自控原理课件.pptx

自控原理课件稳态误差就是描述系统稳态性能得性稳态误差就是描述系统稳态性能得性能指标能指标,由终值定理知稳态误差由频率特性由终值定理知稳态误差由频率特性得低频段决定。得低频段决定。稳态性能分析典型输入作用下得稳态误差和误差系数表典型输入作用下得稳态误差和误差系数表结论结论:在相同输入信号情况下在相同输入信号情况下,增大系统型别增大系统型别,可以改善系可以改善系统得稳态性能。统得稳态性能。增大开环放大系数增大开环放大系数K,可以减少系统得稳态可以减少系统得稳态误差。误差。n低频段低频段:L(w w)在第一个转折频率之前得频段在第一个转折频率之前得频段 低低频频段段得得特特性性完完全全由由积积分分环环节节得得个个数数和和开开环环放放大大倍倍数数K决决定定。所所以以低低频频段段给给出出了了系系统统得得型型和和静静态态误误差差系数系数,决定了系统得稳态性能。决定了系统得稳态性能。结结论论:开开环环对对数数幅幅频频特特性性得得低低频频渐渐近近线线斜斜率率越越大大(指指绝绝对对值值)、位位置置越越高高,对对应应得得开开环环系系统统积积分分个个数数越越多多、放放大大倍倍数数越越大大,其其系系统统得得稳稳态态误误差差越越小小、稳稳态态精精度度越越高高。准L(w w)高频段高频段 系统抗高频噪声能力系统抗高频噪声能力5、6、3 高频段特性与系统抗高频干扰能力得高频段特性与系统抗高频干扰能力得关系关系n中频段中频段:L(w w)在开环截止频率在开环截止频率w wc附近得频段附近得频段 若L(w)得中频段斜率为-20dB/dec,并且占据得频率区间较宽,可认为中频段对应得开环传函为:则闭环传函:相当于一个一阶系统,阶跃响应曲线无超调,ts=3/wc。阶跃响应按照指数规律变化,系统得稳定性较高,wc越大,系统得快速性越好。5、6、2 中频段特性与系统动态性能得关系中频段特性与系统动态性能得关系 若L(w)得中频段斜率为-40dB/dec,并且占据得频率区间较宽,可认为中频段对应得开环传函为:则闭环传函:相当于一个z=0二阶系统,对应得阶跃响应为等幅振荡得。实际系统即使稳定,一般超调量和调节时间都比较大,稳定性和快速性都比较差。若若L(w w)得得中中频频段段斜斜率率为为-60dB/dec,中中频频段段对对应应得得传传函函得得分分母母比比分分子子高高三三阶阶,相相角角裕裕量量必必定定小小于于0,系系统统不不稳定。稳定。在中频段,为了使系统具有较高得动态指标,中频段得斜率最好为-20dB/dec,且具有足够得频宽,这样,系统容易得到大于450相角裕量。同时,截止频率wc要满足系统快速性得要求。n高频段高频段:L(w w)在中频段以后得频段在中频段以后得频段:高频段远离开环截止频率,对系统得动态性能影响不大,高频段得形状主要影响系统得抗干扰性能。高频段开环幅频特性近似等于闭环幅频特性。A(w)在高频段得幅值,直接反映了系统对高频干扰信号得抑制能力。高频部分得幅值越低,系统得抗干扰能力就越强。高频段得斜率一般设置为-60或-80dB/dec。5、6、3 高频段特性与系统抗高频干扰能力得高频段特性与系统抗高频干扰能力得关系关系n稳态性能、动态性能、抗干扰性能分析稳态性能、动态性能、抗干扰性能分析:三频三频段法段法低频段决定了系统得稳态性能低频段决定了系统得稳态性能中频段决定了系统得动态性能中频段决定了系统得动态性能高频段决定了系统得抗干扰性能高频段决定了系统得抗干扰性能大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静关于三频段理论得说明关于三频段理论得说明:各频段分界线没有明确得划分标准各频段分界线没有明确得划分标准;与与无无线线电电学学科科中中得得“低低”、“中中”、“高高”频概频概 念不同念不同;不能用就是否以不能用就是否以-20dB/dec过过0dB线作为判定线作为判定 闭环系统就是否稳定得标准闭环系统就是否稳定得标准;只适用于单位反馈得最小相角系统。只适用于单位反馈得最小相角系统。