6自动控制原理 课件

单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版标题样式,主要内容,行动导入,第一节 常规控制器的基本控制规律和动态特性,第二节 控制系统的串联校正,第三节 前馈和反馈复合控制校正,第四节 MATLAB在线性系统校正中的应用,1、教学内容：,（1）常规控制器的基本控制规律和动态特性,（2） P、PI、PD、PID控制器控制规律的实现,（3）串联校正,（4） 采用前馈-反馈复合控制的校正方法,2、重点、难点,重点：P、PI、PD、PID控制器控制规律，采用前馈-反馈复合控制的校正方法,难点：P、PI、PD、PID控制器控制规律,3、教学基本要求：,掌握常规控制器的基本控制规律和动态特性，掌握P、PI、PD、PID控制器控制规律的实现，掌握采用前馈-反馈复合控制的校正方法。,校正：,采用适当方式，在系统中加入一些参数可调整的,装置（校正装置），用以改变系统结构，进一步,提高系统的性能，使系统满足指标要求。,校正方式：,串联校正， 反馈校正， 复合校正,行动导入,第六章 控制系统的校正,第一节 常规控制器的基本控制,规律和动态特性,调节器的控制规律用数学表达式为：C=f(e),C:调节器输出 e:被调量偏差,调节器控制,位式控制,比例控制,比例积分,比例微分,比例积分微分,一、位式调节,1、两位式调节规律,两位式输入和输出如图：,呆滞区（死区）：,不能引起调节器动作的被调量对定值偏差区,A、当被调量与设定值之间的偏差不超出呆滞区间，输出保持不变。,B、超出时才变化。,如：控制开关,输入和输出如图：,理想输出 实际输出,呆滞区存在可以延长调节器的使用寿命，避免频繁动作,2、三位式调节规律,三种状态：,大于死区，输出=100%,在死区范围之内，输出=0,小于死区，输出=-100%,输入和输出如图：,理想输出 实际输出,二、比例调节P,比例调节：调节器的输出和输入成比例关系,传递函数为：,K,P,：调节器的放大倍数,特点：有差调节,K,P,越大，系统越不稳定，但静态偏差会越小。,对系统性能的影响正好相反。,Kp1,开环增益加大，稳态误差减小；幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短；系统稳定程度变差。,原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。,Kp1,三、比例积分控制 PI,积分控制规律：,调节器的输出变化量，与输入偏差随时间的积分成正比,数学表达式为,比例积分控制规律为：,特点：,1）偏差存在时，调节器的输出将随时间不断变化，直到偏差消除。,2）TI越大，积分速度越慢，积分作用越弱。,3）调节不及时，不单独使用，常和P调节一起组成PI调节,i对系统过渡过程的影响：,1）随着积分时间i的减小， 积分作用增强，稳态偏差减小。,2）但系统的振荡加剧，稳定性下降。,转折频率,1,=1/（K,p,T,i,）,一个积分环节, 提高系统的稳态精度,一个开环零点弥补积分环节对系统稳定性的不利影响,四、比例微分控制PD,微分控制规律：,调节器的输出变化量与输入偏差变化的速度成正比。,数学表达式为：,比例微分控制规律：,特点：,1）输出和偏差变化的速度成正比,2）微分时间越长，或偏差变化的速度大，微分作用就越强,d对系统过渡过程的影响：,1）减小被调量的动态偏差，缩短调节时间。,2）有超前作用，使偏差消失于萌芽中，提供系统稳定性的作用,转折频率,1,=K,p,/T,d,预先作用,抑制阶跃响应的超调,缩短调节时间,抗高频干扰能力,五、比例积分微分控制 PID,时域表达,理想的PID调节：,实际的PID调节：,传递函数为：,PID调节器的阶跃响应曲线,比例,比例微分积分,积分,微分,Kp1,频域表达：,在低频段,，,PID,控制器通过积分控制作用,改善了系统的稳态性能；,在中频段,，,PID,控制器通过微分控制作用,有效地提高了系统的动态性能。,近似有：,通常PID 控制器中,i, T,d,）,比例积分微分调节的特点：,快速、敏捷、平稳准确,三项需适当配合，正确设置K,P,，T,I,，T,D,三种作用在任何时候都协调工作,三作用调节器综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，应用范围宽广。,各种控制过程常用的控制规律如下：,液位：,滞后不大，一般控制要求不高。,用,P或PI,控制规律。,流量：,滞后很小，时间常数小，测量信号中杂有噪音。,用PI控制,。,压力：,介质为液体的滞后较小，介质为气体时的滞后中等。,用P或PI控制规律,。,温度：,容量滞后较大，时间常数大。,常用PID控制规律。,第六章 控制系统的校正,第二节 控制系统的串联校正,控制系统的性能指标：,1、稳态精度,稳态误差e,ss,2、过渡过程响应特性,时域：上升时间t,r,、超调量M,p,、调节时间t,s,频域：谐振峰值M,r,、增益交界频率,c,、谐,振频率,r,、带宽,b,3、相对稳定性,增益裕量K,g,、相位裕量,(,c,),4、扰动的抑制,带宽,b,校正方式选择需要考虑的因素：,系统中信号的性质；,技术方便程度；,可供选择的元件；,其它性能要求（抗干扰性、环境适应性等）；,经济性,串联校正的特点：,设计较简单，容易对信号进行各种必要的变换，,但需注意负载效应的影响。