机械工程控制基础教学课件-第六章-控制系统的综合与校正

机械工程控制基础叶春生，材料学院csye@Tel械工程控制基础1第六章控制系统的综合与校正1基本概念2超前校正参数的确定3滞后校正参数的确定4滞后－超前校正参数的确定5用希望对数频率特性确定校正参数6反馈校正参数的确定第六章控制系统的综合与校正1基本概念21基本概念1基本概念（1）当确定了被控对象后，根据技术指标来确定控制方案，进而选择传感器、放大器和执行机构等就构成了控制系统的基本部分，这些基本部分称为不可变部分（除放大器的增益可适当调整，其余参数均固定不便）。当由系统不可变部分组成的控制系统不能全面满足设计需求的性能指标时，在已选定的系统不可变部分基础上，还需要增加必要的元件，使重新组合起来的控制系统能全面满足设计要求的性能指标，这就是控制系统的综合与校正问题1基本概念1基本概念（1）当确定了被控对象后，根据技31基本概念1基本概念控制系统的综合与校正问题，是在已知下列条件的基础上进行的，即1已知控制系统的不可变部分的特性与参数；2已知对控制系统提出的全部性能指标。根据第一个条件初步确定一个切实可行的校正方案，并在此基础上根据第二个条件；利用本章将要介绍的理论和确定校正元件的参数。1基本概念1基本概念控制系统的综合与校正问题，是在已知下41基本概念1基本概念控制系统的综合与校正问题与前面讲解的分析问题既有联系又有差异；分析问题，是在已知控制系统的结构形式与全部参数的基础上，求取系统的各项性能指标，以及这些性能指标与系统参数间的关系。而综合与校正问题，是在给定系统不可变部分的基础上，按系统应有的性能指标，寻求全面满足性能指标的校正方案，并合理确定校正元件的参数。因此，综合与校正问题不像分析问题那么简单，也就是说，能全面满足性能指标的控制系统并不是唯一的。1基本概念1基本概念控制系统的综合与校正问题与前面讲解的51基本概念1基本概念（2）校正装置可以串联在前向通道之中，形成串联校正，也可以接在系统的局部反馈通道之中，形成并联校正或反馈校正，如下图所示。1基本概念1基本概念（2）校正装置可以串联在前向通道之中61基本概念1基本概念1基本概念1基本概念71基本概念1基本概念串联校正装置通常由一些无源或有源网络组成。它结构简单，价格低廉，易于实现，但它无法减弱系统固有部分参数变化对系统性能的不良影响。反馈校正通常是在系统中加入速度或加速度反馈。反馈校正除改善系统特性外，还能削弱系统非线性特性的影响，减弱或消除系统固有部分参数变化对系统性能的影响，抑制噪声的干扰。1基本概念1基本概念串联校正装置通常由一些无源或有源网络81基本概念1基本概念无源串联校正，往往需要附加放大器用来提高增益以补偿串联校正过程中引起的幅值衰减；有源串联校正，由于在其元件中含有放大器，因此上述补偿问题可在有源校正电路中自行解决，而不必增加额外的附加放大器。1基本概念1基本概念无源串联校正，往往需要附加放大器用来91基本概念1基本概念（3）稳态性能、稳定性、动态性能稳态性能（稳态误差）与开环增益及系统型别的关系；

稳定性（相对稳定性）与开环增益及系统型别的关系；动态性能（稳态时间）（4）基本控制规律分析1基本概念1基本概念（3）稳态性能、稳定性、动态性能102超前校正参数的确定超前校正及其特性2超前校正参数的确定超前校正及其特性112超前校正参数的确定超前校正及其特性PD控制器与近似（带惯性）PD控制器的比较后者所能提供的最大超前相角小于前者，但是由于后者具有描述惯性环节的时间常数的存在，故可在抗干扰性方面优于前者。全面考虑，则一般选用后者作为超前校正环节。2超前校正参数的确定超前校正及其特性PD控制器与近似（带惯122超前校正参数的确定超前校正参数的确定概括起来讲，主要内容是：一个定义，一张图，五个公式，一个流程。一个定义是指超前校正的定义：在控制系统中，当具有相位超前特性的PD控制器作为对系统特性校正的一种装置时，这种校正形式称为超前校正。一张图是指近似PD控制器的波特图：五个公式是指（PD控制器）（近似PD控制器）2超前校正参数的确定超前校正参数的确定概括起来讲，主要内容132超前校正参数的确定超前校正参数的确定2超前校正参数的确定超前校正参数的确定14一个流程是指：在未校正的考虑的上找所对应的为校核一个流程是指：在未校正的考虑校核152超前校正参数的确定超前校正参数的确定2超前校正参数的确定超前校正参数的确定162超前校正参数的确定超前校正参数的确定2超前校正参数的确定超前校正参数的确定17I图(a)I图(a)18dB0图(b)dB0图(b)19机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正20+-图(a)+-图(a)21+-图(a)+-图(a)22超前校正参数的确定dB0+20dB/dec超前校正参数的确定dB0+20dB/dec23dB20lga01/aT1/T10lga0dB20lga01/aT1/T10lga0240.010.11.010a=3031050.010.11.010a=30310525aa26机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正27机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正28-5-20-5-2029机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正30机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正31机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正32-42.7-5.72-4.73-4.65图26-42.7-5.72-4.73-4.65图2633机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正34基本控制规律分析+-R(s)C(s)M(s)P控制器方框图基本控制规律分析+-R(s)C(s)M(s)P控35+-R(s)C(s)M(s)PD控制器方框图+-R(s)C(s)M(s)36te(t)tm(t)te(t)tm(t)37+-R(s)C(s)+-R(s)C(s)38机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正39+-R(s)C(s)M(s)+-R(s)C(s)M(s)40C(s)+-R(s)C(s)+-R(s)41PI控制器方框图+-R(s)C(s)M(s)t10m(t)0tPI控制器的输入与输出信号PI控制器方框图+-R(s)C(s)M(s)t10m(t)42+-R(s)M(s)C(s)含PI控制器的I型系统方框图+-R(s)M(s)C(s)含PI控制器的I型系统方框图43机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正44机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正45

