控制工程基础-第五章-控制系统的校正.ppt

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1、结构不稳定系统及其改进实例：仅仅调节参数无法稳定的系统称为结构不稳定系统。-杠杆和放大器的传递函数执行电机的传递函数进水阀门的传递函数控制对象水箱的传递函数例：如图所示的液位控制系统1闭环传递函数为：令：闭环特征方程为：展开为：方程系数：由于 ，不满足系统稳定的必要条件，所以系统是不稳定的。这也可从劳斯表看出。劳斯表：由于无论怎样调节参数K和T都不能使系统稳定，所以是一个结构不稳定的系统。欲使系统稳定，必须改变原系统的结构。2引入开环零点（比例微分）稳定的充分必要条件为：即 即3第一节 概述n一、定义：在原有系统中，有目的的增添一些装置和元件，人为地改变系统的结构和性能，使之满足所需要的性能指

2、标，这种方法称为“系统校正”（system compensation)。增添的装置和元件称为校正装置和校正元件。n二、校正方式 根据校正装置在控制系统中的位置，最基本的校正方式有两种，即串联校正和反馈校正（也称并联校正）。若将两种校正结合称为复合校正。41、串联校正方式n将校正装置串联在反馈控制系统的前向通道中。n校正装置的作用：实现各种控制规律，以改善控制系统的性能，因此常称为控制器。+-Xi()sGc()sH(s)Xo()sG()s2校正环节校正环节5 根据所起的作用不同，串联校正装置可分为：n 相位超前校正装置n 相位滞后校正装置n 相位滞后-超前校正装置62、反馈校正方式n将校正装置接

3、于局部反馈通道中构成。n优点：可大大提高系统的相对稳定性，有效削弱非线性因素的不良影响，降低系统对参数变化的敏感度，显著改善系统抑制扰动的能力。+-Xi()sXo()s+G1()sG()s2 G()scG()s3-G()s2*校正环节校正环节7三、校正装置n分类分类 根根据据动动力力源源和和信信号号性性质质不不同同，校校正正装装置置分分为为电电气气的的、气气动动的的、液液压压的的以以及及机机械械的的等等，其其中应用最广泛的是中应用最广泛的是电气校正网络电气校正网络。根根据据电电气气校校正正装装置置是是否否使使用用电电源源，其其又又可可分为以下两种：分为以下两种：无源校正装置、有源校正装置。无源

4、校正装置、有源校正装置。81 1、无源校正装置、无源校正装置n 构成：由电阻和电容组成的两端口网络。n 特点：无需外供电源，线路简单，组合方便，成本 低。但本身没有增益，且输入阻抗低，输出阻抗高。输入、输出阻抗与系统性能：92 2、有源校正装置、有源校正装置n 构成：由构成：由运算放大器运算放大器和和无源网络无源网络组成。组成。n 特点：特点：输输入入阻阻抗抗高高，输输出出阻阻抗抗低低；可可以以提提供供所所需需要要的的增益；设计、参数调整方便，使用灵活等。增益；设计、参数调整方便，使用灵活等。10第二节 PID控制PIDPID控控制制（Proportional-Integral-Differe

5、ntial Control）：即即比例、积分和微分控制的简称。比例、积分和微分控制的简称。在在当当今今应应用用的的工工业业控控制制器器中中，半半数数以以上上采采用用了了PIDPID或或变变形形PIDPID控控制制方方案案。PIDPID控控制制器器分分为为模模拟拟和和数数字字控控制制器器两两种种。模模拟拟PIDPID控控制制器器通通常常是是电电子子、气气动动或或液液压压型型的的，数数字字PIDPID控控制器是由计算机实现的。制器是由计算机实现的。大大多多数数PIDPID控控制制器器的的参参数数是是现现场场调调节节的的。PIDPID控控制制的的价价值值在在于于它它对对于于大大多多数数控控制制系系统

