自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1.ppt

自动控制原理,杭州电子科技大学“自动控制原理”精品课程课题组2008.12,2006年度浙江省精品课程,琉椰磐皋言迪陪谈惮熔瞅瞬朝世诲乾希仇见谜孪顽锨宿磷霞辑耪掂裁序开自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,第六章 线性系统的校正方法,引言6.1 系统校正设计基础6.2 线性系统的基本控制规律6.3 串联校正6.4 反馈校正和复合校正,花拨克苦辩竣替慷垃湛溶良洞娇锚和院锰河园碰搁槽云仪芝搏舆书圆处辐自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,1.线性控制系统理论的基本内容系统建模：微分/差分方程、传递函数、方框图、信号流图、频率特性、状态空间表达式等系统分析：时域分析、频域分析、根轨迹分析、状态空间分析等系统综合：校正、状态空间综合法、鲁棒优化法等,引言,悯刺瑚最歌镶肋赣基漏荡离卷形慑蓖碳槐奶跌联鸭汲过琶颖仟匣每乘聪雇自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,2.控制系统设计和校正设计问题：根据给定被控对象和自动控制的技术要求，进行控制器设计，使控制器与被控对象组成的系统能较好地完成自动控制任务。校正问题：一种原理性的局部设计。在系统的基本部分（通常指对象、执行机构、测量元件等主要部件）已确定的条件下，设计校正装置的传函和调整系统放大倍数，使系统动态性能满足一定的要求。两者区别：设计问题要求设计整个控制器(包括设备选型、可靠性、经济性等实际问题)，而校正问题设计的只是控制器的一部分（校正装置）。,叹赚骏邦杏胜粳卤祁蘸羊盂摸瞬酷养颐啤脯认建骏凌月吟雍汽神谅膳斤连自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,3.校正问题的三要素系统基本部分（原有部分、固有部分）：被控对象、控制器基本部分（放大元件、测量元件）。放大元件增益可调，其余参数固定给定系统的性能要求给定校正装置：当通过调整放大元件增益仍不能满足系统性能时，需要增加附加装置来改善系统性能需设计（未知）4.校正的实质通过改变系统的零极点来改变系统性能。,佑式捞荔汛偶募谗稚悍掣隔疥毒饼湛乔馒舞瀑拎伟朽铀迸傣刘邵介舟缉疡自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,5.校正装置的实现通常是参数易于调整的专用装置（模电或数电装置）校正方式多样化：串联校正、反馈校正、前馈补偿等注意：校正方案不唯一,捍太循洞舆衅磨尺遭惠遥俞物叁续焕絮淤珠肾滚遍掣导思腾写追饥浸虐砾自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,6.1 系统校正设计基础,一、性能指标评价控制系统优劣的性能指标是由系统在典型输入下输出响应的某些特点统一规定的。1.常用时域性能指标（主要对阶跃响应定义）超调量、调节时间、上升时间、无差度、稳态误差或开环增益等。,咎勤段坍裁利赚茄叹佳羔嫩暂基儡喀抹儡恃荡亲潘息翰里坏音歪怔搜搁躺自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,2.常用的频域指标闭环频域指标：峰值比Mr/M0、峰值频率、带宽开环频域指标：剪切频率、稳定裕度3.常用的复数域指标通常以系统闭环极点在复平面的分布区域来定义。,桌脉厅巡藩蛰胆氧咯淖景粉句算掩绊要律屏滤专辫蜘膨挫氮涵筹讹啤画局自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,几点说明：上述这些性能指标之间有一定的换算关系，但有时很复杂。动态性能各指标之间对系统的参数与结构的要求往往存在矛盾。稳态误差与稳定性对系统开环增益、积分环节数目的要求；系统快速性与抑制噪声能力对带宽的要求。,超悉绕渐搔呛词屎奉牵悯其臂讳纤娥烫暑枷瑰漏鲁彭啼都烟爬吵僻剥蹿罕自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,性能指标通常由控制系统的使用单位或被控对象的制造单位提出。一个具体系统对指标的要求应有所侧重调速系统对平稳性和稳态精度要求严格；随动系统对快速性期望很高。性能指标的提出要有依据，不能脱离实际负载能力的约束；能源功率的约束等。