《电气自动控制原理与系统第2版 教学课件 ppt 作者 陈渝光 主编 第五章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气自动控制原理与系统第2版 教学课件 ppt 作者 陈渝光 主编 第五章（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章自动控制系统的博德图校正,第一节 自动控制系统校正的基本概念 第二节 自动控制系统的设计方法 第三节 预期开环频率特性校正自动控制系统示例 本章小结,主要内容,第五章 自动控制系统的波德图校正,自动控制系统的主要任务就是实现对被控制对象的控制。根据被控制对象的工作条件、技术要求、工艺要求、经济性要求以及可靠性要求等提出控制系统的性能指标。 系统的执行元件、比较元件、放大元件和测量元件等，除放大元件的放大系数可作适当调整以外，其它元件的参数基本上是固定不变的，称为系统的固有部分。 为了使控制系统满足性能指标，就必须在系统固有部分的基础之上增加校正装置。 加入校正装置改善系统性能，并满足系统
2、性能指标要求的方法，称为系统校正。 根据校正装置在系统中所处的位置不同，分为串联校正、反馈校正、前馈补偿校正。 根据校正装置是否另接电源，分为无源校正和有源校正。,第五章 自动控制系统的波德图校正,根据校正装置对系统开环频率特性相位的影响，可分为超前校正、滞后校正和滞后超前校正。 反馈校正中，根据校正是否经过微分环节，可分为软反馈校正和硬反馈校正。 前馈补偿校正中，根据补偿采样源的不同，可分为给定前馈补偿校正和扰动前馈补偿校正。 常用的校正方法有频率特性法和根轨迹法等。 本书介绍利用Bode图进行校正的方法。,第一节 自动控制系统校正的基本概念,串联校正 控制系统的前向通道中串入校正装置，以改
3、善系统的性能。 为了减小校正环节的功率等级，简化校正装置，通常串联校正环节安排在前向通道中功率等级最低的地方。图中Gc（s）为串联校正装置的传递函数。,无源校正与有源校正装置,无源校正装置 通常是由RC元件组成的二端口网络。 无源校正装置电路简单，无需外加电源；但它本身没有增益，其负载效应将会减弱校正作用。 实际使用中，常常需要附加隔离放大器。 有源校正装置 由运算放大器组成的调节器。 参数调节方便，可以克服无源校正装置的缺陷，因而得到广泛的应用。,常用无源校正装置,超前校正,超前校正装置 具有正的相位和幅值随的增加而增加的特点。 利用其特点可以达到改善系统中频段性能的目的。 它可以抵消惯性环
4、节和积分环节使相位滞后的不良后果，使穿越频率提高，即增加系统的稳定裕度和通频带宽度，提高系统的动态响应时的平稳性和快速性。 超前校正对系统的稳态性能不产生直接影响，但使抗扰性能下降。 串联超前校正一般用于系统稳态性能已满足要求，但动态性能较差的系统。,滞后校正,滞后校正装置 具有负的相位和幅值随的增加而减小的特点。 利用其幅值随的增加而减小的特点，在保持系统动态性能不变的前提下，通过提高系统开环放大系数来提高稳态精度。 滞后校正可以在不改变系统稳态性能的前提下，通过降低gc，即降低系统快速性来提高系统的相位裕量。 它对系统的高频段影响不大。但滞后校正使用不当时，由于滞后校正具有负的相位，它也可
5、使系统的相位裕量减小，系统超调量增大，降低系统的稳定性。 滞后校正一般用于对动态性能和稳态性能要求较高的系统。,滞后超前校正,滞后超前校正 可以充分发挥超前校正和滞后校正各自的优点，全面提高系统的动、静态性能； 校正的滞后特性应设置在较低的频段，用来提高系统的放大系数； 超前特性应设置在中频段，用来增大相位裕量及幅值穿越频率。,基本控制规律,基本控制规律 就是上述基本校正方式，只是分析的角度不同。 比例控制 比例控制器传递函数为： G(s)=K 可调参数：比例系数K 比例控制器实际上就是一个比例放大器，也称为比例调节器（P调节器）。 增大比例系数K，可以提高系统的稳态精度，展宽系统通频带，提高
