数学建模自动控制自动控制系统的校正省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正 第六章第六章 自动控制系统校正自动控制系统校正 6.1 6.1 控制系统校正基本概念控制系统校正基本概念 6.2 6.2 惯用校正装置及其特征惯用校正装置及其特征 6.3 6.3 自动控制系统频率法校正自动控制系统频率法校正 6.4 6.4 串联校正装置根轨迹法设计串联校正装置根轨迹法设计 6.5 6.5 串联校正装置期望对数频率特征设计串联校正装置期望对数频率特征设计 法法 6.6 6.6 并联校正装置设计并联校正装置设计 6.7 PID 6.7 PID控制控制第1页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正闭环系统组成闭环系统组成执行元件：受被控对象功率要求和所需能源形式、工作 条件限制。伺服电动机、液压/气动伺服马达等；测量元件：依赖于被控制量形式。电位器、热电偶、测 速发电机以及各类传感器等；给定元件及比较元件：取决于输入信号和反馈信号形式 电位计、旋转变压器、机械式差动装置等等；放大元件：由所要求控制精度和驱动执行元件要求进 行配置，有些情形下甚至需要几个放大器。电压放大器（或电流放大器）、功率放大器等等，放大元件增益通常 要求可调。各类控制元件：系统性能指标、成本、尺寸、质量、环境适应性、易维护性6.1 6.1 控制系统校正基本概念控制系统校正基本概念第2页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正控制系统不可变部分执行机构功率放大器检测装置可变部分放大器、校正装置迫使系统满足给定性能(设计系统)?第3页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正调整增益相角裕量增加稳态误差增加!大多数情况下，只调整增益不能使系统性能得到充分地改变，以满足给定性能指标。L()()001801=0G(s)G(s)/Kc1c第4页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正控制系统设计任务：依据被控对象及其控制要求，选择适当控制器及控制规律设计一个满足给定性能指标控制系统。校正(赔偿)：经过改变系统结构，或在系统中增加附加装置或元件对已经有系统（固有部分）进行再设计使之满足性能要求。！控制系统设计本质上是寻找适当校正装置(校正装置)第5页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正控制系统性能指标控制系统性能指标稳态精度 稳态误差ess过渡过程响应特征时域：上升时间tr、超调量Mp、调整时间ts频域：谐振峰值Mr、增益交界频率c、谐 振频率r、带宽b相对稳定性 增益裕量Kg、相位裕量(c)扰动抑制 带宽第6页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正校正方式校正方式串联校正并联校正（反馈校正）复合（前馈、顺馈）校正第7页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正校正方式取决于 系统中信号性质；技术方便程度；可供选择元 件；其它性能要求（抗干扰性、环境适应性等）；经济性串联校正 设计较简单，轻易对信号进行各种必要变换，但需注意负载效应影响。反馈校正 可消除系统原有部分参数对系统性能影响，元件数也往往较少。同时采取串、并联校正 性能指标要求较高系统。第8页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正1 1、综正当（期望特征法）、综正当（期望特征法）依据性能指标要求确定系统期望特征，与原有特征进行比较，从而确定校正方式、校 正装置形式及参数。校正方法校正方法固有特征系统要求品质指标选定校正装置“-”第9页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正2、分析法（试探法）直观、设计校正装置物理上易于实现。固有特征系统要求品质指标系统品质不符要求则重选校正装置选定校正装置“+”“-”第10页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正校正装置校正装置无源校正网络：阻容元件优点：校正元件特征比较稳定。缺点：因为输出阻抗较高而输入阻抗较低，需要另 加放大器并进行隔离;没有放大增益，只有衰减。有源校正网络：阻容电路+线性集成运算放大器优点：带有放大器，增益可调，使用方便灵活。缺点：特征轻易漂移。6.2 6.2 惯用校正装置及其特征惯用校正装置及其特征第11页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正超前校正网络超前校正网络无源阻容网络机械网络第12页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正阻容网络机械网络滞后校正网络滞后校正网络第13页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正无源阻容网络机械网络滞后滞后-超前校正网络超前校正网络第14页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正滞后滞后-超前校正装置特征超前校正装置特征前半段是相位滞后部分,因为含有使增益衰减作用，所以允许在低频段提升增益，以改进系统稳态性能。后半段是相位超前部分,能够提升系统相位裕量,加大幅值穿越频率，改进系统动态性能。第15页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正设一含有单位反馈控制系统，其开环传递函数为 ，若要求使系统静态速度误差系数Kv等于20s1，相位裕度大于50。超前串联校正超前串联校正c相频超前 系统带宽稳定裕度（1）依据误差等稳态指标要求，确定系统开环增益K6.3 6.3 自动控制系统频率法校正自动控制系统频率法校正第16页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正1.系统稳定2.稳态误差满意3.