《自动控制理论教学课件》第六章 自动控制系统的校正.ppt
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1、 第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正 6-16-1 系统的设计和校正问题系统的设计和校正问题 6-26-2 线性系统的基本控制规律线性系统的基本控制规律 6-36-3 相位超前与相位迟后校正装置及其特性相位超前与相位迟后校正装置及其特性 6-46-4 频率特性法在系统校正中的应用频率特性法在系统校正中的应用 坏 从 殉 箕 宴 延 烯 龚 精 篮 赢 贯 陋 貌 郊 垣 移 酒 降 甚 客 赃 正 焚 侦 烷 充 苇 浊 虫 泰 稍 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动
2、 控 制 系 统 的 校 正 6-16-1 系统的设计和校正问题系统的设计和校正问题 一、性能指标 所谓校正校正,就是在系统中加入一些其参数可根据需要 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。 为某种特殊用途而设计的控制系统都必须满足一定的 性能指标。不同的控制系统对性能指标的要求应有不同的 侧重。如调速系统对平稳性和稳态精度要求较高,而随动 系统则侧重于快速性要求。性能指标的提出,应符合实际 系统的需要和可能。 唁 伺 宛 萎 卵 忧 怪 瓮 泽 褂 飘 爱 傻 栗 吊 方 崖 汛 茧 药 藏 贾 牙 陨 速 叙 勋 邹 擞 鸵 榴 自 自 动 控 制 理
3、论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 在控制系统的设计中,采用的设计方法一般依据性能指 标的形式而定,若性能指标以 、稳态误差等 时域特征量给出时,一般采用根轨迹法根轨迹法校正;若性能指标 以 等频域特征量给出时,一般采用频率校 正法。 目前,工程技术界多习惯采用频率法频率法,故通常通过近 似公式进行两种指标的互换。 二阶系统频域指标与时域指标的关系 l 谐振峰值: l 谐振频率: 街 求 驮 董 隘 名 阉 冀 箭 赣 忱 落 经 拈 崩 食 清 购 危 谁 玲 厌 龋 逊
4、故 杆 伤 谩 瘩 内 鼻 赤 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 l 带宽频率: l 剪切频率: l 相角裕度: l 超调量: l 调节时间:或 没 粳 福 偶 哗 雌 年 忱 缓 刨 闯 飘 苟 鄂 抹 常 劝 妨 叔 按 憎 队 姜 目 伪 艰 椅 偶 痰 誉 逸 系 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 高阶系统
5、频域指标与时域指标的关系 l 谐振峰值: l 超调量: l 调节时间: 专 侠 氰 苏 嚎 檀 保 檄 宛 悼 卫 冬 若 仁 眩 礁 跌 殴 及 汀 蔫 挠 狭 衡 羚 孩 乃 罗 者 题 捣 潭 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 二、校正方式 按照校正装置在系统中的连接方式,控制系统校正 方式可分为四种: 串联 校正 反馈 校正 对象控制器 常用 常用 1、串联校正:校正装置一般接在系统误差测量点之后和放 大器之前,串接于系统前向通道之中。 2、反馈
6、校正:校正装置接在系统局部反馈通路之中。 兹 搏 靡 颜 喘 瑶 掩 胶 渗 蔼 卫 歪 卖 捷 沥 庸 焙 评 划 铬 糟 阅 商 丫 妓 渤 冠 棉 膛 韶 凡 揣 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 前馈校正对象控制器 3、前馈(顺馈)校正:也称前馈补偿。 校正装置接在系统给定值之后及主反馈作用点之前的前向 通道上 校正装置接在系统可测扰动点与误差测量点之间 前馈校正 对象控制器 褐 照 并 淄 太 筏 烂 病 玻 烬 纵 笔 硝 甚 蜜 体 秋 郸
7、 暮 航 抡 毛 潦 估 杰 疟 噎 匙 判 委 开 蔼 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 4、复合校正:在反馈控制回路中,加入前馈校正通路,组成 一个有机整体。 按扰动补偿的复合控制形式 按输入补偿的复合控制形式 说明:能够满足性能指标的校正方案不是唯一校正方案不是唯一的。 浪 仑 哈 藐 危 湃 拂 傲 始 乞 骋 铀 驮 蘑 莫 悦 婆 听 宗 蠢 剁 里 揉 扣 娜 锚 女 棒 掐 裔 猛 贿 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章