n性能分析一个系统一个系统,结构参数已定结构参数已定,分析她可以实现分析她可以实现得性能得性能,这就是控制理论研究得系统分析问题这就是控制理论研究得系统分析问题;n综合与与校正若预先给定受控对象所要实现得性能若预先给定受控对象所要实现得性能,然后设法构成能够实现给定性能得控制系统然后设法构成能够实现给定性能得控制系统,这就是这就是控制理论研究得控制理论研究得综合与与校正问题问题(逆问题逆问题)。n根据被控对象及其技术指标要求设计自动控制系根据被控对象及其技术指标要求设计自动控制系统。要保证所设计得系统有良好得性能统。要保证所设计得系统有良好得性能,满足给满足给定技术指标得要求。定技术指标得要求。n经典控制理论中系统校正得研究方法主要有频率经典控制理论中系统校正得研究方法主要有频率法和根轨迹法法和根轨迹法,本章只讨论设计频率法。本章只讨论设计频率法。n主要考虑得就是主要考虑得就是:如何使系统具有满意得动态性如何使系统具有满意得动态性能能稳、准、快。稳、准、快。5、7 线性控制系统得校正n性能指标典型典型时域性能指标时域性能指标 超调量超调量:Mp 调整时间调整时间:ts 稳态误差稳态误差:ess典型典型频域性能指标频域性能指标开环开环:剪切频率剪切频率:c 相角裕量相角裕量:幅值裕量幅值裕量:Kg闭环闭环:谐振峰值谐振峰值Mr 谐振频率谐振频率r 带宽频率带宽频率bj01cgGk(j)|Gk(jg)|Gk(jc)-110t0.05或0.02超调量Mp调整时间串联校正串联校正nG(s)为系统不可变部分传递函数为系统不可变部分传递函数 nGc(s)为校正装置得传递函数为校正装置得传递函数 按照校正装置在系统中得安置位置按照校正装置在系统中得安置位置,以及她和系统不可以及她和系统不可变部分得连接方式不同变部分得连接方式不同,通常将系统校正分为三种基本形式通常将系统校正分为三种基本形式:串联校正、反馈校正串联校正、反馈校正(也称并联校正也称并联校正)和前馈校正。和前馈校正。compensator process反馈校正反馈校正nG(s)为系统不可变部分传递函数为系统不可变部分传递函数 nGc(s)为校正装置得传递函数为校正装置得传递函数-前馈校正前馈校正前馈校正前馈校正nG1(s)、G2(s)以及H(s)为系统不可变部分传递函数 nGc(s)为校正装置得传递函数频域法校正频域法校正n在控制系统得频域校正法设计中在控制系统得频域校正法设计中,常用得方法有综合常用得方法有综合法和分析法两种。法和分析法两种。n综合法又称期望特性法综合法又称期望特性法:根据性能指标要求确定出期根据性能指标要求确定出期望开环频率特性得形状望开环频率特性得形状,然后将期望特性与系统原有然后将期望特性与系统原有部分特性进行比较部分特性进行比较,从而确定校正方式和校正装置参从而确定校正方式和校正装置参数。数。校正装置得传递函数可能相当复杂校正装置得传递函数可能相当复杂,不便于物理实现。不便于物理实现。n分析法又叫试探法。首先根据经验确定校正方式分析法又叫试探法。首先根据经验确定校正方式,选选择一种校正装置择一种校正装置,然后根据性能指标要求和系统原有然后根据性能指标要求和系统原有部分得特性选择校正装置得参数部分得特性选择校正装置得参数,最后验算性能指标最后验算性能指标就是否满足要求。如果不能满足就是否满足要求。如果不能满足,则应改变校正装置则应改变校正装置参数或校正方式参数或校正方式,直到校正后得系统全部满足给定得直到校正后得系统全部满足给定得性能指标为止。性能指标为止。n分析法比较直观分析法比较直观,物理上易于实现。要求设计者具有物理上易于实现。要求设计者具有一定得实践经验一定得实践经验,工程实践中被广泛采用。工程实践中被广泛采用。5、7、1 校正装置及其特性n本节介绍校正装置得电路形式、传递函数、对数频率特性以及零极点分布图。n由于工程实践中普遍采用PID调节技术,因此本节还对PID调节器得原理进行简要介绍。