自動(dòng)控制理論控制系統(tǒng)的校正

自動(dòng)控制理論控制系統(tǒng)的校正第1頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6-1引言1、系統(tǒng)校正被控對(duì)象確定后，根據(jù)要求的控制目標(biāo)，對(duì)控制器的進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程叫作系統(tǒng)校正。第2頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、控制目標(biāo)——性能指標(biāo)第3頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、用什么校正？校正裝置——為了改善系統(tǒng)性能，引入的附加裝置叫作校正裝置，也叫補(bǔ)償器；校正裝置可以是電氣的、機(jī)械的、氣動(dòng)的、液壓的或其他形式的元件組成；電氣的校正裝置分為有源的和無(wú)源的兩種，應(yīng)用無(wú)源的校正裝置時(shí)，要考慮負(fù)載效應(yīng)。3、為什么校正？閉環(huán)系統(tǒng)有自動(dòng)控制功能，在一定范圍內(nèi)可以通過(guò)調(diào)節(jié)增益改變系統(tǒng)性能，但有時(shí)不能滿(mǎn)足要求。第4頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5、一般有哪些校正方法？反饋校正串聯(lián)校正第5頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制

按參考輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制

第6頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6、方案選擇技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、可靠性等方面進(jìn)行全面比較，權(quán)衡利弊，得到方案。提出合適的性能指標(biāo)，選擇測(cè)量元件、執(zhí)行元件、放大器等。第7頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能指標(biāo)密切相關(guān)，一般可以將校正問(wèn)題歸納為三類(lèi)：1、如果系統(tǒng)穩(wěn)定且有較滿(mǎn)意的暫態(tài)響應(yīng)，但穩(wěn)態(tài)誤差太大，這就必須增加低頻段的增益來(lái)減小穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)保持中、高頻特性不變；2、如系統(tǒng)穩(wěn)定且有較滿(mǎn)意的誤差，但其動(dòng)態(tài)性能較差，則應(yīng)改變系統(tǒng)的中頻段和高頻段，以改變系統(tǒng)的截止頻率和相角裕度；3、如果一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均不能令人滿(mǎn)意，就必須增加低頻增益，并改變中頻段和高頻段。第8頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)應(yīng)上面三種情況的BODE圖：c）低中高頻段均改變b）改變高頻段a）改變低頻段第9頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6-2串聯(lián)超前校正

無(wú)源超前校正網(wǎng)絡(luò)

其中，1、超前校正網(wǎng)絡(luò)：傳遞函數(shù)：第10頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、超前校正環(huán)節(jié)的頻率特性超前網(wǎng)絡(luò)bode圖對(duì)數(shù)頻率特性為:第11頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、超前網(wǎng)絡(luò)的作用第12頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例1：設(shè)單位反饋控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為，相角裕度，幅值裕度，試確定該系統(tǒng)的校正裝置。解：按要求確定K值：第13頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月畫(huà)出未校正系統(tǒng)BODE圖相角裕度第14頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月測(cè)量可得原系統(tǒng)的相角裕度，所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求值，說(shuō)明在時(shí)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生劇烈的振蕩，為此需要增加的超前角。注意：超前校正環(huán)節(jié)不僅改變了BODE圖的相角曲線(xiàn)，而且改變了幅值曲線(xiàn)，使幅值穿越頻率提高，在新的幅值穿越頻率上，原系統(tǒng)的滯后相角就會(huì)增大，這就要求超前校正裝置產(chǎn)生的相角要相應(yīng)的增大，為此設(shè)計(jì)超前相角由增大到。第15頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原系統(tǒng)BODE圖中-7.78對(duì)的頻率為55第16頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第17頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第18頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月超前校正裝置對(duì)系統(tǒng)性能有如下影響：1、減少了開(kāi)環(huán)頻率特性在幅值穿越頻率上的負(fù)斜率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；2、減小了階躍響應(yīng)的超調(diào)量；3、增加了開(kāi)環(huán)頻率特性在幅值穿越頻率附近的正相角和相角裕度；4、提高了系統(tǒng)的頻帶寬度；5、不影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；上述內(nèi)容可以歸納為：兩少，兩高，一不變。第19頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(4)確定a

(2)計(jì)算γ0(7)驗(yàn)算(1)確定K

(5)計(jì)算ωm

(6)確定T(3)計(jì)算

設(shè)計(jì)步驟：第20頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用超前校正的幾個(gè)限制條件：1、原系統(tǒng)穩(wěn)定；（否則需要的超前相角大，噪聲對(duì)系統(tǒng)干擾嚴(yán)重，甚至可以導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定）2、原系統(tǒng)在穿越頻率附近相角迅速減小的系統(tǒng)不適用該校正方法第21頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月超前校正總結(jié)：1)超前校正原理：利用超前網(wǎng)絡(luò)的相角超前特性，使系統(tǒng)的截止頻率和相角裕度滿(mǎn)足性能指標(biāo)的要求，從而改善閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能2）適用對(duì)象：超前校正主要應(yīng)用于原系統(tǒng)穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)性能已滿(mǎn)足要求而動(dòng)態(tài)性能較差的系統(tǒng)。3）缺點(diǎn)：降低了系統(tǒng)的抗擾性能。

第22頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6-3串聯(lián)滯后校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為

