《机械工程控制基础》杨叔子主编第六章系统的性能指标与校正PPT课件

机械工程控制基础第六章PPT课件

后者所能提供的最大超前相角小于前者，但是由于后者具有描述惯性环节的时间常数的存在，故可在抗干扰性方面优于前者。全面考虑，则一般选用后者作为超前校正环节。
2 超前校正参数的确定
超前校正参数的确定
概括起来讲，主要内容是：一个定义，一张图，
五个公式，一个流程。一个定义是指超前校正
的定义：在控制系统中，当具有相位超前特性
2 超前校正参数的确定
超前校正参数的确定
L(dB)
0
( )
90
20dB / dec
20 lg
1
T
m
1 T
m
0
2 超前2校0lg正G0参(j数c)的确20定lgGc(jc)
超前校正参数的确定
10lg
要
m
m
m 要 0 一般取5o
1 1
sin m
在未校正的考虑的
上找G o 10所lg对应
取 5 ~ 2 0 的为 c m
一个流程是指：
校核
G (s o(s)•G c(s)
1Ts
Gc(s) 1Ts
m
1
T
2 超前校正参数的确定
超前校正参数的确定
m 要 0 一般取5o
1 1
sin m
取 5 ~ 20
20lgG0(jc) 20lgGc(jc) 10lg
1 基本概念
1 基本概念
控制系统的综合与校正问题，是在已知下列条件的基础上进行的，即
1 已知控制系统的不可变部分的特性与参数；
2 已知对控制系统提出的全部性能指标。
根据第一个条件初步确定一个切实可行的校正方案，并在此基础上根据第二个条件；利用本章将要介绍的理论和确定校正元件的参数。

6机械工程控制基础(系统的性能指标与校正)

PID 不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。 PID 控制参数整定方便，结构灵活，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果，并已有许多系列化的产品。并且，随着计算机技术的迅速发展，数字PID 控制也已得到广泛和成功的应用。 2、P控制（比例控制）
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、机械式差动装置等等；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。
Xi (s) Gc (s) H(s) G (s) Xo (s)
并联校正（反馈校正）
Xi (s) G1 (s) G2 (s) G3 (s) Xo (s)
Gc (s)
H(s)
复合（前馈、顺馈）校正
Gc (s) Xi (s) G1 (s) H(s) G2 (s) Xo (s)
Gc (s)
N(s) G2 (s) H(s) Xo (s)
-40 已校正
L()/dB -20 0 -20 1/Ti PID校正装置 PID校正装置 -40 -20 ' +20 c -40 1/Td c -60 未校正
Xi (s)
G1 (s)
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。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。

机械工程控制基础课件-第六章

3、广义误差平方积分性能指标
给取定：的加权I 系0数e2
t
e2
'
t
dt
所以最优系统就是使此性能指标取极小的系统
此指标的特点是既不允许大的动态误差 e长t期存在，又不 '
允许大的误差变化率 e长t期存在。
所以按此准则设计的系统，不仅过渡过程结束得快，且过
渡过程的变化也较平稳。
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另一方面，几个性能指标的要求也经常互相矛盾。例如，减小系统的稳态误差往往会降低系统的相对稳定性，甚至导致系统不稳定。在这种情况下，就要考虑哪个性能时主要的，首先加以满足；有时，在另一些情况下就要采取折中的方案，并加上必要的校正，使两方面的性能都能得到部分满足。
t
c
0
t
d
阶跃响应及误差、误差平方、误差平方积分曲线
误差平方积分性能指标的特点：
重视大的误差，忽略小的误差。因为误差大时，其平方更大，对的影响大，所以根据这种指标设计的系统，能使大的误差迅速减小，但系统易产生振荡。
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xi
s
s
s
k
.1 s
s
1
k
s
I et dt lim E s 1
0
s0
k
k ，I 从减少I的角度看，k值越大越好。金品质•高追求我们让你更放心！
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当系统的过渡过程有超调时，由于误差有正有负，积分后不能反映整个过程误差的大小，所以若不能预先知道系统的过渡过程有无超调，就不能应用上式计算I值，以评价所有时间里面误差总和的大小。

