自動控制原理-第章(“系統(tǒng)”文檔)共64張

第六章自動控制系統(tǒng)的設計與校正6.1系統(tǒng)設計的設計步驟1.根據用戶提出的性能目的和被控對象的詳細任務環(huán)境，根據條件進展調研、查閱技術資料，確定合理的設計目的，作為設計的根據。2.初步確定控制方案，如是用計算機控制還是普通的模擬控制，驅動方式是采用電動的還是液壓氣動的，完成系統(tǒng)的職能方框圖，寫出可行性方案論證報告。3.詳細進展設計根據初步確定的合理的設計目的進展總體設計，合理地設計或選擇元部件，尤其是對丈量元件的選擇要給予充分的留意。組成系統(tǒng)后．進展動、靜態(tài)分析計算，同時進展計算機仿真。假設不符合目的要求，那么要進展校正，使其滿足目的要求。4．實驗室原理性實驗根據詳細設計，在實驗室建造系統(tǒng)的原型機，并進展實驗。按照實驗的結果調正改系統(tǒng)九部件中的有關參數，排除缺點，進一步完善詳細設計。5．提交樣機經過技術鑒定在實驗室實驗的根底上．思索到實踐的運用條件進展樣機消費。再經過對樣機的實驗考核，鑒定其能否全面滿足設計目的，根本符合后才可決議小批量消費。經過實踐運用的考驗，最后才干經過技術鑒定，投入小批量消費，進展定點實踐運用。調理時間ts超調量%穩(wěn)態(tài)誤差ess靜態(tài)位置誤差系數Kp靜態(tài)速度誤差系數Kv靜態(tài)加速度誤差系數Ka一、時域目的6.2性能目的與系統(tǒng)設計的根本思緒二、頻域目的:1．閉環(huán)頻域目的峰值Mr峰值頻率r頻帶b2．開環(huán)頻域目的截止頻率(穿越頻率)c相穩(wěn)定裕度模穩(wěn)定裕度Lh三、各項目的的關系四、系統(tǒng)帶寬的選擇五、校正方式校正：給系統(tǒng)參與一些具有某種典型環(huán)節(jié)特性的電網絡、模擬運算部件以及丈量安裝等，靠這些環(huán)節(jié)的配置來有效地改善整個系統(tǒng)的控制性能，借以到達所要求的性能目的。這一參與的部件或安裝通常稱為校正元件或校正安裝。校正方式：按照系統(tǒng)中校正安裝的銜接方式，可分為串聯校正、反響校正、前饋校正、復合校正四種。串聯校正和反響校正(1)串聯校正和反響校正前饋校正(2)前饋校正(4)復合校正復合校正六、校正方法1.分析法2.綜合法6.3根本控制規(guī)律在校正安裝中，常采用比例(P)、微分(D)、積分(I)、比例微分(PD)、比例積分(PI)、比例積分微分(PID)等根本的控制規(guī)律。一、比例(P)控制具有比例控制規(guī)律的控制器稱為比例控制器．其特性和比例環(huán)節(jié)完全一樣，它實踐上是一個可調增益的放大器。傳送函數動態(tài)構造圖為比例控制的作用：1．在系統(tǒng)中增大比例系數Kp可減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差以提高穩(wěn)態(tài)精度。2．添加Kp可降低系統(tǒng)的慣性，減小一階系統(tǒng)的時間常數，改善系統(tǒng)的快速性。3.提高Kp往往會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至會呵斥系統(tǒng)的不穩(wěn)定。二、比例?微分(PD)控制動態(tài)構造圖為具有比例?微分控制規(guī)律的控制器稱為比例微分控制器。傳送函數PD控制器的作用：PD控制具有超前校正的作用，能給出控制系統(tǒng)提早開場制動的信號，具有“預見〞性，能反響偏向信號的變化速率(變化趨勢)，并能在偏向信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引進一個有效的早期修正信號，有助于添加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時還可以提高系統(tǒng)的快速性。其缺陷是系統(tǒng)抗高頻干擾才干差。三、積分(I)控制具有積分控制規(guī)律的控制器，稱為I控制器。動態(tài)構造圖為傳送函數四、比例積分(PI)控制動態(tài)構造圖傳送函數PI控制器的作用：在系統(tǒng)中主要用于在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定的根底上提高系統(tǒng)的型別，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。五、比例?積分?微分(PID)控制動態(tài)構造圖傳送函數PID控制器的作用：PID具有PD和PI雙重作用，可以較全面地提高系統(tǒng)的控制性能。PID控制器除了提高系統(tǒng)型別之外，還提供了兩個負實零點，從而較PI控制器在提高系統(tǒng)的動態(tài)性能方面有更大的優(yōu)越性。因此，在工業(yè)控制設計中，PID控制器得到了非常廣泛的運用。