《机械控制工程基础 第2版 教学课件 ppt 作者 徐小力 第六章 控制系统的综合与校正》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械控制工程基础 第2版 教学课件 ppt 作者 徐小力 第六章 控制系统的综合与校正（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章控制系统的综合与校正 第一节第一节概述概述 第二节第二节串联校正串联校正 第三节第三节并联校正并联校正 第四节第四节复合校正复合校正 性能分析一个系统，元部件参 数已定，分析它能达到什么指标， 能否满足所要求的各项性能指标； 综合与校正若系统不能全面地 满足所要求的性能指标，就要考虑 对原系统增加些必要的元件或环节 ，使系统能够全面地满足所要求的 性能指标。 1、时域性能指标 2、频域性能指标 第一节 概述 一、校正的实质 二、控制系统的性能指标 所谓校正校正（或称补偿）就是通过增加新的环节来改善原 有系统的性能。 校正装置的实质校正装置的实质也就在于改变系统的零、极点分布，改 变频率特
2、性或根轨迹的形状。 根据系统在典型输入下输出响应的某些特点统一规定的。 a v p ss pspr K K K e Mtt (2) t (1) 稳态指标稳态指标 瞬态指标瞬态指标2、频域性能指标 （1）开环频域性能指标 （2）闭环频域性能指标 增益裕度 相位裕度 开环截止频率 g K c 闭环带宽闭环截止频率 复现频率(复现带宽） 谐振峰值 谐振频率 b M r r M r M 0M 0707. 0M M r b 0 1、时域性能指标 校正装置在系统中的联结方式： 串联校正 并联校正：反馈校正和顺馈校正两种 复合校正:按扰动补偿和按输入补偿 三、校正方式 sX i sX o - )(sG sE
3、 sGc )(sGc )(sGc 1、相位超前校正 sX i sX o 1 R 2 R C Cs R Cs R R R sX sX sG i o c 1 1 1 1 2 2 1 21 2 1 RR R TCR，令： 1 1 Ts Ts sGc 则：则： lg20 0 20 T 1 T 1 90 0 m m T mm 1 , 1 1 arcsin 1 1 1 21 2 1 21 2 CsR RR R CsR RR R 第二节 串联校正 相位超前校正的作用 sX i sX o sG - 1 1 Ts Ts 20 40 80 20 180 90 1c T 1 60 g g Klg20 L lg20
4、T 1 1 1 T 2 1 T 2c 1 “高通滤波器”改变频 率特性曲线的形状，产 生足够大的相位超前角， 以补偿原来系统中元件 造成的过大的相角滞 后具有较大的相位裕 量，既改善了原系统的改善了原系统的 稳定性，稳定性，又提高了系统 的截止频率，获得足够获得足够 的快速性。的快速性。 超前校正一般不改变低 频特性，所以一般不能不能 提高稳态精度，提高稳态精度，若想进 一步提高开环增益，使 低频段上移，则系统的 平稳性将有所下降，还 会降低系统抗高频干扰 的能力。 2、相位滞后校正 sX i sX o 1 R 2 R C Cs RR Cs R sX sX sG i o c 1 1 21 2
5、1 2 21 2 R RR TCR，令： 1 1 Ts Ts sGc 则：则： 0 20 T 1 T 1 90 0 1 1 21 2 CsRR CsR 滞后校正的作用 sX i sX o - - sG 20 40 20 180 90 1c 60 2c g L 1 1 T g Klg20 1 1 Ts Ts T 1 T 1 “低通滤波器” 利用负 斜率段，使被校正系统 高频段幅值衰减，幅值 交界频率左移，获得充 分的相位裕量。使系统 稳定，但是校正后，截 止频率前移，以牺牲快牺牲快 速性换取稳定性。速性换取稳定性。 滞后校正不改变低 频段的特性，故对稳态 精度无破坏作用。相反， 还允许适当提高开
6、环增允许适当提高开环增 益进一步改善稳态精度。益进一步改善稳态精度。 对于高精度、而快速 性要求不高的系统采用滞 后校正。如恒温控制等。 0 0 3、相位滞后-超前校正 sX i sX o 1 R 2 R 1 C 2 C sCRCsRCsR CsRCsR sGc 2121 21 11 11 滞后网络超前网络 0 20 1 1 T 0 1 1 90 90 2 1 T 2 1 20 1 1 1 1 2 2 1 1 sT s sT s sGc 11 11 21 21 sTsT ss L 相位超前校正可以增加带宽提高快速性快速性，以及 改善了原系统的稳定性。但稳定性。但有增益损失不利于不利于 稳态精度
