6-线性系统的校正方法

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自动控制原理-线性系统的校正方法new

自动控制原理-线性系统的校正方法new

L0(c) 10lg a 0
Lo(ω) 再说超前校正(续)
c
c
Lc(ω)
0dB
c
ω
若题目中给定 c
则先由 Lo (c) 10lg a 0dB 解出a
再由
c
m
1 Ta
若题目中给定
[ (6o ~ 12o )] m
解出T即可。
①先由 解出a,②由
③由 解出T
求出 c
在频率范围内输出信号相角比输入信号相角超前,超前网络 的名称由此而得。 校正原理:利用超前校正装置的相位超前特性
但不能取得太大(为了保证较高的信噪比),a一般不超过20 这种超前校正网络的最大相位超前角一般不大于 65
如果需要大于 65 的相位超前角,则要在两个超前网络相串联来实现,并 在所串联的两个网络之间加一隔离放大器,以消除它们 之间的负载效应。
2.无源滞后网络
如果信号源的内部阻抗为零,负载阻抗
为无穷大,则滞后网络的传递函数为
2.为使系统能准确复现输入信号希望带宽大点,但为了抑制噪 声又希望带宽小点。此外,为使系统有较高的稳定裕度希望开环 对数幅频特性在中频区斜率为-20dB/dec,高频区应迅速衰减。
3.开环对数相频特性,相角裕量为300~700,一般取450。太低 则动态性能以及对参数变化的适应能力都较差;太高则对系统 部件要求较高,且动态过程缓慢。
m
sin1
1b 1 b
斜率:[20] [0]
10 lg b
ω=0 0o
0o
ω=∞ +90o -90o
0o
0o
20 lg b
ω=10
1 bT

1
1
T
bT
10 ~ 15均可

6 线性系统的校正方法

6 线性系统的校正方法

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比例-微分(PD)控制规律要点:


产生有效的早期修正信号。
增加系统的阻尼程度,改善系统的稳定性。
③ 在串联校正时,可使系统增加一个开环零点, 使系统的相角裕度提高,因而有助于系统动态性能的 改善。
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例6-1 设比例-微分控制系统如图6-6所示;试分 析 PD控制器对系统性能的影响。
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比例(P)控制规律要点:
① 只改变信号的增益而不影响相位。
② 可以提高系统的开环增益,减小稳态误差,从 而提高控制精度。 ③ 会降低系统的相对稳定性,可造成闭环系统不 稳定。
④ 律。
在系统校正设计中,很少单独使用比例控制规
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(2)比例-微分(PD)控制规律
(6 1) (6 2) (6 3) (6 4) (6 5)
谐振频率:r n 1 2 2, 0.707 带宽频率:b n 1 2 2 2 4 2 4 4 截止频率:c n 相角裕度: arctan 1 4 4 2 2
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在串联校正时,采用 I 控制器可以提高系统的型 别(无差度)。
有利于系统稳态性能的提高。
但积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点, 使信号产生90°的相角滞后,于系统的稳定性不利。
因此,在控制系统的校正设计中,通常不宜采用单 一的 I 控制器。
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① 串联校正与 ② 反馈校正
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③ 前馈校正
前馈校正又称顺馈校正,是在系统主反馈回路之外 采用的校正方式。

线性系统的校正方法

线性系统的校正方法

k s(s1)
• 若量要 使4系00统,的试稳设态计速一度个误校差正系装数置K。v=12s-1,相位裕
解: (1) 根据稳态误差要求,确定开环增益K。
画出校正前系统的伯德图,求出相角裕量 0 和增益剪
切频率ωc0
k Kvls i0m sG 0(s)ls i0m ss(s1 )12
(=452)0,作出校正后的伯德图。求得:Kv=12s-1,
• K态g2=020+/1/19 dB,ωc从3.5 rad/s增加到4.6 rad/s。原系统的动
• 通过超前校正分析可知:
• (1)提高了控制系统的相对稳定性——使系统的稳定 裕量增加,超调量下降。

工业上常取α=10,此时校正装置可提供约550的超
。同时由于迟后校正在高频段的衰减作用,使增益
剪切频率移到较低的频率上,保证了系统的稳定性

• ② 响应速度变慢。

迟后校正装置使系统的频带变窄,导致动态响
应时间增大。
2020/1/19
• . 超前校正和迟后校正的区别与联系
超前校正
迟后校正
原 利用超前网络的相角超前特性,改善系统的 利用迟后网络的高频幅值衰减特性,改善
60