8、自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 6-26-2 线性系统的基本控制规律线性系统的基本控制规律 确定校正装置的具体形式时,应先了解校正装置所需 提供的控制规律,以便选择相应的元件。包含校正装置在 内的控制器常用比例(Proportion)、微分(Differential)、积 分(Integral)等基本控制规律,或采用它们的某些组合,如 PD、PI、PID等组合控制规律,以实现对被控对象的有效 控制。 一、比例(P)控制规律 具有比例控制规律的控制器 称为P控制器,如右图。实质上 是一个具有可调增益的放大
9、器。 疮 异 福 荆 贩 塘 单 薛 鄂 末 软 讶 宽 俐 先 裔 洛 趟 凶 劳 菜 约 吝 我 峨 淖 殖 布 际 疗 让 硅 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 在串联校正中, 系统的开环增益 ,稳态误 差 ,控制精度 ,相对稳定性 ,甚至可能造成闭 环系统不稳定。因此在系统校正设计中,很少单独使用 比例控制规律。 二、比例-微分(PD)控制规律 具有比例 微分控制规律的控制器称为PD控制器, 如下图虚线内所示。 浚 悠 狡 棺 茫 悲 栽 奏 搀
10、 选 曰 毯 巳 的 丁 裔 腐 郧 厦 疯 砒 厨 鄂 筷 裸 芥 欧 要 稼 条 后 廖 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 比例、微分系数 微分时间 设 ,则系统的开环传函为: PD控制相当于 增加了一个位于负实轴的零点: 以下用根轨迹法根轨迹法分析微分控制的作用。 当 时, (型) 独 甄 勺 这 栓 曼 逢 撮 绷 允 尸 饵 柬 幢 杉 眠 呢 物 州 刁 陷 菜 象 匝 涅 吟 铸 肖 符 令 苗 才 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件
11、第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 P 控制器 PD 控制器 根轨迹如左图。系统为型系统, (阶跃误差系数) , 使得闭环复数极点的虚部增大, ,阶跃响应的超调增大 并有强烈的振荡。难以兼顾稳态和暂态两方面的要求。 请 纶 昂 心 弗 胜 层 飞 载 殊 乐 桃 襄 省 缚 郡 沁 隐 兰 梅 迪 迢 缄 滞 微 贼 猜 症 锄 鸭 褥 敷 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制
12、系 统 的 校 正 采用PD控制时 特征方程: 等价开环传函: 为满足稳态误差要求, 取得足够大,若 则有: 邵 燎 汛 摆 呈 气 异 服 伪 钩 佬 侄 甜 运 鲁 壤 拣 恒 秸 烧 谆 熊 悉 逗 勿 攀 讫 颅 实 獭 恢 遏 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 可见, (微分作用增强),根轨迹左移。尽管为满足 稳态要求, 选得很大,但总可以选择合适的 值,使系 统的暂态响应同时满足要求。如希望系统的阶跃响应是单调单调 的,则应选择: 卸 取 畔
13、 食 漆 脯 炭 吝 塑 疼 时 卫 凯 鲍 役 喝 钓 兄 蜡 凸 防 芋 卫 晾 悉 嫁 乙 馆 潞 惹 掠 谨 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 结论结论 PD控制器中的微分控制规律,能反映输入信号的变 化趋势(D控制实质上是一种“预见”型控制),产生有效 的早期修正信号,以增加系统的阻尼程度,能有效地抑制 过大的超调和强烈的振荡,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 , 有助于动态性能的改善。 D D控制作用只对
14、控制作用只对动态动态过程起作用,而对过程起作用,而对稳态稳态过程没有过程没有 影响,且对影响,且对系统噪声系统噪声非常敏感,所以一般不宜单独使用。非常敏感,所以一般不宜单独使用。 注意:注意: 离 蛛 尿 寡 铀 晾 霍 匹 虽 碱 假 欺 吮 串 爬 休 做 慢 拒 续 响 吻 初 阶 套 替 敢 阮 孤 纯 为 子 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 三、比例-积分(PI)控制规律 具有比例 积分控制规律的控制器称为PI控制器, 如上图虚线内所示。 积
15、分系数 积分时间常数 呻 娇 磷 甩 悠 毙 询 碾 岩 聋 颧 撂 杰 微 南 夺 谐 谓 泞 董 虞 秧 矛 拽 芽 梅 剩 兆 爵 诅 堰 牌 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 在串联校正时,PI控制器相当于在系统中增加一个位 于原点的开环极点和一个位于负实轴上 处的零点。 位于原点的极点可以提高系统的型别,以消除或减小系统 的稳态误差,改善系统的稳态性能;负实零点用来减小系 统的阻尼程度,缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态过 程产生的不利影响。
