自动控制原理 第6章.ppt

1、第六章 线性系统的校正方法,6.1 系统的设计与校正问题 6.2 常用校正装置及其特性 6.3 串联校正 6.4 反馈校正 6.5 复合校正 6.6 控制系统校正设计,第六章 线性系统的校正方法,6.1 系统的设计与校正问题,一、校正： 在系统中加入一些机构和装置（其参数可以根据需要而改变），使系统特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。,性能指标：评价系统性能优劣的一些数据。,时域指标 频域指标,中频段,三频段理论,高频段,低频段,对应性能,希望形状,L(w),系统抗高频干扰的能力,开环增益 K,系统型别 v,稳态误差,截止频率,相角裕度,动态性能,陡，高,缓，宽,低，陡,频段,三频段理论

2、：为我们改变系统频率特性，进而改善系统性能提供了原则和方向。,2.反馈 校正,3. 复合校正,按输入前馈补偿的复合控制 按干扰前馈补偿的复合控制,校正方法: 分析法 (analyzing method) 综合法 (synthesizing method),综合法(希望特性法): 根据性能指标确定希望开环频率特性 将希望特性与系统原有部分特性比较 确定校正方式和校正装置参数,分析法(试探法): 确定校正方式 选择一种校正装置,算出参数 验算性能指标直到满足要求,8,三、基本控制规律,(1) 比例(P)控制,作用：提高了系统开环增益；减小系统的稳态误差，提高了系统的控制精度。 缺点：降低了系统的相

3、对稳定性,(2) 比例-微分(PD)控制,作用：增加原系统的阻尼，改善系统的稳定性；增加一个开环零点，使系统动态性能得到改善。,例6-1 控制系统如下。试分析控制器采用P或PD对系统性能的影响。,Kp(1+s),_,E(s),C(s),GC(s),R(s),1.P控制,2. PD控制,特征方程为 Js2+Kp=0，阻尼比为零， 阶跃响应为等幅振荡，系统临界稳定。,特征方程为 Js2+Kps+ Kp=0，,Kp,系统阻尼比为 ，系统稳定。,阻尼比的大小可通过改变参数Kp和来调整。,微分控制只对动态过程起作用，对稳态过程没有影响。 微分通常与其他控制器结合，构成PD或PID控制器。,作用：增加原系

4、统的阻尼，改善系统的穏定性；增加一个开环零点，使系统动态性能得到改善。,(3) 积分(I)控制,作用：增加原系统的型号，提高系统的稳态性能。 缺点：增加了一个原点的开环极点，对系统的稳定性不利。,(4) 比例-积分(PI)控制,特点： 增加的极点可提高系统的型号，减小或消除稳态误差； 负实零点可增加系统阻尼，克服PI对系统稳定性及动态过程产生的不利影响。,(5) 比例-积分-微分 (PID) 控制,相应的传递函数为,输入输出关系：,6.2 常用校正装置及其特性,一、无源校正装置,超前网络的传函：,为补偿衰减，需串接一放大器。补偿后：,由三角公式：,超前网络特性, 超前网络特点：相角超前，幅值增

5、加 一级超前网络最大超前角为60 最有效的,滞后网络的传函：,作用：采用滞后网络校正，主要是利用其高频幅值衰减的特性，应力求避免最大滞后角发生在校正后系统的开环截止频率附近。,串联滞后 - 超前校正,(1) 滞后-超前网络特性,(2)滞后-超前网络特性,超前部分,滞后部分,滞后-超前网络特点： 幅值衰减，相角超前,二、有源校正装置,串联超前校正的原理：,利用超前网络的相角超前特性。 要点：,6-3 串联校正,一、超前校正,（2）闭环系统的稳态性能可由选择开环增益来保证。,27,由给定的相位裕量值,计算超前校正装置提供的相位超前量,是用于补偿因超前补偿装置的引入，使系统截止频率增大而引起的相角滞

6、后量。,值通常是这样估计的：如果未补偿系统的开环对数幅频特性在截止频率处的斜率为-40dB/dec，一般取,如果为-60dB/dec则取,29,确定补偿网络的转折频率,画出补偿后系统的伯德图，并计算相位裕度是否满足要求？如果不满足，则需增大,31,确定开环增益K,稳态误差的要求,画出未补偿系统的伯德图,并求,未补偿系统的开环对数幅频特性在截止频率处的斜率为,-40dB/dec,-60dB/dec,求未补偿系统幅值为-10lga处的频率,满足要求？,结束,Y,N,(2) 串联超前校正 实质 利用超前网络相角超前特性提高系统的相角裕度,超前校正步骤 (设给定指标 ), 确定, 作图设计,例1 设控

7、制系统如下图所示。,若要求系统在单位斜坡输入信号作用时, 稳态误差ess0.1， 开环系统截止频率wc4.4 (弧度秒)， 相角裕度g 45, 幅值裕度h(dB) 10 。 试选择串联无源超前网络的参数。,当系统的K值取为10时，可以满足稳态误差要求，则未校系统的传递函数为,算出未校正系统相角裕度,首先调整开环增益K 本例未校正系统为型系统，所以有,40,30,20,10,0,10,20,30,1,0.1,0.2,0.3,0.5,2,3,计算超前网络参数，并确定已校正系统的开环传函,验算,两个转角频率：,未校正时,40,30,20,10,0,10,20,30,1,0.1,0.2,0.3,0.5

