控制工程基础控制系统的校正课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第五章 控制系统的校正,p186,1,结构不稳定系统及其改进实例：,仅仅调节参数无法稳定的系统称为结构不稳定系统。,-,杠杆和放大器的传递函数,执行电机的传递函数,进水阀门的传递函数,控制对象水箱的传递函数,例：如图所示的液位控制系统,2,闭环传递函数为：,令：,闭环特征方程为：,展开为：,方程系数：,由于 ，不满足系统稳定的必要条件，所以系统是不稳定的。这也可从劳斯表看出。,劳斯表：,由于无论怎样调节参数K和T都不能使系统稳定，所以是一个,结构不稳定的系统,。,欲使系统稳定，必须改变原系统的结构。,3,引入开环零点（,比例微分）,稳定的充分必要条件为,：,即,即,4,第一节 概述,一、定义：,在原有系统中，有目的的增添一些装置和元件，人为地改变系统的结构和性能，使之满足所需要的性能指标，这种方法称为,“,系统校正,”（system compensation)。增添的装置和元件称为,校正装置,和,校正元件。,二、校正方式,根据校正装置在控制系统中的位置，最基本的校正方式有两种，即,串联校正和反馈校正,（也称并联校正）。若将两种校正结合称为,复合校正。,5,1、串联校正方式,将校正装置串联在反馈控制系统的前向通道中。,校正装置的作用：,实现各种控制规律,，以改善控制系统的性能，因此常称为,控制器,。,+,-,X,i,(,),s,G,c,(,),s,H,(,s,),X,o,(,),s,G,(,),s,2,校正环节,6,根据所起的作用不同，串联校正装置可分为：,相位超前校正装置,相位滞后校正装置,相位滞后-超前校正装置,7,2、反馈校正方式,将校正装置接于局部反馈通道中构成。,优点：,可大大提高系统的相对稳定性，有效削弱非线性因素的不良影响，降低系统对参数变化的敏感度，显著改善系统抑制扰动的能力。,+,-,X,i,(,),s,X,o,(,),s,+,G,1,(,),s,G,(,),s,2,G,(,),s,c,G,(,),s,3,-,G,(,),s,2,*,校正环节,8,三、校正装置,分类,根据动力源和信号性质不同，校正装置分为电气的、气动的、液压的以及机械的等，其中应用最广泛的是,电气校正网络,。,根据电气校正装置是否使用电源，其又可分为以下两种：,无源校正装置、有源校正装置。,9,1、无源校正装置,构成：由,电阻和电容,组成的两端口网络。,特点：,无需外供电源，线路简单，组合方便，成本 低。但本身没有增益，且输入阻抗低，输出阻抗高。,输入、输出阻抗与系统性能：,10,2、有源校正装置,构成：由,运算放大器,和,无源网络,组成。,特点：,输入阻抗高，输出阻抗低；可以提供所需要的增益；设计、参数调整方便，使用灵活等。,11,第二节 PID控制,PID控制,（,Proportional-Integral-Differential Control,）,：即比例、积分和微分控制的简称。,在当今应用的工业控制器中，半数以上采用了PID或变形PID控制方案。PID控制器分为,模拟,和,数字控制器,两种。模拟PID控制器通常是电子、气动或液压型的，数字PID控制器是由计算机实现的。,大多数PID控制器的参数是现场调节的。PID控制的价值在于它对于大多数控制系统的广泛适应性，虽然在许多给定的情况下还不能提供最佳控制。,12,下图表示了一种控制对象的PID控制。它是串联在系统的前向通道中的，这是一种最常见的形式。,PID控制器的时域表达式为,：,式中，,u,(,t,)是PID控制器的输出信号，,e,(,t,)是PID控制器的输入信号，也就是系统的误差信号。,k,p,称为,比例系数,，,T,i,、,T,d,分别称为,积分,和,微分时间常数,。,-,PID控制器,控制对象,13,上页所示的PID表达式(6.1)即是通常所说的,常规PID控制器,。常规PID控制器可以采用多种形式进行工作。主要有以下几种，分别称为：,比例控制器：,比例,-,积分控制器,：,比例,-,微分控制器：,比例,-,积分,-,微分控制器：,在某些特殊的情况下，PID控制器可以进行,适当的变形,，以适应系统控制的要求。这些控制器称为变形的PID控制器。