第6章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正69740.ppt

1、第六章自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正,第一節(jié) 基本概念 第二節(jié) 超前校正 第三節(jié) 遲后校正 第四節(jié) 校正方法小結(jié),第一節(jié) 基本概念,在前面幾章中我們?cè)敿?xì)討論了分析控制系統(tǒng)的方法，同時(shí)也了解了衡量一個(gè)系統(tǒng)性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)。如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，那么衡量系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)方面：穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和暫態(tài)性能指標(biāo), 基本概念,對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)總有一個(gè)要求，希望它達(dá)到一定的性能指標(biāo)。提出的性能指標(biāo)可以是頻域的，也可以是時(shí)域的。但是要合理，因?yàn)樘岢鲞^高的要求，就意味著成本的增大和系統(tǒng)的復(fù)雜化 如果系統(tǒng)達(dá)不到要求的性能指標(biāo)，就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，所謂控制系統(tǒng)的校正，就是在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)尚未全部確定的情況下，按照給定的性能指

2、標(biāo)來最終地確定系統(tǒng)應(yīng)有的結(jié)構(gòu)形式及其響應(yīng)的參數(shù)值 控制系統(tǒng)可以分為控制對(duì)象與控制器兩大部分?？刂茖?duì)象是系統(tǒng)的不可變部分，它的傳遞函數(shù)是確定的。在許多情況下，僅僅靠調(diào)整系統(tǒng)不可變部分的增益，不能同時(shí)滿足給定的各項(xiàng)性能指標(biāo)。這些為校正系統(tǒng)性能而有目的地引入的裝置，稱為校正裝置或補(bǔ)償裝置。就是上面稱之為控制器部分, 基本概念,根據(jù)校正裝置在系統(tǒng)中的位置，校正方式可分為串聯(lián)校正和反饋校正,串聯(lián)校正校正裝置和系統(tǒng)不可變部分相串聯(lián) 反饋校正校正裝置接在系統(tǒng)的局部反饋通路中 一般來說，串聯(lián)校正比較簡單在要求較高的系統(tǒng)中，往往同時(shí)采用串聯(lián)校正和反饋校正, 基本概念,舉一個(gè)例子說明校正的作用。 上一章的例：系統(tǒng)

3、的開環(huán)傳遞函數(shù)為, 基本概念,穩(wěn)定裕量：作伯德圖,轉(zhuǎn)折頻率弧度秒，弧度秒,橫軸的起點(diǎn)坐標(biāo)選1，取2個(gè)十倍頻程。 作對(duì)數(shù)幅頻特性漸近線可確定作相頻特性, 基本概念,二個(gè)轉(zhuǎn)折頻率和0相距十倍頻程，時(shí)，轉(zhuǎn)折頻率為的慣性環(huán)節(jié)相角已達(dá)，而時(shí)，轉(zhuǎn)折頻率為的慣性環(huán)節(jié)相角幾乎為，所以有,這幾點(diǎn)確定后可作相頻特性曲線，相頻曲線和線相交處的頻率可從圖上確定為,（如果驗(yàn)證一下，可得）, 基本概念,從伯德圖可確定系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量,希望系統(tǒng)的相角裕量，但保持開環(huán)增益不變 在這種情況下，通過調(diào)整系統(tǒng)的增益，可以使，將對(duì)數(shù)幅頻特性下向平移，使其在相角 處與軸相交這樣做雖然相角裕量達(dá)到了要求，但穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)不能滿足要求，開環(huán)增