一、一、无源校正装置无源校正装置n1、无源超前网络19几何中点几何中点282、无源滞后网络无源滞后网络 Passive phase-lag network=()3 3、无源滞后无源滞后-超前网络超前网络 滞后超前在低频范围内,输出相位滞后于输入相位;在高频范围内,输出相位超前于输入相位二、二、PID调节器调节器1)PD调节器调节器 PD调节器又称比例调节器又称比例-微分调节器微分调节器,其传递函数为其传递函数为 Gc(s)=Kp+Kd s 或或 2)PI调节器调节器 PI调节器又称比例调节器又称比例-积分调节器积分调节器,其传递函数为其传递函数为PID调节器又称比例调节器又称比例-积分积分-微分调节器微分调节器,其传递函数为其传递函数为 PI调节器、调节器、PD调节器以及调节器以及PID调节器从实质上看和滞后网调节器从实质上看和滞后网络校正、超前网络校正以及滞后络校正、超前网络校正以及滞后-超前网络校正就是相同得。超前网络校正就是相同得。如果把上式所描述得如果把上式所描述得PID调节器得输入调节器得输入E(s)和输出和输出U(s)之间得关之间得关系用时域关系表示系用时域关系表示,则为则为 PID调节器又称比例调节器又称比例-积分积分-微分调节器微分调节器,其传递函数为其传递函数为 PID调节器又称比例调节器又称比例-积分积分-微分调节器微分调节器,其传递函数为其传递函数为 5、7、2串联校正串联校正1 串联超前校正串联超前校正Cascade phase lead pensation 超前网络或超前网络或PD调节器进行串联校正得基本原理就是利用相角超调节器进行串联校正得基本原理就是利用相角超前特性。只要正确地将超前网络得转折频率前特性。只要正确地将超前网络得转折频率1/aT和和1/T选在未校正系选在未校正系统剪切频率得两边统剪切频率得两边,并适当地选择参数并适当地选择参数a和和T,就可以使已校正系统得就可以使已校正系统得剪切频率和相角裕度满足性能指标得要求剪切频率和相角裕度满足性能指标得要求,从而改善闭环系统得动从而改善闭环系统得动态性能。态性能。频率响应法设计无源超前网络步骤频率响应法设计无源超前网络步骤:(1)根据系统稳态误差要求根据系统稳态误差要求,确定开环增益确定开环增益K;(2)利用已确定得开环增益利用已确定得开环增益K,计算未校正系统得相角裕度计算未校正系统得相角裕度c;(3)根据校正后系统希望得剪切频率根据校正后系统希望得剪切频率c”计算超前网络参数计算超前网络参数a和和T;(4)(4)验算已校正系统得相角裕验算已校正系统得相角裕度度 ”;(5)确定超前网络得元件值确定超前网络得元件值,并注意计算结果得标称化。并注意计算结果得标称化。实质实质 利用超前网络相角超前特性提高系统得相角裕度利用超前网络相角超前特性提高系统得相角裕度选择超前网络得选择超前网络得m m=c c”,保证系统得响应速度。保证系统得响应速度。m m=c c”成立得条件就是未校正系统在成立得条件就是未校正系统在c c”处得对数幅频值处得对数幅频值L L0 0(c c”)()(负值负值)与超前网络在与超前网络在m m处得对数幅频值处得对数幅频值L Lc c(m m)()(正值正值)之之和为零和为零:根据上式可确定参数根据上式可确定参数a。有了。有了m 和和a,可由下式求出可由下式求出:(3)根据校正后系统希望得剪切频率根据校正后系统希望得剪切频率c”计算超前网络参数计算超前网络参数a和和T(4)验算已校正系统得相角裕度验算已校正系统得相角裕度由于超前网络得参数就是根据满足系统剪切频率要求选择得由于超前网络得参数就是根据满足系统剪切频率要求选择得,因因此相角裕度就是否满足要求此相角裕度就是否满足要求,必须验算。由已知得必须验算。由已知得a值验算值验算 再根据已校正系统希望得剪切频率再根据已校正系统希望得剪切频率c 计算出未校正系统在计算出未校正系统在c”时得相角裕度时得相角裕度0(c”)。最后按下式算出已校正系统得相角裕度。最后按下式算出已校正系统得相角裕度 Lo()Lc()0dB若题目中给定若题目中给定则先由则先由解出解出a再由再由解出解出T即可即可。Lo()Lc()0dB