工程控制原理 第七（1）讲稿.ppt

1、第六章 控制系统的综合与校正 一、概述,一个控制系统由控制器和被控对象两大部分组成，当被控对象确定后，对系统的设计实际上归结为对控制器的设计，这项工作称为对控制系统的校正。,前面几章讨论了控制系统几种基本分析方法。掌握了这些基本方法，就可以对控制系统进行定性分析和定量计算。,本章讨论另一命题，即如何根据系统预先给定的性能指标，设计一个能满足性能要求的控制系统。,在实际过程中，既要理论指导，也要重视实践经验，往往还要配合许多局部和整体的试验。所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。,目前，工业技术界多习惯采用频率法，

2、故通常通过近似公式进行两种指标的互换。,控制系统的性能指标：,时域指标,稳态： 型次、稳态误差,动态： 超调、调整时间等,频域指标,开环频率、闭环带宽、谐振峰值、谐振频率,幅值（相位）穿越频率、幅值裕度和相位裕度,一、系统的时城和频域性能要求 系统的性能指标按其类型可分为： 时域性能指标，它包括瞬态性能指标和稳态 性能指标。 频域性能指标，它不仅反映系统在频域方面 的特性，而且，当时域性能 无法求得时，可先用频率特 性实验来求得该系统在频域 中的动态性能，再由此推出 时域中的动态性能。,1、时域性能指标 1）瞬态性能指标 系统的瞬态性能指标一般是在单位阶跃输入下，由输出的过渡过程所给出的。通常

3、采用下列性能指标：,二、二阶系统频域指标与时域指标的关系,谐振频率,带宽频率,截止频率,相位裕度,谐振峰值,超调量,调节时间,公式：,时、频指标间的关系：,（1）最大超调量Mp与谐振峰值Mr的关系：,（2）峰值时间、调整时间与谐振频率的关系,（3）,当阻尼比一定时，,所以：带宽表证了系统的响应速度，还表示了 系统对高频噪声的滤波特性,三、频率特性曲线与系统性能的关系：,由于开环频率特性与闭环系统的时间响应密切相关， 了解它们之间的关系很有必要。,一般将系统开环频率特性的幅值穿越频率 看成是系统响应的中心频率,中频段：在 附近的频率区,低频段：,高频段：,由上可得出：,低频段：表证闭环系统的稳态

4、特性 中频段：表证闭环系统的动态特性及稳定性 高频段：表证闭环系统的复杂性,理想的开环频率特性：,低频段：低频段增益充分大，保证稳态误差； 中频段：在 附近，斜率等于-20dB/dec， 可占据充分宽的频带，使之具有适当 的相位裕量。 高频段：高频段的增益尽快减小，以便使噪声 影响减到最小。,第一节 系统校正概述 自动控制系统是由控制器及被控对象组成。 系统分析是对现有控制系统的控制器和被控对象作定量的了解和分析，得出现有系统的稳定性、稳态特性和瞬态性能。 系统设计是根据被控对象的参数及控制系统的任务和要求，确定控制系统的结构，合理选择执行机构、功率放大器、检测元件等组成控制系统。经过安装调试

5、和运行，结果： （1）全面满足所提出的性能指标；（2）不满足某些性能指标的要求。 例如:不稳定或稳态、暂态响应指标性能不足。必须通过调整系统的参数或增加新的环节使性能得到改善。仅靠调整参数使系统满足工程上的要求是困难的。,系统校正：在系统原有结构上增加新的环节以 改善系统性能的方法。 校正装置:为改善系统性能所增加的环节。 校正的实质是在原有系统中增加合适的校正装 置，引进新的零点、极点以改变原 系统Bode图的形状，使其满足系统 性能指标要求。 例： 系统的极点s=-1 给系统加校正 校正后系统传函：,第二节 校正方法和校正装置 根据校正装置在原系统中的位置，校正可分为多种形式。最常见的有串

6、联校正和并联反馈校正。 串联校正：校正装置 串联在前向通道中。,串联校正的特点：结构简单，实现（有源校正网络或无源校正网络）容易，参数调整方便，安装于低功率位置. 串联校正按校正环节 的性质可分为： 1 增益调整； 2 相位超前校正； 3 相位滞后校正； 4 相位滞后超前。,3.16,一、增益校正,增益扩大后，频宽加宽了，响应速度加快了，但由于相频特性曲线不受增益影响变化的影响，此时系统的幅值裕量和相位裕量都比原来减少了。,增益校正对稳态特性、稳定性、快速性都有影响。,二、相位超前校正装置 因相位超前校正装置具有微分特性，也称为微分校正。无源网络和有源网络均可实现超前校正。,特征：（1）在 产

