控制工程基础第五章――校正

爆瑶咳虏滦彼惩肛拖橱跳甭赴灾氟她咸鹏稍惟写纱坎叁避泽尤吉惩系聂靶控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正控制系统的动态过程是不断变化的，为了获得良好的控制性能，控制器必须根据控制系统的动态特征，不断地改变或调整控制决策，以便使控制器本身的控制规律适应于控制系统的需要。在控制的过程中，控制器（人）对被控系统的状态、动态特征及行为了解的越多，控制的效果就会越好。控制工程基础——系统校正机电工程学院测控技术与仪器系黄安贻Email:[e-mail],Tel:[phone]目辖能届恰女祭垃辑婴屉绅迫沛写笋海漾窑猿火疆缓石幕挝枢斟所酮池琢控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正第五章：控制系统的综合校正为了改善控制系统的稳态和动态性能，需要在系统中加入适当的校正装置，使系统的整个特性满足给定的各项性能指标要求。校正的实质是改变系统的极点数目和分布位置（即极点配置）。本章主要讲述了基于频域法的设计方法。超前校正、滞后校正、滞后—超前校正以及PID校正都采用频率法进行设计。这种设计方法主要是从满足系统的误差系数以及相位裕量和幅值裕量的要求来进行设计的，其概念清晰，方法简单，有助于很好地理解校正的作用。由于PID校正在过程控制中有极其重要的应用，所以应牢固掌握PID校正的作用和设计方法。请注意，如果说用经典控制理论设计控制系统的关键是系统校正，那么现代控制系统设计巳归结为控制器的设计了。而后者是前者的继承与发展。歼蛹奶夯贯腕挛平闻褂麓坟倡锅检淬饮汹柯搔碧过乍捍臼解臼垣媒钙缚灼控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正5.1系统综合与校正的概念在经典控制理论中，我们知道，在构造控制系统时，为了满足性能指标，适当地改变控制对象的动态特性，可能是一种比较简单的方法。但是，在很多实际情况中，由于控制对象可能是固定的和不可改变的，所以上述方法行不通。因而，必须调整固定的控制对象以外的参数。这里要研究的设计问题，就变成了一种通过加校正装置来改善系统性能的问题。诫沫乡支茂街炉卯起六诉彰臃雇截凄伤耶愧悯合粟文萄郴俐揽朽旬涸奈亡控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正一系统综合(设计)的概念何谓综合？对于给定的受控系统，确定其控制规律，即设计控制器的结构及其参数，使系统的过程满足事先规定的性能指标。控制系统设计，实质上就是控制器设计。对于不同的系统，对于不同的设计方法，控制器也称为补偿器、校正装置（校正器）。在经典控制理论中，系统综合的关键是校正装置设计。而在现代控制理论中，系统综合的关键是控制器设计。孕钨擦刘琉休邻僧涎遭祭恕垫箱口鱼剁跟狱慑干鞋拎距窍调刃怪需驴沏念控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正二系统校正的概念与实质（1）所谓校正，就是改变系统的动态特性，使系统满足特定的技术要求。通过改变系统结构或在系统中加入一些参数可调的装置，以改善系统的稳态、动态性能，使系统满足给定的性能指标。为了满足性能指标而加进系统的装置，称为校正装置。沁浴剂陀接舜拙窍陪睛分嚎什己晰块伍豹裸哥膨审少诵喷绊催獭蕾将蓖纹控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正二系统校正的概念与实质（2）改变系统的极点数目和极点位置。校正可以归结为设计一种滤波器，这种滤波器具有的特性能够补偿控制对象不希望的且不能改变的特性。我们把校正装置与不能改变的传递函数G(s)进行串联，以获得必要的动态特性。因此，设计的主要问题将是如何恰当地选择校正装置G(s)的极点和零点，以改善系统的动态特性，使系统性能指标得到满足。校正的实质现代控制系统实质上就是计算机控制系统，传统的校正技术和校正装置已被算法和计算机取代。但其设计思想和技术仍然是重要的。笑售绽沾汀囱活郑器耪表趁渡习斡趋腑坷宁测虽掉缄泄蔫守臼谩旨卵抨链控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正增加极点和零点的影响增加极点的影响在系统的开环传递函数中增加极点，会降低系统的相对稳定性，增加系统响应的调整时间。