自动控制原理 教学课件 作者 邱德润 第6章 控制系统的校正与设计.ppt

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1、第6章控制系统的校正与设计6.1概述6.2 常用校正装置及其特性6.3串联校正装置的频域设计6.4反馈校正6.5复合校正6.6根轨迹法在系统校正中的应用6.7 MATLAB在系统校正设计中的应用6.1概述6.1.1系统校正与设计的基本步骤系统校正与设计的基本过程一般包括以下三步：1.根据给定任务的要求，明确具体的性能指标;2.根据性能指标要求，初步确定系统校正与设计的方案;3.对初步方案进行多次模拟试验与改进。图6.1-1系统校正的示意图时域性能指标:单位阶跃响应的稳态误差、峰值时间、超调量和过渡时间等频域性能指标:相位裕度、幅值裕度、谐振峰值、谐

2、振角频率和带宽等二阶系统频域指标与时域指标的关系:6.1.2系统校正与设计的性能指标上式中：高阶系统频域指标与时域指标的关系:一、系统校正的方式按照校正装置与原系统的连接方式不同，可分为串联、反馈、前馈和复合校正四种图6.1-2串联校正1.串联校正一般接在系统的前向通道中。对于体积小、质量轻、容量小的校正装置(如电器装置)，一般加在系统信号容量不大、功率小的地方，即比较靠近输入信号的前向通道中；对于体积、质量、容量较大的校正装置(如机械、液压、气动装置等)，常加在信号功率较大的部位，即串接在比较靠近被控制对象的前向通道中。6.1.3系统校正的方式、

3、方法和控制规律2.反馈校正一般作为原系统的局部负反馈回路接入，即通过校正装置对原系统前向通道中的一个或几个环节形成负反馈。由于反馈校正装置的输入信号是取自原系统的输出端或原系统前向通道中某个环节的输出端，信号功率比较大，因此，在校正装置中不需要设置放大电路。此外，反馈校正还可以消除参数波动对系统性能的影响。图6.1-3反馈校正3.前馈校正(又称顺馈校正)在原系统的主回路之外接入校正装置，能够对给定输入信号产生整形、变换或滤波的作用，或者对干扰信号产生补偿作用。前馈校正可以单独作用于开环系统，也可以作为闭环系统的附加校正组成复合控制系统。图6.1-4

4、两种前馈校正4.复合校正在反馈控制系统中，加入前馈校正通路，构成一个整体。图6.1-5两种复合校正注意：上述四种校正之间，可以通过等效变换，从一种结构图变换成另一种等效的结构图，因而系统校正与设计的非唯一性。在工程应用中究竟采用哪一种校正方案，需要根据系统中的信号性质、技术实现的可行性、方便性、抗干扰性以及可提供的元器件等因素综合考虑。二、系统校正的方法1）分析法(又称试探法)设计者首先根据经验确定校正方案，然后根据性能指标的要求，有针对性地选择某一种类型的校正装置，通过分析和计算求出校正装置的参数。分析法的设计结果必须经过验算。若验算结果不能满足

5、全部性能指标，则需重新调整参数，甚至重新选择校正装置、重新分析和计算，直至全部满足性能指标为止。分析法的本质是试探法。分析法的优点:校正装置比较简单、容易实现，所以在工程上得到了广泛应用。2）综合法(又称期望特性法)首先根据性能指标的要求，按照二阶或三阶最佳模型构造中频段的期望频率特性，处理好与原系统低、高频段的衔接，然后通过原系统特性和期望特性的比较，并确定校正装置的特性及参数，最终使校正后的系统特性与期望特性一致。综合法的思路清晰，操作简单，但综合法得到的校正装置数学模型往往很复杂，难以实现。尽管如此，综合法对校正装置的选择仍然具有很好的指导作

6、用。说明：无论是分析法还是综合法，其设计过程一般仅适用于最小相位系统图6.1-6二阶最佳模型其中：三、基本控制规律1、P（比例）控制规律P控制器即比例控制器图6.1-7P控制器传递函数为：作用：可增大比例系数、减小稳态误差、提高系统的快速性，但是会降低系统的稳定性。2、PD(比例微分)控制规律具有比例加微分控制规律的控制器称为PD控制器传递函数为：Td为微分时间常数图6.1-8PD控制器作用：不仅可增大比例系数，还具有使输出超前输入相位的特性，因此PD控制器又称为超前校正或微分校正。可以改善系统的平稳性、提高系统的快速性、增加系统的稳定裕度，但会降

7、低系统的抗高频干扰能力。3、PI(比例积分)控制规律具有比例加积分控制规律的控制器，称为PI控制器传递函数为：为积分时间常数作用：PI控制器不仅可增大比例系数，还具有产生滞后相位的特性，因此PI控制器又称为滞后校正或积分校正。可应用PI控制器来提高系统的型别，改善系统的稳态性能。虽然积分产生的滞后相位可能使系统稳定性下降，但因开环零点的同时引入可以弥补积分环节对系统稳定性的不利影响。因此，PI控制对系统动态性能的影响并不大。图6.1-9PI控制器若令比例系数则有：4、PID(比例积分微分)控制规律具有比例加积分加微分控制规律的控制器称为PID控制器

8、传递函数为：当时，PID控制器在低频段起积分作用，而在中频段则起微分作用；若，则有：作用：只要合理选择积分时间常数与微分时