7、生 最大的超前相角 （2）在 之间曲线斜率为20dB/dec, 可增大系统的,相频特性：,对数频率特性：,20lga,1/T,1/aT,w,L(w)/dB,求两端转角频率的中点（即几何中心）：,例2 设单位负反馈系统，开环传递函数为,解：校正前,当加一串联网络 后 试比较校正前、后系统性能的变化。,校正后： （1） 故系统的快速性增加。 （2） 系统的相对稳定性增加； （3）由于系统的增益和型次都未改变，故稳态精度未提高,校正后的系统传递函数,注意：选择相位超前校正环节的两个转角频率应位于幅值交界频率的两侧。,三、相位滞后校正网络,其中,低通滤波器：低频通过，高频衰减。,滞后校正的作用并不在于

8、使原系统的相位滞后，而是要降低原系统在高频段的幅值，使幅值交界频率左移，从而获得充分的相位裕量。,举例：设单位反馈控制系统的开环传递函数为,试比较串联校正装置 后，系统性能的变化。,解：,校正后： （1） 故系统的快速性变慢。 （2） 系统的相对稳定性增加；,注意：滞后校正环节的转折频率 和 均应设置在远离幅值交界，靠近低频段的位置,三、相位滞后超前网络：,超前,滞后,带阻滤波器,带阻滤波器,校正后系统开环幅频特性的一般形状： （1）低频段增益充分大，保证稳态误差的要求； （2） 中频段幅频特性斜率为 -20dB/dec ，而 且有足够的频带宽度，保证适当的相角 裕度； （3）高频段增益尽快减

9、小，尽可能地削弱噪声 的影响。,串联超前校正和串联滞后校正的比较： （1）超前校正：利用相位超前特性； 迟后校正：利用高频段幅值衰减特性 （2）超前校正：要附加放大倍数；否则不能提高精度。 迟后校正：不需要附加放大倍数 （3）超前校正：截止频率提高，系统动态特性好； 迟后校正：截止频率降低，系统响应变慢。,6-6 串联PID调节器,PID调节器具有性能优良、调节方便的优点，并有成 品出售，因此在过程控制中得到广泛应用。PID调节器的 方程为：,传递函数为：,当Td=0时，上式变为PI调节器,当1/Ti=0时，上式变为PD调节器,PProportional I-Integral D-Differ

10、ential,PID校正器,（1）比例（P）控制律,（a）P控制器,(b) PD控制器,（2）比例-微分（PD）控制律,提高系统开环增益，减小系统稳态误差，但会降低系统的相对稳定性。,PD控制律中的微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼，从而改善系统的稳定性。在串联校正时，可使系统增加一个,的开环零点，使系统的相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改善。,具有积分比例-积分控制规律的控制器，称为PI控制器。,PI控制器,输出信号,同时与其输入信号及输入信号的积分成比例。,为可调比例系数,开环极点，提高型别，减小稳态误差。,（3）比例-积分（PI）控制规律

11、,为可调积分时间系数,PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。,（4）比例（PID）控制规律,具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称为PID控制器。,如果,PID控制器,2 并联校正：将校正环节与前向通道的某些环 节并接以改善系统的性能。 并联反馈的特点： 信号从高功率点向低功率点传递，常采用无源校正。用于改善被包围环节的特性，抑制参数波动及非线性因素等对系统性能的影响。,反馈校正,校正装置,顺馈校正,顺馈校正（或称顺馈补偿）按补偿信号的不同,一般可以分为按输入校正和按干扰校正两种方式，如图所示。无论采用何种补偿方式，都是一种开环校正方式，不会改变闭环系统的特性。因此，此种校正对系统的稳定

12、性没有什么影响。通过顺馈校正，可以补偿原系统的误差。特点：在干扰引起的误差之前就对它进行补偿，以便及时消除干扰的影响。,6-4 反馈校正,反馈校正原理与特点,若对系统主要动态范围内,若有,这表明反馈校正特性与未校正系统的特性是一样的。为此，适当选择反馈校正装置的结构和参数可以达到使校正后的系统具有所期望的频率特性。,反馈校正的特点： （1）削弱反馈回路内的非线性的影响。 （2）减少系统的时间常数。 （3）降低系统对参数变化的灵敏度。,二、顺馈校正 前面讨论的闭环反馈控制，控制作用由误差产生，是利用误差来减少误差，最后消除误差的过程。因此从原理上讲，误差是不可避免的。如果采用补偿的方法，使作用于系统的信号除误差以外，还引入与输入或扰