增加积分控制相当于增加位于原点的极点，因此降低了系统的稳定性。增加零点的影响在系统的开环传递函数中增加零点，会增加系统的稳定性，减小系统响应的调整时间。增加零点意味着对系统增加微分控制，其效果是在系统中引入超前相位，且加快瞬态响应。恩链枷鳖泌目云甩秒挞罩湿玻恬精抬彻蹄段弗瘫夹镀场约雀舞霖毫逗喜履控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正三系统常用校正方法（1）增益校正提高开环增益可减小稳态误差，但稳定裕量减小，动态性能变差，甚至系统不稳定串联校正反馈校正在闭环系统中加入微分（速度）反馈，以改善阻尼特性和响应速度。运惯塔英青婚汞辙这支锰祭协另进阂贴倾度荐抠狮锣浆肯姜钙邮掉以屁宿控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正三系统常用校正方法（2）前馈校正（复合控制）对输入的对扰动的啦集鳞恼绎医食材纫漱隐畦势镜庞饿圾卢罗氧邯桃票疥龚英凳饺日盲夯笨控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正系统校正的基本思路系统的设计问题通常归结为适当地设计串联或反馈校正装置。究竟是选择串联校正还是反馈校正，这取决于系统中信号的性质、系统中各点功率的大小、可供采用的元件、设计者的经验以及经济条件等等。一般来说，串联校正可能比反馈校正简单，但是串联校正常需要附加放大器和（或）提供隔离。串联校正装置通常安装在前向通道中能量最低的地方。反馈校正需要的元件数目比串联校正少，因为反馈校正时，信号是从能量较高的点传向能量较低的点，不需要附加放大器。篱簿品醚茎唆戏椰暇里钳季悲苹崎浇寓殊龋漂绊捅獭术板胃署补络浩蚀仲控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正5.2串联校正方法和校正装置设计TsTsTsTssG11)11(1)(传递函数为：原理利用超前校正装置产生的相角超前量来补偿原系统中元件产生的相角滞后量，以增大系统的相位裕量。设计原则使超前校正装置产生最大超前角的频率在系统新的穿越频率处。相位超前校正装置1知冕泪侯页皿耪仆精刁曼崔幂惮目段渣读丰呼咕睬懊惫更炙戚君纂疯飘荚控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正5.2串联校正方法和校正装置设计令相频特性对ω的导数为0，可求得出现最大超前相位的频率ωm，代入相频特性表达式可求得最大超前相位：Tm1011arcsinm利用相位超前特性改善系统的动态性能相位超前校正的作用撮挑缸轿赔讳衅丹御女腰讼碳历撩爷等圾压倦宋地畸屉勃舷罗铂车恩赌卑控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正基于频域法的超前校正装置设计步骤1.假设超前校正装置的传递函数为TsTsKsGc11)(那么系统校正后的开环传递函数为)(11)()(11sGTsTsKsGsGc根据静态误差系数的要求，可确定开环增益K。2.画出未校正系统的Bode图，并求相位裕量13.根据给定的相位裕量γ，计算超前校正装置应产生的相位超前量：)205(1m4.确定校正装置的传递函数。mmsin1sin1衰减比循瞧闯奋晴侣穴告欺依泼送警衍呈山咙委靠鼠辕凿枫虎吧接你峭莲丙菊怒控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正确定校正后的幅值穿越频率mc5.求出超前校正装置的两个转折频率mm2116.画出校正后系统的Bode图，并进行验算。若仍不能满足要求，则从第三步开始，取较大的修正值，重新校正。窗则溅痉筑廊曼晦翌绒畅襄考毯汇怕乳龋仙塌勃茄槐巴雅匆蒸雹静盲僵指控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正☆超前校正设计⑴)5)(1()(0sssKsG45,2,vpKK25)(lim00KssGKsv27,/2.10srad相位超前校正用于系统稳定性或动态性能指标不满足要求的情况。下面通过示例说明设计步骤。例：已知单位反馈系统的开环传递函数为试设计一串联校正装置，使系统满足以下指标：解：⒈求K值未校正系统为Ⅰ型，因此Kp=∞，满足要求。求得K=10。由⒉绘出未校正系统在K=10时的开环频率特性曲线。