瞬态响应不满意改变高频部分，c超前校正（2）计算未校正系统Gs（j )相位裕量系统相位和增益裕量分别为17和分贝 第17页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正第18页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正赔偿c增加造成Gs（j )相位滞后（3）确定需要增加最大相位超 前角m第19页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（4）确定系数，确定 频率c,且c=m（5）确定超前网络 转角频率1、2第20页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（6）引进增益Kc等于 放大器，确定校正后系 统开环传递函数第21页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（7）确定超前网络参数?F（k）（k）第22页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（8）校验满足稳态要求带宽增加、响应加紧增益裕量：+分贝相位裕量：50第23页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正单位反馈系统开环传递函数为 ,要求校正后系统速度误差系数 ,相位裕量大于40。滞后串联校正滞后串联校正增大开环增益 提升稳态精度高频段衰减 不影响动态品质（1）依据给定稳定误差或误差系数,确定系统开环增益第24页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（2）确定未校正系统相位裕量和增益裕量2.c附近Gs(j)相角减小很快滞后校正1.须增加相位裕 量较大3.未提出频宽要求第25页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正第26页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（3）选择 新c赔偿校正网络引发相角滞后在 =0.5s-1 附近相位角等于 -128（即相位裕量为52）。选择新增益交界频率 第27页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（4）选择转角频率=1/T 低于新c一倍到 十倍频程在新c 校正网络引发相 角滞后足够小第28页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（5）确定滞后校正装置系数 和另一个转角频率=1/T 使幅频特征曲线在新 c处降到零分贝 L（c）=-20lg 另一个转角频率第29页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正(6)确定校正后系统开环传递函数第30页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（7）确定滞后校正装置参数?（k）（k）F第31页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（8）校验1.低通滤波器2.低频高增益 减小了稳态误差3.高频段衰减 增益交界频率移 向低频、带宽降低第32页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正3、滞后超前校正装置 折衷响应特征 （稳态响应和瞬态响应均适当改进）校正后系统单位阶跃响应曲线对比校正后系统单位速度响应曲线对比1、超前校正装置 最快响应2、滞后校正装置 系统响应最迟缓 但其单位速度响应却得到了显著改进超前、滞后、滞后超前、滞后、滞后-超前校正比较超前校正比较第33页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正工作机理工作机理超前校正 相位超前效应,附加增益赔偿衰减滞后校正 高频衰减特征 工作效应工作效应超前校正 增大了相位裕量和带宽 缩短瞬态晌应时间 系统对噪声愈加敏感滞后校正 改进稳态精度 带宽减小滞后超前校正 快速响应 良好稳态精度第34页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正超前校正超前校正有可能提供更高增益交界频率有可能提供更高增益交界频率较大带宽、调整时间减小。主要用于增大稳定裕量主要用于增大稳定裕量赔偿超前校正网络本身衰减赔偿超前校正网络本身衰减附加增益增量；超前校正比滞后校正需要更大增益；系统体积和重量越大，成本越高。!系统若需含有快速响应特征，应采取超前校正。不过,若存在噪声，则带宽不能过大，因为伴随高频增益增大，系统对噪声愈加敏感。第35页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正降低了高频段增益，未降低低频段增益 系统总增益增大，低频增益增加；从而提升稳态精度。带宽减小较低响应速度；衰减任何高频噪声。！即使应用超前、滞后和滞后超前校正装置可完成大多数系统校正任务，但对复杂系统，采取由这些校正装置组成简单校正，可能仍得不到满意结果。此时，必须采取其它形式校正装置。滞后校正滞后校正第36页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正6.4 6.4 串联校正装置根轨迹法设计串联校正装置根轨迹法设计超前校正 当未校正系统主导共轭极点离虚轴很近时，系统阻尼比较小，稳定程度差。滞后校正 系统动态性能指标满足要求、而稳态性能达不到预定指标时。控制系统稳态性能和动态性能都达不到指标要求时。滞后超前校正!试探方法 (经过重新配置零、极点，使闭环系 统根轨迹满足性能指标要求。)第37页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正超前校正超前校正设单位反馈系统开环传递函数为 试设计串联校正装置，满足以下性能指标：最大超调量Mp=16%，调整时间ts=2s(1）依据性能指标，确定闭环主导极点sdMp=16%第38页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（2）绘制未校正系统根轨迹图依靠调整增益是不能使根轨迹经过sd，拟采取超前校正装置。?假如不能，则应该采取何种校正装置。?仅调整增益，能否使根轨迹经过希望主导极点sd。第39页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正(3)计算超前校正装置应提供超前角。依据幅角条件校正根轨迹经过希望主导极点第40页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正(4)超前校正装置零点zc和极点pc位置，得到超 前校正装置传递函数。