第16讲(电气及其自动化专业)

1、第第6 6章章 控制系统设计与校正控制系统设计与校正问题1：设计问题设计问题：根据给定被控对象和自动控制：根据给定被控对象和自动控制的技术要求，的技术要求，单独进行控制器设计单独进行控制器设计，使控制，使控制器与被控对象组成的系统能较好地完成自动器与被控对象组成的系统能较好地完成自动控制任务。控制任务。校正问题：一种原理性的局部设计校正问题：一种原理性的局部设计。在系。在系统的基本部分（通常指对象、执行机构、统的基本部分（通常指对象、执行机构、测量元件等主要部件）已确定的条件下，测量元件等主要部件）已确定的条件下，设计校正装置的传函和调整系统放大倍数，设计校正装置的传函和调整系统放大倍数，使系

2、统动态性能满足一定的要求。使系统动态性能满足一定的要求。问题2：控制系统的性能指标：控制系统的性能指标：（1）时域性能指标）时域性能指标（2）频域性能指标）频域性能指标（3）综合性能指标（自学）综合性能指标（自学）特例：211arctan2nrt21nptnst43%10021eMp42222242424221121212412241nbrnrncMarctg212N问题3：一个具体系统对指标的要求应有所侧重一个具体系统对指标的要求应有所侧重:调速系统对平稳性和稳态精度要求严格；调速系统对平稳性和稳态精度要求严格；随动系统对快速性期望很高。随动系统对快速性期望很高。性能指标的提出要有依据，不能

3、脱离实际性能指标的提出要有依据，不能脱离实际负载能力的约束；负载能力的约束；能源功率的约束等。能源功率的约束等。性能指标通常由控制系统的使用单位或被性能指标通常由控制系统的使用单位或被控对象的制造单位提出。控对象的制造单位提出。问题4：4种方式串联校正反馈校正前置校正扰动补偿校正问题5：本质：校正装置的控制规律？校正装置中最常用的是校正装置中最常用的是PID控制规律控制规律。PID控制是比例积控制是比例积分微分控制的简称。在科学技术特别是电子计算机迅速分微分控制的简称。在科学技术特别是电子计算机迅速发展的今天，涌现出许多新的控制方法，但发展的今天，涌现出许多新的控制方法，但PID由于它由于它自

4、身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制规律。自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制规律。优点优点：(1) 原理简单，使用方便；原理简单，使用方便；(2) 适应性强；适应性强；(3) 鲁棒性强。鲁棒性强。sKsKKsGDIPc)(比例（比例（P P）控制作用）控制作用PcKsG)(0)()(1)(0sHsGKsDP比例控制器系统传递函数发生变化比例（比例（P P）控制作用）控制作用特点：特点：1. 比例控制器实质上是一个具有比例控制器实质上是一个具有可调增益的放大器可调增益的放大器。在信号。在信号变换过程中，比例控制器只改变信号的增益而不影响其相变换过程中，比例控制器只改变信号的增益而不影响其

5、相位。位。2. 在串联校正中，加大控制器增益在串联校正中，加大控制器增益Kp，可以提高系统的开环，可以提高系统的开环增益，增益，减小系统的稳态误差减小系统的稳态误差，同时系统的，同时系统的幅值穿越频率幅值穿越频率 会变大会变大，系统的过渡时间缩短，系统的快速性提高系统的过渡时间缩短，系统的快速性提高；但会；但会降低系统的相对稳定性降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。，甚至可能造成闭环系统不稳定。3. 在系统校正设计中，在系统校正设计中，很少单独使用比例控制很少单独使用比例控制规律。规律。c比例微分（比例微分（PDPD）控制作用）控制作用比例微分控制器系统传递函数发生变化sKKsG

6、DPc)()2()()()()(20nDPncsssKKsGsGsG比例微分（比例微分（PDPD）控制作用）控制作用特点：特点：1. 微分控制反映输入信号的变化率，能给出系统提前制动的微分控制反映输入信号的变化率，能给出系统提前制动的信号，所以信号，所以微分控制实质上是一种预见型控制微分控制实质上是一种预见型控制，它的显著，它的显著特点是具有特点是具有超前作用超前作用。2. 在比例微分作用下，在比例微分作用下，系统的幅值穿越频率系统的幅值穿越频率 变大，系统变大，系统快速性提高快速性提高；同时，；同时，系统的相角裕量增大，系统的稳定性系统的相角裕量增大，系统的稳定性提高提高；但是，；但是，高频

