自動(dòng)控制原理ch6

1、第第6 6章章 控制系統(tǒng)的校正控制系統(tǒng)的校正6-1 6-1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正問(wèn)題系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正問(wèn)題6-2 6-2 常用校正裝置及其特性常用校正裝置及其特性6-3 6-3 串聯(lián)校正串聯(lián)校正6-4 6-4 前饋校正前饋校正 學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理有兩大任務(wù)： 1、系統(tǒng)分析：已知模型 系統(tǒng)性能指標(biāo)（給系統(tǒng)一個(gè)評(píng)價(jià)） 2、系統(tǒng)校正：？分析系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析系統(tǒng)校正系統(tǒng)校正 對(duì)于許多實(shí)際的控制系統(tǒng)，僅通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的某一參數(shù)，無(wú)法兼顧提高系統(tǒng)的各方面性能，實(shí)際上系統(tǒng)性能指標(biāo)對(duì)于某一參數(shù)的依賴是相互矛盾的。因此，為改善系統(tǒng)的總體性能，我們往往要在系統(tǒng)中附加裝置，來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的校正，從而“迫使”系統(tǒng)的性能滿足

2、設(shè)計(jì)的要求。 從龍門刨床調(diào)速系統(tǒng)，歸納系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟： 1、由設(shè)計(jì)的要求確定被控對(duì)象和被控量； 2、按被控對(duì)象的工作條件及被控量的要求選定執(zhí)行元件； 3、根據(jù)被測(cè)信號(hào)的情況選擇合適的測(cè)量元件；4、在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)增益可調(diào)的放大元件。 1、2、3點(diǎn)即為系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)的固有特性。但是對(duì)于一個(gè)完整的系統(tǒng)，還需要加校正裝置。6-1 6-1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正問(wèn)題系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正問(wèn)題系統(tǒng)校正的定義：系統(tǒng)校正的定義： 被控對(duì)象確定后，根據(jù)要求的控制控制目標(biāo)目標(biāo)，對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程叫作系統(tǒng)校正。1 1、性能指標(biāo)、性能指標(biāo)2 2、系統(tǒng)帶寬的確定：、系統(tǒng)帶寬的確定：用什么校正？用什么校正？ 校正裝置校正裝置

3、為了改善系統(tǒng)性能，引入的為了改善系統(tǒng)性能，引入的附加裝置叫作校正裝置，也叫補(bǔ)償器；附加裝置叫作校正裝置，也叫補(bǔ)償器； 校正裝置可以是電氣的、機(jī)械的、氣動(dòng)的、校正裝置可以是電氣的、機(jī)械的、氣動(dòng)的、液壓的或其他形式的元件組成；液壓的或其他形式的元件組成； 電氣的校正裝置分為有源的和無(wú)源的兩種，電氣的校正裝置分為有源的和無(wú)源的兩種，應(yīng)用無(wú)源的校正裝置時(shí)，要考慮負(fù)載效應(yīng)。應(yīng)用無(wú)源的校正裝置時(shí)，要考慮負(fù)載效應(yīng)。為什么校正？為什么校正？ 閉環(huán)系統(tǒng)有自動(dòng)控制功能，在一定范圍內(nèi)可以通過(guò)調(diào)節(jié)增益改變系統(tǒng)性能，但有時(shí)不能滿足要求。3 3、校正方式：、校正方式：反饋校正反饋校正RY)(sH)(1sG)(2sG)(c

4、sG串聯(lián)校正串聯(lián)校正RY)(csG sG0 sH按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制 R s Y s E so( )G s R s Y s E sn( )G s N so( )G sr( )G sc( )G sc( )G s按參考輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制 方案選擇方案選擇 技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、可靠性等方面進(jìn)技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、可靠性等方面進(jìn)行全面比較，權(quán)衡利弊，得到方案。行全面比較，權(quán)衡利弊，得到方案。 提出合適的性能指標(biāo)，選擇測(cè)量元件、提出合適的性能指標(biāo)，選擇測(cè)量元件、執(zhí)行元件、放大器等。執(zhí)行元件、放大器等。系統(tǒng)開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能指標(biāo)密切相關(guān)，一般系統(tǒng)開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能指標(biāo)密切相關(guān)，一般可以將校正

