第六章 控制系统的综合与校正2.ppt

第六章 控制系统的综合与校正,6-1 引言,6-2 超前校正参数的确定,6-3 滞后校正参数的确定,6-4 滞后超前校正参数的确定,6-5 用希望对数频率特性确定校正参数,6-6 反馈校正参数的确定,本章基本要求,(1)熟悉三种基本校正网络的频率特征。 (2)掌握期望特征对高中低三段的要求和特点。 (3)重点掌握和熟练运用三种串联校正的设计方法和基本步骤;在正确理解三种串联校正网络在系统中作用的基础上，会灵活运用校正方法。 (4)掌握反馈校正的一般方法。 (5)掌握根轨迹校正的一般方法。,一、基本概念,当明确了被控对象后，根据技术指标来确定控制方案，进而选择传感器、放大器和执行机构等就构成了控制系统的基本部分，这些基本部分称为不可变部分（除放大器的增益可适当调整，其余参数均固定不便）。当由系统不可变部分组成的控制系统不能全面满足设计需求的性能指标时，在已选定的系统不可变部分基础上，还需要增加必要的元件，使重新组合起来的控制系统能全面满足设计要求的性能指标，这就是控制系统的综合与校正问题。,6-1 概述,前几章的学习，我们讨论了控制系统的各种分析方法。也就是说在已知自动控制系统的结构和参数的情况下，计算或估算系统的性能指标（即看系统能不能稳定？快速性如何？二者均可了，还要看其精度如何？）-称为系统分析,而在工程实际中，性能指标往往是事先给定的，要求组成一个系统并选择合适的参数，以满足这些性能指标的要求。,简言之：,在已知被控对象，在给定性能指标的条件下，设计一个满足给定性能指标的控制系统，这类工程问题称为系统设计,系统设计包括选择控制方案、传感器、执行机构等组成一控制系统，为使系统满足性能指标的要求，添加校正装置-称为系统校正（综合）,1、校正方式,校正装置可以串联在前向通道之中，形成串联校正,也可以接在系统的局部反馈通道之中，形成并联校正或反馈校正,将校正装置串联在系统的输入端称为前置校正,干扰补赏校正P96图3-14,2、校正方法,根轨迹法校正 频率法校正,3、校正的本质,从前面的分析我们知道，系统的零、极点的分布对系统的性能影响很大。 校正的本质： 引入校正装置的目的：就在于用附加零、极点办法来实现对系统的校正。,其本质：,本质就是改变原来的零、极点的分布情况。即改变系统的根轨迹或频率特性曲线的形状。以达到改善系统系统性能的目的。,如控制系统的输入信号r(t) 的频率响应R(jw)有如下特性： ，当wwm，如左图所示，通常称0wm为输入频宽。,图6-3 输入信号的频率特性,二、输入信号与控制系统带宽,由于输入信号多为低频信号因此输入信号的带宽较窄。,在闭环幅频特性上，幅值等于 的频率wb，称为系统的截止频率，对应的频率范围0wb成为系统的频宽。,图6-4 典型闭环频率特性,例如：左图中R(jw)为输入信号，频率较低；F(jw)为干扰信号，而干扰信号集中起作用的带宽在w1w2，刚好出与输入信号带宽之外，因此控制系统选择合适的带宽就能准确复现输入信号又能完全抑制扰动信号f(t)。,对自动控制系统如何合理的选择带宽是很重要的。,三、基本控制规律分析,1比例（P）控制规律 2积分（I）控制规律 3比例微分（PD）控制规律 4比例积分（PI）控制规律 5比例积分微分（PID）控制规律,1比例（P）控制规律,具有比例控制规律的控制器称为比例控制器，又叫P调节器，因为比例控制器的输出信号能成比例地反映其输入信号，所以其运动方程为,2积分（I）控制规律,具有积分控制规律的控制器称为积分控制器，又称为I调节器。I控制器的输出信号能成比例地反映其输入信号的积分，即,r(s),C(s),m(s),3比例微分（PD）控制规律,具有比例加微分控制规律的控制器称为比例微分控制器，又称为PD控制器，其输出信号与其输入信号的关系为,例6-1 设具有PD控制器的控制系统，是分析比较加比例微分控制规律对系统性能的影响。,R(s),_,C(s),解：在没有加PD控制器时，给定系统的闭环特征方程为：,举例,从特征方程中看出，该系统的阻尼比为0，此时系统的输出C(t)为一不衰减的等幅振荡曲线，系统处于理论上的临界稳定状态，实际上是一种不稳定状态。