4、益下降了所以必須采用校正裝置，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正, 基本概念,我們采用串聯(lián)校正方式，對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)，目的是使其開環(huán)增益保持不變，而相角裕量增大。 如果采用一個(gè)校正裝置，其對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性如圖虛線所示將其串聯(lián)進(jìn)去，幅頻特性和相頻特性在附近發(fā)生改變。利用其相角超前的特點(diǎn)，使系統(tǒng)的相角裕量增大，達(dá)到校正系統(tǒng)，滿足給定性能指標(biāo)的目的,第二節(jié) 超前校正,一.相位超前校正裝置 相位超前校正裝置傳遞函數(shù)的一般形式為,式中, 超前校正,在平面上，超前校正裝置的傳遞函數(shù)可用負(fù)實(shí)軸上的一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)表示。零點(diǎn)位于極點(diǎn)的右方零、極點(diǎn)之間的軸距由值決定。,從知道，其增益為， ，所以為了使系統(tǒng)串聯(lián)超前校正裝置后，

5、開環(huán)增益不變，這時(shí)應(yīng)附加一個(gè)放大系數(shù)的放大 器來補(bǔ)償。進(jìn)行補(bǔ)償后的超前校正裝置傳函為, 超前校正,下面分析超前校正裝置的頻率特性,作伯德圖。兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻 率分別為和， 且, 超前校正,相位超前網(wǎng)絡(luò)的相角為,根據(jù)三角函數(shù)的和角公式，可得,從相頻特性看，它在處達(dá)到最大值， 然后單調(diào)下降。根據(jù)高等數(shù)學(xué)中極值的求法，應(yīng)求 ，解出，并滿足，就是所 求，按照此法，可求得, 超前校正,這是產(chǎn)生最大超前相角所對(duì)應(yīng)的頻率，它恰是相位超前校正裝置的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率的幾何中心。 將代入求相角的式子，可得到最大超前角,或,后者可寫為, 超前校正,上述分析表明 相位超前校正裝置具有正的相角特性，利用這個(gè)特性，可以使系統(tǒng)的相角

6、裕量增大 當(dāng)時(shí)，相角超前量最大 最大超前角僅與有關(guān)，越小，越大其關(guān)系可用曲線表示,不宜選太小，常取當(dāng)要求時(shí)，宜采用兩段串聯(lián)超前校正裝置, 超前校正,二用伯德圖法進(jìn)行超前校正 由于伯德圖簡明易繪，用伯德圖法校正系統(tǒng)是一種比較簡單實(shí)用的方法用伯德圖進(jìn)行校正時(shí)，采用相角裕量作為設(shè)計(jì)指標(biāo) 在頻域?qū)ο到y(tǒng)校正的方法是一種間接方法，依據(jù)的性能指標(biāo)不是時(shí)域指標(biāo)，而是頻域指標(biāo)。 相角裕量或諧振峰值表征系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性 帶寬或諧振頻率表征系統(tǒng)的響應(yīng)速度 開環(huán)增益表征系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差, 超前校正,當(dāng)給定的設(shè)計(jì)指標(biāo)是時(shí)域指標(biāo)時(shí)，首先要將其化為頻域指標(biāo) 用伯德圖法校正系統(tǒng)的基本思想是：通過校正使系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性變成或接

7、近期望的特性使低頻段的增益滿足穩(wěn)態(tài)精度要求，中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性的斜率為20dB/dec，并具有較寬的頻帶。高頻段迅速衰減，以減小噪音的影響 超前校正的基本原理，是利用超前校正裝置的相角超前特性來增大系統(tǒng)的相角裕量，改善系統(tǒng)的暫態(tài)性能。校正時(shí)應(yīng)使最大超前角出現(xiàn)在系統(tǒng)的剪切頻率處。, 超前校正,通過 例子將用伯德圖法設(shè)計(jì)超前校正裝置的步驟歸納如下： 根據(jù)給定的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，如穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)，確定開環(huán)增益 繪制未校正系統(tǒng)的伯德圖，并計(jì)算相角裕量 根據(jù)給定的相角裕量，計(jì)算所需的相角超調(diào)量 令，并確定,考慮到校正后剪切頻率改變所留的裕量，常取,若，可用兩級(jí)超前校正裝置串聯(lián), 超前校正,例設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開

