自动控制第六章控制系统的综合校正教程方案.ppt

第六章 线性系统的校正 6-3 常用校正装置及其特性 6-5 串联校正的设计 四、按期望频率特性进行设计 6-6 反馈校正的设计 串联滞后校正对系统性能的影响： 1. 不改变系统的开环增益，即不影响系统的稳态性能。 2. 减少了开环频率特性在幅值穿越频率处的幅值，从而增大了相角稳定裕量，提高了系统的稳定性。 3. 降低了幅值穿越频率，使系统频带变窄，降低了系统的快速性。 对比 三、串联滞后—超前校正 1.根据稳态精度的要求，确定系统的开环增益，画出未校正系统的Bode图。 设计步骤： 无源滞后校正网络： R1 C R2 _ + R2 C R1 有源滞后校正网络： 四、滞后—超前校正装置 传递函数： 相角先滞后再超前 -20 相角过零时的频率为 其中 且 滞后—超前校正装置相当于一个滞后校正装置与一个超前校正装置串联。 当 时，校正装置具有滞后的相角特性，当 时，校正装置具有超前的相角特性。 +20 无源滞后-超前校正网络： 有源滞后-超前校正网络： 一、设计方法 控制系统设计的内涵：根据系统性能指标要求确定控制器的结构形式和参数，并实现之。 1、根轨迹设计方法 系统性能指标 闭环主导极点位置 系统参数根轨迹 加入校正装置 主要问题： 1、设计何种控制规律 2、过程复杂 6-4 校正装置设计的方法和依据 2、频率特性设计方法 系统性能指标 期望的频率特性 系统固有部分频率特性 加入校正装置 系统固有部分传递函数 优点： 1、开环频率特性图容易绘制?简便 2、系统结构参数与系统性能关系清晰?直观 二、设计依据和一般步骤 （1）绘制固有部分的开环伯德图 （2）列出控制系统需要满足的性能指标 （3）校正后的开环伯德图（期望开环频率特性） （4）求出校正装置的伯德图 （5）求出校正装置的传递函数 （6）确定校正装置的结构和参数 三、频域性能指标的确定 1、控制系统的暂态性能指标 (1)以系统的单位阶跃响应为基础而提出的性能指标 最大超调量Mp、调节时间ts (2)以系统闭环频率特性为基础而提出的性能指标 谐振峰值Mr、谐振频率ωr、带宽ωb (3)以系统开环频率特性为基础而提出的性能指标 系统开环伯德图的剪切频率ωc 系统的增益裕度GM、相角裕度? 三组性能指标不是各自独立,可以混合使用,但不能互相矛盾! 2、控制系统的带宽频率的确定 （1）信号复现能力和噪声干扰 确定方法： 有用信号带宽 干扰信号带宽 需注意问题：ωs和ωn靠得比较近时难以确定 （2）机械谐振频率的限制 考虑的主要问题：尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。 考虑的主要问题：避免激起机械振荡，甚至共振。 确定方法： 需注意问题：ωb和ωm靠得比较近会降低相对稳定性 开环伯德图的剪切频率ωc和ωm距离尽可能远些 （3）系统的数学模型 将系统固有部分的数学模型在一定条件下予以简化，用较为简单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。 要求：选定的ωc应在近似的数学模型的适用带宽内。 几种常见的近似和适用条件 四、频率特性设计方法 频率特性图可以清楚表明系统改变性能指标的方向。 频域设计通常通过Bode图进行处理起来十分简单。 （当采用串联校正时，使得校正后系统的Bode图即为原有系统Bode图和校正装置的Bode图直接相加） 对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气动元件，通常可以通过频率响应实验来获得其Bode图。 在涉及到高频噪声时，频域法设计比其他方法更为方便。 低频段 ?稳态性能 中频段 ?动态性能 高频段 ?抗干扰 三频段 一个设计合理的系统的三频段 中频段的斜率以－20dB/dec为宜； 低频段和高频段可以有更小的斜率 低频段斜率小，提高稳态性能； 高频段斜率小，排除干扰。 但中频段必须有足够的频带宽度，以保证系统的相位裕量。 　ωc的大小取决于系统的快速性要求。 ωc大快速性好，但抗扰能力下降。 六、校正装置的实现问题 １、什么是实现问题 传递函数 实际电路或物理系统 ２、实现问题需要考虑的因素 技术因素（实现的简便性、可靠性、稳定性、可维护性、体积大小、功耗等） 经济因素（实现成本、运行成本、维护成本） ３、实现问题存在的困难 微分校正装置难以实现，且抗干扰能力差 七、非线性因素和干扰问题 基本思路：通过校正装置的引入改变开环频率特性的形状，使校正后系统的开环频率特性具有如下特点：低频段的增益满足稳态精度的要求；中频段对数幅频渐近线的斜率为-20dB/dec，并具有较宽的频带，使系统具有满意的动态性能；高频部分的幅值要求能迅速衰减，以抑制高频干扰的影响