,当系统加入PD控制器后，此时系统的特征方程为：,R(s),_,C(s),R(s),_,C(s),可见系统是稳定的：这是因为系统加入PD控制器后，提高了给定系统的阻尼比，使特征方程的s项的系数由原来的0变化到大于0（即特征方程的各项系数均存在，由原来的缺项变到不缺项）而系统的阻尼比可以通过调节PD控制器中的kp和 来实现。,微分环节只对动态有反应，而对无变化和变化极其缓慢的输入信号，没有控制作用，即相当于开路因此微分环节不能单独使用。,微分环节对输入的高频信号反应特别敏感，而噪声等干扰信号大多为高频信号，因此容易堵塞放大器，对控制不利。,注意,4比例积分（PI）控制规律,具有比例积分控制规律的控制器，称为比例积分控制器，又称为PI控制器.PI控制器的输出信号能同时成比例地反应其输入信号和它的积分，即,例6-2 设如下图所示的单位反馈系统的不可变部分的传递函数为：,试分析PI控制器对改善给定系统稳定性能的作用,解：由上图可见，在未加入PI控制器前，系统的开环传递函数为：,此时系统为1型系统（含一个积分环节），当系统加入PI控制作用后，系统的开环传递函数为：,可见系统无差度由1提高到2。由无差度理论可知，无差度的提高，可使系统的稳定性提高，使系统的稳定性能改善。设系统的输入信号r(t)=Rt，未加入PI控制器时，系统的稳态误差为：,求稳态误差刻有多种方法:,查表的方法 在未加入PI控制器使系统为1型系统，系统的 输入信号位r(t)=Rt，1型系统的开环增益即为速 度误差系数，所以：,求系统的误差传递函数E(s)/R(s)，然后再由拉斯变换的终值定律，求稳态误差,R(s),C(s),求速度误差系数的的方法求稳态误差,可见未加入PI控制器时，系统在给定输入作用下的稳态误差为一常数（R/k0),当系统加入PI控制后，系统的开环传递函数为（变为系统）：,由此可见在无差度为1的系统中加入PI控制器，可以消除速度信号作用下的稳态误差，所以说PI控制器可以改善系统的稳态性能。,系统的稳态误差为,采用PI控制器后。控制系统的特征方程为：,T、Ti、kp、k0皆为正数，所以在上面的特征方程中，变量s的各次幂的系数也将全部大于零，满足系统稳定的必要条件所以合理的选择上述各参数，采用PI控制器的1型系统完全可以做到既保证闭环的稳定性又能提高系统的稳态质量（精度）。,PI控制器的作用,在保证系统稳定的基础上，提高系统的无差度，从而使系统的稳态性能得以改善。这是因为PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点和一个位于s平面左半面的开环零点。而位于原点的极点可以提高系统的无差度，减少系统的稳态误差，从而改善系统的稳态性能，负零点可以减少系统的阻尼比，从而减少PI控制器极点对系统稳定性和动态过程的不利影响。,5比例积分微分（PID）控制规律,由比例、积分、微分基本规律组合起来的控制器，简称为PID控制器。这种组合具有三种单独控制规律各自的特点，其输出信号与输入信号之间关系为：,由上式可求得PID控制器的传递函数,由上式可见,PID控制器可使系统的无差度增加，因此可以提高系统的稳态性能。另PID控制器还给系统提供了两个负实零点，相当于增加了两个一阶微分环节（超前环节）这样可以提高系统的相位裕度，进而提高系统的相对稳定性。在前面的学习中我们知道：相位裕度(r)增加， %减小，从而使ts下降，提高了快速性。 也就是说合理调节PID控制器参数后，既可以提高系统的稳定性、又可提高系统的动态性能。因此在要求较高的系统中多采用PID控制器。,一、超前校正及其特性,6-2 超前校正参数的确定,（PD控制器）,PD的时域描述,1,PD控制器对正弦输入信号的稳态响应仍为同频率的正弦信号 输出的正弦信号将在相位上超前于输入信号一个角度，其超前相角是微分时间常数和角频率的函数，其最大超前相角为900 可见，PD控制器是具有超前特性的元件，所以称之为超前校正装置。,在控制系统中，使用具有相位超前特性的控制器作为系统特性校正装置的校正形式称为超前校正。在实际运用中，常常采用带惯性的PD控制器作为超前校正元件，它们的传递函数为：,它可以通过无源网络或有源网络来实现。,无源网络相位超前装置,将以上方程组进行拉氏变换变换，得到系统的结构框图,1/R1,R1CS,R2,ur,uc,_,可见超前校正装置是由比例、微分加惯性环节组成。