,一、串联相位超前校正的设计,c,相频超前,系统带宽,稳定裕度,设计串联相位超前校正装置的步骤：,1、根据稳态性能指标确定系统的开环增益,2、绘制在确定K值下的开环佰德图，计算其相角裕度,0,3、由要求的相角裕度,，计算所需的超前相角,4、计算校正网络系数,5、确定校正后系统的剪切频率,未校正系统伯德图曲线上增益为,对应频率,6、确定校正装置的交接频率,7、画出校正后的伯德图，验算相角稳定裕度是否达到要求,8、验算其它性能指标，不满足要求重新设计,9、写出校正装置的传递函数,10、提出实现形式，并确定网络参数,例：设一具有单位反馈的控制系统，其开环传递函数为,要求设计串联超前校正装置，使系统具有静态速度误差系数,Kv,等于20s,1,，相位裕度,不小于50。,二、串联相位超前校正设计举例,（,1）根据误差等稳态指标的要求，确定系统的开环增益K,解：,（,2）画出伯德图，计算未校正系统,G,O,（j )的相位裕量,（3）由要求的相角裕度,，计算所需的超前相角,（4）计算校正网络系数,（5）确定校正后系统的剪切频率,（6）确定超前网络的,转角频率,1,、,2,（7）画出校正后的伯德图，验,算相角稳定裕度,（8）验算其它性能指标,（9）写出校正装置的传递函数,（10）提出实现形式，并确定网络参数,F,（k）,（k）,增益裕量：+,分贝,相位裕量：50,增益交界频率：,9/s,闭环谐振频率：6/s7/s,谐振峰值,G(j),G,s,(j),M,r,=1.29,M,r,=3,jV,U,6,6,7,4,4,3,3,满足稳态要求,带宽增加、响应加快,三、校正系统的性能分析,1.系统稳定,2.稳态误差满意,3.瞬态响应不满意,串联超前校正适应的系统,不适应的系统,1.要求提供的相角裕度太大,2.未校正系统相角在剪切频率急剧减小,第六章 控制系统的校正,第三节 前馈和反馈复合控制校正,一、前馈和反馈复合控制校正原因,反馈校正的特点：,可消除系统原有部分参数对系统性能的影响，,元件数也往往较少。,但：基于误差控制的缺点,1、只有当系统产生误差或干扰产生影响时，系统才被控制以消除误差的影响。,若系统包含有很大时间常数的环节，或者系统响应速度,要求很高，调整速度就不能及时跟随输入信号或干扰信号,的变化。从而当输入或干扰变化较快时，会使系统经常处,于具有较大误差的状态。,2、为了减小或消除系统在特定输入作用下的稳态误差，可提高系统开环增益或型次。,这两种方法均会影响系统的稳定性。,3、通过适当选择系统带宽可以抑制高频扰动,但对低频扰动无能为力。特别是存在低频强扰动时，一,般的反馈控制校正方法很难满足系统高性能的要求。,解决办法：,引入误差补偿通路，与原来的反馈控制一起进行复合控制。,二、复合控制方法,通过在系统中引入输入或扰动作用的开环误差补偿通路（,顺馈,或,前馈,通路），与原来的反馈控制回路一起实现系统的高精度控制。,顺馈或前馈控制在控制系统中可同时采用。,从抑制扰动，减小误差的角度看，复合控制可以减轻反馈控制的负担。,引入复合控制的系统，反馈回路的增益可以取得小一些，从而有利于系统稳定。,顺馈或前馈是开环控制方式。,元器件应具有较高的参数稳定性。否则将削弱补偿效果，并给系统输出造成新的误差。,三、按输入(顺馈)补偿的复合校正,系统的偏差传递函数为：,若选择：,即误差完全通过顺馈通路得到补偿，系统既没有动态误差也没有稳态误差，在任何时刻都可以实现输出立即复现输入(,不变性原理,)，系统具有理想的时间响应特性。,无顺馈补偿时,顺馈补偿后：,顺馈补偿不改变系统的闭环特征多项式，即顺馈补偿不改变系统的稳定性,顺馈补偿采用了开环控制方式补偿输入作用下的输出误差,！解决了一般反馈控制系统在提高控制精度与保证系统稳定性之间存在的矛盾。,四、按扰动(前馈)补偿的复合校正,若扰动信号可量测，则可采用前馈补偿。,扰动作用下的闭环传递函数为,扰动作用下的误差为,1、扰动前馈也不改变系统闭环特征方程，即对系统稳定性无影响。,2、主要扰动引起的误差，由前馈通道进行全部或部分补偿。,3、次要扰动引起的误差由反馈控制予以抑制。,第六章 控制系统的校正,第四节 MATLAB在线性系统,校正中的应用,用MATLAB分析PID校正系统,PID控制器的传递函数,例: 单位反馈系统被控对象的传递函数为,PID调节器的传递函数,比较校正前后系统的频率特性和单位阶跃响应,1、绘制未校正系统的伯德图,num=35,den1=0.00001 0.0031 0.215 1 0,mag1,phase1,w=bode(num1,den1),margin(mag3,phase3,w),2、分析校正后的频率特性,num3=7 105 350,den3=0.00001 0.0031 0.215 1 0 0,mag3,phase3,w=bode(num3,den3),margin(mag3,phase3,w),3、求校正前后的单位阶跃响应,t=0: 0.02: 5,numc1,denc1=cloop(num1,den1),y1=step(numc1,denc1,t),numc3,denc3=cloop(num3,den3),y3=step(numc3,denc3,t),plot(t,y1,y3);grid,使用时，直接删除本页！,精品课件，你值得拥有,！,精品课件，你值得拥有,！,使用时，直接删除本页！,精品课件，你值得拥有,！,精品课件，你值得拥有,！,使用时，直接删除本页！,精品课件，你值得拥有,！,精品课件，你值得拥有,！,