自动化课件第六章

1、2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学1第六章控制系统的校正控制系统的校正2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学2基本要求基本要求 1,正确理解串联超前、串联滞后、串联滞后超前三种校正的特性及对系统的影响。 2,掌握基本的校正网络及运算电路。 3,熟练掌握运用(低、中、高)三频段概念对系统校正前、后性能进行定性分析、比较的方法。 4,熟练掌握串联校正(串联超前、串联滞后)的频率域设计步骤和方法。了解串联校正的根轨迹设计步骤和方法。 2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学3 5,正确理解反馈校正的特点和作用。能通过传递函数分解为典型环节的方法，比较说明加入反馈局部校

2、正的作用。 6,正确理解对控制作用和对干扰作用的两种附加前置校正的特点、使用条件及其作用，会使用等效系统开环频率特性分析或闭环零、极点比较分析来说明前置校正的作用。 7, 了解其它一些改善系统性能的手段与方法。 2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学461 系统校正设计基础时域：时域：一、性能指标strt调节时间上升时间无差度稳态误差和开环增益等。超调量 %2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学5常用频域指标:模稳定裕度: GM峰值 : pM峰值频率: r带宽:B相稳定裕度:pm截止频率:c2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学6一、复数域指标一、复数域指标 是以

3、系统的闭环极点在复平面上的分布区域来定义。图61 闭环极点的限制区域振荡度：衰减度：2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学7二、几种校正方式 图62 2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学8三、校正设计的方法 1频率法 2根轨迹法 3等效结构与等效传递函数方法 由于前几章中已经比较详细的研究了单位负反馈系统和典型一、二阶系统的性能指标，这种方法充分运用这些结果，将给定结构等效为已知的典型结构进行对比分析，这样往往使问题变得简单。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学962 串联校正 图64 系统的串联校正2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学10一、相位

4、超前校正 由图65可见，式(61)校正作用的主要特点是提供正的相移，故称相位超前校正2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学11相位超前校正装置的传递函数aTm111sin1aam超前角的最大值为这一最大值发生在对数频率特性曲线的几何中心处，对应的角频率为111)(aTsaTssGc（61）2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学12例61图662022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学13 单位负反馈系统原来的开环渐近幅频特性曲线和相频特性曲线如图66所示，它可以看作是根据给定稳定精度的要求，而选取的放大系数K所绘制的。 从以上的例子可以看出超前校正，可以用在既要提高快

5、速性，又要改善振荡性的情况。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学14图67 无源微分网络2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学15通常式(61)的传递函数可以通过图67所示的无源网络来实现。利用复数阻抗的方法不难求出图67所示网络的传递函数为1111)(aTsaTsasGc221RRRaCRRRRT21212022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学16二、滞后校正图6-81( )1cbTsG sTs(1)b滞后校正传递函数为2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学17例62 单位负反馈系统原有的开环Bode图如图69中曲线所示。 曲线 可以看作是根据稳态精度

6、的要求，所确定的开环放大系数而绘制。1Ln系统动态响应的平稳性很差或不稳定，对照相频曲线可知，系统接近于临界情况。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学18图69 例62对应的波特图2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学19注意： 由于校正环节的相位滞后主要发生在低频段，故对中频段的相频特性曲线几乎无影响。 因此校正的作用，是利用了网络的高频衰减特性，减小系统的截止频率，从而使稳定裕度增大，保证了稳定性和振荡性的改善， 因此可以认为，滞后校正是以牺牲快速性来换取稳定性和改善振荡性的。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学20例63 设单位负反馈系统未校正时的对数频

7、率特性如图610中曲线 所示，校正网络对应的幅频特性如图中曲线所示。由图可见，并未改变低频段的斜率与高度，由图可见，并未改变低频段的斜率与高度，这说明稳态精度并未由于滞后校正而直接改这说明稳态精度并未由于滞后校正而直接改善。善。通过提供了通过增加开环放大系数，提高通过提供了通过增加开环放大系数，提高低频区幅频特性高度的可能性。低频区幅频特性高度的可能性。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学21图610 例63对应的波特图2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学22通常式(65）的传递函数可以通过图611所示的无源网络来实现212( )1( )( )()1ccrU sR Cs

8、G sU sRR Cs2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学23三、滞后超前校正 为了全面提高系统的动态品质，使稳态精度、快速性和振荡性均有所改善，可同时采用滞后与超前的校正，并配合增益的合理调整。 鉴于超前校正的转折频率应选在系统中频段，而滞后校正的转折频率应选在系统的低频段，因此可知滞后超前串联校正的传递函数的一般形式应为2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学24121,1abbTaT1212(1)(1)( )(1)(1)cbTsaT sG sTsT s（67）式(67)的传递函数可用图612的无源网络来实现。图6122022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学25