,由上式,-1/aT 零点,极点,s,改变a、T可改变零、极点的位置，即改变频率特性两个转折频率间的相对位置，从而获得适当的正相位移。,-1/T,从图中可见零点离虚轴近，极点离虚轴远。所以超前环节对输入信号具有明显的微分作用。所以称为PD控制器。,超前环节的Bode图,正好在两转折频率的几何中点处。,在w=wm处,对数幅频特性,超前角的最大值为,若确定了最大补赏角，则可反过来确定参数a。,很多书中给出了a 和 得关系曲线，以及数据关系。,当 值较小时，由于最大超前相移 较小，故超前校正作用不大；当 的取值介于5至20之间时， 增加较快，其 值为4265，也较大，从而超前作用显著，这也是在确定超前校正参数时较常采用 的依据；当取 时， 随 值增加变化较小，故 的方案极少采用。,二、超前校正举例,用频率法进行超前校正的一般步骤 根据稳态误差要求，确定控制系统的型别和开环增益K。 利用已知的开环增益，计算待校正系统的频率频率响应 根据要求的剪切频率 与相位裕度 ，由下式计算超前校正环节应当提供的最大超前相位角,由最大超前相位角 ，利用式（6-2）确定校正装置的参数a。此时要保证,由 ， 确定 ，为了充分发挥超前校正装置的相角超前特性，希望 对应的角频率与校正后的剪切频率重合，即 ，以保证系统的响应速度。显然， 成立的条件是：,由上式求出 ，如果 等于或近似等于要求的 ，择取 进行下一步的计算，如果 与要求的 相差较大，那么必须先按 的要求，由（图6-5）出a，然后在计算出相应的 ，最后检验是否满足相位裕度的要求。 由a， 根据（6-3）确定T. 验算以校正的系统是否满足要求，如不满足按上述方法再来直到满足要求为止,例 设某控制系统不可变部分的传递函数为：,要求系统具有如下性能指标 开环增益 相角裕度 幅值裕度 剪切频率,解：1）根据误差的要求取 2）确定开环增益kc后，计算未校正前的,从上面的解题中可见，未校正前的系统幅值裕度满足要求，其它两项不满足要求。因此需要采用超前校正。作出校正前的Bode图。此时的Wc=6.2rad/s,-20,-40,r=17.90,10lga,3）计算串联超前校正装置必须提供的最大超前角 （从图中可以看出当Wc取10rad/s时，需要补上的角度要跟大些，所以这里要增加一个 ）,4）由 确定校正装置的参数a,由（6-13）式得：,得：,由（6-2）式变形有,由于a=520校正效果最佳，所以取a=8,5)由 确定 根据（6-17）式有,从上式中，求得：,？为什么要如此计算，目的在于获得最大补偿角,6）由a、 确定T,由（6-3）式得：,7）验算已校正系统的性能指标,显然校正后的剪切频率为：Wc=10rad/s，故校正后的相位裕度为,这类问题如果利用Matlab，是非常方便的,（1)绘制未校正前的Bode图，对照要求的性能指标分析系统,校正后系统的开环传递函数为：,Matlab程序,% 清除内存变量 clear; num=20; den=conv(1 0,0.5 1); %绘制未校正系统的Bode图 figure(1) bode(num,den); grid %计算未校正系统频率应 Gm0,Pm0,Wg0,Wc0=margin(num,den); disp(margin of old system); kg0=20*log10(Gm0); Pm0,Wg0,Wc0,kg0,%未校正系统的单位阶跃响应图 num=20; den=conv(1 0,0.5 1); numb,denb=cloop(num,den); step(num,denb),未校正前：Kg0=Inf，Pm0=17.96420，Wc0=6.185，Wg0=Inf 由仿真结果可见，相位裕度与剪切频率不满足要求，故需校正，为提高系统的相位裕度，所以采用超前校正装置。,（2）验算校正系统的性能指标,Matlab程序：,num=20; den=conv(1 0,0.5 1); num1=conv(num,0.2832,1); den1=conv(den,0.0354,1); %绘制已校正系统的Bode图 figure(2) bode(num1,den1); grid; %计算 Gm,Pm,Wg,Wc=margin(num1,den1); disp(margin of new system); kg=20*log10(Gm); Pm,Wg,Wc,kg,运行上面的程序后，得知： Kg=Inf，Pm=61.3210，Wg=Inf，Wc=10.9224 从以上运行结果可见，通过超前校正后系统的性能指标全部得到的满足。