《控制系统的设计》PPT课件

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1、第6章控制系统的校正与设计6.1控制系统校正的概念6.2基本控制规律分析6.3常用校正装置及其特性6.4采用频率法进行串联校正6.5采用根轨迹法进行串联校正6.6反馈校正及其参数确定6.7用MATLAB进行控制系统的校正6.8本章小结6.1控制系统校正的概念控制系统是由为完成给定任务而设置的一系列元件组成，其中可分成被控对象与控制器两大部分。当将选定的控制器与被控对象组成控制系统后，如果不能全面满足设计要求的性能指标时，在已选定的系统不可变部分基础上，还需要再增加些必要的元件，使重新组合起来的控制系统能够全面满足设计要求的性能

2、指标。这就是控制系统设计中的综合与校正问题。控制系统的校正元件：为使系统能全面满足性能指标，只能在原已选定的不可变部分基础上，引入其它元件来校正控制系统的特性。这些能使系统的控制性能满足设计要求的性能指标而有目的地增添的元件。控制系统校正的作用：使原系统在性能指标方面缺陷得到补偿。系统的校正方案：校正元件的形式及其在系统中的位置，以及它和系统不可变部分的联接方式。在控制系统中，经常应用的基本上有两种校正方案，即串联校正与反馈校正。串联校正：校正元件与系统不可变部分串接，如图所示，与分别为不可变部分及校正元件的传递函数。反馈校正

3、：从系统的某个元件输出取得反馈信号，构成反馈回路，并在反馈回路内设置传递函数为的校正元件的校正形式。系统的校正与设计问题，通常简化为合理选择串联或（和）反馈校正元件的问题。究竟是选择串联校正还是反馈校正，主要取决于信号性质、系统各点功率的大小，可供采用的元件、设计者的经验以及经济条件等。反馈校正作用：能达到到与串联校正同样的校正效果；还可减弱系统不可变部分的参数漂移对系统性能的影响。反馈校正适用范围：若给定控制系统的某参量随工作条件改变，变化幅度较大，且给定控制系统有条件采用反馈校正，则采用反馈校正方案是合理、可行的。在控制工

4、程实践中，解决系统的校正与设计问题时，采用的设计方法一般依据性能指标而定。例如，性能指标以单位阶跃响应的峰值时间、最大超调量和调整时间等时域指标给出时，或以系统的相角裕度、幅值裕度及闭环幅频特性的相对谐振峰值、带宽等频域指标给出时，则可分别应用以根轨迹法原理或频率响应法原理为基础的试探设计法。试探法一般局限于用来设计单输入单输出的线性定常系统。通常情况下，设计者只要能灵活地运用试探法，便可设计出满足给定性能指标的控制系统。一旦控制系统设计出来，设计者还需按性能指标进行全面检查。如发现不能使性能指标全部得到满足，则需通过调整参数

5、，如系统的开环增益，或改变系统结构，如在系统中引进校正元件等办法，重复进行上述校正与设计过程，直到全部满足给定的性能指标为止。复合控制如果控制系统中存在强扰动，特别是低频强扰动，或者系统的稳态精度和响应速度要求很高，则一般的反馈控制校正方法难以满足要求。目前在工程实践中，例如在高速、高精度火炮控制系统中，还广泛采用一种把前馈控制和反馈控制有机结合起来的校正方法。这就是复合控制校正。复合校正中的前馈装置是按不变性原理进行设计的，可分为按扰动补偿和按输入补偿两种方式。按扰动补偿的复合控制系统图6-3中，N(s)为可量测扰动，G1(

6、s)和G2(s)为反馈部分的前向通路传递函数，Gn(s)为前馈补偿装置传递函数。复合校正的目的，是通过恰当选择Gn(s)，使扰动N(s)经过Gn(s)对系统输出C(s)产生补偿作用，以抵消扰动N(s)通过G(s)对输出C(s)的影响。按给定补偿的复合控制系统图6-4中，G(s)为反馈系统的开环传递函数，Gr(s)为前馈补偿装置的传递函数。前馈补偿装置Gr(s)的存在，相当于在系统中增加了一个输入信号Gr(s)R(s)，其产生的误差信号与原输入信号R(s)产生的误差信号相比，大小相等而方向相反。由于G(s)一般均具有比较复杂的形

7、式，故在工程实践中，大多采用满足跟踪精度要求的部分补偿条件，或者在对系统性能起主要影响的频段内实现近似全补偿，以使Gr(s)易于物理实现。系统校正与设计的条件综上所述，控制系统的校正与设计问题，是在已知下列条件的基础上进行的，即:（1）已知控制系统不可变部分的特性与参数；（2）已知对控制系统提出的全部性能指标。根据第一个条件初步确定一个切实可行的校正方案，并在此基础上根据第二个条件利用本章介绍的理论与方法确定校正元件的参数。6.2基本控制规律分析6.2.1比例（P）控制规律具有比例控制规律的控制器称为P控制器。P控制器的输出信

8、号m(t)成比例地反应其输入信号ε(t)，即其中为比例系数，或称P控制器的增益。如图6.5为P控制器方框图。P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中，增大比例系数可减小系统的稳态误差以提高其控制精度。对于单位反馈系统，0型系统响应阶跃的稳态误差与其开环增益K近似