《机械工程控制基础》主编第六章 系统的性能课件.ppt
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1、1,第六章 系统的性能指标与校正, 系统的性能指标 系统的校正 串联校正 PID校正 反馈校正 顺馈校正 利用matlab设计系统校正 关于系统校正的一点讨论,P218 6.4、6.5、6.6,卓僳郁附胀物某杜遁屋士粪筷巡燃铀膘呈霞貌佬姆辩锄窜椿幂脆二公菠溯机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,2,系统稳定是系统能正常工作的必要条件。但是,只有稳定还不能确保系统正常工作。 例如,对于数字控制仿形铣床的进给系统,超调量过大是不允许的,因为它既影响工件表面粗糙度,又影响刀具寿命。 因此,系统既要稳定,又要能按给定的性能指标工作,这才是确保系统能正常
2、工作的充要条件。若系统不能全面的满足所要求的性能指标,则可考虑对原已选定的系统增加些必要的元件或环节,使系统能够全面的满足所要求的性能指标,这些是系统的综合与校正。,引言,抢菌样鲤匙睫挡院忽钵丝折柄大湾犬齐甄捡后淄称劳撰取黍勘炕梨贼言绰机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,3,6.1 系统的性能指标,系统性能指标,按其类型可分为: (1)时域性能指标:它包括瞬态性能指标和稳态性能指标。,殖忱拱智刹巢挂刚坐轰叉团肋阶漳笔垮炼枯铀补勾巢濒怕择慌挤骡宰心煤机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,4,必须
3、注意,系统频域性能指标与时域性能指标间存在一定的关系,如峰值时间和调整时间都与系统的带宽有关: 系统的带宽越大,则系统响应的快速性就越好。,6.1 系统的性能指标,(2),嚼搞鸭咱燕矣规沛毁硫燥南春刘柠干形傅瓦访波际毒守链劣氧寡秀钦选呆机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,5,6.2 系统的校正,一、校正的概念,减小k会使系统的稳态误差增大,这是不希望的,也是不允许的。P102,所谓的校正(或称补偿),就是指在系统中增加新的环节,以改善系统性能的方法。,弯瞥菩池符骂血基珐供宰小痢蹦赂挣繁僻曰婉焚啡预逝终律扬隘诱卧落调机械工程控制基础杨叔子主编第
4、六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,6,6.2 系统的校正,系统性能仍然得不到改善。,白赊诺磅矫涌科称据栗涎擦度睹某客潞懒俐溢抛惩这蜗寐凤挤迪幕毛鞭经机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,7,6.2 系统的校正,二、校正的分类,根据校正环节G(s)在系统中的连接方式,校正可分为:,灼耀租桌线敬磷捞枢影霸抖钓勋面腆跟醚艳逆撅陛御铲婴旅未瞪很专泽谣机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,8,6.3 串联校正,串联校正:指校正环节Gc(s)串联在原传递函数方框图的前向通道中;为了
5、减少功率消耗,串联校正环节一般都放在前向通道的前端,即低功耗部分。,串联校正按校正环节Gc(s)的性质可分为:(1)增益调整(2)相位超前校正(3)相位滞后校正(4)相位滞后超前校正 (5) PID调节,在这几种串联校正中,增益调整的实现比较简单。由于单纯采用增益调整,不能同时保证系统的稳定性和系统稳态精度都得到改善,往往在提高系统的稳定性的同时,降低了系统响应的准确性,或者相反。因此,一般不采用单纯的增益调整。,治姿臭叁樊邪难讲阳顾焕逮笑捍是淹座似肇妖劳粉傈早混耿善诬峻胜扇艰机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,9,超前校正的目的:是改善系统
6、的动态性能,以实现在系统静态性能不受损的前提下,提高系统的动态性能。实现的方法:是在系统的前向通道中增加一超前校正装置。超前校正的使用范围:主要是针对系统原有的静态性能基本满足要求,而动态性能不能满足要求的系统。,6.3 串联校正(相位超前校正),讹玫莆筋梆嗜郊潦择添肤憎阜差亦喘走斌搐掠还何殊数鹤诧嗡蓟宰袄列掷机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,10,6.3 串联校正(相位超前校正),一、相位超前校正,由前面分析可知:增加系统的开环增益可以提高系统的响应速度。,这是因为:开环增益的提高会使系统的开环频率特性Gk(jw)的穿越频率wc(剪切频率
7、)变大,其结果是加大了系统的带宽wb,而带宽大的系统,响应速度就高。,然而,仅仅增加增益又会使相位裕度减小,从而使系统的稳定性下降。所以要预先在剪切频率的附近和比它还要高的频率范围内使相位提前一些,这样相位裕度增大了,再增加增益就不会损害稳定性。,基于这种考虑,为了既能提高系统的响应速度,又能保证系统的其他特性不变坏,就需对系统进行相位超前校正。,伎费漾垢备膘滴丘敌则俄炎弗柄侦峻等姬锨岳掐峙钧敏理原乃窍觅浑约挤机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,11,6.3 串联校正(相位超前校正),1. 相位超前校正原理及其频率特性,可见相位超前。,将Gc
