机械工程控制基础课件-第六章.ppt

第六章控制系统的性能分析和校准，对于一个控制系统来说，其基本性能要求是稳定、准确、迅速的。 其他要求包括经济性、工艺性、体积、寿命等。 系统的分析和设计需要一定程度的实践经验。 本章只从控制的观点来讨论控制系统的统一和修正问题。 另外，如果已经给出系统的元件和参数，那么它能达到哪个指标，能满足要求的各项性能指标，这就是性能分析问题。 如果系统不能完全满足所要求的性能指标，可以考虑在原来选定的系统中追加必要的要素和环节，使系统能够完全满足所要求的性能指标。 这就是系统的综合和校正。 一、系统性能指标、校准一般概念、常用校准方法和分类二.相位超前校正、相位延迟校正、相位超前-延迟校正的基本特性及其频域设计方法3.PID调节器的基本特性和设计方法4 .正向反馈校正和反馈校正的基本特性。 本章的内容、6.1系统的性能指标、设计某个控制系统的目的是为了执行某个特定的任务。 控制系统分为受控对象和控制装置两部分，受控对象一确定，就可以向控制系统提出要求，通常用性能指标表示，这些指标总是与精度、相对稳定性和响应速度有关。 系统性能指标按其类型划分：时域性能指标：包括过渡性和稳定性性能指标；频域性能指标：不仅反映系统在频域的特性，而且难以求得当时域的性能。 首先使用频率特性实验来求出系统在频域中的动态性能，从而导出时域中的动态性能。 综合性能指标：考虑系统某些重要参数应如何取值，是系统得到某些最佳综合性能的测度。 即，如果取该性能指标的极值，则得到重要的参数值，这些参数值能够保证该综合性能为最佳。 6.1评估系统性能指标；以及时域性能指标：控制系统的优劣的性能指标通常由系统的典型输入和输出响应的特征统一规定。 例如，从单位步骤中的辅助衰减系统的时域指示符6.1系统的性能指示符一般而言，时域指示符是直观的以时域指示符的形式提出对该系统的要求。 二、频域性能指标： 1、开环频域指标：表示系统的中频特性，反映了系统的稳定性和快速性。6.1系统的性能指标、2、闭环频域指标：谐振峰值：再现频率、低频正弦输入信号的带宽(功率带宽)、闭环截止频率，从降低开始，在基于闭环带宽、频域特性的设计中，通常将时域指标变换成频域指标。 频域性能指示符与时域性能指示符之间存在一定关系，例如，与此相关。 当截止比恒定时，关系与截止频率成反比。 也就是说，带宽越宽，系统对输入信号的响应速度越高，因此I的响应速度比较高。 单位阶跃响应、的惯性、单位斜坡响应、三、综合性能指标(误差标准)目前使用的综合性能指标有很多种，简要介绍如下： 1、误差积分性能指标。 在理想的系统中，如果输入是步骤，输出也必须是步骤。 实际上，输入和输出之间存在误差，我们必须尽量使之有误差。 考虑到误差的总和，因为无过冲的步进响应和误差始终是单调变化的，所以可基于方程式来评估系统的总性能指标，除非、系统在步进输入处且在其过渡过程中没有过冲此外，如图示的框图，求出可使I最小的值。 解：从单位的负反馈是，如果系统过渡过程中存在过冲，则在积分之后不能反映整个过程中的误差量，因此应用上面的公式来计算I值，除非系统过渡过程中存在过冲2、误差均方积分性能指标：在系统以单位步进输入后，当其输出过渡过程中存在振动时，始终将误差均方积分作为系统的综合性能指标，即积分编号为均方项，因此正负不抵消，积分上限可以用足够大的时间t代替， 由于性能优化系统是上式积分极小的系统，分析和实验方法容易计算上式右边的积分，在实际应用时，采用该性能指标评价系统性能的优劣，是现代控制理论中的二次性能指标之一，也是阶跃响应和误差、误差均方、误差均方误差越大，其平方越大，影响越大，基于此指标设计的系统能够迅速减小大误差，但系统容易振动。 3、由于广义误差均方性能指标，给定的加权因子，优化系统将该性能指标归类为极小系统的指标特征在于，既不可能长期存在大的动态误差，也不可能长期存在大的误差变化率。 因此，根据这一规范设计的系统不仅过渡过程结束得快，过渡过程的变化也相对平稳。 取得：6.2系统的校正、性能指标通常由控制系统的用户提供。 具体系统应着重于指标的要求。 例如，调速系统对稳定性和稳定精度要求严格，跟踪系统对快速性的期待很高。 性能指标的提出是有根据的，不可脱离实际可能性。 例如，如果要求反应快，那么需要足够的能量供应系统和能量转换系统来确保运动部件具有相对好的加速度。 运动部件必须承受产生的离心载荷和惯性载荷等。 性能指标取决于系统的设计水平和过程水平。 此外，性能指标通常需要昂贵的组件，因此成本较高。 另一方面，一些性能指标的要求也常常矛盾。 例如，减小系统中的稳定误差可能降低系统的相对稳定性，并且系统可能变得不稳定。 在这种情况下，考虑哪些性能主要，根据需要首先满足的情况，可以采用折中方案，加上必要的修正，使两种性能都能部分满足。 另一方面，校准概念：校准(或补偿调整)是向系统添加新环节以改进系统性能的方法。 