自动控制理论-控制系统的校正.ppt

第6章控制系统的校正,6-1引言6-2串联超前校正6-3串联滞后校正6-4滞后超前校正和PID校正6-5反馈校正6-6复合校正,6-1引言,1、系统校正被控对象确定后，根据要求的控制目标，对控制器的进行设计的过程叫作系统校正。,2、控制目标性能指标,4、用什么校正？校正装置为了改善系统性能，引入的附加装置叫作校正装置，也叫补偿器；校正装置可以是电气的、机械的、气动的、液压的或其他形式的元件组成；电气的校正装置分为有源的和无源的两种，应用无源的校正装置时，要考虑负载效应。,3、为什么校正？闭环系统有自动控制功能，在一定范围内可以通过调节增益改变系统性能，但有时不能满足要求。,5、一般有哪些校正方法？,反馈校正,串联校正,6、方案选择技术性能、经济指标、可靠性等方面进行全面比较，权衡利弊，得到方案。提出合适的性能指标，选择测量元件、执行元件、放大器等。,系统开环频率特性与系统性能指标密切相关，一般可以将校正问题归纳为三类：1、如果系统稳定且有较满意的暂态响应，但稳态误差太大，这就必须增加低频段的增益来减小稳态误差，同时保持中、高频特性不变；2、如系统稳定且有较满意的误差，但其动态性能较差，则应改变系统的中频段和高频段，以改变系统的截止频率和相角裕度；3、如果一个系统的稳态和动态性能均不能令人满意，就必须增加低频增益，并改变中频段和高频段。,对应上面三种情况的BODE图：,c）低中高频段均改变,b）改变高频段,a）改变低频段,6-2串联超前校正,无源超前校正网络,其中，,1、超前校正网络：,传递函数：,2、超前校正环节的频率特性,超前网络bode图,对数频率特性为:,3、超前网络的作用,例1：设单位反馈控制系统的开环传递函数为：要求系统的稳态误差为，相角裕度，幅值裕度，试确定该系统的校正装置。解：按要求确定K值：,画出未校正系统BODE图,相角裕度,测量可得原系统的相角裕度，所以远远小于要求值，说明在时系统会产生剧烈的振荡，为此需要增加的超前角。,注意：超前校正环节不仅改变了BODE图的相角曲线，而且改变了幅值曲线，使幅值穿越频率提高，在新的幅值穿越频率上，原系统的滞后相角就会增大，这就要求超前校正装置产生的相角要相应的增大，为此设计超前相角由增大到。,原系统BODE图中-7.78对的频率为55,超前校正装置对系统性能有如下影响：1、减少了开环频率特性在幅值穿越频率上的负斜率，提高了系统的稳定性；2、减小了阶跃响应的超调量；3、增加了开环频率特性在幅值穿越频率附近的正相角和相角裕度；4、提高了系统的频带宽度；5、不影响系统的稳态性能；上述内容可以归纳为：两少，两高，一不变。,(4)确定a,(2)计算0,(7)验算,(1)确定K,(5)计算m,(6)确定T,(3)计算,设计步骤：,应用超前校正的几个限制条件：1、原系统稳定；（否则需要的超前相角大，噪声对系统干扰严重，甚至可以导致系统不稳定）2、原系统在穿越频率附近相角迅速减小的系统不适用该校正方法,超前校正,总结：1)超前校正原理：利用超前网络的相角超前特性，使系统的截止频率和相角裕度满足性能指标的要求，从而改善闭环系统的动态性能2）适用对象：超前校正主要应用于原系统稳定，稳态性能已满足要求而动态性能较差的系统。3）缺点：降低了系统的抗扰性能。,6-3串联滞后校正,网络的传递函数为,无源滞后校正网络,滞后校正环节的BODE图如图所示：,由BODE图得系统的最大滞后相角：在第一个转折频率后，对数特性的幅值和相角都为负值，因此作为校正环节使用时不仅可以增大系统的滞后相角，而且能减小在一定频率范围中的对数幅值。,例：设一单位反馈系统的开环传递函数为要求相角裕度，设计校正环节。首先画出时的BODE图，由图可知相角裕度只有25度，即。采用滞后网络进行校正目的是要增大相角裕度。对于原系统这时相角裕度,也就是说设法找到一个滞后网络应把原系统在上的幅值减小到0，并对此频率附近的原系统的相角曲线产生不明显的影响（只有这样才能维持）。,但是事实上，滞后网络在新的幅值穿越频率上要产生一个不大的负相角，故实际的可选的比稍小一些，如可以选择。,可以测得处的对数幅值为，故滞后网络在频率的对数值应该近似等于，这样才能够使校正后的系统在此频率上的对数幅值为。,校正前系统的bode图,确定滞后校正装置的参数,校验,滞后校正分析：利用滞后网络对系统进行校正对其性能有如下影响：1、利用低通滤波器来改变幅值曲线低频段的值，使幅值穿越频率减小，而在穿越频率附近保持相频特性不变；2、低通滤波器对低频信号具有较强的放大能力，从而可以降低系统的稳态误差；3、在穿越频率处系统-20dB/dec过0dB线，谐振峰值变小，稳定性变好；4、穿越频率减小，系统频带宽度减小，系统上升时间加长。,采用相位滞后网络校正系统的步骤为：1、由对稳态误差要求确定开环增益K；2、画出未校正系统BODE图；3、在未校正系统Bode图中确定与要求的相角裕度对应的频率；4、计算上述频率对应的幅值，计算将其衰减到0需要的。5、确定两个转折频率：,适用对象：（1）原系统动态性能已满足要求,而稳态性能较差（2）对系统快速性要求不高，而抗干扰性能要求较高的系统；,缺点：降低了系统的快速性,6-4滞后超前校正与PID校正,超前校正可以满足将系统的上升时间和超调减少，但加大了系统的频带宽，使系统变得敏感，容易受噪声影响；相位滞后校正能减少系统的超调量提高系统的稳定性，但频带变窄，响应速度变慢；兼顾上述两种方法的优点，可以产生滞后超前校正网络。,一、滞后超前网络,网络的传递函数：,其中：,校正后系统的单位阶跃响应曲线对比,校正后系统的单位速度响应曲线对比,二、PID校正：,传递函数为：,小结,超前校正利用网络的相位超前特性对系统进行校正，而滞后校正实际上利用网络幅值的高频衰减特性；滞后校正虽能改善系统的静态精度，但使系统的频带变窄，响应速度变慢；如果要求系统在校正后既有快速性又有稳态精度，应采用滞后超前校正；PID调节器是一种有源校正网络，它获得了广泛的应用，其整定方法要有所了解。,6-5反馈校正,基本思路:用反馈校正装置去包围原系统中影响动态性能提高的某些环节，构成一个内环，使得在反馈校正起作用时，内环特性主要取决于引入的反馈校正装置，而与系统中被包围部分的环节特性几乎无关，通过适当选取反馈校正装置的结构和参数，即可获所需的内环特性，从而使校正后系统动态性能满足指标要求。,6-6复合校正,按参考输入前馈补偿的复合控制,按参考输入前馈补偿的复合控制,前馈控制器的传递函数为,全补偿条件,按扰动前馈补偿的复合控制,扰动补偿控制器的传递函数为,对扰动误差的全补偿条件,引言串联超前校正串联滞后校正滞后超前校正和PID校正反馈校正复合校正,本章小结,