机械工程控制基础chap6-3ppt课件

确定滞后部分的参数
确定
根据最大超前角55°的要求，由：
1sin m 1sin m
＝10
确定T2 为了使滞后部分的最大相角滞后量远离校正后的c。选择：
1 1 0 . 15 rad /s 2 c T 2 10
T2 ＝ 6.67s
或者根据允许的相角滞后量选择T2，即利用：
3）确定校正装置参数确定校正后系统的c 原则：在c处可以通过校正装置所提供的相角超前量使系统满足相位裕量的要求；在c处可以通过校正装置滞后部分的作用使原幅频特性衰减到0dB；满足响应速度的要求；一般可选择原系统的相位穿越频率g作为c。
对本例，注意到g约为1.5rad/s，故选择： c ＝1.5rad/s > 1.2rad/s 此时，(c) = -180° ，所需相位超前量约为55° (考虑滞后装置引起的相位滞后量为 5° )，采用一个滞后—超前装置能够提供。另外，在c处，原系统的幅频特性值： L(1.5) 13dB 将其衰减至0dB也很容易。
L() (dB)
K = Kv = 10。
求得未校系统： c = 2.43rad/s Kg= -10.5dB， (c)= -28。
40 20 0 -20 -40 -90 -135 -180 -225 -270 0.1
Bode Diagram Gm = -10.458 dB (at 1.4142 rad/sec) Pm = -28.081 deg (at 2.4253 rad/sec
L ( ) L ( ) 0 c c c
0 Lc()/dB -10 -20 -30 80° -20
=2 =5 = 10 = 20
20
40°

机械工程控制基础(第6章-系统的性能指标与校正)

校正，或称补偿，就是指在系统中增加新的环节，以改善系统的性能的方法。
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第六章系统的性能分析与校正
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第六章系统的性能分析与校正
校正的分类
根据校正环节在系统中的连接方式，可分为串联校正、反馈校正和顺馈校正。
串联校正和反馈校正是在主反馈回路中采用的校正方式，这是两种最常用的校正方式。
I e 2 t d t
0
由于被积函数为e2(t),正负不会抵消，
该指标的特点是重视大的误差，忽略小的误差，
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第六章系统的性能分析与校正
3.广义误差平方积分性能指标
2
I [e2tae t]dt
0
式中，a为给定的加权系数，因此，最优系统就是使此性能指标I取极小的系统。
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第六章系统的性能分析与校正
1、超前补偿装置
GcsU U0i((ss))11TTss
a R2 1 R1R2
TR1C
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Gc(s)
1Ts 1Ts
第六章系统的性能分析与校正
2、超前补偿网络的频率特性
Gc( j) 11TTj j
相频特性： G ( j) a r c t a n T a r c t a n T 0
采用上述相位超前环节后，由于在对数频率特性曲线上有20dB/dec段存在，故加大了系统的剪切频率、谐振频率与截止频率，其结果是加大了系统的带宽，加快了系统的响应速度，又由于相位超前，还可能加大相位裕度，结果是增加系统的相对稳定性。
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第六章系统的性能分析与校正相位超前校正

机械工程控制基础第六章系统的性能指标与校正ppt课件

M(s)
G(s)
X0s
R2
C2
ui
R1
-u
u0
第六章系统的性能指标与校正
第六章系统的性能指标与校正
第六章系统的性能指标与校正
Xi s
_
E(s)
1 Kp 1 T S TS d i
M(s) G(s)
X0s
R2
C2
ui
R1
-u
C1
u0
第六章系统的性能指标与校正
第六章系统的性能指标与校正
机械工程控制基础第六章系统的性能指标与校正
第六章系统的性能指标与校正
主要内容：
一、系统的性能指标二、系统校正三、无源校正
四、 PID校正五、反馈校正六、顺馈校正
第六章系统的性能指标与校正
6.1 系统的性能指标
第六章系统的性能指标与校正
6.2 系统校正
第六章系统的性能指标与校正
6.3 无源校正
第六章系统的性能指标与校正
6.3 无源校正
第六章系统的性能指标与校正
6.3 无源校正
1 K 4 . 17 1 0 . 24
20
第六章系统的性能指标与校正
6.3 无源校正
系统的增益和型次都未变，稳态精度提高较少。
第六章系统的性能指标与校正
第六章系统的性能指标与校正
6.2 系统校正
第六章系统的性能指标与校正
6.2 系统校正
反馈校正：
第六章系统的性能指标与校正
6.3 无源校正
第六章系统的性能指标与校正
6.3 无源校正
第六章系统的性能指标与校正
6.3 无源校正