6、系统的快速性，对一阶系统还可以减小时间常数。 比例系数增大将使系统的相对稳定性降低。相反，减小比例系数K可以提高系统的相对稳定性，减小超调量和振荡次数，但系统稳态精度和快速性能降低。,比例微分控制,可调参数：比例系数K、微分时间常数d 比例微分控制器又称为比例微分调节器（PD调节器）。 微分控制能够反映信号的变化率（即变化趋势），具有“预报”作用。它能在误差信号变化前给出校正信号，防止系统出现过大地偏离希望值和出现振荡倾向，有效地增强系统的相对稳定性。 微分控制在偏差信号变化极其缓慢或无偏差信号时将失去控制作用，不能单独作为串联校正装置使用。 比例微分控制相当于超前校正，它具有比例控制和微分控
7、制的优点。调节时间常数d，可以改变微分的强弱。但d过大，微分控制将对输入端的高频噪声有明显的放大作用，使系统抗扰性能降低。 微分控制可以提高系统的相对稳定性，可在保证系统一定的稳定裕度的前提下，进一步提高比例系数K，提高系统稳态精度。,常用有源校正装置,比例积分控制,可调参数：比例系数K、积分时间常数i。 比例积分控制器又称为比例积分调节器（PI调节器）。 积分控制可以提高系统的无差度，但积分控制器输出响应慢，使得系统调节时间增长。 比例积分调节器兼有比例调节器和积分调节器的优点，它能够在提高系统的无差度的同时，提高系统的响应速度。 比例积分调节器使相位稳定裕量减小，系统的超调量增大。 由于比
8、例积分调节器只是在低频段产生较大的相位滞后，因而它串入系统后，应将其交接频率设置在系统穿越频率的左边，并远离系统穿越频率，以减小对系统稳定裕度的影响。 比例积分控制相当于滞后校正。,比例积分微分控制,可调参数：比例系数K、时间常数d、i。 比例积分微分控制器又称为比例积分微分调节器（PID调节器）。 比例微分控制能改善系统的动态性能，但使抗扰性能变差；比例积分控制能改善系统的稳态性能，但动态性能变差。为兼顾二者的优势，克服它们的缺陷，常采用比例积分微分控制器，它相当于滞后超前校正。 比例积分微分控制器在低频段进行滞后校正，以提高系统的无差度；在中频段进行超前校正，提高系统的相位裕量；在高频段，
9、虽然增益提高会使抗扰性能减低，但可通过适当调节比例积分微分控制器的参数，使比例积分微分控制器高频段的斜率为零，克服其缺点。 比例积分微分控制器提供了两个一阶微分环节，只要适当选配d1或d2参数，使它们与系统固有部分惯性环节的时间常数相等，可改变系统的固有部分，克服惯性环节对系统的影响。,反馈校正,反馈校正 指在主反馈环内，为改善系统的性能而加入的反馈装置。典型反馈校正框图，如图所示。图中Gc（s）为反馈校正装置的传递函数。,反馈校正,反馈校正的主要作用： 1）负反馈可以扩展系统的通频带，加快响应速度。 2）负反馈可以及时抑制被反馈环包围的环节由于参数变化、非线性因素以及各种干扰对控制系统性能的
10、不利影响。 3）负反馈可以消除系统不可变部分中不希望的特性，使该局部反馈回路的特性完全取决于校正装置。 4）局部正反馈可以提高反馈回路的放大系数。,反馈校正,（1）比例反馈 可以减小被包围环节的时间常数，起到扩展系统的通频带，加快响应速度的作用。 它也可用于将积分环节变换成惯性环节，增强系统的稳定性，但这将降低系统的无差度。 由于比例反馈在动态和稳态过程中都要起反馈校正作用，因此又称为硬反馈。 比例反馈校正环节的传递函数为 或含有小惯性环节的比例反馈校正环节：,反馈校正,（2）微分（速度）反馈 这种反馈可以在不改变被包围环节性质的的条件下，增大其时间常数。 也可以用来增加被包围环节的阻尼系数，
11、改善系统的相对稳定性。 由于微分反馈仅在动态过程中起反馈校正作用，因此又称为软反馈。微分反馈校正环节的传递函数为： 或含有小惯性环节的微分反馈校正环节（实际微分反馈环节）：,反馈校正,（3）加速度反馈 用这种反馈校正等效取代原系统的中频段，可以提高系统的快速性、增强系统的平稳性，改善系统的动态响应。 加速度反馈校正环节的传递函数为：,反馈校正对典型环节性能的影响,第二节 自动控制系统的设计方法,设计自动控制系统的一般方法： 1）从调查研究、分析设计任务开始，根据系统提出的动、静态性能指标性，以及经济性、可靠性要求，确定初步设计方案、选择元部件，拟定整个系统的电路原理图。 2）根据自动控制系统的
