自动控制原理—PID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,*,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,*,第六章 线性系统的校正方法,系统,控制系统的性能分析,系统建立,数学模型,微分方程,传递函数,动态结构图,控制系统的误差分析,稳、快、准,时域分析,频域分析,根轨迹分析法,改善系统整体性能,频率特性,差分方程,+,系统校正,第六章 线性系统的校正方法系统控制系统的性能分析系统建立微,自动控制原理,课程体系结构,自动控制系统的概念、分类,建立数学模型,分析该模型（时域、频域）,系统的设计和校正,实际,系统,物理,模型,数学,模型,方法（系统组成,分析、设计）,自动控制原理课程体系结构自动控制系统的概念、分类建立数学,第六章 线性系统的校正方法,导 读,为什么要介绍本章,?,初步设计出的系统一般来说是不满足性能指标要求的。一个很自然的想法就是在已有系统中加入一些参数和结构可以调整的装置，来改善系统特性。从理论上来讲这是完全可以的，因为加入了校正装置就改变了系统的传递函数，也就改变了系统的动态特性。,第六章 线性系统的校正方法导 读,第六章,线性,系统的校正方法,知识点一：自动控制系统的结构框图,知识点二：自动控制系统的性能指标,（时域、频域）,知识点三：校正,校正的方法,知识点四：校正,的控制规律,第六章 线性系统的校正方法知识点一：自动控制系统的结构框图,第六章,线性,系统的校正方法,设计过程,设计一个自动控制系统一般步骤：,根据任务要求，选定控制对象,性能指标要求，确定系统的控制规律,设计出满足这个控制规律的控制器,系统校正,原系统,控制器,控制对象,校正系统,原系统,校正装置,第六章 线性系统的校正方法设计过程 设计一个自动控制系,第六章,线性,系统的校正方法,知识点一：自动控制系统的结构框图,定格到第一章,第六章 线性系统的校正方法知识点一：自动控制系统的结构框图,第六章,线性,系统的校正方法,知识点二：,性能指标（时域、频域）,定格到第二、三、五章,稳态误差,e,ss,动态指标,上升时间,t,r,、调节时间,t,s,、,峰值时间,t,p,、超调量,、,1.,时域指标,稳态指标,“,快,”,“,准,”,“,稳,”,第六章 线性系统的校正方法知识点二：性能指标（时域、频域）,第六章,线性,系统的校正方法,知识点二：,性能指标（时域、频域）,定格到第二、三、五章,开环频域指标，包括,截止频率,c,、,相位裕度,和,幅值裕度,h,。,闭环频域指标，包括闭环谐振峰值,M,r,、谐振频率,r,和带宽频率,b,。,2.,频域指标,“,稳,”,“,快,”,第六章 线性系统的校正方法知识点二：性能指标（时域、频域）,第六章,线性,系统的校正方法,知识点三：,校正,校正的方法,串联校正,反馈校正,前馈校正,复合校正,校正装置在系统中的连接方式,第六章 线性系统的校正方法知识点三：校正校正的方法串联,第六章,线性,系统的校正方法,知识点三：,校正,校正的方法,(1),串联校正：,一般接在系统误差测量点之后和放大器之前，串联接于系统前向通道之中。,(2),反馈校正：从系统原有部分引出反馈信号,与原有部分或其一部分构成局部反馈回路,并在局部反馈回路内设置校正装置，这种校正方式称为反馈校正或并联校正。,串联校正,反馈校正,第六章 线性系统的校正方法知识点三：校正校正的方法(1,第六章,线性,系统的校正方法,知识点三：,校正,校正的方法,(3),前馈校正：又称顺馈校正，是在系统主反馈回路之外采用的校正方式。,前溃校正装置分两种情况：,其一，接在系统给定值之后及主反馈作用点之前的前向通道上，如图,(a),；,(a),前馈校正（对给定值处理）,第六章 线性系统的校正方法知识点三：校正校正的方法(3,其二，接在系统可测扰动作用点与误差测量点之间，如图(b)。