控制系统综合与校正课件

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,ZSTU,浙 江 理 工 大 学,*,2024/11/14,第七章 控制系统综合与校正,1,2024/11/14,主要内容,引言,串联补偿,串联超前补偿,串联滞后补偿,串联超前滞后补偿,2,2024/11/14,7.1,引言,系统分析,是对现有控制系统的控制器和被控对象作定量的了解和分析，得出现有系统的稳定性、稳态特性和暂态性能指标。,控制系统的设计,：是根据工艺上对被控对象的参数及控制系统的任务和要求，确定控制系统的设计方案和结构，合理选择执行机构、功率放大器、检测元件等组成控制系统。经过安装调试和运行。若不满足要求，必须通过调整系统的参数或增加新的环节使性能得到改善。仅靠调整系统放大系数使系统满足工程上的要求是困难的。在系统原有结构上,增加新的环节,是改善系统性能的主要手段。,3,2024/11/14,控制系统的补偿,（或,校正,）,：,根据工程上对系统的要求，合理地确定校正装置的结构形式和参数的过程称为系统的校正。为改善系统性能所增加的环节称为校正装置。,补偿,的实质,是在原有系统中增加合适的校正装置，引进新的零点、极点以改变原系统的系统,Bode,图的形状，使其满足系统性能指标要求。,常见的,补偿方式,有：串联补偿、反馈补偿和复合补偿,4,2024/11/14,7.2,串联补偿,常用于系统稳态特性已经满足，而暂态性能差（相角裕量过小，超调量过大，调节时间过长）,一般而言，当控制系统的开环增益增大到满足其静态性能所要求的数值时，系统有可能不稳定，或者即使能稳定，其动态性能一般也不会理想。在这种情况下，可在系统的前向通路中增加超前校正装置，以实现在开环增益不变的前题下，系统的动态性能亦能满足设计的要求。,一、串联超前补偿,5,2024/11/14,1、超前补偿装置,6,2024/11/14,2、超前补偿网络的频率特性,+20,dB/dec,“超前”是指在稳定的正弦信号作用下，,可使其输出的正弦信号相位超前的意思,最大超前角度,7,2024/11/14,已知截止频率要求，进行串联超前校正的一般步骤可归纳为：,根据稳态误差的要求，确定开环增益,K,。,根据所确定的开环增益,K,，画出未校正系统的波特图，,关键是选择最大超前角频率等于要求的系统截止频率，即,以保证系统的响应速度，并充分利用网络的相角超前特性。显然，,成立的条件是,a,验证已校系统的相角裕度和 幅值裕度是否满足要求。若不满足条件，返回,，一般使 值增大。,计算未校正系统的相位裕度,根据截止频率,的要求，计算超前网络参数,a,和,T,；,8,2024/11/14,例1：,单位反馈系统的开环传递函数为：,设计指标,：,（1）,系统在单位斜坡输入作用下，稳态误差,0.1；,（2）,开环幅值穿越频率,c,4.4,rad,/,s,；,（3）,相位裕量,45；,（4）,幅值裕量,K,g,10dB；,试设计无源校正装置,，并给出电路。,9,2024/11/14,解：,1,、确定开环增益,K,；,在单位斜坡输入时，对,型系统来说，,所以，,K,10,2,、画出未校正系统伯德图，计算未校正系统相位裕量；,由,得,10,2024/11/14,3,、,根据截止频率,的要求，计算超前网络参数,a,和,T,；,a,4,、验证已校系统的相角裕度和 幅值裕度是否满足要求。若不满足条件，,一般使 值增大，,返回,3,。,11,2024/11/14,串联超前补偿的特点：,1、利用其相位超前特性，可以增大系统的稳定裕度，提高动态响应的平稳性（,M,r,减小）和快速性（,t,s,减小）;,2、对提高系统稳态精度作用不大，系统抗干扰能力有所下降；,3、一般用于稳态精度已基本满足要求，但动态性能差的系统；,4、若在未补偿系统的截止频率附近，相位下降迅速时，导致超前网络的相角超前量不足以补偿到要求的数值，单个超前补偿网络可能无法达到要求。一般：,采用两个超前网络串联，会使系统结构复杂，同时进一步降低了抗干扰能力。此时，可考虑采用串联滞后补偿或其它补偿装置。,12,2024/11/14,二、串联滞后补偿,设计指标,：,稳态误差和相角裕度,补偿原理,：,利用滞后网络的高频衰减特性，使系统校正后,截止频率下降,，从而获得足够的相角裕度。因此，滞后补偿网络的最大滞后角应避免出现在系统截止频率附近。,适用场合,：,对系统稳态精度要求较高，响应速度要求 不高，而抗干扰性能要求较高的场合；若未校正系统有满意的动态特性，而稳态性能不满足要求，也可用串联滞后网络来提高稳态精度，同时保持其动态特性基本不变。,13,2024/11/14,1、滞后补偿装置,14,2024/11/14,2、滞后补偿网络的频率特性,-20,dB/dec,滞后补偿网络相当于一低通滤波器：对低频信号不产生衰减，而对高频信号有衰减作用。,15,2024/11/14,超前补偿与滞后补偿两种方法的比较,：,1、超前校正是利用了超前网络的相角超前特性；,滞后校正是利用了滞后网络的高频幅值衰减特性；,2、为了满足严格的稳态性能要求，在采用无源校正网络时，超前校正要求一定的附加增益，而滞后校正一般不需要附加增益；,3、对于同一系统，采用超前校正系统的带宽大于采用滞后校正时的带宽。