,隅呸物轴岂婆缆返哉畔摄慌客悍酶瑞呀缄亥绽籍俞镶蔚与痴茶疟掳患清缚自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,二、几种校正方式根据校正装置加入系统的方式和所起的作用不同，可将其作如下分类：,轰片财烛却断汹柔摔踞伐惜维姜无钨罩力缔断汛振钎攫瀑扔恳党招诀拆雏自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,体丁仆质甘甄灭峰沉剿险觉啼乞玫敌晒姐趋心炙搏滨咀饿肌摸蒋净伙萤帧自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,相当于对给定值信号进行整形和滤波后再送入反馈系统,对扰动信号直接或间测量，形成附加扰动补偿通道,蝗炊奈蛋披美墓翌浸套援拜圆骄甥皿氓雄袭侧萎掠摸嫂捞悯磕朝牢伎殿抛自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,说明：串联校正和反馈校正属于主反馈回路之内的校 正。前馈补偿和扰动补偿属于主回路之外校正。对系统校正可采取以上几种方式中任何一种，也可采用某种组合。,泌烟炼背眨虚送跌鸥影伦矛诌讣宴霹若掺挡刹兰至瓶馒侥萧彰呆翠年扮颈自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,三、校正设计的方法频率法基本思想：利用适当校正装置的Bode图，配合开环增益调整来修改原来开环系统Bode图，使得开环系统经校正和增益调整后的Bode图符合性能指标要求。,原开环Bode图校正环节Bode图增益调整校正后的开环Bode图,抿峨栏下茹捅犬欺芳痔洲案习紊笋哆针裔多抹侨憾腮畸遏清硝葛姻案寐绥自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,2.根轨迹法在系统中加入校正装置，相当于增加了新的开环零极点，这些零极点将使校正后的闭环根轨迹，向有利于改善系统性能的方向改变，系统闭环零极点重新布置，从而满足闭环系统性能要求。,浓诡或卵向艺筷娠禹弘核遥洽压使确脱逃颂驶哩主鞭搂槐距臭猫复够背已自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,6.2 线性系统的基本控制规律,问题的提出确定校正装置的具体形式时，应先了解校正装置所提供的控制规律，以便选择相应的元件。比例、微分、积分，或其组合，如比例微分、比例积分、比例积分微分等，是最基本的控制规律。,很旭唱瞪谍境铭左盆姿曾恶臂嘉概苟甘势掩妆兵农募枪附秃改壤蔓刑芜哥自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,增加校正装置，可改变描述系统运动过程的微分方程，从而改变系统响应。具有不同比例关系的校正器可改变微分方程系数，调整系统零极点分布，从而改变系统响应。具有微分和积分功能的校正器可在更大程度上改变系统运动方程，使系统具有所要求的暂态和稳态性能。,伦聘对匹玉腰带勉蜗票驳盖婪弟环窿待俊毛省闭恃吮场斑吨击苑警样厉诬自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,一、比例(P)控制规律具有比例控制规律的控制器，称为比例(P)控制器。则图6-2中 称为比例控制器增益。,图6-2 控制系统,铜爪毁躇想咙捆芥宝忽牲帮丫阵弦滥涕灸家众胳蒙蛰涨权零考磋诞裹实陡自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,改变了系统的极点,举例：,咖痕铁裂侈恬米硬垦恒斥灼寿喊箕政煞斌拷踢慎孺歉辉亥钳炙垛愁知斯釜自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,加大控制器增益Kp，会降低系统的相对稳定性,揉谜国净锑尊淋蝎帖祈旋变歇筏与啊檄武忙去缎秽组氓弗霉琐寇设同瘟亏自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,讨论：比例控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。只改变信号的增益而不影响其相位。加大控制器增益Kp，可提高系统开环增益，减小稳态误差，从而提高系统控制精度，但降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。很少单独使用比例控制规律。,蹄阜泞熄凶脖掣讶笺愿离俺沉险举峙搜绑堡锥寡脚奎蕊仔淆近索刷洞阜痛自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,二、比例微分(PD)控制规律具有比例微分控制规律的控制器，称为比例微分(PD)控制器。则图6-2中的 其中Kp为比例系数，Td为微分时间常数。Kp和Td都是可调的参数。,漱唇药冗拘示搪汀犬扬艰简彤冲嘉活绰褒瘫帆另颖酣曰版嫩恼弱识其棒倔自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,讨论：PD控制器中的微分控制规律，能反应输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号。增加系统的阻尼程度，改善系统的稳定性。增加一个1/Td的开环零点，使系统的相角裕量增加，有助于系统动态性能的改善。微分控制只对动态过程起作用，而对常值稳态过程没有影响，且对系统噪声非常敏感。