,% 清除内存变量 clear; num=20; den=conv(1 0,0.5 1); %绘制未校正系统的Bode图 figure(1) bode(num,den); grid num=20; den=conv(1 0,0.5 1); num1=conv(num,0.2832,1); den1=conv(den,0.0354,1); num2=0.2832,1; den2=0.0354,1; %绘制已校正系统的Bode图 hold on bode(num1,den1); bode(num2,den2);,校正前后bode图的比较,观察校正前后，系统地单位阶跃响应,通过simulink建模观察,% G(s)=20/s(0.5s+1)-Gx(s)=20(0.2832s+1)/s(0.5s+1)(0.0354s+1) num=20;den=0.5 1 0; numb,denb=cloop(num,den) %未校正前 step(numb,denb) numx=conv(0.2832 1,20);denx=conv(0.0354 1,0.5 1 0); numxb,denxb=cloop(numx,denx); %校正后 hold on step(numxb,denxb),通过Malta编程观察,由此可见系统通过超前校正，系统的平稳性和快速行均得到明显的改善,三、超前校正的特点,利用超前校正可提高系统的相对稳定性，因为加入一个相位超前环节，使相位裕度提高，提高了系统的相对稳定性。 超前校正缓解可提高系统的快速性，因为r增加是系统的Mr和 %量下降。Ts减小。 超前环节可提高系统稳定性。采用PD控制器，其微分作用相当于增大系统的阻尼比，系统稳定性提高。,6-3 滞后校正参数的确定,一、滞后校正及滞后校正元件的特征,如前所述的PI控制器的运动方程为：,则PI控制器的传递函数为：,从PI控制器的传递函数容易看出，其分子提供相位超前角度小于分母提供的相位滞后角度，就是说总相位是滞后的。因此PI控制器具有滞后特性的元件，称为滞后校正装置，,从PI控制器的传递函数的表达式，可见PI控制器可提高系统无差度，从而提高系统的精度，降低稳态误差。,在控制系统中，当采用具有相位滞后特性的控制器作为系统的校正装置，这种校正形均称为滞后校正。在实际运用中，采用近似PI控制器实现串联滞后校正，其传递函数为：,（6-5）式,近似PI控制器可由无源网络和有源网络实现,滞后校正装置的频率特性为：,根据上式绘制的Bode图如下图所示,与超前校正环节类似，最大滞后角发生在1/T和1/bT的几何中点处。,滞后角的最大值为：,二、滞后校正举例,滞后校正的一般步骤,根据稳态误差要求,确定开环增益以K； 利用已知的开环增益，计算校正系统的频率响应 判断未校正系统在动态特性方面是否满足性能指标的要求如果上一步求出的 ，则由下式,计算未校正系统在要求的剪切频率 处的相位裕度 。若 大于或略大于要求的相位裕度 ，则未校正系统在动态特性方面已满足性能指标的要求，采用串联滞后校正就能全面满足性能指标的要求。 4）根据对相角裕度的要求，确定剪切频率 如果未校正系统不能满足相位裕度以及幅值裕度指标的要求就应该在未校正的相频特性上找到这样一个频率 ，对应的 相角等于必要的相位裕度。这里所说的必要的相位裕度等于性能指标要求的相位裕度再加上 的相位增量，追加相位增量的目的是补偿串联滞后校正装置在剪切频率 处产生的相角滞后。,例 设某控制系统不可变系统部分的开环传递函数为：,一般 ，于是，,5）根据下列关系确定滞后校正装置的参数b和T,要求系统的具有如下性能指标： 开环增益k=5s-1。 相位裕度r400。 幅值裕度kg(dB)10 dB。 剪切频率Wc0.4 rad/s。 