9、图612所示的无源网络，它的传递函数为11CRTa22CRTbabTT 1a)1)(1 () 1)(1()(1saTsTasTsTsGbabac（6-10）2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学26 式（6-10）中前一部分为相位超前校正，后一部分为滞后校正。对应的波特图如图6-13。由图看出不同频段内呈现的滞后、超前作用。图6-13 式（6-10）对应的波特图2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学27四、PID校正器1、PD校正器又称比例-微分校正，其传递函数( )( )(1)(1)cdpdcpppG sK sKKG sKK TsK（6-11）作用相当于式（6-1）的超前

10、校正。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学282、PI校正器 PI校正器又称比例-积分校正，其传递函数111( )ipcpiiT K sG sKT sTs（6-12）作用相当于式（6-5）的滞后校正。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学29 又称比例积分微分校正，其传递函数其作用相应于式(67)的滞后超前校正。3、PID校正器21( )1cpdiidipiG sKK sT sT K sT K sT s（6-13）2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学30注意： 校正装置参数的合理选择和系统开环增益的配合调整是非常重要的。 例如，若将超前校正环节的参数设置在系统

11、的低频区，就起不到提高稳定裕度的作用。同理若将滞后校正环节的参数设置在中频区，会使系统振荡性增加甚至使系统不稳定。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学3163 串联校正的理论设计方法一、串联校正的频率域方法 频率域设计的基础是开环对数频率特性曲线与闭环系统品质的关系。 在应用时首先需要把对闭环系统提出的性能指标，通过转换关系式，近似地用开环频域指标来表示。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学32例64 给定系统结构图如图614所示。设计 和 K 使得系统 r(t)=t作用下稳态误差0.01 相稳定裕度 ,截止频率 )(sGc045sradc/402022-7-3北京航空

12、航天大学北京航空航天大学33解:0010180( 903.1) 17.9tg sradc/446log10a441aT4a01136. 0T选取相位超前校正sradc/31K=100.令2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学34校正后开环传递函数为) 11 . 0)(101136. 0() 104544. 0(100)()(sssssGsGc049.8校正后相稳定裕度为符合要求2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学35图615 系统的串联超前校正2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学36图616 系统的串联滞后校正2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学3

13、7二、串联校正的根轨迹方法 根轨迹设计的基础是闭环零、极点与系统品质之间的关系。 闭环的品质通常是通过闭环主导极点来反映的。 因此在设计开始需要把对闭环性能指标的要求，通过转换关系式，近似地用闭环主导极点在复平面上的位置来表示。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学38例65 设系统的结构图如图617所示要求设计串联超前校正环节，使得系统阶跃响应满足以下要求，超调量 调节时间2sts0.162022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学39解：图618 主导极点的选取030BZOBPO1( )110.3510.189aTsGsTsss2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学

14、40 校正后系统开环传递函数为( ) ( )5.02(0.351)(0.51)(0.1891)cG s G sssss图619 校正后系统的根轨迹2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学41例6-6 系统结构图如图6-20所示。 要求设计滞后校正和调整开环增益，使系统在 作用下的稳态误差 ，并且阶跃响应的超调量 。( )r tt0.25rsse%20%图6-20 例6-6的系统结构图2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学42解： 作出未加校正时系统的根轨迹，如图6-21所示。根据超调量要求选取系统阻尼比0.5。由原点做 的阻尼线，与根轨迹交于B点。060图6-21 未加校正时

15、系统的根轨迹2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学430.750.75 3jB点在复平面上的位置*14.6BKBO BC BDB点处的根轨迹增益为*1.2212BKK 故B点对应的K值为2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学44n确定滞后校正环节的参数b、T。n 如图6-22所示，在E点右侧取一点作为滞后环节零点的位置。10.2bT （6-19）1rsseK0.25rssen 根据系统稳态要求选取开环增益。n 由 要满足 ，K应取大于4的值。图6-22 2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学451.220.244,520.49bT校正环节的传递函数为图6-22 选

16、取滞后校正的零点4.9981( )20.491csGss2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学46n作出校正后的根轨迹图。图6-23( ) ( )5(4.9981)(20.491)(0.51)(0.1671)14.6(0.2)(2)(6)(0.0488)cGs G ssssssss sss图中虚线框部分为原点附近的根轨迹。由图可知，校正后系统满足指标要求。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学4764 反馈校正 图624 222( )( )1( )( )G sGsG s H s显然，引进H(s)的作用是希望 的特性将会使整个闭环系统的品质得到改善。2( )Gs2022-7-