8、環(huán)傳遞函數(shù)為,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正，滿足開環(huán)增益及,解：.令12,作未校正系統(tǒng)的伯德圖,從伯德圖可確定未校正系統(tǒng)的,選用相位超前校正裝置根據(jù)對(duì)相角裕量的要求，計(jì)算需產(chǎn)生的最大相角超調(diào)量,由于采用超前校正，校正后的剪切頻率將增大，在新的剪切頻率處，將更接近考慮到這個(gè)因素，取一個(gè)附加的相角超調(diào)量是這樣求得的最大相角為 根據(jù)確定值, 超前校正, 超前校正,據(jù)此確定超前校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率,于是超前校正裝置的傳遞函數(shù)為,為抵消超前校正裝置衰減所需的放大倍數(shù), 超前校正,經(jīng)過超前校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為,作校正后系統(tǒng)的伯德圖，并求相角裕量,滿足要求 進(jìn)一步可以比較校正后系統(tǒng)的諧振峰值和帶寬。并進(jìn)行討論 需

9、要指出的是，能夠滿足性能指標(biāo)的校正方案不是唯一的。校正裝置的參數(shù)不是統(tǒng)一的，可能各人做出的結(jié)果不一樣同時(shí)，校正是一個(gè)反復(fù)試探的過程。若校正后仍不滿足指標(biāo)，則需重新選取校正裝置參數(shù)，直到滿足指標(biāo)為止, 超前校正, 超前校正, 超前校正,確定新的剪切頻率使未校正系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅值 為處的頻率為新的剪切頻率 求超前校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率 做校正后系統(tǒng)的伯德圖，校驗(yàn)相角裕量如果不滿足，則增大值，從第步起重新計(jì)算 校驗(yàn)其他性能指標(biāo)，如等，必要時(shí)重新校正，直到滿足全部指標(biāo)為止,第三節(jié) 遲后校正,一.相位遲后校正裝置 相位遲后校正裝置的傳遞函數(shù)為,稱為遲后網(wǎng)絡(luò)的系數(shù)，必有，表示遲后程度。,遲后校正裝置的零、極點(diǎn)分布

10、如圖所示。,特點(diǎn)：.零點(diǎn)在極點(diǎn)的左邊。 越大，零、極點(diǎn)之間的距離越大。, 遲后校正,遲后校正裝置的頻率特性為,它的二個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為 ，由它的伯 德圖可以看出，在 間，遲后校正裝置呈積分效應(yīng)，它的對(duì)數(shù)幅頻特性在此區(qū)間為 ,而相頻特性為負(fù)，即正弦穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)的相位遲后于正弦輸入信號(hào)，所以稱為相位遲后校正裝置, 遲后校正,它實(shí)際上是一個(gè)低通濾波器，對(duì)低頻信號(hào)沒有衰減作用，但能削弱高頻噪音的作用（一般噪音都是高頻的）。值越大，抑制噪音的能力越強(qiáng)。通常選 ，太大，不容易實(shí)現(xiàn)。 遲后校正裝置的最大遲后角位于和的幾何中心處。, 遲后校正,二.用伯德圖法進(jìn)行串聯(lián)遲后校正 采用串聯(lián)遲后校正有兩種作用 用來提高

11、低頻段增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差此時(shí)基本保持系統(tǒng)的暫態(tài)性能不變，也就是穩(wěn)定裕量不變 利用遲后校正裝置的低通濾波特性所造成的高頻衰減，降低系統(tǒng)的剪切頻率，提高系統(tǒng)的相角裕量，以改善系統(tǒng)的暫態(tài)性能 在兩種情況下都應(yīng)避免使最大遲后角發(fā)生在系統(tǒng)的剪切頻率附近, 遲后校正,現(xiàn)將設(shè)計(jì)遲后校正裝置的步驟歸納如下： 根據(jù)給定的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)確定系統(tǒng)的開環(huán)增益 繪制未校正系統(tǒng)的伯德圖，并求出其相角裕量 確定新的剪切頻率，令在處未校正系統(tǒng)的相角滿足其中為給定的相角裕量，是考慮遲后校正的相角遲后附加的量 確定求出處未校正系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅值 ，并令,可求出, 遲后校正,確定遲后校正裝置的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率，通常選,則,畫出校正后系