7、段增益上升，可能降低系统的抗干扰能高频段增益上升，可能降低系统的抗干扰能力力。 3. 微分控制在任何情况下微分控制在任何情况下不能单独地与被控对象串联使用不能单独地与被控对象串联使用，而只能构成而只能构成PD或或PID控制。控制。4. 微分控制有微分控制有放大噪声信号的缺点放大噪声信号的缺点。c例例1 设比例设比例微分控制系统如图所示，试分析微分控制系统如图所示，试分析PD控制器对控制器对系统性能的影响。系统性能的影响。 比例微分控制系统比例微分控制系统n解 无PD控制器时，系统的特征方程为 显然，系统的阻尼比等于零，系统处于临界稳定状态，即实际上的不稳定状态。接入PD控制器后，系统的特征方程

8、为 其阻尼比 因此闭环系统是稳定的。210Js 20pdpJsK T sK02pdKTJ积分（积分（I I）控制作用）控制作用积分控制器sKsGIc)(特点：特点：1. 由于积分控制器的积分作用，由于积分控制器的积分作用，当输入信号消失后，输出信号有当输入信号消失后，输出信号有可能是一个不为零的常量可能是一个不为零的常量。2.2.在串联校正时，采用积分控制在串联校正时，采用积分控制器可以器可以提高系统的型别提高系统的型别（无差（无差度），有利于系统度），有利于系统稳态性能的提稳态性能的提高高3.3.积分控制使系统增加了一个位积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号于原点的开环极点，使

9、信号产生产生9090的相角滞后的相角滞后，对系统的，对系统的稳定稳定性不利性不利比例积分（比例积分（PIPI）控制作用）控制作用比例积分控制器sKKsKsKKsGpIpIpc)/()(特点：特点：PI控制器相当于在系统中增加一个位于控制器相当于在系统中增加一个位于原点的开环极点原点的开环极点，同时也增加了一个，同时也增加了一个位于位于s左半平面的开环零点左半平面的开环零点。增加系统型号，提高系统的稳态性能增加系统型号，提高系统的稳态性能满足一定的动态性能在实际控制系统中，在实际控制系统中，PI控制器主控制器主要用来改善系统稳态性能。要用来改善系统稳态性能。例2 设比例积分控制系统如图所示，试分

10、析设比例积分控制系统如图所示，试分析PI控制器对系控制器对系统稳态性能的改善作用统稳态性能的改善作用 比例积分控制系统n解：未接入PI控制器之前320iipipTT sT sKK T sKKipiipTKK TTTKK特征方程KsTssD2)(0, 0KT系统稳定接入PI控制器后，特征方程TTi系统稳定比例积分微分（比例积分微分（PIDPID）控制作用）控制作用比例积分微分控制器sKsKKsGDIpc)(实际工业中实际工业中PID控制器的传递函数为控制器的传递函数为)111 ()(sKTsTsTKsGDDDIPcPDDKKTIPIKKT比例积分微分（比例积分微分（PIDPID）控制作用）控制作

11、用比例积分微分控制器sKsKKsGDIpc)(实际工业中实际工业中PID控制器的传递函数为控制器的传递函数为)111 ()(sKTsTsTKsGDDDIPcPDDKKTIPIKKT比例积分微分（比例积分微分（PIDPID）控制作用）控制作用特点：特点：1. 利用利用PID控制器进行串联校正时，除可使系统的控制器进行串联校正时，除可使系统的型型別別提高一级提高一级外，还外，还将提供将提供两个负实零点两个负实零点。与。与PI控制器相比，控制器相比，PID控制器除了同样具有提控制器除了同样具有提高系统的稳态性能的优点外，高系统的稳态性能的优点外，还多提供一个负实零点还多提供一个负实零点，从而在提高系