PID控制器方框图+-R(s)C(s)M(s)PID控制器方框图+-R(s)C(s)M(s)46问题1、超前串联校正环节的加入使原系统的如下参数中的那些发生变化？如何变化？定性的给出分析。2、根据上述问题的分析，请你总结一下什么时候用超前校正比较适合，并给出具体的步骤？3、超前校正有什么优点，有什么缺点？为什么？请给出定性的分析。问题47增大，因为是超前校正；增大；增大，因为是近似PD控制，微分作用的加入使系统抗干扰能力显著增强增大，分析增大增大，因为是超前校正；增大；48机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正49机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正502、根据上述问题的分析，请你总结一下什么时候用超前校正比较适合？要求校正系统的剪切频率应大于未校正系统的剪切频率2、根据上述问题的分析，请你总结一下什么时候用超前校正比较适513滞后校正参数的确定滞后校正环节分析串联迟后校正不影响系统的相对稳定性的条件是在根轨迹图上通过校正前后系统的相轨迹不发生明显的变化，因而闭环主导极点的位置不发生明显改变来保证的。在这种情况下，校正前后闭环主导极点对应的增益系数如何变化，增大、还是减小？3滞后校正参数的确定滞后校正环节分析523滞后校正参数的确定滞后校正环节分析1．闭环主导极点在闭环极点中，一些极点靠近虚轴，而它们附近又没有闭环零点。这些极点对系统阶跃响应起主导作用，因为这些极点对应瞬态响应中衰减较慢的项。这些对瞬态特性具有主导作用的闭环极点，称为闭环主导极点。2．闭环偶极子相距很近的一对极点与零点，其对系统动态性能的影响可忽略不计，把这一对零极点称为偶极子。经验表明，一对零极点的距离是至其它极点或零点距离的十分之一以下，则这对零极点便可称为偶极子，其对系统瞬态响应的影响可忽略不计。3滞后校正参数的确定滞后校正环节分析1．闭环主导极点533滞后校正参数的确定滞后校正环节分析3滞后校正参数的确定滞后校正环节分析543滞后校正参数的确定滞后校正环节分析3滞后校正参数的确定滞后校正环节分析553滞后校正参数的确定滞后校正环节分析3滞后校正参数的确定滞后校正环节分析563滞后校正参数的确定滞后校正环节分析这一结果说明：在保持系统动态性能基本不变的前提下，有近似PI控制器实现的迟后校正可将系统开环增益提高倍。3滞后校正参数的确定滞后校正环节分析这一结果说明：在保持系573滞后校正参数的确定迟后校正参数的确定概括起来讲，主要内容是：一个定义，一张图，五个公式，一个流程。一个定义是指迟后校正的定义：在控制系统中，当具有相位迟后特性的PI控制器作为对系统特性进行校正的一种装置时，这种校正形式称为迟后校正。一张图是指近似PI控制器的波特图：五个公式是指（PI控制器）（近似PI控制器）3滞后校正参数的确定迟后校正参数的确定概括起来讲，主要内容583滞后校正参数的确定滞后校正环节分析3滞后校正参数的确定滞后校正环节分析593滞后校正参数的确定例例2设某控制系统不可变部分的开环传递函数为要求系统具有如下性能指标：（1）系统型别；（2）开环增益；（3）相角裕度；（4）剪切频率。试应用频率响应法确定由近似PI控制器实现的串联迟后校正参数。