6.4常用串聯校正網絡一、超前校正網絡和滯后校正網絡常用的串聯校正網絡的傳送函數普通方式為當校正網絡為1階時，傳送函數為校正網絡的頻率特性函數為相頻特性曲線為最大超前相角對應的角頻率相角滯后校正網絡(或稱遲后校正網絡)傳送函數為滯后校正網絡的頻率特性為滯后校正網絡的伯德圖二、用伯德圖方法設計超前校正網絡設計步驟如下：(1)繪制未校正系統(tǒng)的伯德圖，計算相角裕度，斷定能否滿足要求，能否需求引入適宜的超前校正網絡Gc(s)；(2)確定所需的最大超前相角m;(3)利用，計算；(4)計算10lg，在未校正系統(tǒng)的幅值增益曲線上，確定與?10lg對應的頻率。當=c=m時，超前校正網絡能提供10lg(dB)的幅值增量，因此，經過校正后，原有幅值增益為?10lg的點將變成新的與0dB線的交點，對應頻率就是新的交接頻率c=m；(5)計算極點頻率和零點頻率。(7)確定系統(tǒng)的增益，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，抵消由超前校正網絡帶來的衰減1/。(6)繪制校正后的閉環(huán)系統(tǒng)伯德圖，檢查系統(tǒng)能否滿足要求。假設不滿足要求，那么需重新設計；例二階單位負反響控制系統(tǒng)，開環(huán)傳送函數為給定的設計要求為：系統(tǒng)的相角裕度不小于40°，系統(tǒng)斜坡呼應的穩(wěn)態(tài)誤差為5%。解：由穩(wěn)態(tài)誤差的設計要求可知，系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數應該為Kv=20，于是未校正系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性函數為所需的超前相角至少為(40-18)=22設超前相角為30,對應有：10lg=4.8dB，在G(s)的伯德圖上，確定與-4.8dB對應的頻率，有m=8.4rad/s，可以得到0.068，而|z|=4.8，|p|=14.4，于是得到接入超前校正網絡后的系統(tǒng)傳送函數G(s)為系統(tǒng)校正前后的階躍呼應三、用伯德圖設計滯后校正網絡設計步驟：(1)根據穩(wěn)態(tài)誤差的設計要求，確定原系統(tǒng)的增益K，畫出伯德圖；(2)計算原系統(tǒng)的相角裕度，如不滿足要求，那么進展下面的設計步驟；(3)計算能滿足相角裕度設計要求的交接頻率c。計算期望交接頻率時,思索滯后校正網絡引起的附加滯后相角。工程上該滯后相角的預留值取5：(4)配置零點。該零點頻率普通比預期交接頻率小10倍頻程;(5)根據c和定原系統(tǒng)對數幅頻特性曲線，確定增益衰減；(6)在c處，滯后校正網絡產生的增益衰減為?20lg。由此確定值；(7)計算極點p=1/=z/；(8)驗證結果。如不滿足要求，重新進展步驟(3)～(8)。由于超前校正和滯后校正各有優(yōu)點，有時會把超前校正和滯后校正綜合起來運用，這種校正網絡稱為滯后?超前校正網絡。滯后?超前校正網絡的伯德圖工程上常用的校正方法通常是把一個高階系統(tǒng)近似地簡化成低階系統(tǒng)，并從中找出少數典型系統(tǒng)作為工程設計的根底，通常選用二階、三階典型系統(tǒng)作為預期典型系統(tǒng)。只需掌握典型系統(tǒng)與性能目的之間的關系，根據設計要求，就可以設計系統(tǒng)參數，進而把工程實際確認的參數引薦為“工程最正確參數〞，相應的性能確定為典型系統(tǒng)的性能目的。根據典型系統(tǒng)選擇控制器方式和工程最正確參數，據此進展系統(tǒng)電路參數計算。6.5常用的串聯校正方法閉環(huán)傳送函數為典型二階系統(tǒng)開環(huán)傳送函數為一、二階典型系統(tǒng)1.二階典型系統(tǒng)的最優(yōu)模型條件：得到最優(yōu)模型的校正條件為代入最優(yōu)模型的性能目的為：2.二階最優(yōu)模型的綜合校正方法(1)系統(tǒng)固有部分特性是一慣性環(huán)節(jié)：按二階典型系統(tǒng)應串入積分控制器即那么式中應滿足最優(yōu)條件即因此(2)系統(tǒng)固有部分是兩個串聯的慣性環(huán)節(jié)使其化成二階典型系統(tǒng)，那么需采用PI控制器選參數時把時間常數大的環(huán)節(jié)消去，即因此根據最優(yōu)條件：即那么得(3)系統(tǒng)固有部分由一個大時間常數的慣性環(huán)節(jié)和假設干個小時間常數的慣性環(huán)節(jié)串聯組成：式中把小時間常數的慣性環(huán)節(jié)合并成一個“等效〞的慣性環(huán)節(jié)，即那么(1)(3)系統(tǒng)固有部分為典型二階系統(tǒng),但不符合最優(yōu)條件，遇到這種情況要根據要求的性能目的來詳細的進展校正。①如T1滿足快速性的要求(ts=4.2T1)穩(wěn)態(tài)精度不作要求時，只需調整K1使之符合最優(yōu)條件即可。