《自动控制原理 非自动化类 教学课件 ppt 作者 王万良 第5章 PID控制设计方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制原理 非自动化类 教学课件 ppt 作者 王万良 第5章 PID控制设计方法（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,国 家 精 品 课 程 自动控制原理,Principles of Automatic Control （非自动化专业）,主讲人： 王 万 良,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,2,自动控制原理国家精品课程网站 http:/210.32.200.206/zdkz/index.asp,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,3,导 读 为什么要介绍本章? 前面讨论了系统分析的基本方法。系统分析的目的是为了设计一个满足要求的控制系统，当现有系统不满足要求时，需要找到如何改善系统性能的方法，这就是系统的校正。 本章主要讲什么内容? 本章介绍控制系统的校正方法。先介绍控制
2、系统设计的一般步骤，阐明系统校正在系统设计中的地位和作用。然后着重介绍基于频率法的超前、迟后、迟后超前分析法校正方法，介绍期望特性法的基本思想，着重介绍工程上应用广泛的按最佳二阶系统和典型三阶系统设计的工程设计方法。,第5章 PID控制设计方法,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,4,系统 （机械，电气， 过程等）,建模方法,机理或实验,数学模型 （Tf, Ss, Zpk),性能分析,稳定性、 动态性能、 鲁棒性等,若性能 不满足要求 对系统进行校正,校正方法（控制器设计方法）,滞后-超前、PID、LQ最优等,第5章 PID控制设计方法,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自
3、动化研究所,5,第5章 PID控制设计方法,5.1 控制系统设计概述 5.2 PID控制及其对系统性能的影响 5.3 PID控制器的工程设计方法 5.4 Simulink在控制系统仿真中的应用,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,6,5.1 控制系统校正的概念,5.1.1 控制系统的设计步骤 5.1.2 校正的概念 5.1.3 校正的方法,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,7,5.1.1 控制系统的设计步骤,（1）拟定性能指标,（2）初步设计,1）根据设计任务和设计指标，初步确定比较合理的设计方案， 选择系统的主要元部件，拟出控制系统的原理图。,2）建立所选元
4、部件的数学模型，并进行初步的稳定性分析和动态性能分析。 一般来说，这时的系统虽然在原理上能够完成给定的任务， 但系统的性能一般不能满足要求的性能指标。,3）对于不满足性能指标的系统，可以在其中再加一些元件， 使系统达到给定的性能指标。,4）分析各种方案，选择最合适的方案。,（3）原理试验,（4）样机生产,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,8,5.1.2 校正的概念,一个很自然的想法就是在已有系统中加入一些参数和结构可以调整的装置， 来改善系统特性。从理论上来讲这是完全可以的， 因为加入了校正装置就改变了系统的传递函数，也就改变了系统的动态特性。,校正就是在系统不可变部分的基础
5、上，加入适当的校正元件， 使系统满足给定的性能指标。,初步设计出的系统一般来说是不满足性能指标要求的。,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,9,串联校正,为校正环节的传递函数。,校正前系统的闭环传递函数,校正后系统的闭环传递函数为,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,10,5.1.3 校正方法,确定了校正方案以后，下面的问题就是如何确定校正装置的 结构和参数。目前主要有两大类校正方法：分析法与综合法。,分析法又称为试探法。这种方法是把校正装置归结为易于实现 的几种类型。例如，超前校正、滞后校正、滞后超前校正等， 它们的结构是已知的，而参数可调。,综合法又称为期望
6、特性法。它的基本思想是按照设计任务所 要求的性能指标，构造期望的数学模型，然后选择校正装置 的数学模型，使系统校正后的数学模型等于期望的数学模型。,系统的校正可以在时域内进行，也可以在频域内进行。本章介绍 频域设计方法。用频域法进行校正比较简单，但频域法的设计指 标是间接指标。,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,11,5.2.1 PID控制规律分析,5.2 PID控制及其对系统性能的影响,比例积分微分控制综合了比例积分控制和比例微分控制的优点。利用积分环节改善系统稳态性能，利用比例微分环节改善系统动态性能。,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,12,5.2.2
