自动控制原理课件课件

1、关于自动控制原理课件第一页，共34页幻灯片 如果一个串联校正装置的频率特性具有负的相位角，就称为滞后校正装置。 111)(TsTssWc第二页，共34页幻灯片 第三页，共34页幻灯片 串联滞后网络对中高频特性具有衰减作用，使系统的开环穿越频率c 减小，从而增加系统的相位裕量，提高系统的相对稳定性；另外，高频段特性有所衰减，系统的抗干扰能力也增强了；但开环截止频率c的减小，暂态响应变慢。 （1）提高系统的相对稳定性，增强抗干扰能力，但暂态响应速度变慢。第四页，共34页幻灯片 第五页，共34页幻灯片 (2) 在不改变原系统暂态性能的前提下，提高系统的稳态精度。 若原系统的暂态性能满足要求，即具有合

2、适的相位裕量，而稳态精度却不符合要求。可见在系统设计时，把校正装置选在低频段、远离原系统的中频段，加入校正装置的目的只是增加系统低频段特性的高度(20lg) ，从而减小系统的稳态误差，提高系统的稳态精度。 第六页，共34页幻灯片 第七页，共34页幻灯片6-2.串联超前校正频率法滞后校正的步骤频率法滞后校正的步骤：)105()(00 0c0 c cT)(lg20lg201 . 01 ccjGT第八页，共34页幻灯片 ) 15 . 0)(1()(sssKsWk5)(lim00KssGKsv第九页，共34页幻灯片604020000-900-1800-2700-10.10.5125Lm(）（c) 第十

3、页，共34页幻灯片 621T00616. 01 . 01cT1162182.17)(sssGc第十一页，共34页幻灯片 特点网络 主要作用作用区域指标要求超前网络校正改善系统暂态指标特性中频段Kv （c）滞后网络校正改善系统稳态指标特性 低频段Kv（c）第十二页，共34页幻灯片 在工程实际中，了解校正装置的控制规律对选择校正装置及校正方式很有必要。一般包含校正装置在内的控制器常常采用的控制规律有比例、微分、积分等基本控制规律，或者采用这些基本控制规律的某些组合，如比例-微分、比例-积分、比例-积分-微分等组合控制规律。 线性系统的基本控制规律 附：第十三页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课

4、程 浙江工业大学自动化研究所145.1.1 控制系统的设计步骤控制系统的设计步骤（1）拟定性能指标）拟定性能指标（2）初步设计）初步设计1）根据设计任务和设计指标，初步确定比较合理的设计方案，）根据设计任务和设计指标，初步确定比较合理的设计方案， 选择系统的主要元部件，拟出控制系统的原理图。选择系统的主要元部件，拟出控制系统的原理图。2）建立所选元部件的数学模型，并进行初步的稳定性分析和动态性能分析。）建立所选元部件的数学模型，并进行初步的稳定性分析和动态性能分析。 一般来说，这时的系统虽然在原理上能够完成给定的任务，一般来说，这时的系统虽然在原理上能够完成给定的任务， 但系统的性能一般不能满

5、足要求的性能指标。但系统的性能一般不能满足要求的性能指标。 3）对于不满足性能指标的系统，可以在其中再加一些元件，）对于不满足性能指标的系统，可以在其中再加一些元件， 使系统达到给定的性能指标。使系统达到给定的性能指标。4）分析各种方案，选择最合适的方案。）分析各种方案，选择最合适的方案。 （3）原理试验）原理试验（4）样机生产）样机生产第十四页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所155.1.2 校正的概念校正的概念一个很自然的想法就是在已有系统中加入一些参数和结构可以调整的装置，一个很自然的想法就是在已有系统中加入一些参数和结构可以调整的装置，来改善系统特性。从

6、理论上来讲这是完全可以的，来改善系统特性。从理论上来讲这是完全可以的，因为加入了校正装置就改变了系统的传递函数，也就改变了系统的动态特性。因为加入了校正装置就改变了系统的传递函数，也就改变了系统的动态特性。校正就是在系统不可变部分的基础上，加入适当的校正元件，校正就是在系统不可变部分的基础上，加入适当的校正元件，使系统满足给定的性能指标。使系统满足给定的性能指标。初步设计出的系统一般来说是不满足性能指标要求的。初步设计出的系统一般来说是不满足性能指标要求的。第十五页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所16 串联校正串联校正)(sGc为校正环节的传递函数为校正环节的