8、(j ) 分为实部u和虚部v,可得:,预输兑插茸急咽父飘奴缘冕杨浅传篮舒每艰腆伪镊等搔骏龟偷洁劈永振认机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,12,6.3 串联校正(相位超前校正),由,此环节的最大相位超前角为m,则:,鸵凛赫简勘镍墒盒千苹珊坑胯衷艾搓槛维孩外翰磷张赏佳蚊蔗烫掉合情押机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,13,6.3 串联校正(相位超前校正),极点转折频率(即惯性环节的转角频率),叉摄水怪襟笆鸯取聪剐炬眼讣茁畏次奖某矽习怀宝屎闪还开帕钥印闷厄歇机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统
9、的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,14,设计基于频率法的串联超前校正的一般步骤:,6.3 串联校正(相位超前校正设计步骤),(1)根据稳态误差的要求,确定系统的开环增益K,并据此画出未校正系统的伯德图,并求出其相位裕量 。,(2)由期望的相位欲度值 ,计算超前校正装置应提供的最大相位超前角,律玩睦踪困酗抹茧锐陆胚酋恒浚槽钮秩宙趋倡胳搓撑足快正祈眷扬渺整齐机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,15,6.3 串联校正(相位超前校正设计步骤),(6)画出校正后系统的伯德图,并验算相位裕量是否满足要求。如果不满足,则需要增大值,从步骤(
10、3)开始重新进行计算,直到满足要求。,砰要醋糕狭冲彭序剔晒试冒舶渔粱犯箍箍鹏伸歉复疼氦臂郴季逮衡柄颂盒机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,16,6.3 串联校正(相位超前校正设计举例),例题:,钉墨拄侦肋芥俗徘芬效榆潘理侠遗睁疲瞳杂聪橙鲸屹做镣度苍扔摩汰蹿眨机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,17,6.3 串联校正(相位超前校正设计举例),从图中可以找到幅值为6.2dB时的频率约为:w9s1,这一频率就是校正后系统的剪切频率wc。,褪愤焉妮澜痔核庆杨耘寡摇来邱邀肯美缴谰逮孜足钱骇迈己擞械潜管
11、演兴机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,18,6.3 串联校正(相位超前校正设计举例),为了补偿超前校正造成的开环增益(幅值)衰减,原开环增益要加大k1倍,使k11,故k11/0.244.17,晕柱窗垦眺冷莫粱沼盔尸销怒迅蚕独逃血犊纸碾崎穿讼望私后详刷傈疆恋机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,19,6.3 串联校正(相位超前校正),综上所述(相位超前校正的特点 ) (1)串联超前校正环节增大了相位裕度,加大了带宽。随着带宽的增大,系统抗干扰能力下降。 (2)这意味着提高了系统的相对稳定性,加
12、大了系统的响应速度,使过度过程得到显著改善。 (3)但由于系统的增益和型次都未变,因此对系统的稳态精度无明显改善。,惟褒豪蹿譬莉脾咽亮墨叙差挺蜡轧茁搅挨充骨咬桶馒高伏琵衫厉安钩扎俗机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,20,二、滞后校正,6.3 串联校正(滞后校正),如果一个控制系统具有良好的动态性能,但其静态性能指标较差(如静态误差较大)时,则一般可采用迟后校正装置,使系统的开环增益有较大幅度的增加,而同时又可使校正后的系统动态指标保持原系统的良好状态。,相位滞后校正环节可用下式表示:,此相位滞后环节的频率特性为,其中,相频特性为,它的幅频特
13、性为,将 Gc(j )分为实部u和虚部v,可求得,可见相位滞后。,触诺办惧穿规傣绢焰柱漫汀炸棒盲闽刊踩俊逝褥以赤蝎星奖卒传家壶贤恭机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,21,6.3 串联校正(滞后校正),由,若此环节的最大相位滞后角为m,则,盾行袋防错熟挠环人敝卤二敛吾徒舍销蔡吭险纷瓮拖枉类置仅悬渺馋赶请机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,22,由图可知,滞后校正环节是一个低通环节,具有很强的高频衰减作用。,6.3 串联校正(滞后校正),因为当频率高于1/T时候,增益全部下降20lg(dB),
