入为1800时,迟后误差不超过10(2)相角裕度为45030.(3)幅值裕度不低于10dB(4)过度过程调节时间ts3s,.,49,采用迟后超前校正,.,50,考虑到-20dB/dec,c”应在3.26内选取,取c”=3.5rad/s,.,51,因此,可算得a=50.迟后-超前网络的传递函数为:,事实上,也可以直接按已经将Tb=1/2的分子上因子已将将分母上约为计算:,.,52,已校正的传递函数和频率特性为:,利用向角裕度要求来确定a,.,53,故可得校正网络传递函数为:,已校正系统传递函数为:,经校验,”=45.50,h”=27dB符合要求.,.,54,五.串联综合校正,综合法,即是确定理想开环频率特性,扣除固有特性,即得校正环节特性.,设有理想的开环传递函数为