第7章控制系统的校正与综合

1、宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正控制工程技术控制工程技术宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正校正的含义校正的含义控制器控制器执行器执行器受控对象受控对象测量装置测量装置校正的目的：设计控制器使系统满足给 定的性能。性能如何描述？性能如何描述？控制器的设计：传递函数的结构控制器的设计：传递函数的结构与参数与参数 选择。选择。宁波工程学院宁波

2、工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正校正的任务校正的任务 根据被控对象被控对象以及控制要求控制要求，选择适当的控制控制器及控制规律器及控制规律设计一个满足给定性能指标满足给定性能指标的控制系统。：通过改变系统结构，或在系统中增加附加装置或元件附加装置或元件对已有的系统（固有部分）进行再设计使之满足性能要求。控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置(校正装置校正装置)宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technol

3、ogy控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正校正方式校正方式串联校正串联校正并联校正（反馈校正）并联校正（反馈校正）复合（前馈、顺馈）校正复合（前馈、顺馈）校正宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正校正装置校正装置无源校无源校正装置正装置有源校有源校正装置正装置无相移校正装置无相移校正装置相位相位超前校正超前校正装置装置相位相位滞后校正滞后校正装置装置相位相位滞后滞后超前校正超前校正装置装置无相移校正装置无相移校正装置相位相位超前

4、校正超前校正装置装置相位相位滞后校正滞后校正装置装置相位相位滞后滞后超前校正超前校正装置装置宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正 分析法（试探法） 综合法（期望特性法）l 控制系统的设计方法控制系统的设计方法直观、设计的校正装置物理上易于实现。 根据性能指标要求确定系统期望的开环特性，再与原有开环特性进行比较，从而确定校正方式、校正装置的形式及参数。 分析法或者综合法都可应用根轨迹法和频率响应法实现宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Te

5、chnology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正l 频率响应设计法的优点频率响应设计法的优点 频率特性图清楚表明系统改变性能指标的方向； 串联校正时，直接相加，处理简单； 数学模型推导困难的元件，如液压和气动元件，可通过频率响应实验来获得其Bode图，直接与校正环节的Bode图综合； 高频噪声时，比其他方法更为方便。 宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正l 控制系统设计的性能指标控制系统设计的性能指标 稳态精度：稳态误差e

6、ss 过渡过程响应特性 相对稳定性：增益裕量Kg、相位裕量(c) 扰动的抑制：带宽时域：上升时间tr、超调量Mp、调节时间ts频域：谐振峰值Mr、增益交界频率c、谐振 频率r、带宽bP124P124 第第3 3章章pptP140pptP140 P162P162宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正二、PIDPID控制规律PID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。 tedtdTdeTteKtudtip01PID控制的传递函数：sTsT

7、KsEsUsGdipc11)()()(宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正l P控制（比例控制）控制（比例控制） P控制器的输出u(t)与偏差e(t)之间的关系为： teKtup PcKsEsUsG)()(比例控制器实质是一种增益可调的放大器。 pcKjG pcKLlg20 0cKpG (s)H(s)R(s)C(s)E(s)U(s)宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合

8、与校正控制系统的综合与校正-180-900 ()L()dB00-20-40未校正0-20-40已校正 (c) (c)cc (rad/s) pcKLLLLlg20)()(00 00c 若原系统频率特性为L0()、0()，则加入P控制串联校正后：增益交界频率增益交界频率 c c宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正q 开环增益加大，稳态误差减小； Kp1q 幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短；q 系统稳定程度变差。只有原系统稳定裕量充 分大时才采用比例控制。与Kp1时，对系

9、统性能的影响正好相反。P控制对系统性能的影响： Kp1宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正l PI控制（比例加积分控制）控制（比例加积分控制） 其中Kp、Ti 均可调。调节Ti 影响积分控制作用；调节Kp既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。 tippdeTKteKtu0 sTKsEsUip11由于存在积分控制，PI控制器具有记忆功能。 tt0Kpu(t)只有P控制PI控制0t01e (t)t0宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Te