,第六章,线性,系统的校正方法,知识点三：,校正,校正的方法,(b),前馈校正（对扰动的补偿）,其二，接在系统可测扰动作用点与误差测量点之间，如图(b)。,第六章,线性,系统的校正方法,知识点三：,校正,校正的方法,(4),复合校正：在反馈控制回路中，加入前馈校正通路，组成有机整体。,(a),按扰动补偿的复合控制方式,(b),按输入补偿的复合控制,第六章 线性系统的校正方法知识点三：校正校正的方法(4,第六章,线性,系统的校正方法,知识点三：,校正,校正的方法,无源校正装置,有源校正装置,校正装置,自身有无放大能力,自身无放大能力，通常由,RC,网络组成。,常由运算放大器和RC网络共同组成。,第六章 线性系统的校正方法知识点三：校正校正的方法无源,知识点四：校正的控制规律,PID(,Proportional,Integral Derivative),比例,积分,微分,微分,还记得比例环节、积分环节、微分环节的传递函数吗？,知识点四：校正的控制规律PID(Proportional,复习：比例环节,微分方程,传递函数,比例系数,K,P,=2,的,simulink,模型图,P(,Proportional,）环节,复习：比例环节微分方程传递函数比例系数KP=2的simuli,成比例放大的不仅有输入信号，还有偏差信号。,复习：比例环节,实验二、典型环节,simulink,仿真,成比例放大的不仅有输入信号，还有偏差信号。复习：比例环节实验,知识点四：校正的控制规律,1,、,P(,Proportional,）控,制器,微分方程,传递函数,P,控制器,示意图,知识点四：校正的控制规律1、P(Proportional,1,、,P(,Proportional,）控制器,传递函数为,:,K,P,1:,c,(,),G,0,(,s,),幅频特性曲线上移,相频特性曲线不变,(,),穿越频,率,，,相位裕量,，稳态误差,。,1、P(Proportional）控制器传递函数为:K,结论：,随着Kp值的增加，系统的响应速度加快，但系统的超调量也随之增加，调节时间也随之增长，当Kp增大到一定值，系统不稳定。,详见附件：探究PID控制器对控制系统的影响XQ,结论：详见附件：探究PID控制器对控制系统的影响XQ,知识点四：校正的控制规律,1,、,P(,Proportional,）控制器,特点：,1,、比例控制器实质上是一个放大器。,2,、比例控制器,只改变信号的增益而不影响其相位；,3,、在串联校正中,加大控制器增益,K,p,，提高系统的控制精度（,稳态误差,）,但会降低系统的相对稳定性（,相位裕量,），,甚至可能造成闭环系统不稳定。,因此，在系统校正设计中,很少单独使用比例控制规律。,知识点四：校正的控制规律1、P(Proportional,知识点四：校正的控制规律,微分方程,传递函数,2,、,I(,Integral,）控制器,T,i,积分时间,I,控制器,示意图,知识点四：校正的控制规律微分方程传递函数2、I(Integ,复习：比例环节,T,i,=1,的,simulink,模型图,T,i,=1/2,的,simulink,模型图,T,i,=1,的波形图,T,i,=1/2,的波形图,复习：比例环节Ti=1的simulink模型图Ti=1/2的,1、,只要有偏差信号存在，若系统有积分环节，就会有输出，则一直处于动态过程，系统就不会稳定。,2、Ti越大，积分作用变弱，Ti越小，积分作用变强。,T,i,=1,的波形图,T,i,=1/2,的波形图,特点：,1、只要有偏差信号存在，若系统有积分环节，就会有输出，则一直,知识点四：校正的控制规律,2,、,I(,Integral,）控制器,I,控制器,1,、串联校正时,采用积分控制器可以提高系统的型别,有利于系统稳态性能的提高（准确性），但积分控制使系统增加一个开环极点,产生90的相角滞后,对系统的稳定性不利；,2,、在校正设计中,通常不宜采用单一的积分控制器。