[工学]自动控制原理6-1.ppt

自动控制原理 朱亚萍 zhuyp@hdu.edu.cn 杭州电子科技大学自动化学院 第六章 线性系统的校正方法 引言 6.1 线性系统校正的概念 6.2 线性系统的基本校正规律 6.3 串联校正 6.4 反馈校正 6.5 复合校正 系统建模：微分/差分方程、传递函数、方框图、信号流图、频率特性、状态空间表达式等。 系统分析：时域分析、频域分析、根轨迹分析、状态空间分析等。 系统综合：校正、状态空间综合法、鲁棒优化法等。 设计问题：根据给定被控对象和自动控制的技术要求，单独进行控制器设计，使控制器与被控对象组成的系统能较好地完成自动控制任务。 校正问题：一种原理性的局部设计。在系统的基本部分（通常指对象、执行机构、测量元件等主要部件）已确定的条件下，设计校正装置的传递函数和调整系统放大倍数，使系统动态性能满足一定的要求。 两者区别：设计问题要求设计整个控制器，而校正问题设计的只是控制器的一部分（校正装置）。 系统的基本部分（原有部分）：被控对象、控制器的基本部分——给定 系统的性能要求——给定 校正装置——需设计（未知） 6.1 线性系统校正的概念 1. 常用时域性能指标 上述这些性能指标之间有一定的换算关系，但有时很复杂。 动态性能各指标之间对系统的参数与结构的要求往往存在矛盾。 稳态误差与稳定性对系统开环增益、积分环节数目的要求； 系统快速性与抑制噪声能力对带宽的要求。 性能指标通常由控制系统的使用单位或被控对象的制造单位提出。 一个具体系统对指标的要求应有所侧重 调速系统对平稳性和稳态精度要求严格； 随动系统对快速性期望很高。 性能指标的提出要有依据，不能脱离实际 负载能力的约束； 能源功率的约束等。 在系统基本部分已经确定的条件下，为保证系统满足动态性能指标，往往还需要在系统中附加一些具有一定动力学性质的附加装置，称为校正元件（装置）。 按照校正装置在系统中的连接方式，控制系统校正方式可分为串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正四种。 6.2 线性系统的基本控制规律 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，常采用比例（P）、微分（D）、积分（I）等基本控制规律，或其组合，如比例－微分（PD）、比例－积分（PI）、比例－积分－微分（PID）等。 具有比例控制规律的控制器，称为比例(P)控制器。则图6－6中 改变了系统的极点 比例控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在信号变换过程中，比例控制器只改变信号的增益而不影响其相位。 在串联校正中，加大控制器增益Kp，可以提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。 在系统校正设计中，很少单独使用比例控制规律。 其中Kp为比例系数，Td为微分时间常数。Kp和Td都是可调的参数。 例6-1 设比例—微分控制系统如图6－7所示，试分析PD控制器对系统性能的影响。 因此闭环系统是稳定的。 讨论： 因为微分控制作用只对动态过程起作用，而对稳态过程没有影响，且对系统噪声非常敏感，所以单一的微分控制器在任何情况下都不宜与被控对象串联起来单独使用。 通常，微分控制规律总是与比例控制规律或比例－积分控制规律结合起来，构成组合的PD或PID控制器，应用于实际的控制系统。 其中Ki为可调比例系数。由于积分控制器的积分作用，当输入信号消失后，输出信号有可能是一个不为零的常量。 讨论： 在串联校正时，采用积分控制器可以提高系统的型别（无差度），有利于系统稳态性能的提高； 积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90°的相角滞后，对系统的稳定性不利。 在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单一的积分控制器。 其中Kp为可调比例系数，Ti为可调积分时间常数。 例6-2 设比例－积分控制系统如图6-8所示，试分析PI控制器对系统稳态性能的改善作用 。 由劳斯判据Ti·KKpTi＞TTi· KKp可知，Ti T ，即调整PI控制器的积分时间常数Ti ，使之大于原有部分的时间常数T，可以保证闭环系统的稳定性。 具有比例－积分－微分控制规律的控制器，称为比例－积分－微分( PID )控制器。则图6－6中 讨论： 利用PID控制器进行串联校正时，除可使系统的型别提高一级外，还将提供两个负实零点。 与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统的稳态性能的优点外，还多提供一个负实零点，从而在提高系统的动态性能方面，具有更大的优越性。 因此，在工业过程控制系统中，广泛使用PID控制器。PID控制器各部分参数的选择，将在现场调试时最后确定。 通常，应使积分部分发生在系统频率特性的低频段，以