7、传递函数。 sHsGsGs001校正前系统的闭环传递函数校正前系统的闭环传递函数 sHsGsGsGsGsccc001校正后系统的闭环传递函数为校正后系统的闭环传递函数为 第十六页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所175.1.3 5.1.3 校正方法校正方法确定了校正方案以后，下面的问题就是如何确定校正装置的确定了校正方案以后，下面的问题就是如何确定校正装置的结构和参数。目前主要有两大类校正方法：分析法与综合法。结构和参数。目前主要有两大类校正方法：分析法与综合法。分析法又称为试探法。这种方法是把校正装置归结为易于实现分析法又称为试探法。这种方法是把校正装置归结为

8、易于实现的几种类型。例如，超前校正、滞后校正、滞后的几种类型。例如，超前校正、滞后校正、滞后超前校正等，超前校正等，它们的结构是已知的，而参数可调。它们的结构是已知的，而参数可调。 综合法又称为期望特性法。它的基本思想是按照设计任务所综合法又称为期望特性法。它的基本思想是按照设计任务所要求的性能指标，构造期望的数学模型，然后选择校正装置要求的性能指标，构造期望的数学模型，然后选择校正装置的数学模型，使系统校正后的数学模型等于期望的数学模型的数学模型，使系统校正后的数学模型等于期望的数学模型。系统的校正可以在时域内进行，也可以在频域内进行。本章介绍系统的校正可以在时域内进行，也可以在频域内进行。

9、本章介绍频域设计方法。用频域法进行校正比较简单，但频域法的设计指频域设计方法。用频域法进行校正比较简单，但频域法的设计指标是间接指标。标是间接指标。 第十七页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所185.2.1 PID控制规律控制规律分析分析5.2 PID控制及其对系统性能的影响控制及其对系统性能的影响 dttdeTdtteTteKtuDIP)()(1)()(sKsKKsTsTKsEsUsGDIPDIPc1)11 ()()()(比例积分微分控制综合了比例积分控制和比例微分控制的优点。利用比例积分微分控制综合了比例积分控制和比例微分控制的优点。利用积分环节改善系统稳态

10、性能，利用比例微分环节改善系统动态性能。积分环节改善系统稳态性能，利用比例微分环节改善系统动态性能。 第十八页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所195.2.2 PID调节器调节器 输入电路输入电路 第十九页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所20串联校正综合法，它是根据给定的性能指标求出系统期望的开环频率特性，串联校正综合法，它是根据给定的性能指标求出系统期望的开环频率特性，然后与未校正系统的频率特性进行比较，最后确定系统校正装置的形式及参然后与未校正系统的频率特性进行比较，最后确定系统校正装置的形式及参数。综合法的主要依据是期望特

11、性，所以又称为期望特性法。数。综合法的主要依据是期望特性，所以又称为期望特性法。综合法的基本方法是按照设计任务所要求的性能指标，综合法的基本方法是按照设计任务所要求的性能指标，构造具有期望的控制性能的开环传递函数构造具有期望的控制性能的开环传递函数 )(sG然后确定校正装置的传递函数然后确定校正装置的传递函数 sGsGsGc0 0LLLc是满足给定性能指标的是满足给定性能指标的 “期望特性期望特性”。 L5.3 PID控制器的工程设计方法控制器的工程设计方法5.3.1 串联校正的综合法串联校正的综合法第二十页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所21串联校正综合法的

12、一般步骤如下：串联校正综合法的一般步骤如下：l绘制原系统的对数幅频特性曲线绘制原系统的对数幅频特性曲线 0Ll按要求的设计指标绘制期望特性曲线按要求的设计指标绘制期望特性曲线 Ll求得串联校正环节的对数幅频特性曲线求得串联校正环节的对数幅频特性曲线 l写出相应的传递函数；写出相应的传递函数； l确定具体的校正装置及参数。确定具体的校正装置及参数。从上面步骤可以看出期望特性法的关键是绘制期望特性。从上面步骤可以看出期望特性法的关键是绘制期望特性。第二十一页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所22在工程上，一般要求系统的期望特性符合下列要求：在工程上，一般要求系统的期

13、望特性符合下列要求：l对数幅频特性的中频段为对数幅频特性的中频段为 decdB20且有一定的宽度，保证系统的稳定性；且有一定的宽度，保证系统的稳定性；l截止频率截止频率c应尽可能大一些，以保证系统的快速性；应尽可能大一些，以保证系统的快速性；l低频段具有较高的增益，以保证稳态精度；低频段具有较高的增益，以保证稳态精度；l高频段应衰减快，以保证抗干扰能力。高频段应衰减快，以保证抗干扰能力。满足上述要求的模型有很多，通常取一些结构较简单的模型。例如二满足上述要求的模型有很多，通常取一些结构较简单的模型。例如二阶、三阶模型等。阶、三阶模型等。 第二十二页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江