17、3北京航空航天大学北京航空航天大学48反馈校正的几种作用n 利用反馈改变局部结构、参数n 利用反馈削弱非线性因素的影响n 反馈可提高对模型扰动的不灵敏性n 利用反馈可以抑制干扰2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学49一、利用反馈改变局部结构、参数n 用位置反馈包围积分环节。2( ),( )111( ),(1)fffKG sH sKsG sTKTsKK使系统的无差度下降，相位滞后减少。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学50n用速度反馈包围惯性、积分和放大环节。212111( ),( )(1)( );,(1)11tttKG sH sK ss TsKTKG sTKs T s

18、KKKK可以增宽系统的带宽，有利于快速性的提高。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学51n用速度反馈包围一个小阻尼的二阶振荡环节和放大环节。22222222( ),(1)2( )( )2(0.5)nntntnnnKG sssH sK sKG ssKKs 加入速度反馈，增加了阻尼，减弱了小阻尼环节的不利影响。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学52n 速度反馈信号再经过一个微分网络22122122122121221121121121212( ),( )(1)11(1)( )()1(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1),ttttK T sKT sGsH sK ss

19、 T sT sT sKT sG ss T T sTTT K KsKT sKT sT ss T sT ss T sT sT sTTTTK K TT TT T可以保持增益不变，无差度不变；同时提高稳定裕度、抑制噪声、增宽频带。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学53二、利用反馈削弱非线性因素的影响 最典型的例子是高增益的运算放大器。|()()|1G jH j（6-21）若满足()()1()()G jG jG jH j由2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学54()()()jjG j这表明G主要取决于H，而和无关 若反馈元件的线性度比较好，特性比较稳定，那么反馈结构的线性度也好

20、，特性也比较稳定，正向回路中非线性因素、元件参数不稳定等不利因素均可以削弱。()1()()()()G jGjG jH jH j（6-22）2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学55三、反馈可提高对模型摄动的不灵敏性 摄动是由于模型参数变化或某些不确定因素引起的。 采取反馈校正比串联校正对模型的摄动更为不敏感。图6-25 串联校正与反馈校正2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学56四、利用反馈抑制干扰图626 利用反馈抑制干扰|1| 1|1GHGH只要，干扰的影响就可以得到抑制。从抑制测量噪声 的角度，要求高频区。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学5765 复合

21、校正 对于稳态精度、平稳性和快速性要求都很高的系统，或者受到经常作用的强干扰的系统，除了在主反馈回路内部进行串联校正或局部反馈校正之外，往往还同时采取设置在回路之外的前置校正或干扰补偿校正，这种开式、闭式相结合的校正，称为复合校正。具有复合校正的控制系统称为复合控制系统。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学58一、对控制作用的附加前置校正图627 前置校正 11pC sR sG sGsG s系统闭环传递函数2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学59令 0sCsRsE 011sRsGsGsGsCsRsEp sGsGp1 101110( ),( )mmnnnb sb sbN

22、sGsD ssasa sanm 21210cGsd sd sd希望系统输出完全复现控制输入，即2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学60 根据误差定义，可以求出误差传递函数 000011220111basbasbsbdsdsdasasassRsEmmmnmmnnn 000bda )(10011bdbda)(0211202bdbdbda系统的无差度反映了系统在时间幂函数输入下的复现能力2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学61结论 在系统设计中采用这种附加前置校正，对解决系统稳定性与稳态精度的矛盾、振荡性与快速性的矛盾，有着特殊可取之处。 因此精度要求高的快速随动系统，经常采

23、用前置校正。 采用附加前置校正的办法，实质上是将稳采用附加前置校正的办法，实质上是将稳定性和稳态误差的要求分别来考虑。定性和稳态误差的要求分别来考虑。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学62例67 系统如图628所示图中 是附加的前置校正。系统在等速输入作用下无稳态误差，相当于无差度为2，而系统的闭合回路内仍只有一个积分环节。将628化为629的等效单位负反馈的典型形式。/0.855s2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学63025.7(1.171)( )(0.0331)sG sss等效单位负反馈系统开环传递函数图629 等效系统00(1)( )( )11cG GGC s

24、R sGG等效传递函数2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学64二、对干扰的附加补偿校正 对于扰的补偿控制也是一种前置校正方式。 作用有干扰的系统结构图如图630所示图630 干扰的前置补偿2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学652112(1)( )( )1cGG GC sN sG G输出 单纯依靠回路的设计来达到干扰抑制，有一定的困难与不便。 利用附加的干扰补偿装置，实现干扰对系统输出的不变性，是一种非常有效的方法。11( )( )cG sGs2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学66例68假定原来的闭合回路的特征多项式已满足稳定条件，现要求设计 对干扰N进行补偿。( )cG s图631对干扰进行补偿的系统结构图如图631所示。2022-7-3北京航空航天大学北京航空航天大学67解：111( )(1)cG sT sK2 10121210(1)