10、chnology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正G(s)H(s)R(s)C(s)sTsTKiip)1 ( E(s)U(s)iipcjTjTKjG1 iipcTTKLlg201lg20lg2022 o90arctanicT PI控制对系统性能的影响宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正0L()/dB0-20-40已校正PI校正装置：Kp1未校正c1/Ti-180-900()1(c)2(c)未校正已校正 (rad/s) 系统型次

11、提高，稳态性能改善。 相位裕量减小，稳定程度变差。q Kp1 iipcTTKLlg201lg20lg2022 o90arctanicT 很大时后两项相减为很大时后两项相减为0 0 为为0 0，值为，值为-90-90宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正q Kp 10-270-900L()/dB()-20-40已校正未校正c (c) (c)未校正已校正-180-60-60-40-20-40c1/Ti (rad/s)PI校正装置：Kp 1 iipcTTKLlg201lg20

12、lg2022 很大时后两项相减为很大时后两项相减为0 0 o90arctanicT 为为0 0，值为，值为-90-90宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正 系统型次提高，稳态性能改善显然，由于 ，导致引入PI控制器后，系统的相位滞后增加，因此，若要通过PI控制器改善系统的稳定性，必须有Kp0)，稳定性提高； c增大，快速性提高； Kp1时，系统的稳态性能没有变化； 高频段增益上升，可能导致执行元件输出饱 和，并且降低了系统抗干扰的能力。 综上所述，PD控制通过引入微分

13、作用改善了系统的动态性能。 但须注意，微分控制仅仅在系统的瞬态过程中起作用，一般不单独使用。 宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正l PID控制（控制（比例积分微分控制比例积分微分控制） tdtdTKdTKtKtudptipp0 sTsTKssUdiP11tu(t)只有P控制PD控制0t0 (t)速度信号PID控制宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综

14、合与校正dicjTjTjG11idiicjjjG21当取Kp1时，PID控制器的频率特性为：iiT1ddT1令： ，宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正 iidicLlg201lg202222 9012diicarctgPID 控制器中积分控制作用发生在系统的低频段，以提高系统的稳态性能；而微分控制作用处于系统的中频段，以改善系统的动态性能，因此，有i Td ）。 dddiiicL lg20 0 lg20 90 0 090dic宁波工程学院宁波工程学院NingBo U

15、niversity of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正0-270-900L()/dB()-180 (rad/s)90-20已校正未校正c (c) (c)未校正已校正PID校正装置-40-60-20-40c1/Ti1/Td-20+20-40PID校正装置宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正 PID控制器综合了比例控制、积分控制和微分控制各自的优点：u 在低频段，PID控制器通过积分控制作用改善了系统的

16、稳态性能；u 在中频段，PID控制器通过微分控制作用，有效地提高了系统的动态性能。 宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正超前校正超前校正111)

17、(sTTssGc111)()()(sTTssUsUsGioc1221RRRa11CRT ) 1()()(1112sCRRRsUsUio) 1()(1sTKsGpc111CRT 12RRKp宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正超前校正的特点超前校正的特点111)(sTTssGc整个系统的开环增益下降 倍。为满足稳态精度的要 求，必须提高放大器的增益予以补偿。在整个频率范围内都产生相位超前。Taddm0转角频率1/T，/T的几何中点宁波工程学院宁波工程学院NingBo U

18、niversity of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正11sin01aaddmmmasin1sin1 m =20时， m65高通滤波特性， 值过大对抑制系统高频噪声不利。相位超前 系统带宽 动态性能 噪声为保持较高的系统信噪比，通常选择10(此时m=55)。最大超前角超前校正的特点超前校正的特点宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正滞后校正滞后校正11)(aTsTssGc22221,CRTRRRa11

19、)(aTsTssGc)()()(Ts11KTs11a11aTs1TssGpc)11 ()()(TsKsUsUpio22CRT 12RRKp宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正11)(aTsTssGc在整个频率范围内相位都 滞后，相位滞后校正。aTddm10转角频率1/T，1/T的几何中点。开环对数频率特性的中高频部分增益交界频率 稳定裕量串联校正时开环对数频率特性的低频部分稳态精度宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控