5、問(wèn)題歸納為三類：可以將校正問(wèn)題歸納為三類：1 1、如果系統(tǒng)穩(wěn)定且有較滿意的暫態(tài)響應(yīng)，但穩(wěn)態(tài)、如果系統(tǒng)穩(wěn)定且有較滿意的暫態(tài)響應(yīng)，但穩(wěn)態(tài) 誤差太大，這就必須增加低頻段的增益來(lái)減小誤差太大，這就必須增加低頻段的增益來(lái)減小 穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)保持中、高頻特性不變；穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)保持中、高頻特性不變；2 2、如系統(tǒng)穩(wěn)定且有較滿意的誤差，但其動(dòng)態(tài)性能、如系統(tǒng)穩(wěn)定且有較滿意的誤差，但其動(dòng)態(tài)性能 較差，則應(yīng)改變系統(tǒng)的中頻段和高頻段，以改較差，則應(yīng)改變系統(tǒng)的中頻段和高頻段，以改 變系統(tǒng)的截止頻率和相角裕度；變系統(tǒng)的截止頻率和相角裕度；3 3、如果一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均不能令人滿、如果一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均不

6、能令人滿 意，就必須增加低頻增益，并改變中頻段和高意，就必須增加低頻增益，并改變中頻段和高 頻段。頻段。對(duì)應(yīng)上面三種情況的BODE圖：c）低中高頻段均改變 L b）改變高頻段 L a）改變低頻段 L 4、基本控制規(guī)律：、基本控制規(guī)律：例例 因此對(duì)系統(tǒng)校正的目的是使校正后開環(huán)因此對(duì)系統(tǒng)校正的目的是使校正后開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性具有期望的形狀，即對(duì)數(shù)幅頻特性具有期望的形狀，即 1 1、低頻段有足夠大的增益，以保證系統(tǒng)、低頻段有足夠大的增益，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度的要求；的穩(wěn)態(tài)精度的要求； 2 2、中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性過(guò)、中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性過(guò)0dB0dB線的斜率線的斜率為為-20dB/dec-20dB/dec

7、，并占據(jù)一定的頻帶寬度；，并占據(jù)一定的頻帶寬度； 3 3、高頻段增益盡快減小，即高頻段的斜、高頻段增益盡快減小，即高頻段的斜率比較大，一般要小于率比較大，一般要小于-40dB/dec,-40dB/dec,削減削減噪聲的影響。噪聲的影響。6-2 6-2 常用校正裝置及其特性常用校正裝置及其特性 無(wú)源超前校正網(wǎng)絡(luò)無(wú)源超前校正網(wǎng)絡(luò) 1R2RoEiEC其中其中， 1212122,1R R CRRTRRR oci1 11EsTsGsE sTs cc11TsGsGsTs 1 1、無(wú)源校正網(wǎng)絡(luò)：、無(wú)源校正網(wǎng)絡(luò)：（1 1）無(wú)源超前網(wǎng)絡(luò)）無(wú)源超前網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： 1/T1/Tj0超前校正環(huán)節(jié)的頻率特性超

8、前校正環(huán)節(jié)的頻率特性 ,Llg20decdB20221T11T12m00lg10mm超前網(wǎng)絡(luò) bode圖對(duì)數(shù)頻率特性為對(duì)數(shù)頻率特性為 : :c221(j )acrtan1TG Tm1Tm1arcsin1 m111lglglg2TT網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為 無(wú)源滯后校正網(wǎng)絡(luò) 1R2RoEiEC（2 2）無(wú)源滯后網(wǎng)絡(luò)）無(wú)源滯后網(wǎng)絡(luò) 滯后校正環(huán)節(jié)的BODE圖如圖所示： 由由BODEBODE圖得系統(tǒng)的最大滯后相角：圖得系統(tǒng)的最大滯后相角： 在第一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率后，對(duì)數(shù)特性的幅值和相角在第一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率后，對(duì)數(shù)特性的幅值和相角都為負(fù)值，因此作為校正環(huán)節(jié)使用時(shí)不僅可以都為負(fù)值，因此作為校正環(huán)節(jié)使用時(shí)不僅

9、可以增大系統(tǒng)的滯后相角，而且能減小在一定頻率增大系統(tǒng)的滯后相角，而且能減小在一定頻率范圍中的對(duì)數(shù)幅值。范圍中的對(duì)數(shù)幅值。bbm11)sin( 超前校正可以滿足將系統(tǒng)的上升時(shí)間和超調(diào)減少，但加大了系統(tǒng)的頻帶寬，使系統(tǒng)變得敏感，容易受噪聲影響； 相位滯后校正能減少系統(tǒng)的超調(diào)量提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但頻帶變窄，響應(yīng)速度變慢； 兼顧上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，可以產(chǎn)生滯后超前校正網(wǎng)絡(luò)。（3 3）無(wú)源滯后）無(wú)源滯后- -超前網(wǎng)絡(luò)超前網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)：網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)：1R2R2E1E1C2C 12121111TsaT sG sTsT s其中：1,1.1aa且且Frequency (rad/sec)Phase (de

