9-模拟控制系统

9.1模拟控制系统的组成9.2控制系统的稳态特性分析9.3控制系统动态特性分析9.4控制系统稳定性分析9.5控制系统特性的补偿9.6过程控制系统,第九章模拟控制系统,9.1模拟控制系统的组成,典型结构（负反馈系统）,由电子装置构成，接受控制指令并放大到足以推动执行器工作,接受控制器的信号并输出足够大功率以驱动控制对象的工作,系统部件，其传递特性是系统的重要参数,检测控制对象的工作状态，并反馈到系统输入端,被控对象受模拟信号驱动和控制的系统，又称连续控制系统,比较控制指令和检测信息，并输出调节信号,电动机的传递特性：,ux=3V,n=3000rpm,uf=0.001n,F=0.001,ue=ux-uf,0,=0,1,w1w0产生增幅振荡,j=180时，|GF|1,系统稳定,PM,GM,增益裕度GM,相角裕度PM,稳定裕度,临界稳定,2)奈奎斯特方法（幅相图）,不稳定,临界,稳定,以极坐标的形式在复平面上绘出系统的GF(j)随频率变化的图形,j=180时，|GF|1,PM,GM,增益裕度GM,相角裕度PM,3)稳定裕度,PM=180-,x,GM=20lg(1/x),GM和PM越大，系统稳定性品质越高,F(s),G(s),例：分析系统的稳定性,F(s),G(s),例：分析系统的稳定性,采用波特图法或奈奎斯特图法进行稳定性分析,9.5控制系统特性的补偿,1补偿环节与原系统环节的关系,原系统环路增益,G(s)F(s)=GKGzF,补偿后系统环路增益,G(s)F(s)=（GKGzF）Gb,G,传递函数,控制要求,信号流图,传递函数,稳态特性分析动态特性分析,稳态误差动态时间响应频率响应稳定性指标,提高系统品质,对控制系统特性的修正通过在控制回路中增加补偿环节来实现,2基本补偿环节,1)比例环节,改变稳态增益,不改变响应时间、带宽,稳态精度、稳定裕度,电阻分压器（无源）,1,2)微分环节,改善了环路增益、幅值、相角,高通滤波器,拓展高频特性增强输出信号高频成分加快响应时间,（RdCd很小）,信号中高频成分越强则波形越陡峭,3)积分环节,（RiCi很大）,改善了环路增益、幅值、相角,低通滤波器,拓展低频特性削弱输出信号高频成分响应时间放慢,信号中低频成分越强则波形越平缓,9.6过程控制系统,被控对象在一个连续的时间段内完成某项任务需要一个过程,被控对象：温度、压力、流量、液位等,特点：1.被控量随时间连续变化2.多参数，参数变化缓慢，具有惯性，易出现扰动,对工业生产过程实施控制的系统称为过程控制系统,分类：,离散连续,模拟数字模拟数字混合,x,一、主要类型,1.单回路控制（单参数控制）,控制单元,传感/变送器,广义对象,特点：,一个被控量、一个控制量、单反馈闭环,2.多回路控制（多参数控制、串级控制）,优点：,调节范围大、响应时间短、频率响应好、稳定性高,K,3.比值控制,1)单闭环定比值控制系统,系统稳定时e=,采用相同变送器,可实现Q2按既定比例跟随Q1变化,0,给定量（主参数）,副参数,2)双环定比值控制系统,1.增强了主流量Q1的抗干扰能力和平稳性，从而提高了副流量参数Q2的闭环控制效果,优点：,2.可以方便地根据生产工艺要求改变主流量Q1，并保持副流量Q2按既定比例自动调节,系统稳定时,e1=0，e2=0,3)双闭环变比值控制系统,特点：,1.内环实现比值控制，外环实现生产过程控制,2.对参量Q2具有自动调节能力，而对主流量Q1不具有自动调节能力,3.主流量Q1与副流量Q2的比值与系统的输出有关,内环稳定时,二、控制策略,1.传统的PID控制策略,特点：1.只能控制单一的过程参数2.稳定性品质好3.控制精度不高,一般应用在扰动较小、系统滞后不大，对控制质量要求不太高的工业生产过程。,比例项直接反映系统偏差的大小,使执行器的控制与偏差量有关,微分项与系统偏差的变化率成正比,反映的是偏差的变化趋势,使控制器通过执行器对系统的偏差进行抑制,从而加速系统的调解过程,改善系统的动态性能,积分项使得系统偏差修正为0.系统偏差的变化率不再变化后,控制器的输出是一个常量,系统就是在这个常量的控制下维持稳态运行,即PID控制策略中的积分环节能够实现控制系统静态无偏.,x(t),1)在t=0时刻,e=X,e=0,u=kX,控制量u较大,y(t)从迅速增加向缓慢增长过渡,2)在0t1期间,因为y(t)迅速增加,所以e(t)迅速减小,e0,由于y0，,在t1时刻,e=0,e最小,最大,控制量u最大,y迅速增加,设给定x(t)=X1(t),y(0)=0,忽略执行器的动作时间,e(t)=x(t)-y(t),设给定X=X1(t)，y(0)=0，忽略执行器的动作时间,e(t)=x(t)-y(t),4)在t2t3期间,y回调,e0,减小,控制量u减小,3)在t1t2期间,因为y(t)迅速增加,所以e(t)迅速减小,eX,所以e0，,在t2时刻,e=0,e最小,最大,减小,y(t)达到最大值,t1,t2,t3,0,2.干扰补偿策略复合控制,检测输出,出现偏差,自动调节,+前馈控制,检测干扰,出现偏差前,消除（削弱）偏差,（反馈控制+前馈控制）,(滞后),反馈控制,设计依据：前馈系统对于干扰信号的传递特性为0，即抵消干扰的影响,3.滞后补偿策略,1).重组PID控制器,微分先行,中间反馈,利用提前的较大微分量来加强对输出超调量的抑制,增加了