3滞后校正参数的确定例例2设某控制系统不可变部分的开环603滞后校正参数的确定例3滞后校正参数的确定例613滞后校正参数的确定滞后校正环节分析（1）迟后校正主要用来校正系统的低频段，用来增大未校正系统的开环增益，以便提高系统的稳态控制精度。而超前校正主要在于改变未校正系统中频段的形状，以便提高系统的动态特性。（2）迟后与超前组合校正。迟后校正部分和超前校正部分既发挥了各自的长处又用对方的长处弥补了自己的短处。如超前校正部分可以提高系统的快速性，恰好可弥补滞后校正部分使系统反应速度降低的不利影响。3滞后校正参数的确定滞后校正环节分析（1）迟后校正主要用来62第六章校正-PID调节器工程设计法

第六章校正-PID调节器工程设计法63第六章反馈校正第六章反馈校正64第六章反馈校正-实例第六章反馈校正-实例65第六章反馈校正-实例第六章反馈校正-实例66第六章前馈校正第六章前馈校正67第六章前馈校正第六章前馈校正68第六章前馈校正第六章前馈校正69机械工程控制基础叶春生，材料学院csye@Tel械工程控制基础70第六章控制系统的综合与校正1基本概念2超前校正参数的确定3滞后校正参数的确定4滞后－超前校正参数的确定5用希望对数频率特性确定校正参数6反馈校正参数的确定第六章控制系统的综合与校正1基本概念711基本概念1基本概念（1）当确定了被控对象后，根据技术指标来确定控制方案，进而选择传感器、放大器和执行机构等就构成了控制系统的基本部分，这些基本部分称为不可变部分（除放大器的增益可适当调整，其余参数均固定不便）。当由系统不可变部分组成的控制系统不能全面满足设计需求的性能指标时，在已选定的系统不可变部分基础上，还需要增加必要的元件，使重新组合起来的控制系统能全面满足设计要求的性能指标，这就是控制系统的综合与校正问题1基本概念1基本概念（1）当确定了被控对象后，根据技721基本概念1基本概念控制系统的综合与校正问题，是在已知下列条件的基础上进行的，即1已知控制系统的不可变部分的特性与参数；2已知对控制系统提出的全部性能指标。根据第一个条件初步确定一个切实可行的校正方案，并在此基础上根据第二个条件；利用本章将要介绍的理论和确定校正元件的参数。1基本概念1基本概念控制系统的综合与校正问题，是在已知下731基本概念1基本概念控制系统的综合与校正问题与前面讲解的分析问题既有联系又有差异；分析问题，是在已知控制系统的结构形式与全部参数的基础上，求取系统的各项性能指标，以及这些性能指标与系统参数间的关系。而综合与校正问题，是在给定系统不可变部分的基础上，按系统应有的性能指标，寻求全面满足性能指标的校正方案，并合理确定校正元件的参数。因此，综合与校正问题不像分析问题那么简单，也就是说，能全面满足性能指标的控制系统并不是唯一的。1基本概念1基本概念控制系统的综合与校正问题与前面讲解的741基本概念1基本概念（2）校正装置可以串联在前向通道之中，形成串联校正，也可以接在系统的局部反馈通道之中，形成并联校正或反馈校正，如下图所示。1基本概念1基本概念（2）校正装置可以串联在前向通道之中751基本概念1基本概念1基本概念1基本概念761基本概念1基本概念串联校正装置通常由一些无源或有源网络组成。它结构简单，价格低廉，易于实现，但它无法减弱系统固有部分参数变化对系统性能的不良影响。反馈校正通常是在系统中加入速度或加速度反馈。反馈校正除改善系统特性外，还能削弱系统非线性特性的影响，减弱或消除系统固有部分参数变化对系统性能的影响，抑制噪声的干扰。1基本概念1基本概念串联校正装置通常由一些无源或有源网络771基本概念1基本概念无源串联校正，往往需要附加放大器用来提高增益以补偿串联校正过程中引起的幅值衰减；有源串联校正，由于在其元件中含有放大器，因此上述补偿问题可在有源校正电路中自行解决，而不必增加额外的附加放大器。1基本概念1基本概念无源串联校正，往往需要附加放大器用来781基本概念1基本概念（3）稳态性能、稳定性、动态性能稳态性能（稳态误差）与开环增益及系统型别的关系；

