机械工程控制基础学习指导 课件 第七章 控制系统的校正与设计.pptx

第七章控制系统的校正与设计高等院校公共课系列精品教材机械工程控制基础学习指导01内容摘要控制系统的性能指标与校正方式1.系统的时域与频域性能指标系统的性能指标按系统的类型的分类如图7-1所示。控制系统的性能指标与校正方式2.同一系统时域指标与频域性能指标的关系对于同一系统，不同域中的性能指标转换有严格的数学关系。由第4章和第5章的内容可知，对于典型二阶系统(如图7-2所示)而言，其时域和频域性能指标有如下转换关系：控制系统的性能指标与校正方式3.系统开环频率特性与系统性能的对应关系一般将开环频率特性的幅值穿越频率Wc看成频率响应的中心频率，并将在Wc附近的频率区段称为中频段；把频率的频率区段称为低频段(一般定为第一个转折频率以前);把的频率区段称为高频段(一般取一般，决定闭环系统稳态特性好坏的主要参数(如开环增益，系统的类型等)可以通过系统的开环频率特性低频段求得；而决定闭环系统动态特性好坏的主要参数(如幅值穿越频率、相位裕量等)可以通过系统开环频率特性的中频段求得；系统的抗于扰能力等，则可以由系统的高频段来表示。控制系统的性能指标与校正方式4.校正的概念、方式及其特点校正就是指在控制对象已知、性能指标已定的情况下，在系统中增加新的环节或改变某些参数，以改善系统性能的方法。常用的校正方式及其特点如下；(1)串联校正。其是指校正环节串联在原系统传递函数框图的前向通路中。其按校正环节的性能可分为增益调整、相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后一超前校正。特点是为了减少功率消耗，串联校正环节通常放在前向通路的前端，即低功率部分。(2)并联校正。并联校正按校正环节的并联方式可分为反馈校正、顺馈校正和前馈校正。特点是由于采用反馈校正时，信号是从高功率点流向低功率点。所以一般采用无源校正网络，不再附加放大器。控制系统的性能指标与校正方式4.校正的概念、方式及其特点(3)PID校正器。在工业控制上，常采用能够实现比例、微分、积分等控制作用的校正器，实现相位超前、相位滞后、相位滞后-超前的校正作用。其基本原理与串联校正、反馈校正相比并无特殊之处，但结构的组合形式和产生的调节效果却有所不同。特点是：①对被控对象的模型要求低，甚至在系统模型完全未知的情况下也能进行校正。②校正方便，在PID校正器中，其比例、积分、微分的校正作用相互独立，最后以求和的形式出现。人们可以任意改变其中的某一校正规律，这就大大地增加了使用的灵活性。③适应的范围较广，采用一般的校正装置，当原系统参数变化时，系统性能将会产生很大的改变，而PID校正器的适应范围很广，在一定的参数变化区间内，仍有很好的校正效果。PID校正器的设计1.PID控制器的构成及原理系统中，最常用的校正器就是PID校正器，它通常是一种由运算放大器组成的器件，通过对输出和输入之间的误差(或偏差)进行比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合以形成控制律，对被控对象进行校正和控制，所以称为PID校正器，PTD控制系统框图如图7-3所示。图7-3中Gp(s)是被控对象的传递函数，Gc(s)则是点画线框中PID校正器的传递函数，即式中，Kp为比例系数；K?为积分系数；Kp为微分系数。使用时，PID校止器的传递函数也经常表示为式中，Kp为比例系数；T为积分时间常数，TD为微分时间常数，PID校正器的设计1.PID控制器的构成及原理如图7-4所示为一个带有PD校正器的反馈控制系统框图，其有一个传递函数并带有一个比例微分环节的校正器(PD校正器),则PD校正器的传递函数为整个系统的开环传递函数为上式表明，PD校正器相当于给开环传递函数增加了一个零点s=—Kp/KD。整个系统的闭环传递函数为系统阻尼比增加，即PD校正器相当于增加了系统阻尼。因此，系统的最大超调量减小，但PD校正器的作用对稳态性能的改善很有限。PID校正器的设计2.PID校正器与系统零点、极点的关系及其对系统瞬态性能的影响如图7-5所示为带有PID校正器的反馈控制系统框图，其有一个传递函数并带有一个比例积分环节的校正器(PID校正器)。则PID校正器的传递函数为整个系统的开环传递函数为上式表明，PID校正器相当于给开环传递函数增加了一个零点S=—K?/Kp和一个极点S=0。PID校正器的一个明显作用是使系统的型次增加，这样可以使没有PID校正器的系统稳态误差得到一定改善。PID校正器的设计3.PID校正器与系统零点、极点的关系及其对系统瞬态性能的影响如图7-6所示为一个同时具有比例、积分和微分环节的校正器(PID校正器的框图),其中则PID校正器的传递函数为整个系统的开环传递函数为上式表明，PID控制器相当于给开环