無(wú)源滯后校正網(wǎng)絡(luò)

第23頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月滯后校正環(huán)節(jié)的BODE圖如圖所示：第24頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由BODE圖得系統(tǒng)的最大滯后相角：在第一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率后，對(duì)數(shù)特性的幅值和相角都為負(fù)值，因此作為校正環(huán)節(jié)使用時(shí)不僅可以增大系統(tǒng)的滯后相角，而且能減小在一定頻率范圍中的對(duì)數(shù)幅值。第25頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：設(shè)一單位反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為要求相角裕度，設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)。首先畫(huà)出時(shí)的BODE圖，由圖可知相角裕度只有25度，即。采用滯后網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校正目的是要增大相角裕度。對(duì)于原系統(tǒng)這時(shí)相角裕度第26頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第27頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第28頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月也就是說(shuō)設(shè)法找到一個(gè)滯后網(wǎng)絡(luò)應(yīng)把原系統(tǒng)在上的幅值減小到0，并對(duì)此頻率附近的原系統(tǒng)的相角曲線(xiàn)產(chǎn)生不明顯的影響（只有這樣才能維持）。但是事實(shí)上，滯后網(wǎng)絡(luò)在新的幅值穿越頻率上要產(chǎn)生一個(gè)不大的負(fù)相角，故實(shí)際的可選的比稍小一些，如可以選擇?？梢詼y(cè)得處的對(duì)數(shù)幅值為，故滯后網(wǎng)絡(luò)在頻率的對(duì)數(shù)值應(yīng)該近似等于，這樣才能夠使校正后的系統(tǒng)在此頻率上的對(duì)數(shù)幅值為。第29頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月校正前系統(tǒng)的bode圖確定滯后校正裝置的參數(shù)第30頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月校驗(yàn)第31頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月滯后校正分析：利用滯后網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正對(duì)其性能有如下影響：1、利用低通濾波器來(lái)改變幅值曲線(xiàn)低頻段的值，使幅值穿越頻率減小，而在穿越頻率附近保持相頻特性不變；2、低通濾波器對(duì)低頻信號(hào)具有較強(qiáng)的放大能力，從而可以降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；3、在穿越頻率處系統(tǒng)-20dB/dec過(guò)0dB線(xiàn)，諧振峰值變小，穩(wěn)定性變好；4、穿越頻率減小，系統(tǒng)頻帶寬度減小，系統(tǒng)上升時(shí)間加長(zhǎng)。第32頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月采用相位滯后網(wǎng)絡(luò)校正系統(tǒng)的步驟為：1、由對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差要求確定開(kāi)環(huán)增益K；2、畫(huà)出未校正系統(tǒng)BODE圖；3、在未校正系統(tǒng)Bode圖中確定與要求的相角裕度對(duì)應(yīng)的頻率；4、計(jì)算上述頻率對(duì)應(yīng)的幅值，計(jì)算將其衰減到0需要的。5、確定兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率：第33頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月適用對(duì)象：（1）原系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能已滿(mǎn)足要求,而穩(wěn)態(tài)性能較差（2）對(duì)系統(tǒng)快速性要求不高，而抗干擾性能要求較高的系統(tǒng)；缺點(diǎn)：降低了系統(tǒng)的快速性

第34頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6-4滯后超前校正與PID校正超前校正可以滿(mǎn)足將系統(tǒng)的上升時(shí)間和超調(diào)減少，但加大了系統(tǒng)的頻帶寬，使系統(tǒng)變得敏感，容易受噪聲影響；相位滯后校正能減少系統(tǒng)的超調(diào)量提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但頻帶變窄，響應(yīng)速度變慢；兼顧上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，可以產(chǎn)生滯后超前校正網(wǎng)絡(luò)。第35頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、滯后超前網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)：其中：第36頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第37頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)比第38頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

校正后系統(tǒng)的單位速度響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)比第39頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、PID校正：傳遞函數(shù)為：第40頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第41頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)超前校正利用網(wǎng)絡(luò)的相位超前特性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，而滯后校正實(shí)際上利用網(wǎng)絡(luò)幅值的高頻衰減特性；滯后校正雖能改善系統(tǒng)的靜態(tài)精度，但使系統(tǒng)的頻帶變窄，響應(yīng)速度變慢；如果要求系統(tǒng)在校正后既有快速性又有穩(wěn)態(tài)精度，應(yīng)采用滯后超前校正；PID調(diào)節(jié)器是一種有源校正網(wǎng)絡(luò)，它獲得了廣泛的應(yīng)用，其整定方法要有所了解。第42頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6-5反饋校正

基本思路:用反饋校正裝置去包圍原系統(tǒng)中影響動(dòng)態(tài)性能提高的某些環(huán)節(jié)，構(gòu)成一個(gè)內(nèi)環(huán)，使得在反饋校正起作用時(shí)，內(nèi)環(huán)特性主要取決于引入的反饋校正裝置，而與系統(tǒng)中被包圍部分的環(huán)節(jié)特性幾乎無(wú)關(guān)，通過(guò)適當(dāng)選取反饋校正裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，即可獲所需的內(nèi)環(huán)特性，從而使校正后系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

第43頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6-6復(fù)合校正按參考輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制

第44頁(yè)，課件共47