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1、第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理013:4213:42第六章第六章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正6.1 6.1 系统设计的设计步骤系统设计的设计步骤1.1.根根据据用用户户提提出出的的性性能能指指标标和和被被控控对对象象的的具具体体工工作作环环境境，根根据据条条件件进进行行调调研研、查查阅阅技技术术资资料料，确定合理的设计指标确定合理的设计指标，作为设计的依据。，作为设计的依据。2.2.初初步步确确定定控控制制方方案案，如如是是用用计计算算机机控控制制还还是是一一般般的的模模拟拟控控制制，驱驱动动方方式式是是采采用用
2、电电动动的的还还是是液液压压气气动动的的，完完成成系系统统的的职职能能方方框框图图，写写出出可可行性方案论证报告。行性方案论证报告。第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理113:4213:423.3.具体进行设计具体进行设计 根根据据初初步步确确定定的的合合理理的的设设计计指指标标进进行行总总体体设设计计，合合理理地地设设计计或或选选择择元元部部件件，尤尤其其是是对对测测量量元元件件的的选选择择要要给给予予充充分分的的注注意意。组组成成系系统统后后，进进行行动动、静静态态分分析析计计算算，同同时时进进行行计计算算机机仿仿真真。若若不不符符合合
3、指指标标要要求求，则则要要进进行行校正，使其满足指标要求。校正，使其满足指标要求。第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理213:4213:42 4 4实验室原理性试验实验室原理性试验 根根据据具具体体设设计计，在在实实验验室室建建造造系系统统的的原原型型机机，并并进进行行试试验验。按按照照试试验验的的结结果果调调正正改改系系统统九九部部件件中中的有关参数，排除故障，进一步完善具体设计。的有关参数，排除故障，进一步完善具体设计。5 5提交样机通过技术鉴定提交样机通过技术鉴定 在在实实验验室室试试验验的的基基础础上上,考考虑虑到到实实际际的的使使
4、用用条条件件进进行行样样机机生生产产。再再通通过过对对样样机机的的试试验验考考核核，鉴鉴定定其其是是否否全全面面满满足足设设计计指指标标，基基本本符符合合后后才才可可决决定定小小批批量量生生产产。经经过过实实际际应应用用的的考考验验，最最后后才才能能通通过过技技术术鉴定，投入小批量生产，进行定点实际应用。鉴定，投入小批量生产，进行定点实际应用。第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理313:4213:42动态指标：动态指标：l调节时间调节时间t ts sl超调量超调量%静态指标：静态指标：l稳态误差稳态误差e essssl静态位置误差系数静态位
5、置误差系数K Kp pl静态速度误差系数静态速度误差系数K Kv vl静态加速度误差系数静态加速度误差系数K Ka a一、时域指标一、时域指标6.6.2 2 性能指标与系统设计的基本思路性能指标与系统设计的基本思路第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理413:4213:42二、频域指标二、频域指标:2 2闭环频域指标闭环频域指标峰值峰值M Mr r峰值频率峰值频率 r r频带频带 b b 1 1开环频域指标开环频域指标截止频率截止频率(穿越频率穿越频率)c c 相稳定裕度（相位裕量）相稳定裕度（相位裕量）模稳定裕度（增益裕量）模稳定裕度（增益
6、裕量）L Lh h 第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理513:4213:42三、各项指标的关系三、各项指标的关系四、系统带宽的选择四、系统带宽的选择五、校正方式五、校正方式校正校正：给系统加入一些具有某种典型环节特性给系统加入一些具有某种典型环节特性的电网络、模拟运算部件以及测量装置等，靠的电网络、模拟运算部件以及测量装置等，靠这些环节的配置来有效地改善整个系统的控制这些环节的配置来有效地改善整个系统的控制性能，借以达到所要求的性能指标。这一加入性能，借以达到所要求的性能指标。这一加入的部件或装置通常称为的部件或装置通常称为校正元件校正元
7、件或或校正装置校正装置。第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理613:4213:42校正方式：校正方式：按照系统中校正装置的连接方式，可分为按照系统中校正装置的连接方式，可分为串联串联校正、反馈校正、前馈校正、复合校正校正、反馈校正、前馈校正、复合校正四种。四种。(1)(1)串联校正和反馈校正串联校正和反馈校正 第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理713:4213:42(2)(2)前馈校正前馈校正 第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理8
8、13:4213:42(4)(4)复合校正复合校正 第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理913:4213:42六、校正方法六、校正方法1.1.分析法：分析法：又称试探法又称试探法是把校正装置归结为易于实现的几种类型。如超前是把校正装置归结为易于实现的几种类型。如超前校正、滞后校正、滞后校正校正、滞后校正、滞后校正-超前校正等，在工程超前校正等，在工程上常称为上常称为PDPD调节器、调节器、PIPI调节器、调节器、PIDPID调节器。它们调节器。它们结构已知，参数可调。结构已知，参数可调。2.2.综合法分析法综合法分析法:又称期望特性法又称期望