7、 PID调节器,输入电路,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,13,串联校正综合法，它是根据给定的性能指标求出系统期望的开环频率特性，然后与未校正系统的频率特性进行比较，最后确定系统校正装置的形式及参数。综合法的主要依据是期望特性，所以又称为期望特性法。,综合法的基本方法是按照设计任务所要求的性能指标， 构造具有期望的控制性能的开环传递函数,然后确定校正装置的传递函数,是满足给定性能指标的 “期望特性”。,5.3 PID控制器的工程设计方法,5.3.1 串联校正的综合法,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,14,串联校正综合法的一般步骤如下：,绘制原系统的对数幅
8、频特性曲线,按要求的设计指标绘制期望特性曲线,求得串联校正环节的对数幅频特性曲线,写出相应的传递函数；,确定具体的校正装置及参数。,从上面步骤可以看出期望特性法的关键是绘制期望特性。,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,15,在工程上，一般要求系统的期望特性符合下列要求：,对数幅频特性的中频段为,且有一定的宽度，保证系统的稳定性；,截止频率,应尽可能大一些，以保证系统的快速性；,低频段具有较高的增益，以保证稳态精度；,高频段应衰减快，以保证抗干扰能力。,满足上述要求的模型有很多，通常取一些结构较简单的模型。例如二阶、三阶模型等。,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究
9、所,16,5.3.2 按最佳二阶系统设计,典型二阶系统,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,17,在典型二阶系统中，,这时兼顾了快速性和相对稳定性能，所以，通常把,的典型二阶系统称为“最佳二阶系统”。,对于最佳二阶系统，,最佳二阶系统的开环传递函数为,（1）被控对象为一阶惯性环节,取最佳二阶模型为期望模型，其时间常数与被控对象的时间常数相同，,一般按最佳二阶模型来设计系统。,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,18,（2）被控对象为两个惯性环节串联,时间常数与被控对象中较小的时间常数相同,可见，应采用PI调节器，调节器参数应整定为,自动控制原理国家精品课程 浙江
10、工业大学自动化研究所,19,（3）被控对象为三个惯性环节串联,时间常数与对象的最小的一个时间常数相同,可见，应采用PID调节器，调节器参数应整定为,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,20,（4）被控对象由若干小惯性环节组成,这时，可用一个较大惯性的惯性环节来近似，即令,（5）被控对象含有积分环节,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,21,5.3.3 按典型三阶系统设计,具有最佳频比的典型三阶模型,为中频宽度。由于中频段对系统的动态性能 起决定性作用，所以，h是一个重要参数。,具有“最佳频比”的典型三阶模型,具有最佳频比的典型三阶模型为,考虑到参考输入和扰动输入
11、两方面的性能指标，通常取中频宽度,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,22,1）被控对象为,应采用PI调节器，其参数整定为,2）当被控对象为,应采用PID调节器，其参数整定为,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,23,2 . 具有最大相角裕度的典型三阶模型,典型三阶模型的相角裕度为,调整,，即改变,使,取得最大值,具有最大相角裕度的典型三阶模型为,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,24,5.4 Simulink在控制系统仿真中的应用,键入“Simulink”，会弹出一个Untitled窗口。 复制模块。 模块之间的连接。 选择与删除对象。,自动
12、控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,25,点击Simulation菜单中Start，就开始仿真。双击Scope模块就打开示波器，示波器上就显示出系统响应曲线。,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,26,问题 ？,自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所,27,本章小结,所谓校正就是在系统不可变部分的基础上，加入适当的校正元件，使系统满足给定的性能指标。 主要有两大类校正方法：分析法与综合法。 通常把 的典型二阶系统称为最佳二阶系统。最佳二阶系统兼顾了快速性和相对稳定性能，但它只是一阶无差系统，抗干扰性能也较差。典型三阶模型是二阶无差系统。 最佳二阶系统、典型三阶系统设计的工程设计方法。 运用Simulink仿真控制系统。,
