自動控制原理2008雙語cha.ppt

1,The Principle of Automatic Control 自動控制原理,Lecturers：Prof. Jiang Bin Dr. Lu Ningyun College of Automation Engineering NUAA，2008. Autumn,2,NUAA-The Principle of Automatic Control,Chapter 6 Control system design by Frequency Response 基于頻域響應的控制系統(tǒng)設計,3,校正方式,校正：采用適當方式，在系統(tǒng)中加入一些參數(shù)可調(diào)整的 裝置（校正裝置），用以改變系統(tǒng)結構，進一步提高系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)滿足指標要求。,串聯(lián)校正 并聯(lián)（或反饋）校正 前饋校正 復合校正,4,校正策略,控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的指標描述：,時域指標,頻域指標,根軌跡校正,頻率法校正,校正裝置的基本特性是相同的： 超前校正、滯后校正、超前滯后校正,5,性能指標,P244頁，二階系統(tǒng)時域指標與頻域指標關系 帶寬的確定,無論哪種校正方式，都要求校正后系統(tǒng)既能快速準確跟蹤輸入信號，又能有效抑制噪聲擾動信號,輸入信號：中低頻； 噪聲信號：高頻,wb=(510)wm,6,系統(tǒng)的希望開環(huán)對數(shù)幅頻特性,1、穩(wěn)態(tài)指標確定希望對數(shù)幅頻曲線低頻段,:初始段斜率 20lgK:=1處的幅值,7,2、暫態(tài)指標確定希望對數(shù)幅頻曲線中頻段,中頻段 -20dB/dec,c處以-20dB/dec穿0dB線，且保持一定寬度。,8,3、抗擾性能和暫態(tài)指標起始段確定希望對數(shù)幅頻曲線高頻段,高頻段,以抑噪為主； 高頻段衰減越快，抑噪越強；但影響暫態(tài)，超調(diào)將增大。,9,頻率法串連校正,1. 超前校正 2. 滯后校正 3.滯后超前校正,頻率法串聯(lián)校正的設計過程,10,超前校正-(1)網(wǎng)絡實現(xiàn),時間常數(shù),衰減因子,11,超前校正- (2)頻率特性,1/aT,1/T,超前網(wǎng)絡對頻率在1/aT到1/T之間的輸入信號有明顯的微分作用，在該頻率段內(nèi)，輸出信號相角超前于輸入，因此命名為超前校正網(wǎng)絡。,10lg a,12,超前校正- (2)頻率特性,13,超前校正- (2)頻率特性,超前網(wǎng)絡特點：相角超前，幅值增加 最大超前角只和a有關，a=(R1+R2)/R2，受網(wǎng)絡物理結構的限制，一級超前網(wǎng)絡最大超前角約為65 超前網(wǎng)絡是高通濾波器，a不能太大，最有效的,14,串聯(lián)超前校正實質： 利用超前網(wǎng)絡相角超前特性提高系統(tǒng)的相角裕度； 為了獲得最大的相位超前量，應使得超前網(wǎng)絡的最大超前相位 發(fā)生在校正后系統(tǒng)的截止頻率( )處,超前校正- (3)校正思想,15,(設給定指標為校正后系統(tǒng)的 ）, 確定需要對系統(tǒng)增加的相位超前量, 計算網(wǎng)絡參數(shù), 調(diào)整開環(huán)增益,是否滿足要求,驗算,超前校正- (4)基本步驟, 利用已確定的開環(huán)增益K，計算校正前系統(tǒng)的相位裕度,16,超前校正- (4)基本步驟,17,超前校正- (5) 例子, 由穩(wěn)態(tài)誤差要求確定開環(huán)增益,畫出校正前系統(tǒng)的bode圖，虛線所示,18,-20db,-40db,19, 利用已確定的開環(huán)增益K，計算校正前系統(tǒng)的相位裕度,漸近線估算,或圖中量出, 確定需要對系統(tǒng)增加的相位超前量,20, 計算網(wǎng)絡參數(shù),確定m的值。 超前網(wǎng)絡在最大超前相位角處的幅值為,要想得到最大的相位裕度，必須使m與校正后的截止頻率c重合，因此校正前系統(tǒng)在m處的幅值應為,(2) 確定T,21, 調(diào)整開環(huán)增益,為了抵消校正網(wǎng)絡中1/3的幅值衰減，總的開環(huán)增益應該增加3倍,畫出校正后系統(tǒng)的bode圖，實線所示，驗證是否滿足要求,22,-4.77,-20db,-40db,-40db,-20db,23,是否滿足要求,驗算,這是因為從校正前系統(tǒng)截止頻率 到校正后截止頻率 相位滯后了7度，而在計算a時，為了湊整數(shù)，我們只補償了3度，因此要想有準確的45度相位裕度，可增加a值到3.5，重復上述步驟。,24,-20db,-40db,-40db,-20db,校正后系統(tǒng)的中頻段斜率為20db/dec，并占據(jù)一定頻帶范圍，這使系統(tǒng)相位裕度增大，瞬態(tài)過程的超調(diào)變小 且使截止頻率增大，帶寬增大，響應速度變快,25,超前校正的幾點說明,1 若系統(tǒng)對校正后系統(tǒng)開環(huán)截止頻率 已有明確要求，則計算超前網(wǎng)絡參數(shù)時可直接計算a 和T (教材p259頁例63） 2 有些情況下采取串連超前校正是無效的，它受以下兩個因素的限制： （1）閉環(huán)帶寬的要求。