9、特性法按照设计任务所要求的性能指标构造期望的数学模按照设计任务所要求的性能指标构造期望的数学模型型,使系统校正后的数学模型等于期望的数学模型。使系统校正后的数学模型等于期望的数学模型。第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理1013:4213:426.3 6.3 基本控制规律基本控制规律在在校校正正装装置置中中，常常采采用用比比例例(P)(P)、微微分分(D)(D)、积积分分(I)(I)、比比例例微微分分(PD)(PD)、比比例例积积分分(PI)(PI)、比比例例积积分分微微分分(PID)(PID)等基本的控制规律。等基本的控制规律。一、比例一
10、、比例(P)(P)控制控制具具有有比比例例控控制制规规律律的的控控制制器器称称为为比比例例控控制制器器其其特特性性和和比比例例环环节节完完全全相相同同，它它实实际际上上是是一一个个可可调调增益的放大器。增益的放大器。传递函数传递函数 第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理1113:4213:42动态结构图为动态结构图为 比例控制的作用：比例控制的作用：1 1在系统中增大比例系数在系统中增大比例系数K Kp p可减少系统的稳态可减少系统的稳态误差以提高稳态精度。误差以提高稳态精度。2 2增加增加K Kp p可降低系统的惯性，减小一阶系统的可降低
11、系统的惯性，减小一阶系统的时间常数，改善系统的快速性。时间常数，改善系统的快速性。3.3.提高提高K Kp p往往会降低系统的相对稳定性，甚至会往往会降低系统的相对稳定性，甚至会造成系统的不稳定。造成系统的不稳定。（缺点）（缺点）第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理1213:4213:42二、比例二、比例微分微分(PD)(PD)控制控制动态结构图为动态结构图为 具有比例具有比例微分控制规律的控制器称为比微分控制规律的控制器称为比例微分控制器。例微分控制器。传递函数传递函数 第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自
12、动控制原理自动控制原理1313:4213:42PDPD控制器的作用：控制器的作用：PDPD控控制制具具有有超超前前校校正正的的作作用用，能能给给出出控控制制系系统统提提前前开开始始制制动动的的信信号号，具具有有“预预见见”性性，能能反反应应偏偏差差信信号号的的变变化化速速率率(变变化化趋趋势势)，并并能能在在偏偏差差信信号号变变得得太太大大之之前前，在在系系统统中中引引进进一一个个有有效效的的早早期期修修正正信信号号，有有助助于于增增加加系系统统的的稳稳定定性性，同时还可以提高系统的快速性。同时还可以提高系统的快速性。其其缺点缺点是系统抗高频干扰能力差。是系统抗高频干扰能力差。第第6 6章章
13、自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理1413:4213:42三、积分三、积分(I)(I)控制控制具有积分控制规律的控制器，称为具有积分控制规律的控制器，称为I I控制器。控制器。动态结构图为动态结构图为 传递函数传递函数 第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理1513:4213:42四、比例积分四、比例积分(PI)(PI)控制控制动态结构图动态结构图 传递函数传递函数 PIPI控制器的作用：控制器的作用：在系统中主要用于在保证控制系统稳定的基础上在系统中主要用于在保证控制系统稳定的基础上提高系统的型别，从
14、而提高系统的稳态精度。提高系统的型别，从而提高系统的稳态精度。第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理1613:4213:42五、比例五、比例积分积分微分微分(PID)(PID)控制控制动态结构图动态结构图 传递函数传递函数 第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理1713:4213:42传递函数传递函数 PIDPID控制器的作用：控制器的作用：PIDPID具具有有PDPD和和PIPI双双重重作作用用，能能够够较较全全面面地地提提高高系系统统的的控控制制性性能能。PIDPID控控制制器器除除了了
15、提提高高系系统统型型别别之之外外，还还提提供供了了两两个个负负实实零零点点，从从而而较较PIPI控控制制器器在在提提高高系系统统的的动动态态性性能能方方面面有有更更大大的的优优越越性性。因因此此，在在工工业业控控制制设计中，设计中，PIDPID控制器得到了非常广泛的应用。控制器得到了非常广泛的应用。第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理1813:4213:42l用用频频率率法法校校正正控控制制系系统统，主主要要是是采采用用校校正正装装置置来来改改变变波波德德图图上上频频率率特特性性形形状状，使使其其具具有有合合适适的的高高频频、中中频频、低低
16、频频特特性性和和稳稳定定裕裕量量，以以得得到到满满意意的的闭闭环环品品质。质。l由由于于波波德德图图能能比比较较直直观观的的表表示示改改变变放放大大系系数数和和其其他他参参数数对对频频率率特特性性的的影影响响，所所以以，在在用用频频率率法法进进行行校校正时，常常采用波德图方法。正时，常常采用波德图方法。l频频域域法法是是一一种种间间接接的的方方法法，常常以以相相位位裕裕量量和和速速度度误误差系数作为指标来校正系统差系数作为指标来校正系统 6.6.4 4 系统校正的频率相应法系统校正的频率相应法第第6 6章章 自动控制系统的设计与校正自动控制系统的设计与校正 自动控制原理自动控制原理1913:4213:42l需要进行校正的几种基本类型需要进行校正的几种基本类型 1）如果一个系统是稳定的，而且具有满意的动态特性，）如果一个系统是稳定的，而且具有满意的动态特性，但稳态误差过大时，必须增加低频段增益以减小稳但稳态误差过大时，必须增加低频段增益以减小稳态误差，如图（态误差，如图（a）中虚线所示，同时尽可能保持中）中虚线所示，同时尽可能保持中频段和高频段部分不变。频段和高频段部分不变。a.a.增加