12、结构、各单元间的相互关系和参数，确定系统固有部分的数学模型。 3）对系统固有部分进行相应的线性化处理和简化处理，从而得到系统固有部分的开环频率特性。,自动控制系统的设计方法,4）根据性能指标确定系统的预期开环频率特性。所谓预期开环频率特性就是满足系统性能指标的典型系统的开环对数幅频特性。 5）工程上，为便于设计通常以系统固有部分的开环频率特性为基础，将系统校正成典型系统。其方法是：将系统的预期开环频率特性与固有部分的开环频率特性进行比较，得到校正装置的开环频率特性，并以此确定校正装置的结构与参数。这种校正方法称为预期频率特性校正法。 6）通过实验或调试使系统全面达到性能指标的要求。,自动控制系
13、统的设计方法,系统固有部分开环频率特性的确定： 系统固有部分开环频率特性的确定应根据系统的组成结构、各单元间的相互关系，建立系统的数学模型。 实际系统的固有部分往往是比较复杂的，将它们校正成典型系统后，会使校正装置的形式变得相当复杂，难以实现。 因此，在校正前需对系统的固有部分进行适当的简化处理，包括对系统非线性元件进行合理的线性化处理和在对系统性能指标影响不大的前提下，对系统进行适当的简化处理。,高阶系统结构的简化处理的原则,1将低频段大惯性环节近似为积分环节 设被控制对象的开环传递函数为：,式中 12。 当1/1gc，可把惯性环节1/（1s+1）近似为积分环节1/（1s）。低频段大惯性环节
14、近似为积分环节后，实际系统的阻尼性能将比近似处理后的阻尼性能好。近似处理后，虽然从传递函数形式上，系统类型人为地由0型变为了型，但实际系统仍然为0型。 考虑到工程计算允许误差在10%以内，因此，只要满足gc3/1，就可以把惯性环节近似为积分环节。但实际系统的上升，将导致ts增加。 要保持不变，可进行适当调整（见第四章第五节）。,高阶系统结构的简化处理的原则,2将高频段若干小惯性环节合并成一个惯性环节 设被控制对象的开环传递函数为： 式中 12、13。 当1/2、1/3gc时，可把小惯性环节1/（2s+1）、1/（3s+1）等效为时间常数为 =2+3的惯性环节。 考虑允许误差在10%以内，只要满
15、足 ，就可以将高频段的两个小惯性环节合并成一个惯性环节。 三个小惯性环节近似处理的条件为： 。 近似后，实际系统的阻尼性能将比近似处理后的阻尼性能差。要保持不变，可进行适当调整（见第四章第五节）。,高阶系统结构的简化处理的原则,3略去小惯性环节 只要010d，可将小惯性环节略去，即： 4高频段小时间常数的振荡环节近似为惯性环节 若满足：gc1/（32），则可将高频段的振荡环节近似成时间常数为 22的惯性环节，即： 5延迟环节近似为惯性环节 详见第四章第二节。 6忽略次要因素 当某些次要因素对计算结果影响不大时，则可忽略不计。例如，直流电动机调速系统的电流环中，反电势E的响应时间远大于电流的响应
16、时间，可将E视为恒值，忽略E的变化（详见第七章）。,系统结构的选择,1）单回路系统 只能采用串联校正。结构简单、易于实现。不能及时抑制扰动的影响；难以兼顾跟随性能指标与抗扰性能指标等。 2）多回路系统 可同时采用串联校正和反馈校正，充分发挥它们的优势；多回路系统也可在在每主要扰动作用的环节上都加上适当的校正环节，提高系统抑制扰动能力。 局部反馈环的阶次通常设计为三阶以下，这样每个局部环的稳定性和动态性能易于满足。 校正步骤为：先校正内环，再通过适当的等效变换、简化处理后，校正外环。 3）复合控制系统 校正步骤为：先按抗扰性能指标（补偿给定量误差的复合控制）或跟随性能指标（补偿参考扰动误差的复合控制）对闭环系统进行校正，再进行前馈补偿。 4）多模态控制系统 充分发挥各种调节器分时控制的优势。,第三节 预期开环频率特性校正 自动控制系统示例,
