控制工程基础 第五章 控制系统校正.ppt

第五章 控制系统的校正  p186 第一节 概述 一、定义： 在原有系统中，有目的的增添一些装置和元件，人为地改变系统的结构和性能，使之满足所需要的性能指标，这种方法称为“系统校正”（system compensation)。增添的装置和元件称为校正装置和校正元件。 二、校正方式 根据校正装置在控制系统中的位置，最基本的校正方式有两种，即串联校正和反馈校正（也称并联校正）。若将两种校正结合称为复合校正。 1、串联校正方式 将校正装置串联在反馈控制系统的前向通道中。 校正装置的作用：实现各种控制规律，以改善控制系统的性能，因此常称为控制器。 根据所起的作用不同，串联校正装置可分为： 相位超前校正装置 相位滞后校正装置 相位滞后-超前校正装置 2、反馈校正方式 将校正装置接于局部反馈通道中构成。 优点：可大大提高系统的相对稳定性，有效削弱非线性因素的不良影响，降低系统对参数变化的敏感度，显著改善系统抑制扰动的能力。 三、校正装置 分类 根据动力源和信号性质不同，校正装置分为电气的、气动的、液压的以及机械的等，其中应用最广泛的是电气校正网络。 根据电气校正装置是否使用电源，其又可分为以下两种：无源校正装置、有源校正装置。 1、无源校正装置 构成：由电阻和电容组成的两端口网络。 特点： 无需外供电源，线路简单，组合方便，成本 低。但本身没有增益，且输入阻抗低，输出阻抗高。 输入、输出阻抗与系统性能： 2、有源校正装置 构成：由运算放大器和无源网络组成。 特点： 输入阻抗高，输出阻抗低；可以提供所需要的增益；设计、参数调整方便，使用灵活等。 第二节 PID控制 第三节 串联校正 一、比例校正 二、比例-微分(PD)校正（相位超前校正） 三、比例-积分(PI)校正（相位滞后校正） 第三节 反馈校正 一、特点 改变反馈所包围环节的动态结构和参数，消除所包围环节的参数波动对系统性能的影响。 二、反馈校正的形式 * * 结构不稳定系统及其改进实例： 仅仅调节参数无法稳定的系统称为结构不稳定系统。 - 杠杆和放大器的传递函数 执行电机的传递函数 进水阀门的传递函数 控制对象水箱的传递函数 例：如图所示的液位控制系统 闭环传递函数为： 令： 闭环特征方程为： 展开为： 方程系数： 由于 ，不满足系统稳定的必要条件，所以系统是不稳定的。这也可从劳斯表看出。 劳斯表： 由于无论怎样调节参数K和T都不能使系统稳定，所以是一个结构不稳定的系统。 欲使系统稳定，必须改变原系统的结构。 引入开环零点（比例微分） 稳定的充分必要条件为： ① 即 ② 即 + - X i ( ) s G c ( ) s H(s) X o ( ) s G ( ) s 2 校正环节 + - X i ( ) s X o ( ) s + G 1 ( ) s G ( ) s 2 G ( ) s c G ( ) s 3 - G ( ) s 2 * 校正环节 PID控制（Proportional-Integral-Differential Control）：即比例、积分和微分控制的简称。 在当今应用的工业控制器中，半数以上采用了PID或变形PID控制方案。PID控制器分为模拟和数字控制器两种。模拟PID控制器通常是电子、气动或液压型的，数字PID控制器是由计算机实现的。 大多数PID控制器的参数是现场调节的。PID控制的价值在于它对于大多数控制系统的广泛适应性，虽然在许多给定的情况下还不能提供最佳控制。 下图表示了一种控制对象的PID控制。它是串联在系统的前向通道中的，这是一种最常见的形式。 PID控制器的时域表达式为： 式中，u(t)是PID控制器的输出信号，e(t)是PID控制器的输入信号，也就是系统的误差信号。kp称为比例系数，Ti、Td分别称为积分和微分时间常数。 - PID控制器 控制对象 上页所示的PID表达式(6.1)即是通常所说的常规PID控制器。常规PID控制器可以采用多种形式进行工作。主要有以下几种，分别称为： 比例控制器： 比例-积分控制器： 比例-微分控制器： 比例-积分-微分控制器： 在某些特殊的情况下，PID控制器可以进行适当的变形，以适应系统控制的要求。这些控制器称为变形的PID控制器。比如，积分分离PID控制器，变速PID控制器