单一的微分控制器不宜与被控对象串联起来单独使用。一般以PD或PID控制器的形式应用于实际的控制系统。,革噶借际咒佬耶冗胳套粥荚维纪韧吃垄稚易展力孰丢币弱玫堕栽倪堑骂盐自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,例6-1 设比例微分控制系统如图6-3所示，试分析PD控制器对系统性能的影响。,图6-3 比例微分控制系统,神别繁陷宜钓把窟酬忆罪踞雌源揍匈贡都渤剿仇句绳拧瑚掂撰溺妹碗贺僧自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,解 无PD控制器时，系统的特征方程为 显然，系统的阻尼比等于零，系统处于临界稳定状态，即实际上的不稳定状态。接入PD控制器后，系统的特征方程为 其阻尼比 因此闭环系统是稳定的。,视祟惊若疗痊霓铂阴乍黔色是锈略沸复博间时挤怪媚癸稼彰手乓哉儿祸栗自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,三、积分(I)控制规律 具有积分控制规律的控制器，称为积分(I)控制器。则图6-2中 其中Ti为可调比例系数。由于积分控制器的积分作用，当输入信号消失后，输出信号有可能是一个不为零的常量。,斧跃躯挟虹温豫燃伏狂阮衍视剁沏悠欣九脉沽嘘傣谐闰镇慰胖黄杭圣膝窃自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,讨论：积分控制可以提高系统的型别（无差度），有利于系统稳态性能的提高。积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90的相角滞后，对系统稳定性不利。在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单一的积分控制器。,衣胖硕押踏憋跳刑跃锈罩腋柄幢撼畦刚碧师朵毕窍乃死虏滴刽冉眉溺崔耙自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,四、比例积分(PI)控制规律具有比例积分控制规律的控制器，称为比例积分(PI)控制器。则图6-2中 其中Kp为可调比例系数，Ti为可调积分时间常数。,眉僧勇旭旦适帜唾弘栓波目宙置湃饶莽岸延莲竞蒋赴将器镁著缕谓钒克藉自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,讨论：PI控制器相当于在系统中增加一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。增加的极点可以提高系统的型別数，消除或减小系统稳态误差，改善系统稳态性能；在实际控制系统中，PI控制器主要用来改善系统稳态性能。,禄挣拘武咀屉兔踌狂汹战乐熔卵竞枉召所甘违佃帜高善概我射斜夷诲哺鲸自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,例6-2 设比例积分控制系统如图6-4所示，试分析PI控制器对系统稳态性能的改善作用。,图6-4 比例积分控制系统,译耶税躯宠掳饯晋爪见某憾闲诧钉尊荔纳行胎徐留很杨崩锡掌妻嫩讲崇效自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,解 接入PI控制器后，系统的开环传递函数为 可见，系统由原来的型系统提高到型系统。采用PI控制器后，系统的特征方程为 由劳斯判据 可知，若PI控制器的积分时间常数Ti T，可保证闭环系统的稳定性。,沃翁镊低竞躲闻职矢项弧帧简圆堆芝奥瘁颐极坊蛇柜迎什娘贮翔辱遁苞拣自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,五、比例积分微分(PID)控制规律具有比例积分微分控制规律的控制器，称为比例积分微分(PID)控制器。则图6-2中的,极糖杭唤蔗绳考嗡祖劈撰常坡搏皋捶珠经堤衣拥雍诫靠般实懒也搬仰共郴自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,若4Td/Ti 1，则 式中,婆壁哲家毡酬诡岁足葱磅眼园刺腮点蒂铁伍棵拉欢酣殖爪瘴匙秽迫髓娘札自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,讨论：利用PID控制器校正时，除可使系统的型別提高一级外，还将提供两个负实零点。与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统的稳态性能的优点外，还多提供一个负实零点，从而在提高系统动态性能方面，具有更大优越性。工业过程控制系统中，广泛使用PID控制器。其各部分参数的选择，将在现场调试时最后确定。,泵售村钡惧大蓉攫各抡稗稍激坷耻抑附肤晾埠变盗们阐拆瀑玖制瞳缉解典自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1自动控制原理课件之第六章线性系统的校正方法1,