沈阳工业大学信息科学与工程学院自动控制原理课件 第六章（1）.ppt

* 第六章 控制系统的设计 6.1 控制系统设计的基本思路 6.2 串联校正装置的结构与特性 6.5 PID校正 6.4串联综合法校正设计? 6.3 基于频率法的串联校正设计? 6.7 复合校正 6.6 反馈校正 6.8 小结 控制系统:被控环节、控制器环节和反馈环节三部分。 控制系统设计的主要任务:对控制器进行设计 控制器（又称为补偿器或调节器）的设计又称为控制系统的校正。 6.1控制系统设计的基本思路 稳态误差 ess, 系统的型别 v 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 超调量 ?p%, 上升时间tr , 调节时间ts（时域） 开环截止频率ωc, 相角裕度 ?, 幅值裕度 kg 谐振频率ωr 、频带频率ωb 、谐振峰值Mr (频域） 常见的系统性能指标有: 一个单输入单输出控制系统一般可化为图6-1的形式。 G0(s) H(s) C(s) R(s) 图6-1单入单出系统 + — E(s) B(s) 设计时面临的问题： 1）控制系统的经济指标和技术指标的平衡问题； 2）控制系统的结构的选择：前馈校正、串联校正、反馈校正和复合校正。 Gc(s) H(s) C(s) R(s) (a)串联校正结构 + — G0(s) G0(s) Gc(s) C(s) R(s) (c)反馈校正结构 H(s) + — R(s) (d)串联反馈校正结构 G0(s) Gc2(s) C(s) H(s) + — Gc1(s) G (s) R(s) E(s) C(s) + + - + Gc(s) (b)复合校正结构 3）校正手段或校正方法的选择：时域指标选择根轨迹法进行设计，使闭环系统的极点重新布置；频域指标用频率法进行设计。 4）控制器或校正装置的选择：根据系统本身的结构特点、信号性质和设计者经验，综合经济指标和技术指标进行选择。 6.2 串联校正装置的结构与特性 校正装置设计方法:分析法和综合法。设计过程一般只限于最小相位系统。 分析法又称试探法。直观，物理上易于实现。 综合法又称期望特性法。传递函数可能复杂，物理上难以准确实现 开环系统的频率特性与闭环系统的时间响应有关。 低频段表征了闭环系统的稳态性能；中频段表征了闭环系统的动态性能；高频段表征了闭环系统的复杂性和噪声抑制性能。 低频段增益充分大, 以保证稳态误差要求:中频段对数幅频特性斜率一般 -20dB/dec, 并占据充分宽的频带, 以保证具备适当的相角裕度；高频段增益尽快减小, 以削弱噪声影响。 频域法设计控制系统的实质——在系统中加入频率特性形状合适的校正装置, 使开环系统频率特性形状变成所期望的形状； 若系统原有部分高频段己符合该种要求, 则校正时可保持高频段形状不变, 以简化校正装置的形式。 1.超前校正:改善动态性能 其中 C u2 R1 R2 u1 超前校正装置 放大系数下降，需采用附加放大器予以补偿。 一般取α ≤ 15 经补偿后传递函数为： ) ( L w w w ) ( w F 10lg? T 1 T a 1 m w a lg 20 m F T a 1 0 超前网络在1/?T和1/T频率范围内对输入信号有微分作用，输出信号相角比输入信号相角超前。 最大超前角频率和最大相角超前量为： 改善动态性能 2,滞后网络：1）系统原有的动态性能基本满足要求,提高稳态精度。 其中 u2 C R1 R2 u1 ) ( L w w w ) ( w F -20 T 1 T a 1 m w a lg 20 2）滞后校正利用高频幅值衰减特性，使已校正系统截止频率下降，使系统获得足够的相角裕度。 3,滞后—超前网络：超前作用改善动态性能，滞后改善静态性能 C1 u2 R1 u1 C2 R2 领先 滞后 6.3基于频率法的串联校正设计（分析法） 基本原理是：通过相位超前特性来增大系统的相位裕量，改变系统的开环频率特性，使?m=??c 校正后的系统具有如下特点： 低频段增益满足稳态误差要求； 中频段对数幅频特性斜率为-20dB/dec, 并具有充分宽的频带, 使系统具有满意的动态性能； 高频段要求幅值迅速衰减, 以削弱噪声影响。 (1) 根据稳态误差的要求, 确定系统的开环增益 K, 并据此画出未校正系统的伯德图, 并求出其相位裕量γ1. 一般步骤: (2) 由期望的相位裕量值γ, 计算超前校正装置应提供的最大相应超前角。 如果未校正系统的开环对数幅频特性在穿越频率处的斜率为 -40dB/dec, 一般取ε=5???10?; 如果该频段的斜率为 -60dB/dec, 则取ε=15???20? 。 (3) 根据所确定的最大相位超前角,算出相应的α值 , (4) 在未校正系统的对数幅频特性上计算其幅值等于 -10lgα所对应的频率,就是校正后系统的零分