12、統(tǒng)的伯德圖，校驗(yàn)其相角裕量 必要時(shí)校驗(yàn)其它性能指標(biāo)。若不能滿足，可視情況重選或，再進(jìn)行設(shè)計(jì)。如仍不能滿足，可改用遲后-超前校正等, 遲后校正,例設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為,要求,設(shè)計(jì)串聯(lián)遲后校正裝置,解：令，作未校正系統(tǒng)的伯德圖 系統(tǒng)的剪切頻率為,相角裕量為,可見未校正系統(tǒng)不穩(wěn)定, 遲后校正,采用遲后校正裝置考慮到其相角遲后因素，選取新的剪切頻率根據(jù)下列表達(dá)式,其中是考慮遲后校正裝置的相角遲后所增加的附加量，就是說應(yīng)滿足,在新的剪切頻率處，未校正系統(tǒng)的相角應(yīng)為從未校正系統(tǒng)相頻特性曲線上可以找到 時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為 ，選此頻率為新的剪切頻率, 遲后校正,要使成為新的剪切頻率，校正后系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅值

13、在處應(yīng)為，因此需衰減遲后校正裝置具有衰減特性，其衰減倍數(shù)為，即 當(dāng)時(shí)，遲后校正裝置的衰減作用可使新的剪切頻率為 取遲后校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率為,確定，在處，未校正系統(tǒng)對(duì)數(shù)幅值為, 遲后校正,根據(jù)確定另一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率 遲后校正裝置的傳遞函數(shù)為 驗(yàn)證進(jìn)行遲后校正后，系統(tǒng)的相角裕量是否滿足。求遲后校正裝置在新的剪切頻率處產(chǎn)生的相角遲后,則進(jìn)行遲后校正后，系統(tǒng)的相角裕量為, 遲后校正,滿足要求，說明選比較適合，若選小了，不能滿足要求，需重新選，但選的過大也是不必要的 校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 開環(huán)增益和相角裕量均滿足要求。 因?yàn)閷?duì)帶寬有要求，所以需作閉環(huán)頻率特性進(jìn)一步驗(yàn)證是否大于，可用乃氏圖線法求系統(tǒng)的若

14、不滿足要求，須重新設(shè)計(jì)校正裝置必要時(shí)須選用遲后-超前校正。,串聯(lián)遲后校正,例6-2系統(tǒng)的伯德圖,第四節(jié) 校正方法小結(jié),一根據(jù)校正裝置在系統(tǒng)中的位置劃分，校正方式有串聯(lián)校正和反饋校正；根據(jù)校正裝置的特性劃分，有超前校正和遲后校正 二超前校正裝置具有相位超前特性。用來補(bǔ)償原系統(tǒng)過大的相角遲后，增大系統(tǒng)的相角裕量和帶寬，從而提高系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。 因?yàn)槌靶Ｕ龑?shí)質(zhì)上是微分校正，它具有高通濾波特性，因而使系統(tǒng)對(duì)高頻噪聲更加敏感這是超前校正的缺點(diǎn)。,如果未校正系統(tǒng)具有比較滿意的穩(wěn)態(tài)性能，而相角裕量和響應(yīng)速度不夠時(shí)，采用超前校正，但應(yīng)注意，只有在未校正系統(tǒng)中頻段的相頻特性隨著增加而緩慢減小，且高頻噪音對(duì)系統(tǒng)影響不大時(shí)，采用超前校正才是有效的 三遲后校正裝置具有相位遲后特性。利用遲后裝置的積分特性，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益因此遲后校正常用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)基本保持原來的暫態(tài)指標(biāo), 校正方法小結(jié), 校正方法小結(jié),遲后校正裝置具有低通濾波特性，能抑制高頻噪音的影響。這是遲后校正的特點(diǎn)。利用它的高頻衰減特性，使系統(tǒng)的剪切頻