0 0 20o
• (2) 确定校正后系统的增益剪切频率c。在此频率上 ,开环传递函数的相位裕量应等于要求的相位裕量再 加迟上后(。50120)---补偿迟后校正网络本身在c处的相位
• 确定c。 • ,采原用系超统前在校其正增作益用剪不切明频显率,故c0处考的虑相采用角迟衰后减校得正很。快
范 围
超前校正则无此要求。 (2)要求有大的频宽和快的瞬态响应。 (3)高频干扰不是主要问题。

第六章 线性系统的校正方法

第六章 线性系统的校正方法

例6-4
调小了开环增益
(快速算)
串联滞后校正基本原理总结:
利用滞后网络或PI控制器的高频幅值衰减特性,使已校正 系统截止频率下降,从而使系统获得足够的相角裕度。因此, 滞后网络的最大滞后角应力求避免发生在系统截止频率附近。
在系统响应速度要求不高而抑制噪声电平性能要求较高的 情况下,可考虑采用串联滞后校正。
理上难以准确实现)
2)频率响应校正设计的实质(问答题)
依据:三段频理论
用频域法设计控制系统的实质,就是在系统中加入频率 特性形状合适的校正装置,使得开环系统频率特性形状变成 所期望的形状:低频段增益充分大,以保证稳态误差要求; 中频段对数幅频特性斜率一般为20dB / dec,并且占据充分宽的 频带,以保证具备适当的相角裕度和时域响应的快速性;高 频段增益尽快减小,以消弱噪声影响。
Gc
(s)
(1 Tas)(1 Tbs)
(1 Tas)(1
Tb
s)
1
5. 串联综合法校正
综合校正方法将性能指标要求转化为期望开环对 数幅频特性,再与待校正系统的开环对数幅频特性 比较,从而确定校正装置的形式和参数。该方法适 用于最小相位系统,但有可能求出来的校正装置无 法物理实现。
6-4. 反馈校正
负实零点
(可提高相角裕度)
例6-2
注:
PID控制器可利用有源装置实现
PID控制器各部分参数的 选择,通常可以在系统现 场进行调试(经验很重 要),最后确定。
注:
PID控制的优点: 校正装置中最常用的是PID控制规律。在科学技D由于它自身的优点仍然是得到最广 泛应用的基本控制规律。
第六章 线性系统的校正方法
▪ 6-1 . 系统的设计与校正问题 ▪ 6-2. 常用校正装置及其特性 ▪ 6-3. 串联校正 ▪ 6-4. 反馈校正 ▪ 6-5. 复合校正 ▪ 6-6. 控制系统校正设计

自动控制原理第六章线性系统的校正方法

自动控制原理第六章线性系统的校正方法

对数幅频特性曲线如下图
16
10 3) 预选Gc(s)=τs+1,则 Gk ( s ) = (τs + 1) s ( s + 1)
′ 要求τ使系统满足 γ ′′ 和 ω c′ 的要求。 ′ 选择 ω c′=4.4dB/dec,求τ,则:
" L( wc ) = 20 lg 10 − 20 lg 4.4 − 20 lg 4.4 + 20 lg 4.4τ
1 / 2T 则 Gk ( s ) = s (Ts + 1)
其相频特性为: ϕ (ω ) = −90o − arctan Tω
1 = 63.5o γ (ωc ) = 180 + ϕ (ωc ) = 180 − 90 − arctan T ⋅ 2T
o o o
h=∞
21
∴由 ξ = 0.707 得性能指标为:
2
N R E
串联 校正 控制器 对象
已知被控对象数学模型 G p (s),即根据生产要求而 得到的系统数学模型,称为 固有部分数学模型,在工程 实际中是不能改变的。
C
反馈 校正
根据固有数学模型和性能要求进行分析,若现有闭环情况 下没有满足的性能指标或部分没有满足要求的性能指标,则人 为的在固有数学模型基础上,另加一些环节,使系统全面满足 性能指标要求,这个方法或过程称为校正,也称为系统设计。 所附加的环节被称为控制器,其物理装置称为校正装置。 通常记为Gc(s)
2 2 典型二阶系统可表示为: ωn ωn Φ(s) = 2 Gk ( s) = 2 s ( s + 2ξω n ) s + 2ξω n s + ω n
ξ
19
2 ωn C ( jω ) Φ ( jω ) = = =1 2 2 R ( jω ) ( jω ) + 2ξωn ⋅ jω + ωn 2 ωn