《机械工程控制基础》课件

二、开环、闭环和复合控制系统

控制系统按其有无反馈作用和反馈作用的方式可分为三类： 1、开环控制系统 2、闭环控制系统 3、复合控制系统
开环控制系统

如果系统的输出量和输入量之间没有反馈作用，输出量对系统的控制过程不发生影响时，这样的系统称为开环控制系统。图1-5是数控线切割机的进给系统.
二、控制理论的发展

4、1948年美国数学家维纳（N.Wiener）出版了著名的《控制论—关于在动物和机器中控制和通讯的科学》一书，他揭示了无论机器系统、生命系统甚至社会和经济系统中，都存在一个共同本质的特点，它们都是通过信息的传递、处理与反馈这三个要素来进行控制，这就是控制论的中心思想。1950年伊万斯（W.R.Evans）提出的根轨迹法提供了寻找特征方程根的比较简易的图解方法，至此，形成了完整的经典控制理论。
控制系统中常用的概念和术语的含义说明
• 输出量（或称输出信号、被控制量）：是指控制系统中需要
加以控制的物理量。系统的输出量常用符号xo(t)表示。 • 输入量（或称输入信号、给定值、给定量）：是指输入给控制系统用以控制输出量变化规律的物理量它作用于系统输入端，直接地或间接地表示系统输出量的期望值（给定值）。系统的输入量常用符号xi(t)表示. • 扰动量（或称扰动信号）：指那些能使输出量偏离预定要求（期望值）的意外干扰因素。 • 反馈量（或称反馈信号）：是指把输出量取出并直接或经转换以后送回到输入端与输入信号进行比较的物理量。
一、控制系统的基本工作原理

系统：是由相互制约的各个部分组成的具有一定功能的有机整体。自动控制系统：能够进行自动控制的一整套设备或装置。通常由控制器（控制装置）和被控对象两大部分组成。被控对象是指系统中需要加以控制的机器、设备或生产过程；控制器是指能够对被控对象产生控制作用的设备的总体。控制系统的任务就是使被控制对象的物理量按照预先给定的控制规律变化。

机械工程控制基础课件-第六章.

2、误差平方积分性能指标：给系统以单位阶跃输入后，其输出过渡过程有振荡时，则常取误差平方的积分为系统的综合性能指标，即I e t dt
2 0
由于积分号中为平方项，所以 e t 的正负不会互相抵消，积分上限可由足够大的时间T来代替，性能最优系统就是上式积分取极小的系统因为用分析和实验的方法来计算上式右边的积分比较容易，所以在实际应用时，往往采用这种性能指标来评价系统性能的优劣，这也是现代控制理论中的二次型性能指标的一种
另一方面，几个性能指标的要求也经常互相矛盾。例如，减小系统的稳态误差往往会降低系统的相对稳定性，甚至导致系统不稳定。在这种情况下，就要考虑哪个性能时主要的，首先加以满足；有时，在另一些情况下就要采取折中的方案，并加上必要的校正，使两方面的性能都能得到部分满足。
一、校正的概念：所谓校正（或称补偿调节），就是指在系统中增加新的环节，以改善系统的性能的方法。
I lim E s
s 0
E s e t e st dt
0
只要系统在阶跃输入下其过渡过程无超调，就可根据上式求值，据此式计算出系统的使I为最小的参数。
设如图示方框图，求能使I为最小的值。
xi s

s
k s
x0 s
解：由单位负反馈
二、校正的分类
校正就是给系统附加一些具有某种典型环节特性的电网络、运算部件或测量装置等，靠这些环节的配置来有效地改善整个系统的控制性能，这一附加的部分校正元件（或者装置），通常是一些无源或有源微积分电路，以及速度、加速度传感器等。串联校正反馈校正顺馈校正附加校正最常见
干扰校正
校正
E s s