12、，从而在提高系统的动态性能方面，统的动态性能方面，具有更大的优越性具有更大的优越性。2. 在工业过程控制系统中，广泛使用在工业过程控制系统中，广泛使用PID控制器。控制器。PID控制器各部分参数控制器各部分参数的选择，的选择，将在现场调试时最后确定将在现场调试时最后确定。3. 在在低频段低频段，PID控制器通过控制器通过积分控制作用，提高了系统的型号，改善积分控制作用，提高了系统的型号，改善了系统的稳态性能了系统的稳态性能；中频段中频段，PID控制器通过控制器通过微分控制作用，幅值穿微分控制作用，幅值穿越频率变大，系统的过渡过程时间缩短，系统的快速性提高，系统的越频率变大，系统的过渡过程时间缩

13、短，系统的快速性提高，系统的相角裕量增大，系统稳定性提高，全面有效地提高了系统的动态性能。相角裕量增大，系统稳定性提高，全面有效地提高了系统的动态性能。问题6：问题7：有！其中一种就是无源电路元件构成的无源网络有！其中一种就是无源电路元件构成的无源网络无源超前校正装置无源超前校正装置RC超前网络超前网络传递函数：传递函数：11)()()(121212120 CsRRRRCsRRRRsUsUsGic令令)1(212 aRRR CR1 11)( sssGc 无源超前校正装置无源超前校正装置11)( sssGc 采用无源相位超前校正装置时，采用无源相位超前校正装置时，系统的开环增益要下降系统的开环增

14、益要下降a倍倍，为了补偿超，为了补偿超前网络带来的幅值衰减，通常在采用无源前网络带来的幅值衰减，通常在采用无源RC超前校正装置的同时超前校正装置的同时串入一串入一个放大倍数个放大倍数Kc=1/a的放大器的放大器。超前校正网络加放大器后，校正装置的传递。超前校正网络加放大器后，校正装置的传递函数函数11)( sssGc 11)( sjsjjGc 无源超前校正装置无源超前校正装置相频曲线具有正相角，即网络的稳态输出在相位上超前于相频曲线具有正相角，即网络的稳态输出在相位上超前于输入，故称为超前校正网络输入，故称为超前校正网络超前相角：超前相角： arctgarctgc )(最大超前相角最大超前相角

15、： 11arcsinmmm sin1sin1 初始点：初始点：dBLc0)(011)( sssGc 终点：终点：dBLc lg20)(几何中心点：几何中心点：dBLmcm lg10)(1无源超前校正装置无源超前校正装置11)( sssGc 特点：特点：1.最大超前相角仅与最大超前相角仅与a值有关，值有关，a越越小，输出信号的相位超前越大。小，输出信号的相位超前越大。2.超前相位装置是一个高通滤波器。超前相位装置是一个高通滤波器。无源滞后校正装置无源滞后校正装置RC滞后网络滞后网络传递函数：传递函数：令令11)()()(222120 CsRRRRCsRsUsUsGic1221RRRCR2 11)

16、( sssGc 11)( jjjGc无源滞后校正装置无源滞后校正装置11)( sssGc 相频曲线具有负相角，这表明，网络在正弦信号作相频曲线具有负相角，这表明，网络在正弦信号作用下的稳态输出在相位上滞后于输入，故称为滞后用下的稳态输出在相位上滞后于输入，故称为滞后网络。网络。最大滞后相角及对应频率最大滞后相角及对应频率 1 m11arcsin m无源滞后校正装置无源滞后校正装置11)( sssGc 特点：特点：从对数频率特性看，从对数频率特性看，滞后校正装滞后校正装置是一个低通滤波器置是一个低通滤波器，且，且值愈值愈大，抑制高频噪声的能力愈强，大，抑制高频噪声的能力愈强，滞后校正装置主要是利用其高频滞后校正装置主要是利用其高频衰减特性衰减特性。对于高精度，而快速。对于高精度，而快速性要求不高的系统常采用滞后校性要求不高的系统常采用滞后校正，如恒温控制等。正，如恒温控制等。 无源滞后无源滞后-超前校正装置超前校正装置RC滞后滞后-超前网络超前网络传递函数：传递函数：令令sCRsC