试确定串联滞后校正装置的参数,解：（1）计算考虑开环增益的未校正系统的频率响应,%未校正前的阶跃响应图 num=5; den=conv(1 1 0,0.5 1); numb,denb=cloop(num,den); step(numb,denb),我们可以通过Matlab方便的进行验证,%未校正系统bode图 num=5; den=conv(1 1 0,0.5 1); bode(num,den),（2）计算未校正系统在要求的剪切频率Wc处的相位裕度r(Wc) 就是若将未校正系统的剪切频率放在要求的wc处，此时得相位裕度为：,可见采用滞后校正是可行的。,（3）依据对相角增量的要求，确定剪切频率Wc,未校正前的Bode图如下：,Wco=1.8,ro=12.90,Wc=0.4,r=56.9o,20lgb,本例留12o的相角增量：,（4）由Wc确定,由（图6-8）有：,（5）由 确定T,根据经验公式 取,（6）验算已校正系统的性能指标,校正后的系统开环传递函数为：,校正后的相位裕度为：,利用Matlab绘制校正后的bode图,%校正前后的bode图 num=5; den=conv(1 1 0,0.5 1); bode(num,den) hold on numx=conv(num,11.9 1); denx=conv(den,119 1); bode(numx,denx),%校正后的bode图 num=5; den=conv(1 1 0,0.5 1); numx=conv(num,11.9 1); denx=conv(den,119 1); bode(numx,denx),%校正前后的bode图 num=5; den=conv(1 1 0,0.5 1); bode(num,den) hold on numx=conv(num,11.9 1); denx=conv(den,119 1); bode(numx,denx) %校正装置的bode图 num=5; numj=11.9 1; denj=119 1; hold on bode(numj,denj),利用Matlab绘制校正后以及的bode图,校正前后的阶跃响应曲线,%校正前的阶跃响应曲线 num=5; den=conv(1 1 0,0.5 1); numb,denb=cloop(num,den) step(numb,denb),%校正后的阶跃响应曲线 numx=conv(num,11.9 1); denx=conv(den,119 1); numxb,denxb=cloop(numx,denx) step(numxb,denxb),绘制滞后校正后的Bode图,从计算结果可见，校正后的系统全部满足性能指标要求，说明滞后校正是成功的。,观察一下校正前后的系统地阶跃响应情况,三、滞后校正的特点,串联滞后校正的作用主要在于提高开环放大倍数，从而改善系统的稳定性能，而对原有的动态性能不产生影响。因此，串联滞后校正主要用在未校正系统的动态性能已经满足性能指标的要求，只需增大开环放大倍数就可以提高控制精度的系统中。,从对数幅频特性曲线来看，串联滞后校正网络本质上是一低通滤波器。因此经过滞后校正后的系统对低频信号具有较强的放大能力，这样更可降低系统的稳态误差，但对高频信号系统则表现出显著的衰减特性。 应指出的是：串联滞后校正是利用它对高频信号的衰减特性，而不是利用其相角滞后特性，因此应将滞后校正环节加在原系统的低频段。在这点上，串联滞后校正相对于串联超前校正来说，具有完全不同的概念,串联滞后校正使系统的带宽变窄，因而对高频信号具有明显的衰减作用，但减低了系统的快速性。 也就是说：应用串联滞后校正，一方面提高了系统动态过程的平稳性，另一方面减低了系统的快速性，虽然使系统带宽变窄，却提高了抑制干扰信号的能力。 串联滞后校正装置近似PI控制器，存在积分效应，使得串联滞后校正的相对稳定性下降，为克服这一点，串联滞后校正参数应选择的足够大，以使近似的PI控制器在剪切频率处造成的相角滞后控制在5o12o，但T不能太大以免难于实现。,在对幅值大的信号具有饱和或限幅作用的控制系统中采用串联滞后校正时，可能产生条件稳定现象，这是在确定串联滞后校正参数时应注意的一个问题 不合适串联超前校正的控制系统，可考虑采用滞后校正，但这绝对不意味着，凡是串联超前校正不能凑效的系统，滞后校正就一定能成功。 事实上，的确存在这样的一些系统，它既不能单独通过串联超前校正，也不能单独通过串联滞后校正使其满足所提出的性能指标。在这种情况下，可考虑兼有串联滞后和串联超前校正或其他校正方法。,