强烈推荐第六章自动控制理论控制系统的校正.ppt

,第六章 控制系统的校正, 6-1系统的设计和校正问题 6-2串联校正 6-3反馈校正 6-4系统串联校正的理论设计,6-1 系统的设计和校正问题,一、校正 1、概念：如果原系统不能满足各项性能指标的要求，为了改善，在系统中引入一些附加装置，以满足要求。该引入的装置即校正装置。,返回,2、任务：已知原有系统和要求的性能指标，设计校正装置。,二、校正方法：,1、串联校正:加在前向通道误差之后，放大环节之前,串联校正,2、反馈环节：有局部反馈、全部反馈、正反馈、负反馈,3、前置校正,4、干扰校正,前置校正,用户用性能指标来表达对控制系统的要求（定性、定量、部分定性+部分定量） 具体：1、时域指标 超调量Mp、调节时间ts、位置误差Kp、速度 误差Kv，加速度误差Ka、阻尼比 2、频域指标 剪切频率c、频带宽度b、相位裕度、幅值裕度Kg、峰值Mr 提出的指标要适当考虑,三、性能指标,合理性 可行性 经济性,若过高，则达不到要求；或系统造价高,四、设计步骤,1、系统建模（辨识） 2、根据要求，选择校正装置（能体现校正传递函数的物理装置），可以是机械、电气、气动、液压、混合的，一般电气首选； 3、做样件（或软件仿真）； 4、调整参数、修改结构（调试）； 5、完成 校正的核心：选择合适的校正数学模型,6-2 串联校正,超前校正 滞后校正 滞后超前校正 PID调节器（校正器）,返回,一、超前校正,1、校正模型,(复阻抗法),令：,模拟电路（无源）,另： 机械装置：,有源电子装置：,R2R3R4,二. 校正分析,超前校正环节Bode 图,应用：,1/T 1/T,-,讨论：,校正前：不稳定系统（一次穿越）；校正后：稳定; 中频段：校正前：- 40dB； 校正后：-20dB ; c 变宽，快速性提高； * 1增益有衰减，用串联放大补偿到1，补偿后，原低频段不变。 串联校正基本原理： 利用超前校正网络的相角超前特性来增大系统的相角裕度，以改善系统的动态特性。,返回,二、滞后校正,1、校正模型：,模拟电路（无源）,另：有源电子模拟装置：,2、校正分析：,1/T,1/ T,滞后校正环节bode图,1/T 1/T,c2 c1,应用,分析：,校正前：临界稳定； 校正后，相位裕度为； c 变窄，牺牲快速性； 校正后有 ，可以再提高K，增加精度。 滞后校正基本原理： 利用校正装置的高频幅值衰减特性，使系统剪切频率下降，提高相角稳定裕度。,返回,三、滞后、超前校正,低频段加滞后（精度、平稳性）， 中频段加超前（快速性）。,1、模拟电路：,滞后超前校正的Bode图：,无源RC网络，常因负载效应，对原系统影响较 大，一般采用有源RC网络。 而工程上，采用现成产品-PID调节器,返回,1/T2 1/T2 1/T1 /T1,四、PID调节器（校正器）,1、PD调节器（比例+微分）,具有超前校正特性,2、PI调节器（比例+积分）,具有滞后校正特性， 且：增加了一个积分环节，精度提高了一级。,3、PID调节器（比例+积分+微分）,具有滞后超前校正特性,返回,6-3 反馈校正,一、常见校正量 1、被控量：速度、加速度、位移 2、电量：电压、电流 3、中间变量：由非电量 电量,返回,二、联接方式,三、常用反馈元器件,测速发电机 压电式加速度传感器 电流互感器,正规产品,四、反馈校正功能： 改变被包围部件的动态参数； 取代某些部件。,五. 反馈校正应用,(一)、利用反馈改变结构和参数 1、比例反馈包围积分环节 滞后环节,返回,例：液位控制系统,缺项，结构不稳定，用 代替 则：,-,解：,2、比例环节包围一阶滞后（惯性）环节 一阶滞后（T减小）,3、微分环节包围惯性环节 一阶滞后环节(T增大),4、微分包围二阶振荡环节 振荡环节（ 增大）,微分环节实际使用中，很难得到，可近似为：,称微分反馈KS为速度反馈； 称 KS2反馈为加速度反馈。,(二)、利用反馈校正取代局部结构,6-4 系统串联校正的理论设计,即：校正装置的选择。 对已有系统进行估算 与用户要求比较 若不行，则校正之 找典型模型： 如、型静态误差； 低、高、中频处理 典型的一、二阶系统,返回,*以二阶1型为例 二阶参数模型,在时域中：,在频域中：谐振峰：,峰值频率：,例：单位负反馈系统，,解：1、开环增益2K*，,返回,用频率法设计校正系统实例,2、画Bode图：,1 10 100,=9.57，Lkg=,26,6.32,3、校正：在中频段加超前校正（不够）,将新的c的位置放在校正环节的m 的位置,4.5,新,检验,新开环传递函数 新c=9 新 =+tan-10.22c - /2tan-10.5 c - tan-10.056c =44.6 合格,步骤总结,根据给定的稳态性能指标确定系统的开环增益 计算原系统的相角裕度 计算需要的超前量。（留余量10左右） 求 求m,T 检验,例2：已知系统框图,1.校验：,2、期望值,（原来K不够大。）,C、低频与中频的联接：,0.1 1 2,0.3,3,0.035,40 20,期望特性设计法,期望特性：,0.03 0.3 2 3,20,校正环节,如性能指标以Mr、b等给出，则由换算公式折算成c 、1 以上都是单位反馈，如非单位反馈，另做处理； 系统是最小相位系统，稳定是前提。,讨论：,综合实例：PI直流调速系统,1. 系统调节过程 当电动机转速为给定值, 测速发电机的输出电压Uf等于给定电压Ug，偏差值为零，当电机转速下降，测速发电机输出电压Uf下降，由于给定电压Ug不变，所以出现正偏差，PI调节器改变Uk从而改变晶闸管触发角 ，使晶闸管整流电路输出电压Ud增加，即增大直流电动机电枢电压，从而使电动机转速增加，回升到给定值。,Ug,Uf,PI直流调速系统,2 动态性能分析,为了对上述系统进行动态分析，首先应当建立各环节和系统的传递函数。 PI调节器 PI调节器的传递函数为,触发电路和整流装置 这一环节的输入量是触发电路的控制电压Uk，输出量是理想空载整流电压Udo，稳态值为UdoKSUk，这是一个放大环节。因为普通的晶闸管整流装置有这样的特点，某一相的晶闸管一旦被触发导通后，如果控制电压Uk发生变化，输出电压Udo并不会瞬时产生反应，必须等到下一相被Uk移相的触发脉冲来到时，引起晶闸管换相，整流电压才会改变。因此触发电路和整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节。,为了计算简便起见，在一定条件下，可把它近似看成一阶惯性环节。,.直流电动机,动态结构图图,直流测速发电机 直流测速发电机的输出电压U，与速度n成正比，所以其传递函数为比例环节。,可见系统为I型系统，所以对阶跃输入，转速的稳态误差为0。又因为在扰动点之前存在积分环节，所以可以消除负载扰动引起的稳态误差。因