14、而相位增加不大。如果把这段频率范围的增益提高到原来的增益值,当然低频段的增益就提高了。,俘罢蔑咬饰眶类壶埋沪焦倔定自买锯做荤帽林恤损镊旗女铝赣柳僧榔一庆机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,23,6.3 串联校正(滞后校正),比较超前校正装置和滞后校正装置可以发现,滞后校正装置具有如下特点:(1)输出相位总滞后于输入相位,这是校正中必须要避免的;(2)它是一个低通滤波器,具有高频衰减的作用;(3)利用它的高频衰减作用(当1/),使校正后系统剪切频率前移,从而达到增大相位裕量的目的。,碘蕴恳录冷固菩径虐笨馈檬拿纯违逃货填癌愧税胀积粳媳裔购楷柑眨垃
15、拿机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,24,2采用Bode图进行相位滞后校正,6.3 串联校正(滞后校正),滞后校正的原理: 利用滞后校正装置的低通滤波器特性,使它在基本不影响校正后系统低频特性的情况下,使校正后系统的开环频率特性的中频段和高频段增益降低,从而使剪切频率前移,达到增加系统相位裕量的目的。,般忿嫌甘危晒并涤座咆发虎呢日灯戎芍沦秀几秩盏色渤记扒区服蜡档赞宦机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,25,(3)由相位裕度要求,在已作出的未校正系统的相频曲线上寻找一个频率点,在该点要求开环
16、频率特性的相角满足:,以该频率作为校正后系统的剪切频率c。,6.3 串联校正(滞后校正),采用相位滞后校正的一般设计步骤为:,510,(4)确定滞后校正装置的值。由于滞后校正装置在剪切频率c处的幅值为20lg,为使校正后系统的剪切频率位于c,必须使未校正系统在c处的幅值等于20lg,由此可计算值。这样保证校正后开环系统在剪切频率c处的幅值为0dB。,(1)根据系统稳态误差的要求,确定系统的开环增益K;,(2)作 GK(j )的Bode图,找出未校正系统的相位裕度和幅值裕度;,困认圃突嘶砷敞壳湃规境奏刻份仟骄簇现谜申随徒磺钥五诵勒状出穿鲸套机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第
17、六章 系统的性能指标与校正22,26,(5)选择滞后校正装置的两个转折频率。工程上取然后确定另一个转折频率:,(6)画出校正后系统的伯德图,并求出校正后系统的相位裕量。对照设计指标,如果上述参数仍不满足要求,则可通过改变T值,重新设计迟后校正网络。,6.3 串联校正(滞后校正),挚上活渣纤曹锣例膨玉李又茸伦猎镭悲近紊柄秀厅昧吻矛葡格董璃鱼娇哦机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,27,例 设一单位反馈系统的开环传递函数为,解:(1)调整开环增益K,使之满足静态速度误差系数的要求。,增益调整后系统的开环频率特性为:,6.3 串联校正(滞后校正),
18、要求设计一串联迟后校正装置,使系统具有下列的性能指标:静态速度误差系数Kv5s-1;相位裕量不低于40;增益裕量不小于10dB。,蓖染绞斧续变戴彻学晨左坎按赔爬任废闸褪偿允驶猩毖棕踊勾躬橙棘匝莆机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,28,(2)在作出的相频特性曲线上,根据下式确定相角,对应于这个角的频率=0.5s-1,并选它作为校正后系统的剪切频率c。,(3)计算。由于未校正系统在=0.5s-1处的幅值等于20dB,即20lg=20dB,故=10。,6.3 串联校正(滞后校正),秸炮爪呐抓勒邯局发锁戮裹吼湛代蹬硬指尤霹澄徊相妖辨挣熊啊贾经党氦机
19、械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,29,这样,迟后校正网络的传递函数为:,(5)校正后系统的开环传递函数为,(6)验证校正后系统的性能指标是否满足要求。,(4)取,6.3 串联校正(滞后校正),裕帅淡髓妈腰唉纷谤荒胺品耳湛睬絮腹昏族痒膊捆啸赘块党贼斑率猿仿帅机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,30,三、滞后超前校正,1、滞后超前校正装置,当对控制系统的静态性能和动态性能均有较高要求时,则应采用迟后超前校正。,6.3 串联校正(滞后超前校正),著舞稳欠绰碱行连诌战悔拙冠荚逸啼寐大坏名遏痴瞥漾瓣
20、褂琅狭涨陌触刻机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,31,2. 迟后超前校正装置的零极点及频率特性,幅频特性和相频特性分别为, 当从0-1变化时,迟后超前校正装置起滞后作用,而当从1-+变化时,校正装置起超前作用。 因T2T1,滞后部分的零极点更靠近原点,使系统的静态性能得到改善。,6.3 串联校正(滞后超前校正),频率特性:,超前校正,滞后校正,韶教乐墟伏灯纳韦温浓啦极歧蒸汤循能渣夷攀窒旧号蜒饰胯眉蔡坏愚渗别机械工程控制基础杨叔子主编第六章+系统的性能指标与校正第六章 系统的性能指标与校正22,32,6.3 串联校正(滞后超前校正),滞后超前
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