自动控制原理胡寿松第六章PI.ppt

第六章 控制系统的校正,64 反馈校正,61 系统校正的基本概念,62 常用校正装置及其特性,63 串联校正,65 复合控制,主要内容,1、校正的概念及类型2、常用校正装置及其特性3、串联综合校正超前、滞后、滞后超 前、希望特性法4、并联综合校正5、复合控制校正,重点与难点,1、常用校正装置及其特性2、串联综合校正超前、滞后、滞后超前、希望特性法3、并联综合校正,难 点,校正方法与步骤,重 点,本章引言,设计控制系统时首先根据实际生产的要求选择受控对象，如温控系统选温箱，调速系统选电机等等；然后确定控制器，完成测量，放大，比较，执行等任务。但实际生产会对系统各方面的性能提出要求：时域 等，频域 等。当把受控对象和控制器组合起来以后，除了K可作适当调整外，其它都有自身的静、动态特性称为不可变部分；设计的第三步是确定控制方式开环、,闭环、复合控制等；第四步是分析系统性能时域、复域、频域均可，若满足要求，皆大欢喜，但概率很小，一般不满足要求，这时可在允许范围内调整K，K增大ess减小，但稳定性降低，若仍不满足要求，只能设法改进。如：按ess设计的K可能使，不稳，若，但ess增大又不满足。所以K不能减小，只能引入附加装置校正装置。,本章引言（续）,61 系统校正的基本概念,一、定义：给系统附加一些具有某些典型环节的电网络，模拟运算部件及测量元件等，靠他们的配置有效的改进系统性能，称为系统校正。,二、类型：,1、串联校正：一般接在系统测量点之后和放大器 之前，串接于系统前向通道之中。2、反馈校正：一般接于系统局部反馈通道中。,3、复合控制：在第三章减小ess的措施中已经讨 论过，有按给定补偿和扰动补偿两种方式。,61 系统校正的基本概念,校正类型（续）,三、校正中使用的性能指标：,1、二阶系统频域指标与时域指标的关系：,61 系统校正的基本概念,61 系统校正的基本概念,性能指标（续）,61 系统校正的基本概念,2、高阶系统频域指标与时域指标的关系：,性能指标（续）,61 系统校正的基本概念,性能指标（续）,四、基本控制规律：,一般采用比例、微分、积分等基本控制规律或采用这些基本控制规律的某些组合，如PD、PI、PID等，利用它们相位超前或滞后、幅值增加等作用以实现对被控对象的有效控制。,62 常用校正装置及其特性,一、无源校正网络 超前网络（微分性质）,62 常用校正装置及其特性,超前网络（续）,1.幅相特性：,62 常用校正装置及其特性,1,2.对数频率特性：,62 常用校正装置及其特性,特点:,转折,相位超前，故称超前校正装置,62 常用校正装置及其特性,超前网络（续）,实际上,62 常用校正装置及其特性,则有,超前网络（续）,62 常用校正装置及其特性,3、实用方式：,低频段,出现低频下降，串入系统会使K减小，ess增加。实用中可让放大器的放大系数增加,超前网络（续）,倍，则会得到补偿。即,62 常用校正装置及其特性,超前网络（续）,滞后网络（积分性质）：,62 常用校正装置及其特性,1、幅相特性,62 常用校正装置及其特性,特性曲线见下页,滞后网络（续）,滞后网络（续）,2、对数频率特性：,转折：,特点：,相位滞后，故称为滞后校正装置。,62 常用校正装置及其特性,62 常用校正装置及其特性,滞后网络（续）,3.实用形式：,滞后网络不衰减，可直接使用。它是一个低通滤波器，而超前网络是一个高通滤波器。,滞后超前网络（积分微分性质）：,62 常用校正装置及其特性,62 常用校正装置及其特性,滞后超前网络（续）,62 常用校正装置及其特性,滞后超前网络（续）,1、幅相特性：,62 常用校正装置及其特性,此时,且同样,62 常用校正装置及其特性,滞后超前网络（续）,2、对数频率特性：,转折：,62 常用校正装置及其特性,62 常用校正装置及其特性,滞后超前网络（续）,特点：,此网络无衰减，两边对称，直接使用即可。,3、实用形式：,62 常用校正装置及其特性,2、D调节器：,3、I调节器：,二、有源校正网络：,1、P调节器：,62 常用校正装置及其特性,4、PD调节器：,其中,6、PID调节器：,7、惯性环节：,其中,其中,62 常用校正装置及其特性,5、PI调节器：,其中,有源校正网络（续）,63 串联校正,将时域指标转化为频域指标后：稳定性为,常采用超前、滞后、滞后超前三种方式。,、超前校正：,已考虑了低频衰减，则有,1、实质：利用超前校正装置的相位超前特性增大系 统的相角裕量，以改善系统的暂态性能。因此应 将超前校正网络的 处于校正后系统的 处。,2、作用：,1）使,2）,3）对提高稳态精度作用不大，抗高频干扰能力降低。,63 串联校正,4）适于ess已满足，噪音信号很小，但 不够的 系统。