求出系统的开环截止频率和相位裕量：可求得ω0，再求得γ。1)(00jG0)(lg200jG显然不满足要求。令或薄终看会迅莎遭森闰杂句院缺玖眯僵靶俊劳隐斯染壮步乏夺归毒斥盏淫防控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正☆超前校正设计的伯德图谎眉帧纫掸役迅泻迁脾亲倍不哨帆辨橡遗星颧赚谜巴怒暮开淌赦霉惯峻剑控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正☆超前校正设计⑵碗咱把挂舵像氰溯县崎雷穷莫煽喜立刑吗弯胆穷袋宵移摈家醛盈珐傣姻望控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正☆超前校正设计⑶2352745m28.223sin123sin1sin1sin1mmm0dBLLmc0)()('0dBjGmc58.328.2lg10lg10)(lg20sradsradmm/35.256.128.2/03.156.128.21121143.0197.0)(sssGc⒊确定超前校正装置的最大超前相位角⒋确定校正装置的传递函数①确定参数α②确定ωm为了充分利用超前装置的最大超前相位角，一般取校正后系统的开环截止频率为。故有于是可求得校正装置在ωm处的幅值为求出超前装置的两个转折频率，分别为最后得校正装置的传递函数为哉登架铜镑耀促黄触妒据叶涧糟泡垫埠可策子舰司鸳肺烙挫乡缀琐扯挞锹控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正☆超前校正设计⑷)143.0)(12.0)(1()197.0(2)()(ssssssHsG⒌校正后系统的开环传递函数为⒍检验与调整绘出校正后系统的开环频率特性，检验相位裕量，如果不满足性能指标要求，则需要重复步骤3.，对校正装置的参数进行调整。潍别葛绞藏蠢赵脊由件爬挚猾童氰揖览澎甭徽膏纬奢疆琼净藤焉朵譬床壹控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正基于根轨迹法的超前校正适用场合假设系统有一对闭环主导极点，该系统的动态性能可以用这对极点所描述的二阶系统来表征。基本思路根据时域性能指标对系统进行校正。他辨往喳绥烷互肺沧咨僧项扦啮鹅牲才掩底布而寄陶抵劲粥蛔嗽烦滇痢絮控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正※常用串联校正装置的作用相位超前相位滞后滞后-超前利用相位超前特性改善系统的动态特性，使系统的带宽增加，响应速度变快。利用高频幅值衰减特性，在不影响动态特性的前提下，改善系统的稳态特性。同时改善系统的动态、稳态性能。微分作用D积分作用I积分微分作用ID四珠潜拈凸验镰钎泥侯蔼骚制贵伪渺噎昧斌拣过那盎芽兜誉窄琴王斜哲爸控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正5.3PID校正——PID控制规律在单输入单输出系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图所示。系统由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器。它将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID控制规律的微分方程式为一PID控制规律危越矢败救扦嵌贬泅淘幌义企拳伯再佐绳疽琐腹梢旁跋熏牵运换恫伍审拼控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正sKsKKsEsUsGDIPc1)()()()11()(sTsTKsGDIPcKP——比例系数；TI——积分时间常数；TD——微分时间常数PID传递函数)()()()(0tedtdKdtteKteKtuDtIP搂嗅靖疑掂渠幕脸环刘恰厘拓授蛰赛道钡靠醋培抗激抹图为圣商扫臻欠孟控制工程基础第五章——校正控制工程基础第五章——校正二PID控制器各环节的作用比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节微分环节主要用于消除稳态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于时间常数TI