昆明理工大学信息工程与自动化学院自动控制原理课件第6章 控制系统的设计.ppt

第6章 控制系统的设计 6.1 引言 6.2 系统校正的根轨迹法 6.3 系统校正的频率响应法 6.4 反馈校正 6.1 引言 控制系统的分析是研究给定系统的动态和稳态特性。 控制系统的设计是根据生产工艺的要求设计一个系 统，使其各项性能指标满足预期的要求。 控制系统的设计可分为两种方式 （1）预先给出设计指标，需要确定控制形式与满足预 定指标的控制器，称为系统综合； （2）给出已有基本结构的控制系统的期望性能指标， 需要确定增加某种控制器，修正或校正控制系统 的特性，称为系统校正。 6.1 引言 设计要求 控制系统的设计一般包括以下三步： (1) 确定系统应该做什么以及应该怎么做 (设计要求)。 (2) 根据控制器或校正装置在控制系统中的连 接方式，确定其结构配置。 (3) 确定性能指标控制器的参数使得系统达到设计目标。 6.1 引言 性能指标 时域性能指标 (1)稳态指标 无静差度(系统型别)，跟踪典型输入时 的稳态误差 以及误差系数 。 (2)动态指标 主要指过渡过程时间和超调量。 频域性能指标 (1)开环频域指标 截止频率，相位裕量和增益裕量。 (2)闭环频域指标 闭环谐振峰值，谐振角频率及频带宽。 6.1 引言 校正方式 串联校正 反馈校正 图6.1 串联校正和反馈校正 第6章 控制系统的设计 6.1 引言 6.2 系统校正的根轨迹法 6.3 系统校正的频率响应法 6.4 反馈校正 6.2 系统校正的根轨迹法 根轨迹法是一种直观的图解方法 根轨迹法显示系统某一参数(通常为开环放大系数)从零变化到无穷时，如何根据开环零极点的位置确定全部闭环极点的位置。 在调整开环放大系数仍不能获得所希望的性能时，可采用根轨迹校正 根轨迹法校正的作用是为了改变系统的根轨迹 （1） 超前校正 在开环系统中增加零点，可以使根轨迹向左方移动，从而增加系统的相对稳定性，减小系统响应的调节时间。增加零点相当于对系统增加微分控制，在系统中引入超前量，加快瞬态响应。 （2） 滞后校正 在开环系统中增加极点，可以使根轨迹向右方移动，从而降低系统的相对稳定性，增加系统响应的调节时间。 6.2 系统校正的根轨迹法 根轨迹校正的一般步骤： (1) 根据给定的动态性能指标确定主导极点位置。 (2) 绘制未校正系统的根轨迹，若期望主导极点不在此根轨迹上，说明仅靠调整系统开环放大系数不能满足性能指标。需要增加适当的校正装置改造系统的根轨迹，使其通过期望的主导极点。 (3) 当校正后的根轨迹已通过期望的主导极点时，还需要检验相应的开环放大系数是否满足稳态性能要求。若不满足，可采用在原点附近增加开环偶极子的办法来调节开环放大系数，同时保持根轨迹通过期望的主导极点。 6.2 系统校正的根轨迹法 超前校正 例6.1 设系统如图示 要求设计一个串联校正环节 ，使校正后系统的超调 量 ，调节时间 秒，开环放大系数 秒-1。 解 设计过程分以下几个步骤： (1) 根据期望动态性能指标确定闭环主导极点的位置 考虑超调量并留有余地，选阻尼比 。则主导极点 如图6.3所示。考虑调节时间，可选择 。主导极点为 超前校正 (2) 画出未校正系统的根轨迹图 如图6.3中实线所示。由图可见，根轨迹不通过期望主导 极点，因此不能通过调节开环放大系数来满足动态性能指标。 图6.3 例6.1用图 超前校正 (3)引入串联超前校正 为使系统根轨迹向左偏移，应在开环系统中加入零点。 超前校正环节 校正环节的参数确定如图6.3所示 (4) 检验稳态指标 由幅值条件得开环放大系数 满足稳态性能指标。 超前校正 校正后系统的根轨迹图 图6.4 校正后系统的根轨迹图 6.2 系统校正的根轨迹法 滞后校正 例6.2 设系统如图示 要求闭环系统的主导极点参数为 ，速度误差 系数 秒-1。 解 设计过程分以下几个步骤： (1) 确定期望闭环主导极点 作系统根轨迹如图6.7(a)， 确定闭环主导极点，满足：