,3、步骤：,1）根据ess确定K；,63 串联校正,4）,63 串联校正,7）确定电路参数（R、C等）。,63 串联校正,曲线，则有：,2）,3）,63 串联校正,满足要求。,63 串联校正,二、滞后校正：,63 串联校正,解：1）,63 串联校正,1、步骤：,1）根据ess确定K，绘制原系统的,计算,2）确定,a)若题目给出,，可选用之，简单。,63 串联校正,5）校验：,6）确定参数。,63 串联校正,63 串联校正,a、取,上例：,63 串联校正,（负值舍去）,内均可，,c、,e、,63 串联校正,f、,满足要求。,63 串联校正,，选,G、确定参数：,2）适用于对快速性要求不高而对抗高频干扰能力较 高的系统。,3）当未校正系统具有较好的动特性而ess不够时，用 滞后校正加一个放大倍数为的放大器，则有,形状不变，只向上移,63 串联校正,2.作用：,三、滞后超前校正：,63 串联校正,40,1,-20,-40,L(),-20,-40,20,10,100,-60,0.1,60,31,校正前,特性曲线如下图所示,特点与作用：,2.用于需要同时改善暂态和稳态性能的系统，但结构 复杂，校正繁琐。,四、期望特性法（只适用于最小相位系统）,（一）期望特性法：,63 串联校正,据此写出,低频：K应充分大，且具有负斜率，保证ess的要求。,高频：应有较大的幅值衰减，抗高频干扰能力增强。,63 串联校正,（二）典型期望对数频率特性：,二阶期望特性：,校正后为典型二阶系统，又称为典型1型系统，,63 串联校正,63 串联校正,二阶期望特性因系统性能指标和典型特性间关系较简单，便于计算而比较实用，但它比高阶希望特性的适应性差。,2.三阶期望特性：,校正后为典型三阶系统，又称为典型2型系统，,其中,可以证明：当h一定时有：,63 串联校正,并求得,63 串联校正,3、四阶期望特性：,63 串联校正,因为只适用于最小相位系统，故省去 曲线,63 串联校正,（三）期望特性法的步骤：,(3)高频段无特殊要求可保持原斜率不变。,(4)低中频连接段与中频的交点频率不能靠近,63 串联校正,(2)中频段按,(1),4、校验校正后系统的性能指标，确定结构参数。,3、确定,63 串联校正,不稳定。,63 串联校正,0.3,63 串联校正,(3),63 串联校正,（4）校验：,63 串联校正,64 反馈校正,除了串联校正外，反馈校正也是广泛应用的一种校正方式。实用中采用局部反馈校正较多。第三章中改善二阶系统性能之一的速度反馈即是反馈校正的应用。系统采用反馈校正后，除了可以得到与串联校正相同的校正效果外，还可以获得某些改善系统性能的特殊功能。,一、反馈校正对系统特性的影响及其特点：,如图典型结构：,64 反馈校正,(2)当满足,适当选择校正装置的结构与参数，使开环频率特性发生所希望的变化，满足性能指标的 要求。,64 反馈校正,反馈校正的特点：,削弱非线性特性的影响。,(2)减小系统的时间常数：若,则,64 反馈校正,(3)降低系统对参数变化的敏感性：,上例中：,64 反馈校正,采用反馈校正：,其相对增量为,64 反馈校正,(4)抑制系统噪声。,二、综合法反馈校正：,右图有：,64 反馈校正,64 反馈校正,则工程上允许且对系统性能影响不大。,（一）步骤：,1、先绘制未校正系统的开环对数频率特性：,2、按给定性能指标绘制希望的开环对数频率特性：,64 反馈校正,64 反馈校正,5、,6、校验校正后系统的性能指标。,（二）例题：要求,64 反馈校正,64 反馈校正,解：1）,64 反馈校正,2）根据,两边延伸即可。,时，,稳定。,时，,近似程度可以。,64 反馈校正,。,4、校验小闭环：小闭环的开环对数频率特性为,5、,64 反馈校正,满足。,满足。,6、由于 有两个纯微分环节，不易实现，,64 反馈校正,可将原结构图略作调整：,虽然串联校正和反馈校正是控制工程中广泛 采用的校正方法，并在一定程度上可以使校正后 的系统满足要求的性能指标。但如果系统对稳态 精度和动态性能都要求很高，则上述两种方法就 难以凑效，故可将前馈（补偿）和反馈控制结合 起来，形成复合控制，可解决上述问题。采用复合控制，只要适当选择参数，不但可 以保持系统稳定，极大的减小乃至消除ess，而且 可以抑制几乎所有的可测量的扰动，其中包括低,65 复合控制,65 复合控制,频强扰动。复合控制在第三章“减小ess的措施”一部分中 讲过。它包括按给定补偿和按扰动补偿两种方式，均是按不变性原理设计的，只要原系统的动态性能良好且稳定，复合控制可以在不改变动态性能和稳定性的前提下，大大提高稳态精度，甚至实现全补偿。采用等效传递函数的概念，适当选择前馈补偿环节的参数，将系统的类型等效的提高。,复合控制（续）,