机械工程控制基础-第5章.ppt

,5.2基本控制规律,5.3串联校正,5.4反馈校正,5.5顺馈校正与复合控制系统,5.1系统综合与校正概述,5.1系统综合与校正概述,5.1.1系统设计指标,5.1.2系统设计的一般过程和系统校正的基本概念,系统稳定性、响应速度、稳态精度等品质特性的量化指标要求，这些量化指标要求是系统设计的依据和技术约束条件。,1静态设计,系统设计的第一项工作就是确定组成系统的基本元件和结构及其数学模型和性能参数。,2动态设计,一般来说，由静态设计确定的不可变部分只是系统的一个雏形，其技术性能是不能满足设计指标要求的。因此必须对其进行改造，使其不足得到补偿和校正。补偿校正的办法一是调整原有结构参数，二是引进补偿装置（即校正装置）。,（1）校正方式,串联校正,2动态设计,（1）校正方式,串联校正,校正元件,2动态设计,（1）校正方式,校正元件,反馈（并联）校正,2动态设计,（1）校正方式,校正元件,顺馈（前馈）校正,补偿原理性误差引起的控制精度之不足,主控制通道主反馈回路,含校正装置的开环控制通道,复合控制系统,2动态设计,（1）校正方式,校正元件,顺馈（前馈）校正,补偿由扰动作用引起的控制精度之不足,复合控制系统,2动态设计,（2）校正装置,按幅频特性来划分，可将校正装置分为有源校正装置（对信号有增益作用）和无源校正装置（对信号无增益作用）两大类型,按相频特性来划分，可将校正装置分为相位超前、相位滞后及相位滞后超前三大类型,5.2基本控制规律,1比例（P）控制律,用比例控制律来进行系统校正，可提高系统的开环增益，从而可提高系统的控制精度，但同时会使系统的稳定性裕量减小，甚至可能导致系统失去稳定。因此，比例控制律一般不单独使用,5.2基本控制规律,2比例微分（PD）控制律,5.2基本控制规律,2比例微分（PD）控制律,用PD控制律进行系统校正，可有效改善系统的动态性能,例,校正作用使不稳定系统变为稳定系统，增益交界频率也比校正前增大,校正前,校正后,5.2基本控制规律,3积分（I）控制律,5.2基本控制规律,3积分（I）控制律,用I控制律进行系统校正，可提高系统的无差度，从而可消除或减小稳态误差，改善系统的稳态性能，但同时也给系统增加了一个开环0极点，使系统开环产生,的相位滞后量，,从而将导致相位裕量减小，相对稳定性下降,5.2基本控制规律,3积分（I）控制律,例,型,型,校正前,校正后,不稳定,5.2基本控制规律,4比例积分（PI）控制律,例,型,型,校正前,校正后,可稳定,用PI控制律进行系统校正，可在保证系统稳定性不受影响的情况下，改善系统的稳态性能,5.2基本控制规律,5比例积分微分（PID）控制律,主导作用PI控制律,主导作用PD控制律,PID控制律兼有PI和PD两种控制律的作用，能同时改善系统的稳态和动态性能。,5.3串联校正,基本公式,5.3串联校正,5.3.1串联超前校正,（1）有源超前校正电网络,比例系数,分度系数,时间常数,（1）有源超前校正电网络,（1）有源超前校正电网络,（1）有源超前校正电网络,频率特性具有PD控制律的特征，不仅能提供超前相位，还能提供增益，从而能同时增大系统相位裕量和增益交界频率,5.3串联校正,5.3.1串联超前校正,（2）无源超前校正电网络,比例系数,分度系数,时间常数,5.3串联校正,5.3.1串联超前校正,（2）无源超前校正电网络,无源超前校正特性,有源超前校正特性,有源校正装置的校正作用可用无源校正装置辅之以附加放大器（或增大未校正系统开环增益）来实现,5.3串联校正,5.3.1串联超前校正,（3）串联超前校正的校正作用,利用有源校正装置（或无源装置另附加放大器）的相位超前特性和高频幅值增益特性同时增大相位裕量和提高响应速度。,位于校正后系统的增益交界频率,附近。,直接利用相位超前特性来增大相位裕量,为充分利用相位超前角，应使最大相位超前角频率,5.3串联校正,5.3.1串联超前校正,例,参数K0为可调节参数，要求校正后系统速度误差系数等于20(s1)，相位裕量不小于50o,解：,1静态计算,（1）确定参数K0,K0=10,（2）绘制未校正系统的开环对数频率曲线图,2动态计算,（1）预选超前校正装置的最大相位超前角度,5.3串联校正,2动态计算,（1）预选超前校正装置的最大相位超前角度,一般取,依据未校正系统相频曲线在,的邻近频段下降的快慢,程度凭估计而定,2动态计算,（2）确定超前校正装置的特征参数及传递函数,计算分度系数,确定最大相位超前角度,所在频率,和时