例如：图6.10.a，在图中用包围点，因此系统不稳定，改善：图中稳定，但是，不想追加新的环节，图中变化，不稳定地改变k，不增大ess，稳定，但相位裕度没有改善：没有变化，没有改善增加新环节，使曲线间产生正相移，例如图6.10.b，从频率法德的角度出发，增加新环节，主要改变系统的频率特性。 最终将对系统质量指示符的要求归结为对系统开环频率特性的要求。 系统设计的实质是使用校正器来整形系统的开环Bode图。要求、低频区域(wwc )表现系统的复杂性和噪声抑制性能，高频增益尽可能小，开环宽度的频率特性尽快衰减，减少高频噪声对系统的干扰。 如果现有高带宽满足要求，则可以在校准时不改变高带宽而简化校准设备。另外，通过添加具有系统精度、速度、稳定性、wc、2、校准的分类、校准或系统中某些典型环节特性的电网络、计算部件和测量设备等并通过这些环节的布置有效地改进整个系统的控制性能，这些附加的部分校准元件(或设备)通常是被动或主动的、串联校正反馈校正序列校正干扰校正、最常见的附加校正、图6.12串联校正和反馈校正的连接方式，6.3串联校正， 根据校正装置串联顺序、顺序、顺序、顺序、顺序、顺序、顺序、顺序、顺序、顺序、顺序、顺序、顺序、顺序、顺序、顺序、图6.13、校正前顺序、校正后顺序校正环节的性质， (1)增益调整(2)相位超前校正(3)相位延迟校正(4)有相位延迟-超前校正，其中增益调整的实现比较简单，增益的调整从Bode图上来看只是使对数振幅特性曲线上下移动，不能改变曲线的形状。 因此，仅调整增益量，往往不能很好地解决各指标间的相互制约的矛盾，必须附加修正装置。 另一方面，超相校正、图6.14RC超前链路、和图6.15超前链路的频率特性必须求出超相链路的最大相位超前量，以便充分发挥超相链路的超相作用。这样的简单的先行网络计费被设置在二级放大器之间，但是负载效应和增益损耗(01，由于负载效应的影响减弱了校正的作用，不易选择网络参数)、6.4PID校正、无源：由上述电阻元件构成的各种校正网络是被动的，其本身具有增益因此，在实际应用中，具备放大器和绝缘放大器，多用于简单的伺服系统。 有源：有源校正装置：系统调整要求高时，或者想自由调整校正环节的参数时，由高增益运算放大器和四端子网反馈构成。 由于运算放大器的增益较高，输入阻抗较大，因此，仅通过在其输入、输出上连接不同的输入阻抗和反馈阻抗，就容易得到各种性能的调节器。 有调节器、通常制作的PID调节器(比例Proportional-积分Integral-微分Derivativ调节器)。 起到“迟到”“前进”等各种补正的作用。 放大器具有同相()和反相(-)两个输入端子，一般在构成反馈线路时经常使用反相输入。 考虑到、运算放大器的增益，仅通过改变、Ef(s )和Er(s )就可以得到不同的有源修正装置，求出流过放大器的电流、输入阻抗、传递函数：例如有图6.24所示的调节器，输入阻抗：同，式中：式中：式被如下改写：PID，比例增益，积分时间常数微分时间常数，PID调节器，实际系统中经常采用的比例积分调节器(PI )，比例微分调节器(PD )和比例积分微分调节器(PID )，都是能动校正装置，一，比例积分调整器(PI )图6.25，其中：PI修正延迟相位，添加PI后，系统从o型I型开始，系统的稳定误差消除或减少，系统的稳定精度提高，但馀量减少，稳定度变差。 只有在稳定馀量足够大的情况下才能采用这种控制。 另一方面，在比例微分调节器(PD )的图6.27、中，明显地，PD校正前进相位，若采用PD控制，则相位馀量、稳定性得以提高，系统的迅速性得以提高。 因此，PD控制改进了系统的动态性能，但是微分操作容易降低高频噪声、高频增益和抗噪声能力，并因此经常利用高频噪声进行滤波。 三、比例积分微分调节器(PID )、当时PID调节器的图如左图6.29所示：图为备忘录P/162、图6.24、图6.29、PID调节器在低频发挥积分作用，在改善系统稳态性能的中频发挥微分作用，改善系统动态性能。与滞后-超前校正相比，PID调节器的功能在工业上由集成运算放大器生成的PID控制器能够简单地调节参数，在调节系统时方便，得到广泛应用。 PID稳压器的控制作用有以下几点：决定比例系数kp控制作用的强弱，动态响应速度上升，但kp过大会后动态质量变差，引起受控量的振动，闭环系统不稳定。 子比例调节加上积分控制，ess被消除，但系统的动态过程变慢，并且过度的积分作用引起系统的过冲，稳定性变差。 微分的控制作用与偏差的变化速度有关，微分的控制减少了过冲，克服了振动，使系统稳定，加快了系统的响应速度，减少了调整时间，改善了系统的动态性能，但是放大了噪声信号。 另外，如果采用6.5并行校正和并行校正，则不仅可以获得与串行校正相同的效果，而且还可以获得在串行校正中不能获得的特殊校正功能。