线性系统校正

线性系统校正
➢通过引入积分控制作用以改善系统的稳态性能。 ➢通过比例控制作用来调节积分作用所导致相角滞 后对系统的稳定性所带来的不利影响。
线性系统校正
四、PID控制
(1s1)(1s1)
G c(s)U E((ss))KpT 1 isTdsT1
T2 T2s
T1,2
1 2Td
[Kp
K24Td ] T p
i
一个纯积分环节 两个负实部零点
二、比例微分(PD)控制 U(s)
Gc(s)E(s)KpTds
微分控制具有预测特性。 Td 就是微分控制作用超前于比例控制作用效 果的时间间隔。
!微分控制不可能预测任何不存在的作用。
线性系统校正
若取 K p =1
Gc(s)U E((ss)) 1Tds
G c(j)1jT d
Lc()20lg1Td22
第六章 自动控制系统的校正
第一节 线性系统校正的概念 第二节 线性系统基本控制规律 第三节 常用校正装置及特点 第四节 校正装置设计的方法和依据 第五节 串联校正的设计 第六节 反馈校正的设计 第七节 反馈和前馈复合控制 第八节 MATLAB在线性系统校正中的应用
线性系统校正
第一节 线性系统校正的概念
近似有:
Lc
(
)
20lg i
0, (i
,( d
i
)
)
20 lg
d
, (
d
)
线性系统校正
90,( 0)
c() 0,( id )
90
,
(
)
第三节 常用校正装置及特点
校正装置
无源校 正装置
无相移校正装置 相位超前校正装置 相位滞后校正装置 相位滞后—超前校正装置

第六章线性系统的校正方法

第六章线性系统的校正方法

第六章线性系统的校正方法第六章线性系统的校正方法一、教学目的与要求:通过对本章内容的讲述,要让学生懂得校正的目的,校正的基本方式。

掌握控制系统的基本控制规律,常用校正装置的特点与功能,串联超前、滞后、滞后- 超前校正的设计步骤。

关键是通过这些知识的学习,将前面几章的内容综合起来加以运用,本章知识是在实际应用中的指导思想。

二、授课主要内容:1.系统的设计与校正问题1)性能指标2)校正方式3)基本控制规律2.常用校正装置及其特性1)无源校正装置2)有源校正装置3.串联校正1)串联超前校正2)串联滞后校正3)串联滞后—超前校正(详细内容见讲稿)三、重点、难点及对学生的要求(掌握、熟悉、了解、自学)(1)重点掌握的内容1)掌握用解析法设计一阶、二阶串联校正装置的方法。

2)掌握本书介绍的两大类利用Bode 图设计串级校正装置的频率域方法。

3)掌握本书中介绍的前馈校正装置(包括前置滤波器)的设计方法。

(2)一般掌握的内容1)掌握用解析法设计串联PID 控制器的方法。

2)掌握用解析法设计并联校正装置的方法。

(3)一般了解的内容1)了解校正的四大方式及其作用。

2)了解校正装置的RC 网络实现的物理构成。

3)了解解析法设计一般二次校正装置的思想。

4)了解频率域与时域指标间的互换公式。

四、主要外语词汇性能指标performance specification 校正方式compensation mode 基本控制规律basic control rule 串联校正series compensation 反馈校正feedbackcompensation 超前校正lead compensation 滞后校正lag compensation 超前-滞后校正lag-lead compensation 复合校正complex compensation五、辅助教学情况(见课件)六、复习思考题1. 什么是控制系统的校正?什么是串联校正方式?校正装置的选取原则是什么?2. 简述串联校正方式中调节器的设计方法并说明各设计方法的特点?3. 比例微分控制规律对改变系统的性能有什么作用?4. 比例积分控制规律对改变系统的性能有什么作用?5. Kc、Ti 及Td 改变后对系统控制质量的影响如何?6. 分析积分作用的强弱,对系统有何影响?7. 将PID 环节中的微分部分改为不完全微分形式,曲线形状如何?七、参考教材(资料)1.《自动控制理论与设计》曹柱中徐薇莉编上海交通大学出版社2.《自动控制原理》翁思义杨平编著中国电力出版社参考两书第六章有关内容。