即②假設此時T1滿足要求，而K1不符合要求(即穩(wěn)態(tài)精度不滿足目的)，首先使K1增大到K使之符合目的要求。因此根據最優(yōu)條件：K1為知，Kc為增大的倍數，即根據目的決議的數據，亦為知，那么K=K1Kc為知，所以T即可求出。③如T1不滿足要求，K1亦不滿足要求，首先應使T1滿足目的要求，然后在使K1符合要求即可；或者先滿足K1再滿足T1，這要根據詳細情況而定。留意:一定要使各項目的都滿足要求。(5)系統(tǒng)固有部分傳送函數:式中T3亦可以是許多小時間常數的等效時間常數，此時，應采用PID控制器：因此，在工業(yè)控制設計中，PID控制器得到了非常廣泛的運用。8dB，在G(s)的伯德圖上，確定與-4.滯后校正網絡可以在堅持預期主導極點根本不變的前提下，增大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系數，提高系統(tǒng)的精度。(5)根據c和定原系統(tǒng)對數幅頻特性曲線，確定增益衰減；假設不符合目的要求，那么要進展校正，使其滿足目的要求。提高Kp往往會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至會呵斥系統(tǒng)的不穩(wěn)定。具有比例控制規(guī)律的控制器稱為比例控制器．其特性和比例環(huán)節(jié)完全一樣，它實踐上是一個可調增益的放大器。8dB對應的頻率，有m=8.二、比例?微分(PD)控制超前校正會增大系統(tǒng)帶寬，而滯后校正會減小系統(tǒng)帶寬。1系統(tǒng)設計的設計步驟系統(tǒng)的閉環(huán)傳送函數為組成系統(tǒng)后．進展動、靜態(tài)分析計算，同時進展計算機仿真。令那么二、三階典型系統(tǒng)校正法典型三階系統(tǒng)模型的開環(huán)傳送函數為開環(huán)伯德圖為定義為中頻段寬度1.具有最正確頻比的典型三階系統(tǒng)最正確頻比:當系統(tǒng)參數滿足以下兩式時，所對應的閉環(huán)Mr值最小。具有最正確頻比的典型三階模型為由得到思索到參考輸入和擾動輸入兩方面的性能目的，通常取中頻寬度h=5。(1)假設未校正系統(tǒng)傳送函數為可采用PI控制器參數設定為(2)假設未校正系統(tǒng)傳送函數為可采用PID控制器參數設定為2．具有最大相角裕度的典型三階系統(tǒng)典型三階系統(tǒng)的相角裕度為典型三階系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數為調整K0，即改動c使獲得最大值。設當c=0，取最大值。由對c的導數等于0，得具有最大相角裕度的典型三階系統(tǒng)為普通取h=4，T1=4T2，。6.6反響校正一、比例負反響可以減弱被反響包圍部分的慣性，從而擴展其頻帶比例負反響包圍慣性環(huán)節(jié)，其閉環(huán)傳送函數為0284二、速度反響包圍振蕩環(huán)節(jié)，可添加環(huán)節(jié)的阻尼，有效的減弱阻尼環(huán)節(jié)的不利影響系統(tǒng)的閉環(huán)傳送函數為2T1)穩(wěn)態(tài)精度不作要求時，只需調整K1使之符合最優(yōu)條件即可。(2)確定所需的最大超前相角m;根據詳細設計，在實驗室建造系統(tǒng)的原型機，并進展實驗。在系統(tǒng)中主要用于在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定的根底上提高系統(tǒng)的型別，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。工程上常用的校正方法通常是把一個高階系統(tǒng)近似地簡化成低階系統(tǒng)，并從中找出少數典型系統(tǒng)作為工程設計的根底，通常選用二階、三階典型系統(tǒng)作為預期典型系統(tǒng)。比例負反響包圍慣性環(huán)節(jié)，其閉環(huán)傳送函數為0284假設在常用的頻段內選?。憾?、附加干擾補償的復合校正按二階典型系統(tǒng)應串入積分控制器由對c的導數等于0，得該零點頻率普通比預期交接頻率小10倍頻程;8dB對應的頻率，有m=8.最優(yōu)模型的性能目的為：典型二階系統(tǒng)開環(huán)傳送函數為按二階典型系統(tǒng)應串入積分控制器留意:一定要使各項目的都滿足要求。三、反響校正可以減弱參數變化對系統(tǒng)性能的影響比較有反響和無反響時系統(tǒng)輸出對參數變化的敏感程度:對于開環(huán)系統(tǒng)即對于負反響包圍的部分系統(tǒng)普通情況下，|G0(s)||?G(s)|，于是近似有：四、負反響校正取代部分構造，消除系統(tǒng)不可變部分中不希望有的特性所示部分回路的傳送函數頻率特性：假設在常用的頻段內選?。耗敲丛诖祟l段內：6.7復合校正一、附加順饋補償的復合校正假照實現全補償，那么可以解出Gc(s)得