若校正前系統(tǒng)不穩(wěn)定，為了得到期望的相位裕度，需要超前網(wǎng)絡提供很大的相位超前量，a必須很大，從而造成校正后帶寬過大，噪聲污染嚴重； （2）在截止頻率處相位迅速減小的系統(tǒng)（-40db斜率)不適宜超前校正。,26,滯后校正-(1)網(wǎng)絡實現(xiàn),滯后網(wǎng)絡對頻率在1/T 到1/bT之間的輸入信號有明顯的積分作用，在該頻率段內(nèi)，輸出信號相角滯后于輸入，因此命名為滯后校正網(wǎng)絡。,27,滯后校正-(2)頻率特性,最大滯后頻率,最大滯后相位,滯后網(wǎng)絡是一個低通濾波器，低頻時幅值為0db，高頻時幅值-20db,28,滯后校正-(3) 校正思想,利用其高頻幅值衰減特性，以降低系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率，借助校正前系統(tǒng)自身在該截止頻率處的相位，使系統(tǒng)獲得足夠的相位裕度 降低截止頻率，挖掘自身相位儲備,因此，設計滯后網(wǎng)絡時，千萬要避免最大相角滯后發(fā)生在校正后系統(tǒng)截止頻率 附近,29,藍色：原系統(tǒng) 綠色：校正后系統(tǒng),截止頻率下降，帶寬減小，系統(tǒng)響應速度降低。 當系統(tǒng)響應速度要求不高而抑制噪聲要求較高時，可選用滯后校正,30,滯后校正-(4) 校正步驟,(設給定指標為校正后系統(tǒng)的 ）, 利用已確定的開環(huán)增益K，計算校正前系統(tǒng)的相位裕度 和截止頻率, 確定校正后系統(tǒng)的截止頻率 ，使其相位裕度滿足要求,在校正前系統(tǒng)的對數(shù)幅頻曲線上找一個頻率點，在該點上使,31, 計算網(wǎng)絡參數(shù),為了防止滯后網(wǎng)絡引起的相位滯后帶來的不良影響，滯后網(wǎng)絡的交接頻率必須明顯低于校正后系統(tǒng)的截止頻率 這樣，滯后網(wǎng)絡的相位滯后發(fā)生在低頻段，不會影響校正后系統(tǒng)的相位裕度, 在 處，校正前系統(tǒng)幅值下降20lgb，使得校正后系統(tǒng)確實處于截止頻率處，從而可確定參數(shù)b，并由步驟4確定T,32, 由穩(wěn)態(tài)誤差要求確定開環(huán)增益, 畫出校正前系統(tǒng)的bode圖，校正前系統(tǒng)相位裕度18度，不滿足要求,滯后校正-(5) 例子（同超前校正例子）,33,-20db,-40db,34, 確定校正后系統(tǒng)的截止頻率,由圖可量出，, 計算網(wǎng)絡參數(shù),在 處，校正前系統(tǒng)幅值下降20lgb，使得校正后系統(tǒng)確實處于截止頻率處，,35,-20db,-40db,36,-20db,-40db,-40db,-20db,校正后系統(tǒng)的中頻段斜率為20db/dec，并占據(jù)一定頻帶范圍，這使系統(tǒng)相位裕度增大，瞬態(tài)過程的超調(diào)變小 使截止頻率變小，帶寬變小，響應變慢，但抑制噪聲能力變好,37,超前、滯后校正的比較,1 超前校正利用其相位超前特性、獲得系統(tǒng)所需要的相位超前量。而滯后校正則利用其高頻衰減特性，使截止頻率下降，借助于原系統(tǒng)在新的截止頻率處的相位，獲得系統(tǒng)所需要的相位裕度。 2 超前校正通常用來改善穩(wěn)定裕度，滯后校正通常用來提高穩(wěn)態(tài)精度。 3 超前校正比滯后校正提供更高的截止頻率。高的截止頻率意味著大的帶寬，從而意味著小的調(diào)整時間。因此，如果希望系統(tǒng)具有大的帶寬，或者快的響應，應采用超前校正。,38,超前、滯后校正的比較（續(xù)）,4 超前校正需要由一個附加的增益增量，以抵消超前網(wǎng)絡本身的衰減。則表明超前校正比滯后校正需要更大的增益。在多數(shù)情況下，增益越大，意味著系統(tǒng)的體積和重量越大，成本越高，同時會在系統(tǒng)中產(chǎn)生比較大的信號，這種大信號容易造成元件的飽和現(xiàn)象。 5 滯后校正降低了系統(tǒng)在高頻區(qū)的增益，但并沒有降低系統(tǒng)在低頻區(qū)的增益。因為降低了高頻增益，系統(tǒng)的總增益可以增加，從而低頻增益隨之增加，因此改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。,39,超前、滯后校正的比較（續(xù)）,6 滯后校正減小了帶寬，因此系統(tǒng)具有較低的響應速度，但系統(tǒng)中包含的任何高頻噪音都可以得到衰減。 7 滯后校正將會在原點附近引進極、零點組合（偶極子），這將會在瞬態(tài)響應中產(chǎn)生小振幅的長時間拖尾。 8 如果既需要獲得快速響應特性，又需要良好的穩(wěn)態(tài)精度，則可以采用滯后超前校正。,40,附:控制系統(tǒng)的基本控制方法PID控制,1、比例（P）控制規(guī)律,只改變信號的幅值，不改變相位,串聯(lián)校正中，增大K將提高可提高系統(tǒng)的控制精度，但會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性.,41,2、比例-微分（PD)控制規(guī)律,微分控制規(guī)律能反應輸入信號的變化趨勢，產(chǎn)生有效的早期修正信號，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。其對穩(wěn)態(tài)無影響。 但對噪聲非常敏感。,42,3、積分（I）控制規(guī)律,提高系統(tǒng)的型別，改善穩(wěn)態(tài)特性。 位于原點的開環(huán)