自控第6章 线性系统的校正方法

自控第6章 线性系统的校正方法
自动控制原理 Automatic Control Theory
第 六 章
线性系统的校正方法
本章主要内容

6-1 系统的设计与校正问题

6-2 常用校正装置及其特性
6-3 串联校正 6-4 反馈校正 6-5 复合校正



校正:是在系统中加入一些其 参数可以根据需要而改变的机构或 装置,使系统的整个特性发生变化,
Ta R1C1
Tb R2C2,
Tb Ta
T1 Tb 1 Ta T2
式中前一部分为相位滞后校正,后一部分为相位 超前校正。对应的波特图如图所示。由图看出不同频
段内呈现的滞后、超前作用。
波特图
Gc ( s )
(1 Ta s )(1 Tb s ) T (1 Ta s )(1 b s )
Phase (deg)
-135
-180 10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
Frequency (rad/sec)
设计无源超前校正网络步骤: 1)根据稳态误差要求,确定开环增益K。 2)利用已确定的开环增益,计算待校正 系统的相角裕度。 3)根据截止频率的要求,计算超前网络 参数a和T。 4)验算已校正系统的相角裕度。
求得
( c) 46

于是 ,由 (c) 曲线查得 c 2.7(rad / s) .由于指标要 求 c 2.3 ,故 c 值可在2.3~2.7范围内任取 .考虑到 c 取
1 1

说明系统不稳定。
Magnitude (dB)
Bode Diagram Gm = -6.02 dB (at 7.07 rad/sec) , Pm = -17.2 deg (at 9.77 rad/sec) 50 0 -50 -100 -150 -90
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俯仰角控制系统方块图 θ0 给 定 装 置 放 大 器
扰动
舵 机
飞 机
θc
反馈电 位器 垂直 陀螺仪
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自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
Part 1-3 自动控制系统的分类 (1)按系统中传递信号的连续性分类 连续控制系统: 系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。 连续控制系统通常采用微分方程描述。 离散(数字)控制系统: 系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量 传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描 述。
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[实质]检测偏差再纠正偏差。
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自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
2.恒温箱自动控制系统
[动态过程]
恒温箱实际温度由热电 偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电 压u1给定,并与实际 温度u2比较得到温度 偏差信号u=u1-u2 温度偏差信号经电压、功率放大后,用以驱动执行电动 机,并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时, 动触头向减小电流的方向运动,反之加大电流,直到温度 达到给定值为止,此时,偏差u=0,电机停止转动。
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自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
经典控制(1935-1950)
美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构, 提出PID控制方法(1922)。 美国E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器 (1925),气压反馈控制器(1929)。
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自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
英国J. Watt用离心 式调速器控制蒸汽机 的速度(1788年)
英国J. C. Maxwell 发表“论调速器”(On Governors)论文 (1868年)
英国E.J. Routh建立 Routh判据(RouthHurwitz Stability Criteria)(1875年) 俄国A.M. Lyapunov博 士论文“论运动稳定性的 一般问题” (1892年)
中国,埃及和巴比伦出现自动 计时漏壶(1400BC-1100BC)
公元132年张衡研制的候风地动仪
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自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
中国马钧研制出用齿 轮传动的自动指示方 向的指南车(235年)
中国明代宋应星所著《天 工开物》记载有程序控制思 想(CNC)的提花织机结构图 (1637年)
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自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
(2)开环控制方式
控制器与控制对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制 过程。特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。 开环控制系统可以按给定量控制方式组成,也可以按扰动控 制方式组成。
1) 按给定量控制的开环控制系统 *没有自动修正偏差的能力,抗扰动性较差。 2) 按扰动控制的开环控制系统 开环控制方式的优点:结构简单,系统分析和设计较简便。 缺点:不能补偿其他因素对系统输出的影响。
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自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
[实质] 检测偏差 纠正偏差
系统原理方块图
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第六章 线性系统的校正方法
Part 1-2-2飞机-自动驾驶仪系统
反馈电位器
给定电位器
飞机示意图
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第六章 线性系统的校正方法
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自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
6校正元件(补偿元件): 用以改善系统控制质 量的装置。 校正元件分为串联和并联两种。 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共 同起控制作用,统称为控制器。