20、制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正滞后校正特点滞后校正特点11sin01aaddm)sin(1)sin(1mma越大，相位滞后越严重。应尽量使产生最大滞后相角的频率m远离校正后系统的幅值穿越频率c，否则会对系统的动态性能产生不利影响。常取10212ccT宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正超前校正和迟后校正的区别与联系超前校正和迟后校正的区别与联系 超 前 校 正 迟 后 校 正 原 理 利用超前网络的相角超前特性，改善系统的

21、动态性能。 利用迟后网络的高频幅值衰减特性，改善系统的稳态性能。 效 果 (1)在c附近，原系统的对数幅频特性的斜率变小，相角裕量与幅值裕量 Kg变大。 (2)系统的频带宽度增加。 (3)由于增加，超调量下降。 (4)不影响系统的稳态特性，即校正前后 ess不变。 (1)在相对稳定性不变的情况下，系统的稳态精度提高了。 (2)系统的增益剪切频率c下降，闭环带宽减小。 (3)对于给定的开环放大系数，由于c附近幅值衰减，使、Kg及谐振峰值 Mr均得到改善。 缺 点 (1)频带加宽，对高频抗干扰能力下降。 (2)用无源网络时，为了补偿校正装置的幅值衰减，需附加一个放大器。 频带变窄，使动态响应时间变

22、大。 应 用 范 围 (1)c附近，原系统的相位迟后变化缓慢，超前相位一般要求小于 550，对于多级串联超前校正则无此要求。 (2)要求有大的频宽和快的瞬态响应。 (3)高频干扰不是主要问题。 (1)c附近，原系统的相位变化急剧，以致难于采用串联超前校正。 (2)适于频宽与瞬态响应要求不高的情况。 (3)对高频抗干扰有一定的要求。 (4)低频段能找到所需要的相位裕量。 宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正 在生产中经常需要改变生产机械的工作速度，改变方法有哪些？机械方

23、式电气方式电动机、电源的参数和接线方式+宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正实例实例 典型机电反馈控制系统综合校正典型机电反馈控制系统综合校正 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 直流电动机的特点u 调速性能好u 起动力矩大 宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正 要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：当线圈边在不同极性的磁极下，如何

24、将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转,这就是直流电动机的工作原理 伺服电动机-测速机-光电编码器小功率直流电动机双环调速系统宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正Vs直流电动机双环调速系统原理图宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校

25、正控制系统的综合与校正一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机- -测速机机组测速机机组 直流伺服电动机外径70mm，额定功率100W；额定转速1000rpm；额定电压30V；额定电流4.5A; 额定转矩1Nm；峰值转矩8Nm，电枢电阻1.7，电枢电感3.7mH，转动惯量29210-6Nms2，机电时间常数9.2ms。同轴安装了测速机，外径也是70mm，其转速系数为24V/1000rpm，可带10K负载，其转动惯量为10010-6Nms2。由于转动惯量的增加，实际的机电时间常数为12.4ms。同轴还接一个增量式光电编码器，500脉冲/每转，电源5V，输出TTL电平信号，分A，B，Z三种信号。其中A

26、，B两组信号相差90度相位，A超前B表示正传，B超前A表示反转，Z每转发出一个零位信号。宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正直流斩波器电动机系统原理图和电压波形二、二、PWMPWM功率放大器功率放大器宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正二、二、PWMPWM功率放大器功率放大器宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of T

27、echnology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正二、二、PWMPWM功率放大器功率放大器宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正二、二、PWMPWM功率放大器功率放大器宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正20,1TtEiRdtdiLUaaaasTtTEiRdtdiLUaaaas12,二、二、PWMP

28、WM功率放大器功率放大器宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正二、二、PWMPWM功率放大器功率放大器脉宽调制器原理图电机电枢平均电压：电机电枢平均电流：121sssaUUUUasaREII12Ua宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正二、二、PWMPWM功率放大器功率放大器改变Uc改变Ug1和Ug2宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正三、霍尔电流传感器三、霍尔电流传感器 原边电流IP产生的磁通量聚集在磁路中，并由霍尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号精确地反映原边电流。 宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正MMRIU1001. 0宁波工程学院宁波