稳定性（相对稳定性）与开环增益及系统型别的关系；动态性能（稳态时间）（4）基本控制规律分析1基本概念1基本概念（3）稳态性能、稳定性、动态性能792超前校正参数的确定超前校正及其特性2超前校正参数的确定超前校正及其特性802超前校正参数的确定超前校正及其特性PD控制器与近似（带惯性）PD控制器的比较后者所能提供的最大超前相角小于前者，但是由于后者具有描述惯性环节的时间常数的存在，故可在抗干扰性方面优于前者。全面考虑，则一般选用后者作为超前校正环节。2超前校正参数的确定超前校正及其特性PD控制器与近似（带惯812超前校正参数的确定超前校正参数的确定概括起来讲，主要内容是：一个定义，一张图，五个公式，一个流程。一个定义是指超前校正的定义：在控制系统中，当具有相位超前特性的PD控制器作为对系统特性校正的一种装置时，这种校正形式称为超前校正。一张图是指近似PD控制器的波特图：五个公式是指（PD控制器）（近似PD控制器）2超前校正参数的确定超前校正参数的确定概括起来讲，主要内容822超前校正参数的确定超前校正参数的确定2超前校正参数的确定超前校正参数的确定83一个流程是指：在未校正的考虑的上找所对应的为校核一个流程是指：在未校正的考虑校核842超前校正参数的确定超前校正参数的确定2超前校正参数的确定超前校正参数的确定852超前校正参数的确定超前校正参数的确定2超前校正参数的确定超前校正参数的确定86I图(a)I图(a)87dB0图(b)dB0图(b)88机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正89+-图(a)+-图(a)90+-图(a)+-图(a)91超前校正参数的确定dB0+20dB/dec超前校正参数的确定dB0+20dB/dec92dB20lga01/aT1/T10lga0dB20lga01/aT1/T10lga0930.010.11.010a=3031050.010.11.010a=30310594aa95机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正96机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正97-5-20-5-2098机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正99机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正100机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正101-42.7-5.72-4.73-4.65图26-42.7-5.72-4.73-4.65图26102机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正103基本控制规律分析+-R(s)C(s)M(s)P控制器方框图基本控制规律分析+-R(s)C(s)M(s)P控104+-R(s)C(s)M(s)PD控制器方框图+-R(s)C(s)M(s)105te(t)tm(t)te(t)tm(t)106+-R(s)C(s)+-R(s)C(s)107机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正108+-R(s)C(s)M(s)+-R(s)C(s)M(s)109C(s)+-R(s)C(s)+-R(s)110PI控制器方框图+-R(s)C(s)M(s)t10m(t)0tPI控制器的输入与输出信号PI控制器方框图+-R(s)C(s)M(s)t10m(t)111+-R(s)M(s)C(s)含PI控制器的I型系统方框图+-R(s)M(s)C(s)含PI控制器的I型系统方框图112机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正113机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正114

PID控制器方框图+-R(s)C(s)M(s)PID控制器方框图+-R(s)C(s)M(s)115问题1、超前串联校正环节的加入使原系统的如下参数中的那些发生变化？如何变化？定性的给出分析。2、根据上述问题的分析，请你总结一下什么时候用超前校正比较适合，并给出具体的步骤？3、超前校正有什么优点，有什么缺点？为什么？请给出定性的分析。问题116增大，因为是超前校正；增大；增大，因为是近似PD控制，微分作用的加入使系统抗干扰能力显著增强增大，分析增大增大，因为是超前校正；增大；117机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正118机械工程控制基础教学课件--第六章--控制系统的综合与校正1192、根据上述问题的分析，请你总结一下什么时候用超前校正比较适合？要求校正系统的剪切频率应大于未校正系统的剪切频率2、根据上述问题的分析，请你总结一下什么时候用超前校正比较适1203滞后校正参数的确定滞后校正环节分析串联迟后校正不影响系统的相对稳定性的条件是在根轨迹图上通过校正前后系统的相轨迹不发生明显的变化，因而闭环主导极点的位置不发生明显改变来保证的。在这种情况下，校正前后闭环主导极点对应的增益系数如何变化，增大、还是减小？3滞后校正参数的确定滞后校正环节分析1213滞后校正参数的确定滞后校正环节分析1．闭环主导极点在闭环极点中，一些极点靠近虚轴，而它们附近又没有闭环零点。这些极点对系统阶跃响应起主导作用，因为这些极点对应瞬态响应中衰减较慢的项。这些对瞬态特性具有主导作用的闭环极点，称为闭环主导极点。2．闭环偶极子相距很近的一对极点与零点，其对系统动态性能的影响可忽略不计，把这一对零极点称为偶极子。经验表明，一对零极点的距离是至其它极点或零点距离的十分之一以下，则这对零极点便可称为偶极子，其对系统瞬态响应的影响可忽略不计。3滞后校正参数的确定滞后校正环节分析1．闭环主导极点1223滞后校正参数的确定滞后校正环节分析3滞后校正参数的确定滞后校正环节分析1233滞后校正参数的确定滞后校正环节分析3滞后校正参数的确定滞后校正环节分析1243滞后校正参数的确定滞后校正环节分析3滞后校正参数的确定