第六章终稿32423.pptVIP

1.控制系统设计和校正 设计问题：根据给定被控对象和自动控制的技术要求，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，设计校正装置的传函和调整系统放大倍数，使系统动态性能满足一定的要求。 2.校正问题的三要素 系统基本部分（原有部分、固有部分）：被控对象、控制器基本部分（放大元件、测量元件）。放大元件增益可调，其余参数固定——给定 系统的性能要求——给定 校正装置：当通过调整放大元件增益仍不能满足系统性能时，需要增加附加装置来改善系统性能——需设计（未知） 3. 校正的实质 通过改变系统的零极点来改变系统性能。 4.校正装置的实现 通常是参数易于调整的专用装置（模电或数电装置） 校正方式多样化：串联校正、反馈校正、前馈补偿等 注意：校正方案不唯一 6.1 系统校正设计基础 一、性能指标 1. 常用时域性能指标（主要对阶跃响应定义） 超调量、调节时间、上升时间、稳态误差或开环增益等。 2. 常用的频域指标 开环频域指标：剪切频率、稳定裕度 3. 常用的复数域指标 通常以系统闭环极点在复平面的分布区域来定义。 二、几种校正方式 根据校正装置加入系统的方式和所起的作用不同，可将其作如下分类： 三、校正设计的方法 频率法 基本思想：利用适当校正装置的Bode图，配合开环增益调整来修改原来开环系统Bode图，使得开环系统经校正和增益调整后的Bode图符合性能指标要求。 6.2 线性系统的基本控制规律 问题的提出 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。 比例、微分、积分，或其组合，如比例－微分、比例－积分、比例－积分－微分等，是最基本的控制规律。 增加校正装置，可改变描述系统运动过程的微分方程，从而改变系统响应。 具有不同比例关系的校正器可改变微分方程系数，调整系统零极点分布，从而改变系统响应。 具有微分和积分功能的校正器可在更大程度上改变系统运动方程，使系统具有所要求的暂态和稳态性能。 一、比例( P )控制规律 具有比例控制规律的控制器，称为比例(P)控制器。则图6-2中 称为比例控制器增益。 改变了系统的极点 加大控制器增益Kp，会降低系统的相对稳定性 讨论： 比例控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。只改变信号的增益而不影响其相位。 加大控制器增益Kp，可提高系统开环增益，减小稳态误差，从而提高系统控制精度，但降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。 很少单独使用比例控制规律。 二、比例—微分( PD )控制规律 具有比例－微分控制规律的控制器，称为比例－微分( PD )控制器。则图6-2中的 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。 讨论： PD控制器中的微分控制规律，能反应输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号。 增加系统的阻尼程度，改善系统的稳定性。 增加一个－1/Td的开环零点，使系统的相角裕量增加，有助于系统动态性能的改善。 单一的微分控制器不宜与被控对象串联起来单独使用。一般以PD或PID控制器的形式应用于实际的控制系统。 例 设比例—微分控制系统如下图所示，试分析PD控制器对系统性能的影响。 解 无PD控制器时，系统的特征方程为 显然，系统的阻尼比等于零，系统处于临界稳定状态，即实际上的不稳定状态。接入PD控制器后，系统的特征方程为 其阻尼比 因此闭环系统是稳定的。 三、积分( I )控制规律 具有积分控制规律的控制器，称为积分(I)控制器。则图6-2中 其中Ti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： 积分控制可以提高系统的类型数，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。 四、比例—积分( PI )控制规律 具有比例—积分控制规律的控制器，称为比例－积分(PI)控制器。则图6-2中 其中Kp为可调比例系数，Ti为可调积分时间常数。 讨论： PI控制器相当于在系统中增加一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。 增加的极点可以提高系统的类型数，消除或减小系统稳态误差，改善系统稳态性能； 在实际控制系统中，PI控制器主要用来改善系统稳态性能。 例 设比例－积分控制系统如下图所示，试分析PI控制器对系统稳态性能的改善作用 。 解 接入PI控制器后，系