当输入端电平噪声较高时，一般不宜选用超前网络补偿。,16,2024/11/14,三、串联超前滞后补偿,单纯采用超前补偿或滞后补偿，均只能改善系统动态特性或稳态特性某一方面的性能。若对校正系统的动态特性和稳态特性都有较高要求时，宜采用串联超前滞后补偿装置。,串联超前滞后补偿中，超前部分用于提高系统的相对稳定性（平稳性）以及提高系统的快速性；滞后部分主要用于抗高频干扰，提高开环放大系数，从而提高稳态精度。,串联超前滞后补偿的设计指标仍然是稳态精度和相角裕度。,17,2024/11/14,1、串联超前滞后补偿,1,R,r,u,c,u,2,R,C,2,C,1,18,2024/11/14,2、超前滞后补偿网络的频率特性,19,2024/11/14,7.3 PID,控制器设计,PID,控制器是实际工业控制过程中应用,最广泛、最成功,的一种控制方法。,一、,PID,控制器基本结构,PID,G（S）,y,r,y,o,e,u,PID：,P,roportional,I,ntegral,D,erivative,PID,控制,：,对偏差信号,e,(,t,),进行比例、积分和微分运算变换,后形成的一种控制规律。,“利用偏差、消除偏差”,20,1.,什么是传统机械按键设计？,传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动,PCBA,上的开关按键来实现功能的一种设计方式。,传统机械按键设计要点：,1.,合理的选择按键的类型，尽量选择平头类的按键，以防按键下陷。,2.,开关按键和塑胶按键设计间隙建议留,0.050.1mm,，以防按键死键。,3.,要考虑成型工艺，合理计算累积公差，以防按键手感不良。,传统机械按键结构层图：,按键,开关键,PCBA,2024/11/14,PID,控制器的输入输出关系为：,相应的传递函数为：,在很多情形下，,PID,控制并不一定需要全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施,P、PI、PD,或,PID,控制。,22,2024/11/14,1、,P（,比例）控制,R,2,R,1,u,i,(,t,),u,o,(,t,),-,+,23,2024/11/14,24,2024/11/14,P,控制对系统性能的影响：,K,p,1,时：,a.,开环增益加大，稳态误差减小；,b.,幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短；,c.,系统稳定程度变差。,K,p,1,时，对系统性能的影响正好相反。,25,2024/11/14,2、,I（,积分）控制,C,R,u,i,(,t,),u,o,(,t,),-,+,26,2024/11/14,-90,0,-180,0,积分控制可以增强系统抗高频干扰能力。故可相应增加开环增益，从而减少稳态误差。但纯积分环节会带来相角滞后，减少了系统相角裕度，通常不单独使用。,27,2024/11/14,3、,D（,微分）控制,R,C,u,i,(,t,),u,o,(,t,),-,+,28,2024/11/14,-90,0,-180,0,90,0,微分控制可以增大截止频率和相角裕度，减小超调量和调节时间，提高系统的快速性和平稳性。但单纯微分控制会放大高频扰动，通常不单独使用。,29,2024/11/14,二、,PD（,比例-微分）控制器,PD,控制器的输入输出关系为：,相应的传递函数为：,30,2024/11/14,90,o,45,o,0,o,0,+20,dB/dec,PD,控制器的,Bode,图,31,2024/11/14,PD,对系统性能的改善,32,2024/11/14,PD,控制的特点（类似于超前校正）,：,1、增加系统的频宽，降低调节时间；,2、改善系统的相位裕度,，,降低系统的超调量；,3、增大系统阻尼，改善系统的稳定性；,4、增加了系统的高频干扰；,PD,控制的应用：,依据性能指标要求和一定的设计原则求,解或试凑参数。,33,2024/11/14,三、,PI（,比例-积分）控制器,PI,控制器的输入输出关系为：,相应的传递函数为：,34,2024/11/14,PI,控制器的,Bode,图,0,o,-45,o,-90,o,0,-20,35,2024/11/14,36,2024/11/14,PI,控制的特点（类似于滞后校正）,：,1、提高系统的型别，改善系统的稳态误差；,2、增加了系统的抗高频干扰的能力；,3、增加了相位滞后；,4、降低了系统的频宽，调节时间增大；,PI,控制的应用：,依据性能指标要求和一定的设计原则求解,或试凑参数。,37,2024/11/14,四、,PID（,比例-积分-微分）控制器,PID,控制器的传递函数为：,PID,控制的应用：,依据性能指标要求和一定的设计原则求解,或试凑参数。,PID,控制器的输入输出关系为：,38,2024/11/14,回 顾,引言,串联补偿,串联超前补偿,串联滞后补偿,串联超前滞后补偿,39,2024/11/14,习 题,P272,7,15,7,10,7,20,40,