第七章-控制系统的校正和综合课件

中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合1道虽迩，不行不至；事虽小，不为不成。荀子荀子修身修身 约公元前313-前238战国时期赵国人中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合2第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正4 系统的性能指标系统的性能指标4 系统的校正概述系统的校正概述4 串联校正串联校正4 反馈校正反馈校正4 用频域法对控制系统进行综合与校正用频域法对控制系统进行综合与校正中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合3 l l性能分析性能分析：一个系统，元部件参数已定，分析它能达到什么指标，能否满足所要求的各项性能指标；l l综合与校正综合与校正：若系统不能全面地满足所要求的性能指标，就要考虑对原系统增加必要的元件或环节，使系统能够全面地满足所要求的各种性能指标性能指标。控制系统的设计思路控制系统的设计思路中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合4分类：分类：一、一、时域时域性能指标性能指标 二、二、频域频域性能指标性能指标 三、三、综合综合性能指标性能指标7-1 系统的性能指标系统的性能指标中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合5一、时域性能指标一、时域性能指标 根据系统在典型输入信号下输出响应的某些特点统一规定的。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合6二、频域性能指标二、频域性能指标1、开环开环频域指标2、闭环闭环频域指标中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合7三、综合性能指标（三、综合性能指标（误差准则误差准则）1 1、误差积分性能指标、误差积分性能指标(适用于 ，无超调情况）中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合8例例7-1-试确定能使试确定能使I 值最小值最小的的K值。值。解：该系统为一阶系统，无超调。解：该系统为一阶系统，无超调。可见，可见，K越大，越大，I越小。越小。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合92 2、误差平方积分性能指标、误差平方积分性能指标（适于 ，有超调）重视大误差，忽略重视大误差，忽略小误差小误差性能最优系统就是使性能最优系统就是使I 取极小值的系统取极小值的系统中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合10说明：说明：l 系统的性能指标要根据它所要完成的具体任务提出，应有所侧重；l 性能指标的提出要有根据，不能脱离实际；l 几个性能指标会互相矛盾，要折衷考虑并加以校正校正。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合117-2 系统的校正概述系统的校正概述基本概念基本概念l 校正（或称补偿）：指给系统附加一些具有某种典型环节校正（或称补偿）：指给系统附加一些具有某种典型环节特性的电网络、运算部件或测量装置，靠这些装置的合理配特性的电网络、运算部件或测量装置，靠这些装置的合理配置来有效地改善整个系统的性能。置来有效地改善整个系统的性能。l 这一附加的部分称为这一附加的部分称为校正元件或校正装置校正元件或校正装置，通常是一些，通常是一些无源或有源电路，速度、加速度传感器等。无源或有源电路，速度、加速度传感器等。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合12校正装置在系统中的联结方式校正装置在系统中的联结方式l 顺馈校正顺馈校正l 干扰补偿干扰补偿l 串联校正串联校正l 反馈校正反馈校正中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合13 在系统主反馈回路内采用的校正方法，在系统主反馈回路内采用的校正方法，校正装置串联在系统的校正装置串联在系统的前向通道前向通道中。中。-Gc(s)l串联校正串联校正中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合14 在系统主反馈回路内采用的校正方法，在系统主反馈回路内采用的校正方法，在系统中增加某些局部反馈环节。在系统中增加某些局部反馈环节。-l反馈（并联）校正反馈（并联）校正中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合157-3 串联校正串联校正u 超前校正u 滞后校正u 滞后-超前校正u PID调节器中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合16l 超前校正1、RC超前网络超前网络 高通滤波器高通滤波器高通滤波器高通滤波器中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合172、超前校正的作用-作用：作用：l 提高系统的相位裕量提高系统的相位裕量（相对稳定性相对稳定性）l 提高截止频率提高截止频率c c (快速性快速性）l 开环增益保持不变（开环增益保持不变（稳稳态误差态误差）中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合18l 滞后校正1、RC滞后网络 低通滤波器低通滤波器低通滤波器低通滤波器中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合192、滞后校正的作用、滞后校正的作用-作用：作用：l 提高系统的稳定性提高系统的稳定性l 减小截止频率减小截止频率c c (快速性下降快速性下降）l 不影响稳态精度不影响稳态精度中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合20l 滞后滞后-超前校正超前校正1、滞后-超前网络滞后网络滞后网络超前网络超前网络 带阻滤波器带阻滤波器带阻滤波器带阻滤波器中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合21l PID调节器调节器 在当今的工业控制器中，有半数以上采用了PID或变形PID控制方案。模拟PID控制器大多数是液压的、气动的、电气的和电子型的，或是由它们构成的组合型。由于微处理器的大量应用，许多变成了数字型的。大多数PID控制器是现场调节的，某些PID控制器还具有在线自动调节能力。Proportion Integral Differentiation中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合221、P调节器-中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合232、I 调节器调节器-使系统的型次增加一阶，能减小稳态误差使系统的型次增加一阶，能减小稳态误差（或（或无差调节无差调节），但可能引起系统不稳定。），但可能引起系统不稳定。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合24例例1 1 试判断如下系统采用试判断如下系统采用积分控制积分控制后的稳定性。后的稳定性。解：闭环特征方程为解：闭环特征方程为应用劳斯稳定性判据应用劳斯稳定性判据 表明这类系统仅采用单一的积分表明这类系统仅采用单一的积分控制规律，可将原系统提高到控制规律，可将原系统提高到II型，型，似乎可以收到进一步改善控制系统稳似乎可以收到进一步改善控制系统稳态性能之效，但系统是不稳定的。态性能之效，但系统是不稳定的。