10、g); Magnitude (dB)Bode Diagrams-20-15-10-50From: U(1)10-410-310-210-1100101102-50050To: Y(1) 校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線對(duì)比校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線對(duì)比 校正后系統(tǒng)的單位速度響應(yīng)曲線對(duì)比2、有源校正裝置-PID校正：傳遞函數(shù)為： sR sY)(0sGPKsKD sEI1K s IPDKGc sKK SS Frequency (rad/sec)Phase (deg); Magnitude (dB)Bode Diagrams51015202530From: U(1)10-1100101102-100-

11、50050100To: Y(1)ssssGc)1)(1 . 01 (2)(小結(jié) 超前校正利用網(wǎng)絡(luò)的相位超前特性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，而滯后校正實(shí)際上利用網(wǎng)絡(luò)幅值的高頻衰減特性； 滯后校正雖能改善系統(tǒng)的靜態(tài)精度，但使系統(tǒng)的頻帶變窄，響應(yīng)速度變慢；如果要求系統(tǒng)在校正后既有快速性又有穩(wěn)態(tài)精度，應(yīng)采用滯后超前校正； PID調(diào)節(jié)器是一種有源校正網(wǎng)絡(luò)，它獲得了廣泛的應(yīng)用，其整定方法要有所了解。6-3 串聯(lián)校正串聯(lián)校正1、頻率響應(yīng)法校正設(shè)計(jì)線性控制校正設(shè)計(jì)的主要方法有：（1）分析法：分析法也稱為試探法，它比較直觀，物理上易于實(shí)現(xiàn)。但要求設(shè)計(jì)者具有一定的工程經(jīng)驗(yàn)；（2）綜合法：綜合法也稱為期望特性法。這種設(shè)計(jì)是根據(jù)

12、閉環(huán)系統(tǒng)性能與開環(huán)系統(tǒng)特性密切相關(guān)這一概念出發(fā)，然后通過(guò)性能指標(biāo)確定的期望特性與原有（未校正系統(tǒng)）系統(tǒng)特性相比較，從而確定校正裝置的形式和參數(shù)。這種方法具有廣泛的理論意義，但是由于校正裝置的傳遞函數(shù)比較復(fù)雜，物理實(shí)現(xiàn)比較困難。 無(wú)論是采用分析法，還是綜合法設(shè)計(jì)校正裝置，常?？梢栽陬l域中進(jìn)行，或采用根軌跡法。而在頻域中進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是一種間接的方法，這是因?yàn)轭l域中設(shè)計(jì)滿足的指標(biāo)是頻域指標(biāo)，它與時(shí)域指標(biāo)只有間接關(guān)系。但這種方法比較便捷，易于掌握。2、串聯(lián)超前校正見(jiàn)p122注意：注意：超前校正環(huán)節(jié)不僅改變了超前校正環(huán)節(jié)不僅改變了BODEBODE圖的圖的相角曲線，而且改變了幅值曲線，使幅值相角曲線，而

13、且改變了幅值曲線，使幅值穿越頻率提高，在新的幅值穿越頻率上，穿越頻率提高，在新的幅值穿越頻率上，原系統(tǒng)的滯后相角就會(huì)增大，這就要求超原系統(tǒng)的滯后相角就會(huì)增大，這就要求超前校正裝置產(chǎn)生的相角要相應(yīng)的增大，為前校正裝置產(chǎn)生的相角要相應(yīng)的增大，為此設(shè)計(jì)超前相角增大到了此設(shè)計(jì)超前相角增大到了 。45 應(yīng)用超前校正的幾個(gè)限制條件：應(yīng)用超前校正的幾個(gè)限制條件：1 1、原系統(tǒng)穩(wěn)定；（否則需要的超前相角、原系統(tǒng)穩(wěn)定；（否則需要的超前相角大，噪聲對(duì)系統(tǒng)干擾嚴(yán)重，甚至可以導(dǎo)大，噪聲對(duì)系統(tǒng)干擾嚴(yán)重，甚至可以導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定）致系統(tǒng)不穩(wěn)定）2 2、原系統(tǒng)在穿越頻率附近相角迅速減小、原系統(tǒng)在穿越頻率附近相角迅速減小的系統(tǒng)