间常数T,5.3串联校正,2动态计算,（2）确定超前校正装置的特征参数及传递函数,计算分度系数,确定最大相位超前角度,所在频率,和时间常数T,（3）验证,是否满足要求,5.3串联校正,5.3.1串联超前校正,K0=4.2X1042,（4）选择具体的校正电网络,选无源超前校正网络并同时调整K0的值,校正前,校正后,校正装置,5.3串联校正,5.3.2串联滞后校正,（1）有源滞后校正电网络,比例系数,分度系数,时间常数,（1）有源滞后校正电网络,（1）有源滞后电网络,频率特性具有具有PI控制律的特征，其校正作用主要是改善系统稳态性能,5.3串联校正,5.3.2串联滞后校正,（2）无源滞后校正电网络,比例系数,分度系数,时间常数,5.3串联校正,5.3.2串联滞后校正,（2）无源滞后校正电网络,无源滞后校正装置和附加放大器二者相串联的综合校正作用等效于有源滞后校正装置的校正作用,通常,取10左右,无源滞后校正特性,有源滞后校正特性,有源校正装置的校正作用可用无源校正装置辅之以附加放大器（或增大未校正系统开环增益）来实现,5.3串联校正,5.3.2串联滞后校正,（3）串联滞后校正的校正作用,把无源滞后校正装置直接串联于系统前向通路，可提高系统的相对稳定性但同时将使响应速度变慢。这种校正作用的实现靠的是无源滞后装置的高频幅值衰减特性,为防止滞后装置的相位滞后角引起相位裕量减小，滞后装置转折频率,=,须远小于校正后系统的增益交界频率,串联滞后校正适用于动态品质好但稳态精度差、或者稳态精度和稳定性均差但对快速性要求不高的系统校正,用有源滞后校正装置（或无源滞后校正装置另附加放大器）实施串联滞后校正可提高系统稳态精度而不致动态品质变坏。这种校正作用主要是利用校正装置低频幅频特性大于高频幅频特性这一特点来实现的,5.3串联校正,5.3.2串联滞后校正,例,参数K0为可调节参数，要求校正后系统,解：,1静态计算,（1）确定参数K,（2）绘制未校正系统的开环对数频率曲线图,2动态计算,（1）预选校正后系统的增益交界频率,现选,（2）确定滞后装置特征参数及传递函数,选择滞后装置转角频率,确定时间常数T,无源滞后网络,确定分度系数,5.3串联校正,（3）验证,是否满足要求,5.3串联校正,5.3.2串联滞后校正,校正前,校正后,校正装置,5.3串联校正,5.3.4串联校正综合法,希望对数幅频曲线的绘制方法,（1）低频段曲线按给定的稳态精度设计指标确定,（2）中频段曲线为使校正后系统具有足够的相对稳定性裕量，中频段斜率须取,，上下延伸覆盖的频程长度,应适当大。,通常，中频段上下转角频率可依据,并考虑未校正系统开环对数幅频曲线适当确定。,（3）高频段曲线一般与未校正系统的高频段相重合，至少它们的斜率应当相同,（4）低、中频段衔接频段斜率与这两段的斜率相差,（5）中、高频段衔接频段斜率取,或,5.3串联校正,例,解：,1静态计算,（1）确定参数K,5.3.4串联校正综合法,（1）绘制未校正系统的开环对数频率曲线图,2动态计算,（1）绘制希望对数幅频曲线,低频段曲线按给定的稳态精度设计指标确定,中频段曲线斜率取,高频段曲线与未校正系统的高频段相重合,低、中频段衔接频段斜率与这两段的斜率相差,中、高频段衔接频段与未校正系统的高频段相重合,希望对数幅频率曲线,（2）确定校正装置传递函数,校正装置的对数幅频曲线,（3）验证,是否满足要求,5.3串联校正,（4）选择具体的校正装置,校正装置,5.3.4串联校正综合法,5.4反馈校正,【要点1】比例反馈校正可减小时间常数、提高反应速度,5.4.1反馈校正作用,5.4反馈校正,【要点1】比例反馈校正可减小时间常数、提高反应速度,5.4.1反馈校正作用,5.4反馈校正,【要点2】反馈校正可减小系统某些参数变化对控制作用的影响,5.4.1反馈校正作用,假定,中的参数随系统工况的变化而变化,5.4反馈校正,5.4.1反馈校正作用,【要点3】反馈校正可消除系统中某些环节的不良特性，代之以期望特性,5.4反馈校正,5.4.1反馈校正作用,【要点4】对放大环节实施比例正反馈校正可极大地提高系统增益,5.5顺馈校正与复合控制系统,按输入补偿的复合控制,按扰动补偿的复合控制,5.5顺馈校正与复合控制系统,5.5.1按输入补偿的复合控制原理,校正前,校正后,校正前后系统的特征方程没有改变，但误差改变了,补偿装置只改变系统的控制精度而不改变稳定性！,5.5顺馈校正与复合控制系统,5.5.1按输入补偿的复合控制原理,校正后,1完全补偿,校正前后特征方程