6、统的的广广泛泛适适应应性性，虽虽然然在在许许多多给定的情况下还不能提供最佳控制。给定的情况下还不能提供最佳控制。11 下图表示了一种控制对象的PID控制。它是串联在系统的前向通道中的，这是一种最常见的形式。PID控制器的时域表达式为：式中，u(t)是PID控制器的输出信号，e(t)是PID控制器的输入信号，也就是系统的误差信号。kp称为比例系数，Ti、Td分别称为积分和微分时间常数。-PID控制器控制对象12 上页所示的PID表达式(6.1)即是通常所说的常规PID控制器。常规PID控制器可以采用多种形式进行工作。主要有以下几种，分别称为：q 比例控制器：q 比例-积分控制器：q比例-微分控制

7、器：q比例-积分-微分控制器：在某些特殊的情况下，PID控制器可以进行适当的变形，以适应系统控制的要求。这些控制器称为变形的PID控制器。比如，积分分离PID控制器，变速PID控制器，微分先行PID控制器，抗饱和PID控制器，Fuzzy PID控制器等形式。13v PID控制器的传递函数如下：v PID控制器的结构图如下：-控制对象v PID控制器在控制系统中的应用：14q 比例部分：增加比例系数可加快系统的响应速度，减小稳态误差；但比例系数太大会影响系统的稳定性。q 积分部分：积分时间常数越小，积分作用越强。积分控制作用可以消除系统的稳态误差；但积分作用太大，会使系统的稳定性下降。q 微分部

8、分：微分时间常数越大，微分作用越强。微分作用能够反映误差信号的变化速度。变化速度越大，微分作用越强，从而有助于减小振荡，增加系统的稳定性。但是微分作用对高频误差信号（不管幅值大小）很敏感。如果系统存在高频小幅值的噪音，则它形成的微分作用可能会很大，这是不希望出现的。PID控制器每一部分对控制系统的作用：15第三节 串联校正一、比例校正R(s)C(s)_kcGcG1降低增益k后：1、相对稳定性改善；2、穿越频率c降低，ts增大，系统快速性变差；3、稳态误差增大，系统稳态精度降低。16二、比例-微分(PD)校正（相位超前校正）R(s)_GcC(s)G1PD校正后：1、相对稳定性提高；2、穿越频率增

9、大，系统的快速性提高；3、系统的高频增益增大，易引入高频干扰；4、对稳态精度不产生直接影响。17三、比例-积分(PI)校正（相位滞后校正）PI校正后：1、低频段0型 I型，系统稳态性能提高；2、中频段，系统的相对稳定性变差；3、高频段，校正前后对系统的性能影响不大。R(s)_GcC(s)G118第三节 反馈校正 一、特点一、特点 n 改变反馈所包围环节的动态结构和参数，消除所包围环节的参数波动对系统性能的影响。+-Xi()sXo()s+G1()sG()s2 G()scG()s3-G()s2*校正环节校正环节19在一定频率范围内，选择则有：所以 的影响可以忽略，即局部回路的特性完全取决于 。n

10、取代特性不好的局部结构。设局部环节传函如下：20二、反馈校正的形式位置反馈（比例反馈）：速度反馈（微分反馈）：加速度反馈（二阶微分反馈）：+-Xi()sXo()s+G1()sG()s2 G()scG()s3-G()s2*校正环节校正环节21三、位置反馈校正(比例反馈校正)校正后：结构不变，但增益降低。+-Xi()sXo()skkc1、包围比例环节222、包围积分环节 校正后：校正后：(1)由积分环节变成了惯性环节(改变了型次)；(2)积分环节消失，无静差有静差，稳态性能变差。+-Xi()sXo()sskkc233、包围惯性环节反馈系数kc越大，闭环增益和时间常数下降越多。+-Xi()sXo()sTs+1kkc（2）增益下降，由k 降为:（1）仍为惯性环节，但时间常数下降，由T 降为:反馈校正后:24四、速度反馈校正(微分反馈校正)校正后：比例变成惯性，增益不变。校正后：比例变成惯性，增益不变。1、包围比例环节+-Xi()sXo()skkcs252、包围积分环节 校正后：仍为积分环节，但增益减小。校正后：仍为积分环节，但增益减小。+-Xi()sXo()sssB()skck26