自动控制_06a系统的设计与校正问题剖析.ppt

第六章 线性系统的校正方法 6－1 系统的设计与校正问题 三、校正方式 （1）比例（P）控制规律 （2）比例微分（PD）控制规律 （3）积分（I）和比例－积分（PI）控制规律 （4）比例积分微分(PID)控制规律 * * 根据被控对象以及给定的技术指标要求设计自动控制系统，需要进行大量的分析计算，设计中所要考虑的问题是方方面面的。为改善系统的动态性能和稳态性能，常在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置,使系统整个特性发生变化,从而满足给定的各项性能指标，这就是系统校正。按校正装置在系统中的位置不同，系统校正分为串联校正，反馈校正，前馈校正和复合校正。根据校正装置的特性又可分为超前校正，滞后校正，滞后-超前校正。校正的实质均表现为修改描述系统运动规律的数学模型。 系统的性能指标，按其类型可以分为： (1) 时域性能指标，包括稳态性能指标和动态性能指标 (2) 频域性能指标，包括开环频域指标和闭环频域指标 一、性能指标 1. 时域性能指标 评价控制系统优劣的性能指标，一般是根据系统在典型输入下输出响应的某些特征点规定的。常用的时域指标有： (1) 稳态指标 静态位置误差系数Kp 静态速度误差系数Kv 静态加速度误差系数Ka 稳态误差ess (2) 动态指标 上升时间tr 峰值时间tp 调节时间ts 超调量σ％ 2. 频域性能指标 (1) 开环频域指标 截止频率ωc (rad/s) ； 相角裕度γ(°) ； 幅值裕度h。 (2) 闭环频域指标 一般应对闭环频率特性提出要求，例如给出闭环频率特性曲线，并给出闭环频域指标如下： 谐振频率ωr ； 谐振峰值 Mr 。 闭环截止频率ωb与闭环带宽0~ωb ： 一般规定A(ω)由A(0)下降到－3dB时的频率，亦即A(ω)由A(0)下降到0.707 A(0)时的频率叫作系统的闭环截止频率。频率由0~ ωb的范围称为系统的闭环带宽。 3. 各类性能指标之间的关系 各类性能指标是从不同的角度表示系统的性能，它们之间存在必然的内在联系。对于二阶系统，时域指标和频域指标之间能用准确的数学式表示出来。它们可统一采用阻尼比ζ和无阻尼自然振荡频率ωn来描述，如下所示。 二、系统带宽的确定 控制系统中，输入信号一般是低频信号，而噪声一般是高频信号，因此需合理选择系统带宽。 通常，一个设计良好的控制系统，其相角裕度具有45度左右的数值，过低于此系统的动态性能差且对参数变化的适应能力弱；过高于此会造成系统动态过程缓慢。要实现45度的相角裕度，开环对数幅频特性在中频区的斜率应为－20dB，同时要求中频区占据一定的频率范围，以保证参数变化时相角裕度变化不大。过此中频区后，要求系统幅频特性迅速衰减，以削弱噪声的影响，这是选择带宽要考虑的一个方面。 另一方面，进入系统输入端的信号既有输入信号r(t)，又有噪声信号n(t)，如果输入信号的带宽为0~ωM，噪声信号集中起作用的频带为ω1～ ωn，则控制系统的带宽频率通常取为： 且使ω1～ ωn处于(0~ ωb)的范围之外。 按照校正装置在系统中的连接方式，控制系统校正方式可以分为串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正。串联校正与并联校正是最常见的两种校正方式。 1. 串联校正 校正装置一般接在系统误差测量点之后和放大器之前，串接于系统的前向通道之中，如附图6-1所示。 附图6-1 串联校正 附图6－2 反馈校正 3. 前馈校正 前馈校正又称为顺馈校正，是在系统主反馈回路之外采用的校正方式，如附图6-3所示。 2. 反馈校正 校正装置接在系统局部反馈通路之中，如附图6-2所示。 图6-3 前馈校正 根据校正装置的特性，校正装置可分为超前校正装置、滞后校正装置和滞后-超前校正装置。 (1) 超前校正装置 校正装置输出信号在相位上超前于输入信号，即校正装置具有正的相角特性，这种校正装置称为超前校正装置，对系统的校正称为超前校正。 (2) 滞后校正装置 校正装置输出信号在相位上落后于输入信号，即校正装置具有负的相角特性，这种校正装置称为滞后校正装置，对系统的校正称为滞后校正。 (3) 滞后-超前校正装置 若校正装置在某一频率范围内具有负的相角特性，而在另一频率范围内却具有正的相角特性，这种校正装置称滞后-超前校正装置，对系统的校正称为滞后-超前校正。 四、基本控制规律 确定校正装置的具体形式时，应先了解校正装置所需提供的控制规律，以便选择相应的元件。包含校正装置在内的控制器，常常采用比例、微分、积分等基本控制