自动控制原理(11)

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1、江南大学物联网工程学院自动控制原理 6.1 基本概念和方法 控制系统 运行规律 性能指标 控制系统 组成结构 元件参数 系统分析 系统综合 校正与设计 时域法、根轨 迹法、频域法 1. 系统校正的 基本含义 江南大学物联网工程学院自动控制原理 校正：就是在系统中加入一些补偿装置（其参数可以根据需要 调节），从而改变系统结构，使之满足工程要求的各项性 能指标。 工程实践中常用的校正方法有： 串联校正、反馈校正和复合校正（误差补偿）。 控制系统的固有部 分，其特性为已知 江南大学物联网工程学院自动控制原理 2. 系统校正常用的性能指标： 稳态指标：稳态误差e ss；或误差系数：K p，K v ，K

2、 a 时域指标：tr ，tp ，ts ；% 频域指标： 开环指标：c ，x ； ， h 本章主要学习串联校正方法及串联校正装置的设计。 快速性 稳定性 闭环指标：r ，b ； M r ， M(0) 快速性稳定性 经验取值 江南大学物联网工程学院自动控制原理 4 3. 校正装置的设计方法 分析法（频率法） 综合法（工程法、期望特性法） 系统的 固有特性 选择一种 校正装置 分析和经验 验证 性能指标 选择参数 系统的 固有特性 期望开环 系统特性 系统的性能指标校正装置 的结构 确定校正装置 的参数 试凑 不唯一 江南大学物联网工程学院自动控制原理 4. 常用的校正装置 u 无源RC电路网络 特

3、点：电路接线简单，学习方便；但有负载效应，接入主系 统时需增设隔离放大器。 u 有源运算放大器+RC双端口电路网络 特点：无负载效应，且有增益放大作用，能提高系统的带负 载能力，接入系统时无需隔离放大器；但电路接线复杂。 5.校正的目标 使系统中、低频段满足要求，高频段可通过其它途径改善 。 u 低频段： c， 对应系统的稳态性能。 要求有一定的斜率和高度，以保证稳态精度。一般取斜率 为-20dB/dec或-40dB/dec，即校正成或型系统。 江南大学物联网工程学院自动控制原理 u 中频段： c 附近 对应系统的动态快速性和稳定性。 一般要求c 应适当大一些，以提高系统的响应速度；处 的斜率

4、为20dB/dec，中频宽度h=2 /1 =1020，以满足系统 的稳定性。 u 高频段： c ，对应系统的抗干扰能力。 一般高频段的斜率取- 60dB/dec 或- 40dB/dec ，以使高频干 扰信号受到有效的抑制。 a) 增加低频增益 b) 改善中频段斜率 c) 兼有两种补偿 江南大学物联网工程学院自动控制原理 7 则：校正后 G (s)=G0(s)Gc(s) L() = L0() + L c() ()= 0( ) + c () 校正装置 L c () = L () - L 0() 校正装置传函Gc(s) 对应于指标要求 的期望频率特性 校正前固有 的频率特性 Gc(s ) R(s)E

5、(s) C(s) G0(s ) 校正前校正装置 江南大学物联网工程学院自动控制原理 校正装置传函及Bode图：两种形式 6.2 串联超前校正 6.2.1 校正原理及特点： 6.串联校正的类型： 根据串联校正装置的特点分三种 超前校正：c（）0，幅频Bode图高频段幅值抬高。 滞后校正： c（）0，幅频Bode图高频段幅值衰减。 滞后-超前校正：低频段c（）0，滞后 高频段c（）0，超前 江南大学物联网工程学院自动控制原理 9 1/T 1/ T 1/T 1/ T 20 20 1/ 1/ 90 90 m m 20lg 10lg 称为分度系数 Bode图的特点：c()0，幅频Bode图整体趋势向上。

6、 江南大学物联网工程学院自动控制原理 10 校正装置的特点： 对于（a）图，可得到一最大的正相移m，此时 作用： （1）在的整个变化范围内，始终具有正相移。 （2）高频段幅值抬高。 ，但抗干扰能力。 （3）一般装设在系统中频段，用于改善系统动态性能。 c 可抬高的位移 可产生的最大正相移 可见见， 只与有关，且越大，m越大，即超前作用越 强。在实际使用中为同时抑制干扰以及工程的可实现性，通 常取 。 江南大学物联网工程学院自动控制原理 11 校正作用说明： L0() L () c c -20 -40 -20 - 40 Lc() 20 L()/dB (rad/s) L () = L0 () +