,特点：,知识点四：校正的控制规律2、I(Integral）控制器,知识点四：校正的控制规律,3,、,D(Derivative),控制器,y,(,t,),=,de(t,),dt,T,d,E,(,s,),Y,(,s,),G,(,s,)=,=T,d,S,T,d,微分时间,注意：,微分控制器是理想状态，不可单独使用。,知识点四：校正的控制规律3、D(Derivative),知识点四：校正的控制规律,3,、,P I(,Proportional Integral,）控制器,微分方程,传递函数,PI,控制器,微分方程,知识点四：校正的控制规律3、P I(Proportional,特点：,1、K,P,系数实现阶跃性增加，T,i,积分是缓慢变化。,2、K,P,越大，比例控制作用变大，但振荡。,3、T,i,越小，积分作用增强，消除余差作用增强，但稳定性降低。,复习：,PI,环节,特点：1、KP系数实现阶跃性增加，Ti积分是缓慢变化。复习：,频域,PI,控制器伯德图,20lgK,-20dB/dec,L(,)/dB,0,(),1,1,1、,PI,控制使系统的型别加,度，稳态误差减小，准确性提高；,2,、积分作用的强弱取决于积分时间常数，,T,i,越大，积分作用越弱；,3,、同时使相角裕量减小，系统的稳定程度下降。,特点：,P I(,Proportional Integral,）控制器,0,频域 PI控制器伯德图 20lgK-20dB/decL(),例：设比例,-,积分控制系统如下图所示,试分析,PI,控制器对系统稳态性能的改善作用。,解：,接入,PI,控制器后,系统的开环传递函数为,系统由原来的,型系统提高到了,型系统。若系统的输入信号为单位斜坡函数,则无,PI,控制器时,系统的稳态误差为,1/,K,;,接入,PI,控制器后,稳态误差为零。表明,型系统采用,PI,控制器后,可以消除系统对斜坡输入信号的稳态误差,控制精度大为改善。采用,PI,控制器后,系统的特征方程为,例：设比例-积分控制系统如下图所示,试分析PI控制器对系统,其中,参数,T,T,i,K,K,p,都是正数。,由劳斯判据可知,要想使闭环系统稳定，,T,i,KK,p,T,i,TT,i,KK,p,，所以可调整,PI,控制器的积分时间常数,T,i,使之大于被控对象的时间常数,T,，保证闭环系统的稳定性。,P I(,Proportional Integral,）控制器,其中,参数T,Ti,K,Kp都是正数。P I(Pro,结论：,随着积分时间的减小，积分控制作用增强，闭环系统的稳定性变差。,详见附件：探究PID控制器对控制系统的影响XQ,结论：详见附件：探究PID控制器对控制系统的影响XQ,知识点四：校正的控制规律,4,、,PID(,Proportional,Integral Derivative),控制器,微分方程,传递函数,1、K,P,系数实现阶跃性增加，T,i,积分是缓慢变化，T,d,微分加速系统变化。,2、K,P,越大，比例控制作用变大，但振荡。,3、T,i,越小，积分作用增强，消除余差作用增强，但延迟作用增强，稳定性降低。,4、T,d,越大，微分作用越强，减小系统反应时间，但过大会振荡。,特点：,知识点四：校正的控制规律4、PID(Proportiona,结论：,本图为PID参数对控制系统的影响。,结论：,知识点四：校正的控制规律,4,、,PID(,Proportional,Integral Derivative),控制器,PID,控制器,特点：,1,、,增加了一个开环极点，提高了系统的型别，提高稳态性能；,2,、提供了,两个负实零点，动态性能比,PI,更具优越性；,3、通常，使积分发生在低频段，以提高系统的稳态性能；,4、使微分部分发生在高频段，以改善系统的动态性能。,因此，在工业过程控制系统中,广泛使用PID控制器。,知识点四：校正的控制规律4、PID(Proportiona,PID(Proportional,Integral,Derivative),控制器,知识点四：校正的控制规律,PID(Proportio