控制原理--第五章.ppt

5 控制系统的设计和校正 5.1 基本概念 5.2 PID控制器 5.3 PID控制器的参数工程整定 小结 * 前面章节 系统分析——已知确定系统，分析其性能。 本章内容 系统设计——给出性能指标，建立一个系统 1、控制系统设计的基本任务 根据系统要求，选择适当的被控参数、执行元件、测量元件、给定元件、比较元件以及控制器及控制规律的过程称为控制系统设计。 执行元件受被控对象的功率要求和所需能源形式以及被控对象的工作条件限制，常见执行元件：伺服电动机、液压/气动伺服马达等；调节阀门 测量元件依赖于被控制量的形式，常见测量元件：电位器、热电偶、测速发电机以及各类传感器等； 给定元件及比较元件取决于输入信号和反馈信号的形式，可采用电位计、旋转变压器、机械式差动装置等等； 放大元件由所要求的控制精度和驱动执行元件的要求进行配置，有些情形下甚至需要几个放大器，如电压放大器（或电流放大器）、功率放大器等等，放大元件的增益通常要求可调。 各类控制元件除了要满足系统的性能指标要求外，还要注意到成本、尺寸、质量、环境适应性、易维护性等方面的要求。 测量、给定、比较、放大及执行元件与被控对象一起构成系统的基本组成部分(固有部分)，固有部分除增益可调外，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的要求，甚至不稳定。尽管增益可调，但大多数情况下，只调整增益不能使系统的性能得到充分地改变，必须另外加入装置以满足给定的性能指标。 这个装置就是控制器。 2、控制系统的校正 校正(补偿)：通过改变系统结构，或在系统中增加附加装置或元件(校正装置)，对已有的系统（固有部分）进行再设计使之满足性能要求。校正是控制系统设计的基本技术，控制系统的 设计一般都需通过校正这一步骤才能最终完成。 从这个意义上讲，控制系统的设计关键上是寻找合适的校正装置。 3、校正的实质 改变系统闭环零极点分布 例： 要求系统满足在单位斜坡输入时的稳态误差ess≤0.05， 以及σp≤25％ 。 解：通常系统的固定部分只有K可调，根据ess=1/K ， K≥20 根据主导极点概念， σp≤25％ ?≥43° 先绘制出K=20的bode图 相位裕度小于零，系统不稳定； 要满足动态性能，则K＝1 ; 要同时满足静态和动态性能，必须另外增加校正装置，方法有两个： 保持K＝20，增加相位超前角，增加零点（s+1) 超前校正 另外一种方法是： 保持K=20，增加中、高频衰减，减小剪切频率； 滞后校正 4、校正的方式 串联校正 并联校正（反馈校正） 复合（前馈、顺馈）校正 一般串联校正设计较简单，也较容易对信号进行各种必要的变换，但需注意负载效应的影响。 反馈校正可消除系统原有部分参数对系统性能的影响，所需元件数也往往较少。 性能指标要求较高的系统，往往需同时采用串、并联校正方式。 5、校正装置设计方法及性能指标 通常采用频域法，一般给出的性能指标是时域指标 稳态精度：稳态误差ess 低频 过渡过程响应特性：上升时间tr、超调量?p、调节时间ts 谐振峰值Mr、剪切频率ωc、谐振频率ωr、相位裕度?以及幅值裕度Kg等 校正装置设计方法 分析方法： 已知系统不足之处，然后作相应的改进； 综合法（或称为期望特性法）： 根据性能指标给出期望的系统的开环频率特性图，再与原有开环特性进行比较，从而确定校正方式、校正装置的形式及参数。 1、PID控制规律 PID：Proportional Integral Derivative PID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。 传递函数为 是三个作用的组合又称三作用控制器，也可以两个作用组合，如PI、PD等，或单独比例P作用。 式中Kp称为可调比例增益，Ti称为可调积分时间常数，Td称为可调微分时间常数。 2、P、I、D对控制性能的影响 （1）P控制（比例控制） GH(s)为未校正部分，校正装置为比例放大器Kp，那么 P控制对系统性能的影响： Kp1 开环增益加大，稳态误差减小； 幅值穿越频率增大； 动态加快，相位裕度减小 系统稳定程度变差。 Kp1则反之。 （2）I 控制（积分控制） GH(s)为为校正部分，校正装置为积分环节，那么 I控制对系统性能的影响： 系统型次提高，稳态性能改善； 剪切频率减小；动态变慢； 产生相位滞后；系统稳定程度变差。 积分控制一般不单独使用。 （3）比例微分控制作用(PD) 比例微分的转折频率在ωc之前 ωc增大 但相位裕度增加 相位裕量增加，阻尼比增加，超调量下降，稳定性提高； ωc增大，快速性提高； 高频段增益