第八章 系统的设计与校正(第一讲).ppt

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,8.1 引言,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

2、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）。,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。,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,从使用角度看，时域指标直观，对系统的要求常以时域指标形式提出

3、；目前，工业技术界多习惯采用频率法，故通常通过近似公式进行两种指标的互换。,时域指标,稳态 ：稳态误差、静态误差系数,瞬态： 超调量、调整时间、峰值时间、上升时间,频域指标,闭环：闭环带宽、谐振峰值、谐振频率,开环：开环截止频率、相位交界频率、幅 值裕度和相位裕度,8.2 系统的设计与校正基础,8.1.1 控制系统的性能指标,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。,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

4、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。,1. 误差积分性能指标,理想系统，阶跃输入，输出也是阶跃函数，输入与输出之间存在误差。应使误差 尽可能小。,综合性能指标（误差准则）,在无超调的情况下，误差 是单调变化的。考虑在所有时间内误差的总和。,系统的综合性能指标,所以,注意：,必须在阶跃输入无超调的情况下，才能用该公式计算系统的综合性能指标。,例71：单位反馈的一阶惯性系统，确定能使I值最小的K值。,解：,误差的拉氏变换：,可见，K越大，I越小。从减小I

5、的角度看， K选得越大越好。,当系统的过渡过程有超调的情况下，由于误差有正有负，积分后不能反映整个过程误差的大小。当不能预先知道系统的过渡过程有无超调的情况下，不能用上式评价系统所有时间里的误差总和大小。,2. 误差平方积分性能指标,系统在阶跃输入后，其输出过渡过程有振荡，取误差平方积分性能指标：,由于积分中为平方项， 不会相互抵消。积分上限，也可以由足够大的时间T代替。这也是现代控制理论中二次型智能指标的一种。,误差平方积分性能指标的特点是：重视大的误差，忽略小的误差。因为大的误差时，其误差平方更大。对性能指标I的影响大。根据这种指标设计的控制系统，能使大的误差迅速减小，但系统容易产生振荡。

6、,常用的校正方法有综合法和分析法。,综合法又称希望特性法，闭环性能与开环性能有关，可根据系统要求的性能指标，先求出希望的系统的开环频率特性曲线，然后把系统希望的频率特性曲线与校正前的频率特性曲线进行比较，以此来确定校正方式和校正装置及其参数。,分析法又称试探法，根据经验确定校正方式，选择一种校正装置，然后根据系统性能指标要求和校正前的系统特性，选择校正装置及参数。而校正结果是否满足性能指标要求必须经过验算，如不满足，进一步修正校正参数或考虑改变校正方式。,为改善系统性能所增加的环节称为校正装置。,8.2 系统的校正概述,校正分类方法：,按其在系统内的联接方式不同可分为串联校正和反馈校正。,串联校正按其特性可分为：相位超前校正、相位滞后校正、相位超前滞后校正。,按实现校正作用的装置来分，可分为电气的、机械的、液压的、气动的等。,对电气校正环节来说又可分为有源校正和无源校正。,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,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。,校正方式取决于系统中信号的性质、技术方便程度、可供选择的元件、其它性能要求（抗干扰性、环境适应性等）、经济性等诸因素