7、稳态精度。 相位滞后校正可以提高平稳性平稳性及稳态精度稳态精度，而 牺牲快速性牺牲快速性换取稳定性。 同时同时采用滞后和超前校正，可 全面改善全面改善系统的控制性能。 四、PID控制器 PID控制器也称PID校正器，PID调节器 Proportion Integral Differentiation 在工业自动化设备中，常采用比例单元（P）、 微分单元（D）、积分单元（I）组成的比例 微分（PD）、比例积分（PI）、比例积分微 分（PID）控制器，这些控制器大多数是电动 的或气动的、液动的，可以实现相位超前、 相位滞后、相位滞后-超前的校正作用。 1、比例微分（PD）控制 sKKsG DPc
8、相当于相位超前校正 1TsK p T 1 p Klg20 0 20 L 90 0 2、比例积分（PI）控制 s K KsG I pc 1 0 20 L 相当于相位滞后校正 s KsK Ip 90 0 s sK I 1 利用I调节来消除 残差，利用P调节使系 统稳定。 3、比例积分微分（PID）控制 s K sKKsG I DPc 相当于相位 滞后-超前校正 1 1 0 20 L 2 1 20 s KsKsK IPD 2 s ssK I 11 21 0 90 90 由一个高增益的放大器加上四端网络反馈 组成的校正装置，也称为有源校正装置。可 以组成PD、PI及PID校正装置。 4、运算放大器 P
9、DPI PID kgm1000 1 小车质量小车质量kgm200摆质量摆质量ml10杆长杆长 例例6-4 图示的一个倒装摆支承在一辆机动车上，是一个取出的空 间助力器的状态控制模型。目的是保持助力器的铅垂位置。 设计一个合适的校正装置，使系统具有阻尼比，无阻尼 固有频率忽略杆的质量及风力等干扰力的作用，忽略 支撑点的摩擦及车轮滑动等因素。 7 . 0 1 5 . 0 s n 解：因为倒装摆是一个不稳定 的被控对象，在控制器中必须 引进微分控制的作用。微分控 制作用反应动作偏差的变化速 率，即微分环节有“预见”性， 并有超前校正的作用，以增加 系统的稳定性。因为微分控制 作用不能单独使用，因此这
10、个 问题中使用比例加微分控制器， 即PD校正。 )1 (sTK dp 校正装置的传递函数为校正装置的传递函数为 倒装摆的传递函数可由牛顿定律写出的运动方程导出 并线性化得到： gmmlsmsF s )( 1 )( )( 1 2 1 0 系统方框图如图 写出系统的闭环传递函数并化成二阶系统的一般形式： gmmKsTKlsm sTK s s pdp dp i o )( )1 ( )( )( 1 2 1 gmmKsTKlsm sTK s s pdp dp i o )( )1 ( )( )( 1 2 1 lm gmmK s lm TK s lmsTK pdp dp 1 1 1 2 1 )( )1 (
11、lm gmmK p n 1 1 2 )( lm TK dp n 1 2 根据要求，计算可以确定比例微分校正装置的参数 gmmlmK np )( 11 2 radN /14270 s K lm T p n d 491. 0 14270 1010005 . 07 . 022 1 )491. 01 (14270)1 ()(ssTKsG dpc ：得校正装置的传递函数得校正装置的传递函数 位置（比例）反馈： 速度（微分）反馈： 加速度反馈： 速度反馈和加速度反馈常用 的元件有：传感器、测速 发电机、电流互感器等。 第三节 并联校正 一、反馈校正 KsGc)( )(sGc KssGc)( 2 )(Kss
12、Gc 1、利用反馈校正改变局部结构、参数 s K 1 1 1 H H H KK s K s KK s K sG 由原来的积分环节变成惯性环节，降低了原系统的型次， 降低了稳态精度，但有可能提高系统的稳定性。 sG - H K （1）位置反馈改变系统的型次 1Ts K 1 1 1 1 1 1 1 s KK T KK K KKTs K Ts KK Ts K sG H H H H 仍为惯性环节，但时间常数改变。系统响应的快速性也改变。 sG - H K （2）改变一阶系统的时间常数 1）位置反馈改变一阶系统的时间常数 1Ts K 1)(1 1 1 1 sKKT K sKKTs K Ts sKK Ts
13、 K sG HH H 仍为惯性环节，但时间常数改变。系统响应的快速性也改变。 sG - sKH （2）改变一阶系统的时间常数 2）速度反馈改变一阶系统的时间常数 )2( 2 n n ss 222 2 2 2 )2( )2( 1 )2( nnHn n H n n n n Ks sK ss ss sG 结系统的阶次没有发生改变，但阻尼比变化。 sG - sK1 （3）速度反馈改变二阶系统的阻尼比 （4）正反馈增大回路的增益 H KK K sG 1 )( 回路增益发生改变 2、利用反馈校正取代局部结构 sG1 sGc - jGjG jG jG sHsG sG sG c1 1 11 1 1 1 jG jG jHjG c 1 1 11 则则 若使若使 在一定频率范围内，在一定频率范围内， 常被用来改造不希望 有的某些环节，或用来消除 非线性、变参量的影响。 sH1 1 二、顺馈校正 )( )()(1 )( )(1 )(sX sH