14、不適用該校正方法的系統(tǒng)不適用該校正方法 超前校正裝置對(duì)系統(tǒng)性能有如下影響：超前校正裝置對(duì)系統(tǒng)性能有如下影響：1 1、減少了開環(huán)頻率特性在幅值穿越頻率上的負(fù)、減少了開環(huán)頻率特性在幅值穿越頻率上的負(fù)斜率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；斜率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；2 2、減小了階躍響應(yīng)的超調(diào)量；、減小了階躍響應(yīng)的超調(diào)量；3 3、增加了開環(huán)頻率特性在幅值穿越頻率附近的、增加了開環(huán)頻率特性在幅值穿越頻率附近的正相角和相角裕度；正相角和相角裕度；4 4、提高了系統(tǒng)的頻帶寬度；、提高了系統(tǒng)的頻帶寬度；5 5、不影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；、不影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；上述內(nèi)容可以歸納為：兩少，兩高，一不變。上述內(nèi)容可以歸納為：兩少，

15、兩高，一不變?？偨Y(jié)：總結(jié)：1)1)超前校正原理：超前校正原理： 利用超前網(wǎng)絡(luò)的相角超前特性，使系統(tǒng)的截止頻率和相角利用超前網(wǎng)絡(luò)的相角超前特性，使系統(tǒng)的截止頻率和相角 裕度滿足性能指標(biāo)的要求，從而改善閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能裕度滿足性能指標(biāo)的要求，從而改善閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能2 2）適用對(duì)象：）適用對(duì)象： 超前校正主要應(yīng)用于原系統(tǒng)穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)性能已滿足要求而超前校正主要應(yīng)用于原系統(tǒng)穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)性能已滿足要求而 動(dòng)態(tài)性能較差的系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)性能較差的系統(tǒng)。3 3）缺點(diǎn)：）缺點(diǎn)：降低了系統(tǒng)的抗擾性能。降低了系統(tǒng)的抗擾性能。 3、串聯(lián)滯后校正滯后校正分析：滯后校正分析：利用滯后網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正對(duì)其性能有如下影響：利

16、用滯后網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正對(duì)其性能有如下影響：1 1、利用低通濾波器來(lái)改變幅值曲線低頻段的值，、利用低通濾波器來(lái)改變幅值曲線低頻段的值，使幅值穿越頻率減小，而在穿越頻率附近保持相頻使幅值穿越頻率減小，而在穿越頻率附近保持相頻特性不變；特性不變；2 2、低通濾波器對(duì)低頻信號(hào)具有較強(qiáng)的放大能力，、低通濾波器對(duì)低頻信號(hào)具有較強(qiáng)的放大能力，從而可以降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；從而可以降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；3 3、在穿越頻率處系統(tǒng)、在穿越頻率處系統(tǒng)-20dB/dec-20dB/dec過(guò)過(guò)0dB0dB線，諧振峰線，諧振峰值變小，穩(wěn)定性變好；值變小，穩(wěn)定性變好；4 4、穿越頻率減小，系統(tǒng)頻帶寬度減小，系統(tǒng)上升、穿越頻率

17、減小，系統(tǒng)頻帶寬度減小，系統(tǒng)上升時(shí)間加長(zhǎng)。時(shí)間加長(zhǎng)。 采用相位滯后網(wǎng)絡(luò)校正系統(tǒng)的步驟為：1、由對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差要求確定開環(huán)增益K；2、畫出未校正系統(tǒng)BODE圖；3、在未校正系統(tǒng)Bode圖中確定與要求的相角裕度對(duì)應(yīng)的頻率；4、計(jì)算上述頻率對(duì)應(yīng)的幅值，計(jì)算將其衰減到0需要的 。5、確定兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率：ac() 2010L a c111101aTsG saaTTs適用對(duì)象：適用對(duì)象：（1 1）原系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能已滿足要求）原系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能已滿足要求, ,而穩(wěn)態(tài)性能較差而穩(wěn)態(tài)性能較差（2 2）對(duì)系統(tǒng)快速性要求不高，而抗干擾性能要求較高）對(duì)系統(tǒng)快速性要求不高，而抗干擾性能要求較高 的系統(tǒng)；的系統(tǒng)；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：降低了系統(tǒng)的快速性降低了系統(tǒng)的快速性 4、串聯(lián)滯后-超前校正6-4 前饋校正 當(dāng)系統(tǒng)性能要求為時(shí)域特征量，為改善控制系統(tǒng)性能。除了采用上述方式外，還可以采用前置濾波器形成組合前置校正方式，可以獲得