7、L c() 在 c= m处有： Lc( m )= - L0(m)=10lg 江南大学物联网工程学院自动控制原理 超前校正装置的设计 l 校正的目的 利用超前校正装置具有幅值抬高和正相移的特性改善系 统的动态快速性和稳定性的。 l 设计的原则 通过选择校正装置的参数和T，使校正后系统的截止频率 处于校正装置两个转折频率的几何中点，即 c= m，这样可 提高系统中频段的高度，增大系统的截止频率，提高相位裕 度，从而达到改善系统暂态性能的目的。 l 校正装置的设计的步骤 P169-170 一般如果 ，则可选用串联超前校正。 江南大学物联网工程学院自动控制原理 【例6.1】设单位反馈系统开环传函为 ，

8、试设计一串 联超前校正装置，使校正后系统的性能指标满足： 江南大学物联网工程学院自动控制原理 根据已知的取： 江南大学物联网工程学院自动控制原理 串联超前校正的特点（优点及使用场所）见P171-172。 江南大学物联网工程学院自动控制原理 6.3 串联滞后校正： c（）0，幅频Bode高频段下降。 传函及Bode图：两种形式 1/ T1/T 1/T1/T -20 - 20 1/ 1/ - 90 - 90 L() L() 可衰减的最大位移 ： 江南大学物联网工程学院自动控制原理 17 校正作用说明： L0() L () c c0 -20 - 40 Lc() L()/dB (rad/s) L ()

9、 = L0 () + L c() - 20dB/dec- 40 -20dB/dec - 40dB/dec L () 江南大学物联网工程学院自动控制原理 特点： （1）在的整个变化范围内，始终具有负相移。 （2）高频段幅值衰减。 应躲过。 用于产生校正作用。 作用： （1）一般设在低频段（c，以躲过负相移），用于在 不改变原系统暂态性能的前提下，提高系统的稳态精度。 （2）提高系统的相对稳定性，增强抗干扰能力，但暂态响应 速度下降。 （3）滞后校正主要用于需要改善稳态精度的场合，也可以用 来提高系统的稳定性，但要以降低快速性为代价。 江南大学物联网工程学院自动控制原理 l 校正的目的 滞后校正装

10、置的设计 l 设计的原则 采用滞后校正应避免其最大滞后角发生在截止频率附近，应 设在低频段，远离截止频率，即使2c 。一般在系统响应 速度要求不高，而稳态精度和抑制噪声电平性能要求较高的情 况下，应采用串联滞后校正。 （1）利用校正装置的高频衰减特性，增加相位裕量，改善系 统的稳定性，提高抗干扰能力，但会牺牲快速性。 （2）滞后校正装置的高频衰减特性，使系统的相位裕量增加 ，从而有裕量提高系统低频的高度，改善稳态性能。 l 校正装置的设计的步骤 P173-174 一般如果 ，则可选用串联滞后校正。 江南大学物联网工程学院自动控制原理 【例6.2】设单位反馈系统开环传函为 ， 试设计一串联滞后校

11、正装置，使校正后系统的性能指标满足： 江南大学物联网工程学院自动控制原理 串联滞后校正的特点（优点及使用场所）及两种基本串 联校正的比较，见P176。 江南大学物联网工程学院自动控制原理 串联超前和滞后校正的基本步骤 (2) (3) 校验指标： 江南大学物联网工程学院自动控制原理 23 6.4 串联滞后-超前校正： 相移：低频段c（）0， 高频段 c（）0 幅频Bode：低频段-20dB/dec衰减，高频段20dB/edc抬高。 传函及Bode图：两种形式 u 为不影响稳态性能，通常取。 （T112T2） （12 PID校正） 江南大学物联网工程学院自动控制原理 24 - 90 L()/dB

12、L()/dB -20dB/dec 20dB/dec - 90 90 - 20dB/dec 20dB/dec 90 江南大学物联网工程学院自动控制原理 特点： 低频段具有滞后校正的特点，高频段具有超前校正的特点。 作用： （1）一般设在低、中频段，用于校正系统的综合性能。 （2）低频段：滞后部分起作用，改善系统的稳态性能；中频段 超前部分起作用，使系统相位裕量和穿越频率增加，改善系 统的动态性能；高频段超前部分的作用使系统的抗干扰能力 下降，但可以通过修正控制器的方法解决。 （3）滞后-超前校正主要用于对系统性能要求较高的场合。 设计方法 见P178-179例6-3所示。 江南大学物联网工程学院自动控制原理 26 u PD控制器 6.5 PID控制器 在工程实际中，常采用比例-微分(PD)、比例-积分(PI)、 比例-积分-微分(PID)等组合控制规律完成各种控制任务。 江南大学物联网工程学院自动控制原理 u PI 控制器 u PID 控制器 江南大学物联网工程学院自动控制原理 28 PID控制器是工业控制中广泛采用的一种控制方式，在 实际应用中，只要合理选择控制器的参数(Kp，Ti，Td)，即可 全面提高系统的控制性能，实现有效的控制。 PID控制器设计方法见P182例6-4 PID控制器的实现电路见P183图6-27 本节结束！ 作业：P206习题6-1、6-4