自控原理课件 第7章-自动控制系统控制器及其校正与设计.ppt

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1、第7章自动控制系统控制器及其校正与设计本章主要讲述自动控制系统中常用的控制器及其校正。在对自动控制系统分析后，发现系统不能满足性能指标的要求，需要对系统进行改进，在原有的系统中，有目的地增添一些装置和元件，人为地改变系统的结构和性能，使之满足所要求的性能指标，这种方法就称为校正。常用的校正方法有串联校正、反馈校正和顺馈补偿。同时，本章还简要叙述常用的工程上的设计方法。17.1校正用的控制器控制器是自动控制系统中的关键部分。通常闭环控制系统中控制器以误差信号为输入，控制器产生的输出使被控对象达到所期望的状态。一个控制器可以是简单的机械或电气装置，也可以是复杂的实时计算机系统。带

2、有控制器的系统结构如图7.1所示。2根据电气的校正装置是否接电源、控制器分为有源的和无源的校正装置两种。1．无源校正装置RC网络是常见的无源校正装置，这种校正装置结构简单，成本低廉，但会使信号在变换过程中产生幅值衰减，且输入阻抗较低，输出阻抗较高，因此常常需要附加放大器，以补偿其幅值衰减，并进行阻抗匹配。为了避免功率损耗，无源校正装置通常安置在前向通路中能量较低的部位上。表7.1中列出了有关的无源校正网络、传递函数和频率特性(伯德图)。32．有源校正装置有源校正通常是指出运算放大器和电阻、电容所组成的各种控制器，这类校正装置一般不存在与系统中其他部件的阻抗匹配问题，应用起来将

3、更为方便。表7.2列出了有关的有源校正装置的线路、传递函数和频率特性(伯德图)。4567891011根据式(7.)画出无源超前网络G(s)的对数频率特性，如图7.3所示。由图可见；输出信号相位比输入信号相位超前，故称超前网络。由图7.3可知，在最大超前角频率ωm处，具有最大超前角m，且ωm正好处于频率l／αT和1/T的几何中心。无源超前网络的最大超前角为12131415161718192021在一个比例控制器中，比例控制器的输出正比于输入，如图7.8所示。控制器的输人为误差信号，即参考输入与反馈信号的差e＝u1-ufuo＝Kpe(7.13)式中，e为误差信号；uo为控制器输

4、出；Kp为控制器增益。22[例7．1]一个比例控制器(如电压放大器)的增益为10，若控制器的输入为e=5mV，则输出为多少单位?解：uo＝KP×e＝10×5mV＝50mV2．比例控制器的传输特性比例控制器的传输特性：由式(7.13)可见比例控制器的输入输出之间的关系可用线性方程表示，但输出并不能随着输入增加而无限增长。不管是机械机构的位移还是电子线路的输出都有一个极限，比如运算放大器的饱和作用。图7.9所示为比例放大器的传输特性。233．应用实例(1)比例控制器的实用控制线路图7.10所示为比例控制器的实用线路，电路中运算放大器可选择四运放LM324。比例控制器工作可分成两部

5、分：误差运算及比例运算。放大器UlA构成误差运算，ui为给定信号，uf为反馈信号，误差e=ui-uf24放大器UlB和Ulc构成了比例运算。两个放大器均构成了反相放大器，因而误差e被反相了两次，输出与误差e有着相同极性。UlB构成了比例运算部分，提高所需增益Kp，而U1c构成了倒相器，增益为-l，调节电位器R2可得到所需增益。整个放大器的增益为KP=R2/R525(2)比例控制器频率响应对于理想放大器，任一频率下控制器增益保持不变，输出与输入间无相位差。(3)闭环系统的比例控制图7.ll所示为闭环系统的比例控制，图中Gp为控制器的传递函数，Gl为被控对象的传递函数，H为反馈传

6、递函数。比例控制器的输入误差为e＝ui-uf，控制器的输出uo驱使被控对象的输出达到期望值。为了简单起见，假定被控对象传递函数为l(Gl＝1)。系统的闭环传递函数262728由式(7.17)可见，Kp愈大，误差愈小。但误差不可能为零，一方面是因为比例控制器的增量Kp不可能是无穷大，另一方面，控制器的输出uo与误差有关，即uo＝KPe若误差e为零，则控制器的输出uo为零，控制器就失去了控制作用。2930[例7.3]本例采用SIMULINK来说明控制器的应用。图7.12所示系统被控对象为比例环节，现加比例控制器进行控制，比例控制器增益为l，阶跃输入为l0，系统输出仍为阶跃信号，但

7、输出信号幅值为9．0909，不等于输入信号幅值，见图7.12(b)。若增大比例控制器的增益，使其为l0，输出信号为9.09l，虽仍未达到输入信号l0，但误差已很小，见图7.13。313233比例控制器另一作用是调整系统的开环放大倍数，加快系统的响应速度。考虑图7.14所示带有比例控制器校正的控制系统，系统的闭环传递函数为34可见，Kp愈大，稳态精度愈高，系统的时间常数τ＝T/(1+Kp)愈小，则系统响应速度愈快。[例7.4]被控对象为一阶惯性的比例控制器控制时SIMULINK仿真如图7.15所示，一阶惯