控制工程基础第5章--控制系统的设计和校正.ppt

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5章 控制系统的设计和校正,5.1 概述,虽然系统的,时域瞬态响应分析,是,最直观,、最重要的，但是它存在着计算烦琐,不利于系统的设计与校正。,频域分析法,给系统在博德图上进行设计和校正带来了方便。,对于某些动态方程推导起来比较困难的元件,（如液压和气动元件），应用时域分析法分析困难。而应用,频域法设计就特别方便。,原因：,这些元件的动态特性通常可以通过,频率响应,实验,来确定。频域法可以用开环特性来研究闭环。当应用频域法设计出系统开环特性之后,就可以进一步分析闭环系统了。,因此,本章主要研究用开环频率特性设计控制系统,。,控制系统的设计任务：,是在已知控制对象的特性和系统的性能指标条件下设计系统的控制部分。,控制部分的组成,：,包括,测量元件,、比较元件、放大元件、执行元件等。,控制系统的设计：,根据,被控制量的形式,选择测量元件（例如电位器、热电偶、测速发电机以及各类传感器等）;,按照,输入信号和反馈信号的形式,选择给定元件和比较元件。,根据,控制精度和驱动执行元件的要求,在比较元件和执行元件之间配置一个(或几个)增益可调的放大器。,以上各类元件在选择之前都必须根据已知条件和系统要求进行,综合考虑和计算,。,选择不到合适的元件,则要自行设计和制造。,选择和设计出的上述这些元件与控制对象一起构成了系统的基本组成部分,通常称为系统的,固有部分,(不变部分),固有部分除系统增益可调外,其余结构和参数一般不能任意改变。,由,固有部分,组成的系统往往不能同时,满足,各项性能指标,的要求,有的甚至,还,不稳定,。,为了使控制系统能满足性能指标所提出的各项要求,一般,先调整,系统的,增益值,。,但是,在大多数实际情况中,只调整,增益,并不能,使系统的性能得到充分改变,以满足给定的性能指标。,因为,:,随着,增益值,的增大,系统的稳态性能得到改善,但稳定性却随之变差,甚至有可能造成系统不稳定。,需要对系统进行,再设计,(通过改变系统结构,或在系统中加进附加装置或元件,改变系统的总体性能,使之满足要求。),这种“再设计”,称为系统的校正。为了满足性能指标而往系统中加进的适当装置,称为“校正装置Gc(S)”。,根据“校正装置Gc(s)”加入的不同，分为：,串联校正,、,并联校正,和,复合校正,。,图5.1所示为反馈控制系统中常用的校正方式。图5.1a所示的方式,是将校正装置G,c,(s)串联在系统固定部分的前向通道中,这种校正称为,串联校正,;,5.2 PID控制规律,PID(Proportional Integral Derivative)控制是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种,控制策略,经过长期的工程实践,已形成了一套完整的,控制方法和典型的结构。,PID控制参数整定方便,结构改变灵活,在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。比如：日本OMRON的PID温控模块等,PID控制数字化,在计算机控制系统中实施,数字PID控制,已成为一个新的发展趋势。,在图5.2a所示的反馈控制系统中,偏差信号,(t)是系统进行控制的最基本、最原始的信号。,为了提高系统的控制性能,可对信号(t)加以改造,使其按某种函数关系进行变换,形成新的控制规律,具体如下：,加入PID控制后的系统如图5.2b所示。,所谓PID控制,就是对偏差信号(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律,即,续,式中：,续,PID控制可以方便灵活地改变控制策略，实施 P、PI、PD或PID控制。,下面用,频域法,分别说明它们的控制作用,。,比例控制器的方框图如图5.3所示。控制器的输出u(t)与偏差信号(t)之间的关系为,5.2.1P控制（比例控制）,控制器的传递函数为,由式(5.3)和式(5.4)可知,比例控制器实质上是一种,增益可调的放大器,。P控制的作用如图5.4所示。,Kp1时:,开环增益加大，稳定性变差，稳态性能变好。,幅值穿越频率c增大,过渡过程时间ts缩短。,比例加,积分控制器的控制作用由下式定义,5.2.2PI控制（比例加积分控制）,控制器的传递函数为,比例加积分控制器,的方框图如图5.5a所示。这种控制器的K,p,和T,i,均为可调。调节积分时间常数T,i,可调整积分控制作用;改变比例系数K,p,既影响控制作用的比例部分,又影响控制作用的积分部分。,若偏差信号(t)为单位阶跃函数,如图5.5b所示,则控制器的输出u(t)将如图5.5c所示。由该图可以看出,积分控制作用具有,记忆功能,。,若取K,p,=1,PI控制器的频率特性:,续,PI控制器的控制,作用一（Kp1）:,(如图5.6a所示),结论：,0型提高到I型，改善了系统的稳态性能；,系统的相位裕量有所减小,稳定程度变差。,PI,控制器的控制,作用二,（Kp0,所以PD校正又叫“,超前校正,”；,从,教材P183的图5.16,可知，当,0范围内，PI校正,的,c()均 1,则系统开环传递函数可近似地表示为,可见并联校正系统的特性与,G,2,(s),无关。,并联校正的作用是:,用并联校正装置包围未校正系统中对动态特性有不利影响的环节,形成一个局部反馈回路,。,2.减小被包围环节的时间常数,在随动系统中,电动机的机械惯性(时间常数)太大,是影响系统品质的重要因素。,如图5.30所示,图中K,c,为测速发电机的增益。,未加入,K,c时：,加入,K,c时：,可见,并联校正使回路的放大倍数和时间常数都下降了(K,2,K,3,k,c,+1)倍,时间常数的减少将使系统,快速性得到改善,。,5.5.2复合校正,1.顺馈补偿,根据图5.33所示系统,分析,顺馈补偿,的作用。,未加入,Gc(S),时:,加入,Gc(S),时:,整理得:,结论：,复合校正后,的系统,特征多项式,与,未校正,的闭环系统的,特征多项式,是完全一致的。因此,系统虽增加了补偿通道,但其,稳定性不受影响。,现在来分析,稳态精度,和,快速性,方面的影响。,加入顺馈补偿通道后,系统的偏差传递函数推导如下:,整理得:,系统偏差为：,若选择：,则,因此,系统的输出xo(t)就能,完全复现,输入信号xi(t)。,故，采用复合校正既能,消除稳态误差,又能保证系,统动态性能。,2.前馈补偿,如图5.35所示。此时系统输出为,仅考虑,扰动信号N(s)时,可令X,i,(s)=0,则有,便实现了对扰动信号的完全抵消。,故当,以上介绍的控制器(校正装置)的各种设计方法实际上是一,种,试凑法,；,设计质量的高低在很大程度上取决于,设计者的经验,；,随着,控制理论,和,计算机技术,的迅速,发展,控制系统计算机辅助设计(,CADCS,)技术也随之迅猛,发展,特别是应用,MATLAB,工具设计控制系统,为控制理论和工程应用架起了一座便捷的桥梁,大大,提高了设计效率和质量,。,大总结：,第五章 作业,5-1、5-2、5-3。,第五章 结束,