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合253、D调节器-可以对偏差的变化趋势变化趋势进行调节，及时避免出现大的偏差。相位裕量增加，幅值穿越频率增加，系统的快速性提高。但高频增益上升，抗干扰能力减弱。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合264、PID调节器-中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合27 PI调节器调节器相当于滞后校正相当于滞后校正利用I调节消除残差，利用P调节使系统稳定。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合28试分析试分析PI控制器对改善给定系统稳定性能的作用。控制器对改善给定系统稳定性能的作用。解：解：中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合29中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合30 PD调节器调节器相当于超前校正相当于超前校正中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合31中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合32中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合337-4 反馈校正反馈校正 反馈校正可以理解为现代控制理论中的状态反馈，在控制系统中得到广泛应用，常见的有被控量的速度、加速度反馈、执行机构的输出及其速度的反馈；以及复杂系统的中间变量反馈等。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合34 从控制的观点来看，反馈校正比串联校正有其突出的特点：一、能有效地改变被包围环节的一、能有效地改变被包围环节的动态结构和参数动态结构和参数；二、在一定条件下，反馈校正能完全二、在一定条件下，反馈校正能完全取代被包围环节取代被包围环节，可以大大减弱这部分环节由于特性参数变化及各种干扰可以大大减弱这部分环节由于特性参数变化及各种干扰给系统带来的不利影响。给系统带来的不利影响。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合35一、利用反馈校正改变局部结构和参数 1、比例反馈包围积分环节(改变系统的型次改变系统的型次）由原来的由原来的积分环节积分环节积分环节积分环节变成变成惯性环节惯性环节，降低了原系统的，降低了原系统的型次。系统的稳态精度降低了，但提高了系统稳定性。型次。系统的稳态精度降低了，但提高了系统稳定性。-中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合362、比例反馈包围惯性环节、比例反馈包围惯性环节(改变系统时间常数改变系统时间常数）结果仍为惯性环节，但时间常数减小了。反馈系数结果仍为惯性环节，但时间常数减小了。反馈系数越大，时间常数越小，系统的越大，时间常数越小，系统的动态响应动态响应越快。越快。-中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合373、微分反馈包围惯性环节、微分反馈包围惯性环节 结果仍为惯性环节，但时间常数增大了。反馈系数结果仍为惯性环节，但时间常数增大了。反馈系数越大，时间常数越大，系统的响应速度越慢。越大，时间常数越大，系统的响应速度越慢。-中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合384、微分反馈包围振荡环节、微分反馈包围振荡环节(增大阻尼比增大阻尼比）结果仍为振荡环节，但阻尼比却显著增大。改善小阻尼环节的不利影响。-中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合39二、利用反馈校正取代局部结构二、利用反馈校正取代局部结构-常用来改造不希望有的某些环节，或消除非线性、变参量的影响。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合40三、速度反馈和加速度反馈三、速度反馈和加速度反馈中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合417-5 用频率法对控制系统进行综合与校正用频率法对控制系统进行综合与校正用希望对数频率特性进行校正装置的设计 只要求得希望对数幅频特性希望对数幅频特性与与原系统固有开环原系统固有开环对数幅频特性对数幅频特性之差即为校正装置的对数幅频特性曲线，从而可以确定校正环节Gj(s)，进而确定系统的校正参数和电路。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合42希望的系统开环频率特性为：希望的系统开环频率特性为：低频段低频段：有足够高度（保证稳态精度），不要有有足够高度（保证稳态精度），不要有“爬行爬行”。(稳态特性稳态特性)中频段中频段：20dB/dec穿越穿越0dB线，线，wc适度；适度；(动态特性和动态特性和稳定性稳定性)高频段高频段：有足够衰减特性，抗干扰性好。有足够衰减特性，抗干扰性好。(抗干扰能力抗干扰能力)希望对数频率特性与系统性能指标的关系见希望对数频率特性与系统性能指标的关系见 p239说明说明。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合431）求校正前后相位裕度，校正前后系统稳定否？2）校正装置的传递函数是什么？试设计相应的无源校正网络。例例2某单位反馈系统校正前后的开环传递函数分别为解：首先画出校正前后开环系统的伯德图中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合441a中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合45滞后校正滞后校正R1900k100kR2C5F中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合46再加超前校正再加超前校正o 中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合47相位裕量不满足设计要求。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合48 中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合49习题习题1：如图所示，其中：如图所示，其中ABC是未加校正环节前系统的是未加校正环节前系统的Bode图；图；GHKL是加入某种串联校正环节后的是加入某种串联校正环节后的Bode图。试说明它是哪种校图。试说明它是哪种校正方法；写出校正环节的传递函数，说明它对系统性能的影响。正方法；写出校正环节的传递函数，说明它对系统性能的影响。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合50解：它属于串联校正中的相位滞后校正，其传递函数可根据两解：它属于串联校正中的相位滞后校正，其传递函数可根据两曲线直接得出：曲线直接得出：校正后使系统的幅值穿越频率校正后使系统的幅值穿越频率wc降低了，减小了系统的带宽，降低了，减小了系统的带宽，使系统的响应快速性下降。使系统的响应快速性下降。新的穿越频率附近具有了新的穿越频率附近具有了-20斜率段，保证了系统的稳定性。斜率段，保证了系统的稳定性。同时利用高频段的锐减特性，使抗干扰能力增强，系统的稳定同时利用高频段的锐减特性，使抗干扰能力增强，系统的稳定性得到改善。性得到改善。中国石油大学机电工程学院中国石油大学机电工程学院China university of petroleum控制工程基础控制工程基础第七章第七章 控制系统的校正和综合控制系统的校正和综合51练习练习 P271：7-3 7-10