实际的控制系统中,扰动总是不可避免的,扰动分为内部扰 动和外部扰动。但在控制系统中,扰动集中表现在控制量与 被控量的偏差上,因此,可以将控制系统的扰动等效为对控 制对象的干扰。
自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
Part 1-1-2 自动控制科学的历史和发展 前期控制 (1400BC-1900) 经典控制 (1935-1950)
工业机器 空间技术 控制理论
现代控制 (1950-Now)
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自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
前期控制(1400BC-1900)
“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”
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12
自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
现代控制(1950-Now)
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自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法 (Negative Feedback Amplifier) (1927)
美国MIT的N. Wiener于1948年发表《控制论》一书, 标志着控制论学科的诞生。自动控制的基础为闭环控制。 控制论的奠基人N.Wiener给出的定义为:
自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
本章主要内容: I-I 自动控制的基本原理与方式
I-2 自动控制系统示例
I-3 自动控制系统的分类
I-4 对自动控制系统的基本要求
I-5 自动控制系统的分析与设计工具 1-6 授课内容
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1
自动控制原理
性能如何描述? 控制器的设计:传递函数的结构 与参数 选择
第六章 线性系统的校正方法
校正的含义
不可变部分
控制器
执行器
受控对象
测量装置
校正的目的:设计控制器使系统满 足给定的性能
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2
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第六章 线性系统的校正方法
校正的任务
根据被控对象以及控制要求,选择适当的控制 器及控制规律设计一个满足给定性能指标的控制 系统。
校正(补偿):通过改变系统结构,或在系统中增加 附加装置或元件对已有的系统(固有部分)进行 再设计使之满足性能要求。
(校正装置)
控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置
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3
自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
Part 1-1 自动控制的基本原理与方式
1-1-1 1-1-2 1-1-3 1-1-4 1-1-5
自动控制技术及其应用 自动控制科学的历史和发展 反馈控制原理 反馈控制系统的基本组成 自动控制系统基本控制方式
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18
自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
综上所述
控制系统的工作原理:
检测输出量(被控制量)的实际值; 将输出量的实际值与给定值(输入量)进行比较 得出偏差; 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差,使得输 出量维持期望的输出。
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19
自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
现代控制起源于冷战时期的军备 竞赛,如导弹(发射,操纵,指导 及跟踪),卫星,航天器和星球大 战,以及计算机技术的出现
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自动控制原理
第六章 线性系统的校正方法
※20世纪50~60年代,人类开始征服太空。 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功 (1957)
Part 1-1-4 反馈控制系统的组成
反馈控制系统基本组成定元件: 产生给定信号或输入信号。 2反馈元件(测量元件): 测量被控制量(输出量),产生反馈信 号。为便于传输,反馈信号通常为电信 号。
第六章 线性系统的校正方法
注意:在机械、液压、气动、机 电等系统中存在着内在反馈,这种反馈无须专门的反馈元件,是系统内部 各参数相互作用产生的,如作用力与反作用力之间形成的直接反馈。 3比较元件: 对给定信号和反馈信号进行比较,产生偏差信号。 4放大元件: 对偏差信号进行放大,使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。 5执行元件: 直接对受控对象进行操纵的元件,如电动机、液压马达等。
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第六章 线性系统的校正方法
Part 1-1-1 自动控制技术及其应用
控制的本意 :为了达到某种目的对事物进行支配、 管束、管制、管理、监督、镇压。
例1.[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板 温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。
自动控制 :
在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置 (称 控制装置或控制器 ), 使机器、设备或生产过程 (被控对象)的某个工作状态或参数(即 被控量 )自动 地按照预定的规律运行。
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第六章 线性系统的校正方法
Part 1-1-5 自动控制系统基本控制方式 (1)反馈控制方式
反馈(闭环) 控制:是控制系统的主要控制方式。自动控 制原理的主要研究对象是反馈控制系统。优点:能够抑制任 何内外扰动对被控量的影响,控制精度高;缺点:结构复杂,
可能出现系统不稳定问题,系统分析和设计较困难。
例2.[程控机床]:自动进刀切削,加工出预期的几何形 状直线、圆弧等各种差补控制,进给量控制,等等。
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第六章 线性系统的校正方法
自动控制的应用
应 用 领 域
工业 航空航天 机器人控制 导弹制导 核动力 生物 医学 环境 管理 日常生活
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