16、在控制工程实践中,PI控制器主要用 于改善控制系统的稳态性能稳态性能。 沽 溯 康 鬼 窘 颤 冠 侄 枢 烦 左 半 翰 者 甭 级 词 钳 晾 粟 翅 衣 蛀 剧 砧 诞 美 澜 剪 看 蛔 息 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 6-36-3 相位超前与相位迟后校正装置及相位超前与相位迟后校正装置及 其特性其特性 采用无源网络(无源元件R、L、C)构成的校正装置, 其传递函数最简单的形式: 相位超前校正装置或高通滤波器 相位迟后校正装置或低通滤波器
17、帮 谊 办 暇 自 淳 策 鸦 殉 秃 腐 伍 被 言 瘴 较 羽 经 持 态 猪 饿 俯 罐 勃 鲸 蜒 橡 唱 捂 址 拘 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 一、相位超前校正装置 实现电路如右图所示,设 网络输入信号源的内阻为0,输 出端的负载阻抗为无穷大,则: 传递函数 即当采用无源相位超前校正装置时,系统的开环增益要下降下降。 其中: 时间常数 分度系数 观 蓝 尖 泛 纶 磺 梆 迄 膊 灭 锤 逝 惭 炳 旋 跺 凛 守 恕 久 元 榷 概
18、逊 彭 岁 我 傀 郑 蛾 刹 挛 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 零极点分布 频率特性 改变 可以改变 零极点分布 轮 致 符 亥 勋 寓 扇 哆 隧 漫 寄 主 哼 容 阎 体 涩 限 廖 沧 栖 蛰 让 驹 蚁 达 吞 法 扦 逞 节 负 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 最大超前角 令 得: 因此,最大超
19、前相角处的频率为: ( 的几何中心) 砍 垦 裳 勾 悟 吝 量 剪 姬 侠 卖 装 浙 才 坑 国 类 骨 嘴 粤 乎 瞅 毖 晒 痛 负 畜 醒 反 气 埋 械 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 代入 得: 或: 晌 硅 初 蕴 妒 痴 协 等 搽 时 近 翟 益 搁 狐 悠 绸 乖 后 凤 绘 茨 细 抬 朝 疫 份 愚 锯 恿 谁 凡 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论
20、教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 结 论 仅与 有关 当 时 微分作用加强,对抑制噪声(高频)不利。 为了保持较高的信噪比,一般 。 用超前网改善系统的动态特性动态特性,利用它的相位超前相位超前 特性特性,校正后 选在 处。 凄 铭 幼 挡 软 淤 溢 乌 碑 爽 吹 甘 渍 纷 纂 栋 坯 鞋 翔 废 搬 材 位 腺 占 加 璃 沉 陇 旨 恐 搁 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 二、相位迟后校正装置 实现电路如右图所示
21、,设 网络输入信号源的内阻为0,输 出端的负载阻抗为无穷大,则: 传递函数 其中: 即当采用无源相位迟后校正装置时,系统的开环增益不变。 输 产 哲 押 执 慈 额 蒜 胸 赦 嫩 掏 淹 涉 萧 瓷 眉 踏 诡 示 楼 嵌 者 份 竞 秒 招 氦 自 堤 砖 莽 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 零极点分布 频率特性 改变 可以改变 零极点分布 粹 镇 摧 漫 跃 雇 毕 虐 骸 恳 澜 命 贬 鞭 舜 铰 菩 蹈 屠 陪 舷 盂 宏 淄 丙 俘 帖
22、孰 耕 讶 阮 讳 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自 动 控 制 系 统 的 校 正 l 采用迟后校正改善系统暂态特性改善系统暂态特性,不是利用它的相位 滞后特性,而是利用它的高频幅值衰减特性 l 迟后网络引入了负相角 l 同时要注意 不能在 附近,一般取 l 迟后网络最大迟后角发生在 ,即 的 几何中心 罪 杂 净 砾 锣 枉 硫 烁 擞 儒 傲 少 牙 查 默 袋 钒 膳 姨 佃 鸥 膜 规 纠 鹤 艇 刚 誊 咕 刷 罐 晾 自 动 控 制 理 论 教 学 课 件 第 六 章 自
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