8、,2,3,选择无源超前网络的元件值,选C=4.7f,校正后开环传函,例2,要求系统的速度误差系数Kv =20，相角裕量50， 幅值裕量10db。设计串联校正装置。,解 ：（1）调整K 满足稳态误差要求,设单位反馈系统开环传函为,（2）画bode图,20lg20=26db,40,30,20,10,0,10,20,30,20,10,1,2,4,5,20,100,40,(3)为获得 的相角裕量，校正装置应提供超前相角,原有相角裕量,附加角度,（4）,（5）验算,40,30,20,10,0,10,20,30,20,10,1,2,4,5,20,100,40,串联超前校正小节：,原系统不稳定，a必须较大，

9、使闭环带宽要求过大，抗干扰能力下降,（1）可以提高系统的相对稳定性 （2）可以加快系统的响应速度 （3）应用超前校正时，必须指出适用范围,二、滞后校正,适用于：响应速度要求不高，而稳态性能、抗干扰能力要求较高时。,基本原理： 利用滞后网络的高频幅值衰减特性，使截止频率下降，从而获得足够的相位裕度。 注意：滞后网络的最大滞后角应避免发生在系统截止频率附近。,设系统为单位反馈最小相位系统，迟后校正网络设计步骤： （1）根据稳态误差要求，确定开环增益K； （2）利用已确定的开环增益，绘制未校正系统的对数频率特性 ，确定截止频率 、相角裕度 和幅值裕度 ； （3）选择不同的 ，计算或查出不同的 ，在伯

10、德图上绘制 曲线； （4）根据相角裕度 要求，选择已校正系统的截止频率 ；考虑迟后网络相位影响后的相角裕度,（5）确定迟后网络参数b和T：,(2) 串联滞后校正 实质 利用迟后网络幅值衰减特性挖掘系统自身的相角储备,迟后校正步骤 (设给定指标 ), 作图设计, 绘制曲线,例3 控制系统如下：,要求校正后系统的静态速度误差系数等于30秒-1 , 相角裕度不低于40，幅值裕度不小于10分贝 , 剪切频率wc不小于2.3(弧度秒)。,解：,(1) 根据静态速度误差系数要求，确定开环增益K,(2)根据画出的对数特性图算出,40,60,20,0,20,40,0.1,5,10,1,0.1,10,0,1,2

11、0lg30=29.5db,而wc值可在2.32.7范围内任取，不妨取2.7,（3）根据相位裕度要求，确定校正后,两个转角频率为0.024和0.27。,校正网络,（5）验算,校正后,R=-20lg0.197=14db10db,0.024,0.27,2.7,0.024,0.27,6.8,图96016！,串联超前校正与串联滞后校正的区别,超前校正利用超前网络相角超前特性， 滞后校正利用滞后网络的高频幅值衰减特性；,为了满足严格的稳态性能要求,在采用无源校正网络时,超前校正要求一定的附加增益,而滞后校正不需要,对于同一系统,采用超前校正的系统带宽大于采用滞后校正系统的带宽,3.串联迟后-超前校正 当未

12、校正系统不稳定，系统指标既要考虑稳态性能和动态性能指标（响应速度、相位裕度）时，仅用一种校正方式难以实现，这时可考虑串联迟后-超前校正装置。 串联迟后-超前校正设计步骤： （1）根据稳态性能确定开环增益K； （2）绘制未校正系统的对数幅频特性，求未校正系统的截止频率、相角裕度、幅值裕度 （3）确定超前网络的交接频率 ：在未校正系统对数幅频特性上选择 -20dB/dec 变为 -40dB/dec的交接频率作为,（4）由响应速度选择截止频率 和校正网络衰减因子,（5）根据相角裕度要求，估算校正网络迟后部分的交接频率 （6）校验,由未校正系统对数幅频特性的-20dB/dec的延长线在 处的值确定。,

13、20,40,68,计算：,6-4 反馈校正,适用于：（1）控制系统随工作条件改变，其中一些参数 可能变动的幅度较大； （2）在该系统中能取出适当的反馈信号,一、反馈校正的原理,G2c,特点：.能抑制被包围部分 G2内部参数变化 .抑制外部作用于G2上的干扰影响,用频率法设计反馈校正装置时：,（1）首先使内环稳定；,校正装置不起作用,频域分析法小结（1）,自动控制原理45章测验题,一. 单项选择题 ( 在每小题的四个备选答案中，选出一个正确的答案，将其题号写入题干的内，每小题1分，共12分 ),频域分析法小结（2）,频域分析法小结（4）,频域分析法小结（5）,频域分析法小结（6）,11.已知单位反馈系统的开环传递函数为,，当输入信号是,时，系统的稳态误差是( ) A、 0 B、 C、 10 D、 20,12.若某最小相位系统的相角裕度 0，则下列说法正确的是 ( )。 A、不稳定； B、只有当幅值裕度 时才稳定； C、稳定； D、不能判用相角裕度判断系统的稳定性。,C,D,频域分析法小结（8）,1.已知开环系统的幅相特性