控制系统的设计与校正PPT课件

一般串联校正设计较简单，也较容易对信号进 行各种必要的变换，但需注意负载效应的影响。
反馈校正可消除系统原有部分参数对系统性 能的影响，所需元件数也往往较少。
性能指标要求较高的系统，往往需同时采用 串、并联校正方式。
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第五章 控制系统的设计与校正
控制系统的设计方法 ➢ 分析法（试探法）
➢ 对于某些数学模型推导起来比较困难的元 件，如液压和气动元件，通常可以通过频 率响应实验来获得其Bode图，当在Bode图 上进行设计时，由实验得到的Bode图可以 容易地与其他环节的Bode图综合；
➢ 在涉及到高频噪声时，频域法设计比其他 方法更为方便。
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第五章 控制系统的设计与校正
第五章 控制系统的设计与校正
1 Ti
0t
d
Td
d dt
t
—— 积分控制项，Ti为积 分时间常数；
—— 微分控制项，d为微
分时间常数；
PID控制的传递函数：
Gc(s)U ((ss))Kp1T1 isTds
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第五章 控制系统的设计与校正
PID控制是控制工程中技术成熟、理论 完善、应用最为广泛的一种控制策略，经过 长期的工程实践，已形成了一套完整的控制 方法和典型结构。
➢ 频率特性图可以清楚表明系统改变性能指 标的方向；
➢ 频域设计通常通过Bode图进行，由于Bode 图的取对数操作，当采用串联校正时，使 得校正后系统的Bode图即为原有系统Bode 图和校正装置的Bode图直接相加，处理起 来十分简单；
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第五章 控制系统的设计与校正
PID控制规律 PID：Proportional Integral Derivative
PID控制：对偏差信号 (t)进行比例、积分
和微分运算变换后形成的一种控制规律。
utKp tT 1 i0 tdTdd dtt
其中： Kp (t) —比例控制项， Kp为比例系
数
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第五章 控制系统的设计与校正
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机电工程系
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第五章 控制系统的设计与校正
第五章 控制系统的设计和校正
一、概述 二、PID控制规律 三、PID控制规律的实现 四、频率法设计和校正 五、并联校正和复合校正 六、小结
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第五章 控制系统的设计与校正
在很多情形下，PID 控制并不一定需要 全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地 改变控制策略，实施P、PI、PD 或PID 控制。 显然，比例控制部分是必不可少的。
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第五章 控制系统的设计与校正
执行元件受被控对象的功率要求和所需能源形 式以及被控对象的工作条件限制，常见执行元 件：伺服电动机、液压/气动伺服马达等；
测量元件依赖于被控制量的形式，常见测量元 件：电位器、热电偶、测速发电机以及各类传 感器等；
给定元件及比较元件取决于输入信号和反馈信 号的形式，可采用电位计、旋转变压器、机械 式差动装置等；
直观、设计的校正装置物理上易于实现。
➢ 综合法（期望特性法）
根据性能指标要求确定系统期望的开环特 性，再与原有开环特性进行比较，从而确定校 正方式、校正装置的形式及参数。
分析法或者综合法都可应用根轨迹法和频 率响应法实现
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第五章 控制系统的设计与校正
频率响应设计法的优点
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第五章 控制系统的设计与校正
控制系统的校正方式
➢ 串联校正
Xi(s)
Gc(s)
Xo(s) G (s)
H(s)
➢ 并联校正（反馈校正）
Xi(s)
G1(s)
G2(s)
G3(s) Xo(s)
Gc(s) H(s)
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第五章 控制系统的设计与校正
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第五章 控制系统的设计与校正
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(校正装置)，对已有的系 统（固有部分）进行再设计使之满足性能要求。
校正是控制系统设计的基本技术，控制系统 的设计一般都需通过校正这一步骤才能最终完成。 从这个意义上讲，控制系统的设计本质上是寻找 合适的校正装置。
控制系统设计的性能指标
➢ 稳态精度：稳态误差ess
➢ 过渡过程响应特性
时域：上升时间tr、超调量Mp、调节时间ts 频域：谐振峰值Mr、增益交界频率c、谐振
频率r、带宽b
➢ 相对稳定性：增益裕量Kg、相位裕量(c)
➢ 扰动的抑制：带宽
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第五章 控制系统的设计与校正
二、PID控制规律
➢ 复合（前馈、顺馈）校正
Xi(s)
Gc(s) G1(s)
Xo(s) G2(s)
H(s)
Gc(s)
N(s)
Xi(s)
G1(s)
Xo(s) G2(s)
H(s)
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第五章 控制系统的设计与校正
校正方式取决于系统中信号的性质、技术方 便程度、可供选择的元件、其它性能要求（抗干 扰性、环境适应性等）、经济性等诸因素。
5. 0 概述
控制系统设计的基本任务
根据被控对象及其控制要求，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。
具体而言，控制系统的设计任务是在已知被控对 象的特性和系统的性能指标条件下设计系统的控制部 分（控制器）。
闭环系统的控制部分一般包括测量元件、比较元 件、放大元件、执行元件等。
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第五章 控制系统的设计与校正
控制系统的校正
测量、给定、比较、放大及执行元件与被控 对象一起构成系统的基本组成部分(固有部分)， 固有部分除增益可调外，其余结构和参数一般不 能任意改变。
由固有部分组成的系统往往不能同时满足各 项性能的要求，甚至不稳定。尽管增益可调，但 大多数情况下，只调整增益不能使系统的性能得 到充分地改变，以满足给定的性能指标。
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第五章 控制系统的设计与校正
放大元件由所要求的控制精度和驱动执行 元件的要求进行配置，有些情形下甚至需要几 个放大器，如电压放大器（或电流放大器）、 功率放大器等等，放大元件的增益通常要求可 调。
各类控制元件除了要满足系统的性能指标 要求外，还要注意到成本、尺寸、质量、环境 适应性、易维护性等方面的要求。