比如，,积分分离PID控制器，变速PID控制器，微分先行PID控制器，抗饱和PID控制器，Fuzzy PID控制器等形式。,14,PID,控制器的传递函数如下：,PID,控制器的结构图如下：,-,控制对象,PID,控制器在控制系统中的应用：,15,比例部分：,增加比例系数可加快系统的响应速度，减小稳态误差；但比例系数太大会影响系统的稳定性。,积分部分：,积分时间常数越小，积分作用越强。积分控制作用可以消除系统的稳态误差；但积分作用太大，会使系统的稳定性下降。,微分部分：,微分时间常数越大，微分作用越强。微分作用能够反映误差信号的变化速度。变化速度越大，微分作用越强，从而有助于减小振荡，增加系统的稳定性。但是,微分作用对高频误差信号（不管幅值大小）很敏感,。如果系统存在高频小幅值的噪音，则它形成的微分作用可能会很大，这是不希望出现的。,PID控制器每一部分对控制系统的作用：,16,第三节 串联校正,一、比例校正,R(s),C(s),_,k,c,Gc,G1,降低增益,k,后：,1、相对稳定性改善；,2、穿越频率,c,降低，t,s,增大，系统快速性变差；,3、稳态误差增大，系统稳态精度降低。,17,二、比例-微分(PD)校正（相位超前校正）,R(s),_,Gc,C(s),G1,PD校正后：,1、相对稳定性提高；,2、穿越频率增大，系统的快速性提高；,3、系统的高频增益增大，易引入高频干扰；,4、对稳态精度不产生直接影响。,18,三、比例-积分(PI)校正（相位滞后校正）,PI校正后：,1、低频段0型 I型，系统稳态性能提高；,2、中频段，系统的相对稳定性变差；,3、高频段，校正前后对系统的性能影响不大。,R(s),_,Gc,C(s),G1,19,第三节 反馈校正,一、特点,改变反馈所包围环节的,动态结构和参数,，消除所包围环节的,参数波动,对系统性能的影响。,+,-,X,i,(,),s,X,o,(,),s,+,G,1,(,),s,G,(,),s,2,G,(,),s,c,G,(,),s,3,-,G,(,),s,2,*,校正环节,20,在一定频率范围内，选择,则有：,所以 的影响可以忽略，即局部回路的特性完全取决于,。,取代特性不好的局部结构。,设,局部环节传函,如下：,21,二、反馈校正的形式,位置反馈（比例反馈）：,速度反馈（微分反馈）：,加速度反馈（二阶微分反馈）：,+,-,X,i,(,),s,X,o,(,),s,+,G,1,(,),s,G,(,),s,2,G,(,),s,c,G,(,),s,3,-,G,(,),s,2,*,校正环节,22,三、位置反馈校正(比例反馈校正),校正后：结构不变，但增益降低。,+,-,X,i,(,),s,X,o,(,),s,k,k,c,1、包围比例环节,23,2、包围积分环节,校正后：,(1)由积分环节变成了惯性环节(改变了型次)；,(2)积分环节消失，无静差有静差，稳态性能变差。,+,-,X,i,(,),s,X,o,(,),s,s,k,k,c,24,3、包围惯性环节,反馈系数,k,c,越大，闭环增益和时间常数下降越多。,+,-,X,i,(,),s,X,o,(,),s,Ts,+1,k,k,c,（2）增益下降，由,k,降为:,（,1）仍为惯性环节，但时,间常数下降，由,T,降为:,反馈校正后:,25,四、速度反馈校正(微分反馈校正),校正后：比例变成惯性，增益不变。,1、包围比例环节,+,-,X,i,(,),s,X,o,(,),s,k,k,c,s,26,2、包围积分环节,校正后：仍为积分环节，但增益减小。,+,-,X,i,(,),s,X,o,(,),s,s,s,B,(,),s,k,c,k,27,3、包围惯性环节,仍为惯性环节，但时间常数增大。,功能：,作为局部反馈，可使系统中各环节的时间,常数拉开,改善系统的动态平衡性。,+,-,X,i,(,),s,X,o,(,),s,Ts,+1,s,B,(,),s,k,c,k,28,4、包围型系统,仍为型系统，但时间常数和增益减小。,+,-,X,i,(,),s,X,o,(,),s,s,Ts,+1,s,(,),k,c,k,29,5、包围振荡环节,系统阻尼比增大，能有效地减弱小阻尼环节的不利影响,。,+,-,X,i,(,),s,X,o,(,),s,s,+1,s,T,2,2,+2,x,T,s,k,k,c,30,