求zc和pc可采取试探法和图解法图解法主导极点位置sd和超前角第41页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（5）附加增益Kc 赔偿因接入超前校正装置而引发开环增益下 降，使希望主导极点sd满足幅值条件。根轨迹图上量得各矢量幅值希望主导极点sd幅值条件求附加增益Kc：第42页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正很靠近（6）校验。？希望主导极点sd处增益是否满足稳态精度指标；？希望主导极点是否符合系统闭环主导极点条件。？假如已校正系统不能满足性能指标，调整校正装置零极点位置，重复上述步骤，直到满足指标为止。系统稳态速度误差系数已校正系统根轨迹作图规则9已知闭环极点开环前向通道零点就是闭环零点故极点p3对系统瞬态响应影响相当小！极点sd主导性增加开环零点第43页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正图解法图解法1）过已知希望极点sd作水平线sdA；2）作0sdA角平分线；3）在直线sdB两侧各作夹角为/2两条直线sd pc和sd zc 交负实轴于zc和pc点分别为校正装置零点和极点。第44页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正滞后校正滞后校正 校正作用基本上是提升开环增益，而不使动态性能有明 显改变；对闭环主导极点附近根轨迹不产生显著影响，但开环 增益要有显著增加；滞后校正装置零极点是一对靠近原点开环偶极子，且极点相对离原点更近。系统动态性能指标满足要求而稳态性能达不到预定指标时第45页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正(1)绘制未校正系统根轨迹。已知一控制系统如图,该系统动态性能满足要求，需要将稳态速度误差系数增大至5s-1，试设计滞后校正装置。第46页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正（2）依据瞬态响应指标，找出根轨迹上希望闭环主导极点sd。图解法未校正系统主导极点K=1.06时第47页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正(3)(由幅值条件)确定希望闭环主导极点所对应开环增益或稳态误差系数，决定采取校正装置形式。(4)求出所需要增加误差系数(需要增加开环增益)。未校正系统给定稳态误差系数滞后校正装置参数！滞后校正第48页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正(5)确定滞后校正装置零点和极点.要求：既能提升开环增益，又不使原来根轨迹发生明 显改变。！作图法！作图法滞后校正装置传递函数增加附加增益Kc已校正系统开环传递函数第49页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正(6)校验系统动静态指标绘制已校正系统根轨迹；确定根轨迹上新主导极点计算动静态性能指标。?不太满意，稍加调整零极点作=0.5线与根轨迹交点为闭环主导极点已校正系统:第50页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正(7)依据已校正系统主导极点位置，按幅值条件调 整附加增益。附加增益Kc对于主导极点，由幅值条件已校正系统开环传递函数已校正系统稳态速度误差系数第51页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正系统稳态速度误差系数基本到达5s设计要求无阻尼自然频率0.67s-1 058s-1校正后系统动态性能比校正前略低调整时间12.1s14.4s?!减小角，将所取零点zc位置向右移动（比如取zc-0.05、0.02等）极点p3较主导极点sd离虚轴远得多另两个闭环极点靠近第52页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正6.5 6.5 串联校正装置期望对数频率特征设计法串联校正装置期望对数频率特征设计法 绘制系统固有对数幅频特征Ls()按预定品质指标，绘制希望对数幅频特征Lds()求得所要设计串联校正装置对数幅频特征 Lc()写出对应串联校正装置传递函数Gc(s)按Gc(s)选择校正装置详细实现校验第53页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正希望频率幅频曲线希望频率幅频曲线 依据设计指标而确定满足系统品质要求开环对数幅频特征曲线。确定低、中、高三频段；将低、中频部分和中、高频部分连接起来，使Lds()连接线与系统固有对数幅频特征 Ls()斜率相靠近；性能验算。Lds()第54页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正串联校正比反馈校正简单，但串联校正对系统元件特征稳定性有较高要求。反馈校正对系统元件特征稳定性要求较低，因为其减弱了元件特征改变对整个系统特征影响。反馈校正常需由一些昂贵而庞大部件所组成，对一些系统可能难以应用。反馈校正与串联校正比较反馈校正与串联校正比较！反馈校正能够起到与串联校正一样作用，且含有很好抗噪能力。6.6 6.6 并联校正装置设计并联校正装置设计第55页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正反馈校正综合反馈校正综合第56页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正PIDPID控制控制PID(Proportional Integral Derivative)控制：对偏差信号e(t)进行百分比、积分和微分运算变换后形成一个控制规律。PD控制P控制PID控制PI控制百分比P Kp百分比系数微分D Td微分时常数积分I Ti积分时常数！以串联校正为主第57页自动控制原理自动控制原理第六章第六章 自动控制系统的校正自动控制系统的校正 是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最为广泛一个控制策略。P、PI、PD 或PID 控制 适合用于数学模型已知及大多数数学模型难以确 定控制系统或过程。PID 控制参数整定方便，结构灵活6.7 PID6.7 PID控制控制 数字PID 控制第58页