14、工业大学自动化研究所23 5.3.2 按最佳二阶系统设计按最佳二阶系统设计)2()(2nnsssG110212TTKnnnnTK21210典型二阶系统典型二阶系统 第二十三页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所24在典型二阶系统中，在典型二阶系统中， 707. 0%3 . 4% p05 .65这时兼顾了快速性和相对稳定性能，所以，通常把这时兼顾了快速性和相对稳定性能，所以，通常把 707. 0的典型二阶系统称为的典型二阶系统称为“最佳二阶系统最佳二阶系统”。 对于最佳二阶系统，对于最佳二阶系统， 1021TK最佳二阶系统的开环传递函数为最佳二阶系统的开环传递函数为

15、 ) 1(2111sTsTsG（1）被控对象为一阶惯性环节）被控对象为一阶惯性环节 1110sTKsG 取最佳二阶模型为期望模型，其时间常数与被控对象的时间常数相同，取最佳二阶模型为期望模型，其时间常数与被控对象的时间常数相同， sTKsGsGsGc11021一般按最佳二阶模型来设计系统。一般按最佳二阶模型来设计系统。第二十四页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所25（2）被控对象为两个惯性环节串联）被控对象为两个惯性环节串联 1121210sTsTKKsG12TT 时间常数与被控对象中较小的时间常数相同时间常数与被控对象中较小的时间常数相同 sTTKKTsTKK

16、sTsGsGsGc212121212011221)(可见，应采用可见，应采用PI调节器，调节器参数应整定为调节器，调节器参数应整定为12122TKKTKP2TTI第二十五页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所26（3）被控对象为三个惯性环节串联）被控对象为三个惯性环节串联31213213210,111)(TTTTsTsTsTKKKsG时间常数与对象的最小的一个时间常数相同时间常数与对象的最小的一个时间常数相同 sTKKKsTsTsGc132132211)(可见，应可见，应采用采用PIDPID调节器调节器，调节器参数应整定为，调节器参数应整定为32323213213

17、2,2TTTTTTTTTKKKTTKDIP第二十六页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所27（4）被控对象由若干小惯性环节组成）被控对象由若干小惯性环节组成 11122110 sTKsTKsTKsGnn这时，可用一个较大惯性的惯性环节来近似，即令这时，可用一个较大惯性的惯性环节来近似，即令 10TsKsGnnKKKKTTTT 2121; KTssGsGsGc210（5）被控对象含有积分环节）被控对象含有积分环节 1110sTsKsG 1121TKsGc第二十七页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所285.3.3 按典型三阶系统设计按典

18、型三阶系统设计 具有最佳频比的典型三阶模型具有最佳频比的典型三阶模型 2112TTh为中频宽度。由于中频段对系统的动态性能为中频宽度。由于中频段对系统的动态性能起决定性作用，所以，起决定性作用，所以，h是一个重要参数。是一个重要参数。 具有具有“最佳频比最佳频比”的典型三阶模型的典型三阶模型122hhc211hc具有最佳频比的典型三阶模型为具有最佳频比的典型三阶模型为 1121222222sTsshTThhsG考虑到参考输入和扰动输入两方面的性能指标，通常取中频宽度考虑到参考输入和扰动输入两方面的性能指标，通常取中频宽度5h 第二十八页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动

19、化研究所291）被控对象为）被控对象为 1220sTsKsG shThTKhsGsGsGc22201121应采用应采用PI调节器，其参数整定为调节器，其参数整定为222;21hTTThKhKIp2）当被控对象为）当被控对象为 32322011TTsTsTsKsG sThTThTsThTKThThThsGsGsGc32323222223201121 应应采用采用PIDPID调节器调节器，其参数整定为，其参数整定为3232,32222232,21ThTThTTThTTKThThThKDIP第二十九页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所302 . 具有最大相角裕度的典型三阶模型具有最大相角裕度的典型三阶模型 典型三阶模型的相角裕度为典型三阶模型的相角裕度为2-11-1tgtgTTcc0Kc调整调整，即改变，即改变使使取得最大值取得最大值 22121011ThTThh21tg1 -maxhhThhK22221001具有最大相角裕度的典型三阶模型为具有最大相角裕度的典型三阶模型为 1122222sTsThhshTsG第三十页，共34页幻灯片自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所315.4 Simulink在控制系统仿真中的应用在控制系统仿真中的应用