《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
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控制工程基础控制系统的校正课件
加强自适应校正技术的 研究，提高系统在复杂 环境中的适应性和稳定
性。
推动控制工程与其他学 科的交叉融合，为控制 系统校正引入更多的创 新思路和技术手段。
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07
结论与展望
结论总结
控制系统校正的重要性
通过校正可以改善控制系统的性能，提高系统的稳定性和精度。
校正方法的应用
在实际工程中，应根据系统的具体要求和特点选择合适的校正方法 。
校正效果的评价
采用仿真和实验手段对校正后的系统进行评估，以验证校正方法的 有效性。
展望未来发展趋势
智能控制技术的发展
随着人工智能和机器学习技术的不断 进步，智能控制方法在控制系统校正
滞后校正应用
适用于具有较小滞后和高频噪声干扰的系统，如 电子放大器、测量仪器等。
超前-滞后校正
超前-滞后校正网络
01
将超前校正网络和滞后校正网络组合使用，实现系统全频段性
能优化。
超前-滞后校正特点
02
可以兼顾系统的稳定性和快速性，减小超调量和调节时间，提
高系统的动态性能和稳态精度。
超前-滞后校正应用
比例微分校正
比例微分校正可以改善系统的动态性能，提高系统的 快速性。同时，微分作用还可以减小系统调节时间， 使系统更快地达到稳态。
06
校正方法的选择与 实施
校正方法的选择原则
性能指标要求
根据系统性能指标要求，选择适合的校正方 法。
系统稳定性
考虑校正方法对系统稳定性的影响，选择能 够提高系统稳定性的校正方法。
性。
实例二：滞后校正的应用
滞后校正原理
通过增加相位滞后环节，降低系统高频段的增益，提高系统抗高 频干扰能力。
工程控制基础 第6章系统的性能指标与校正4
0o -90o -180o
6
PI调节器的校正作用
dB 校正后
-20dB/dec
o 校正环节
-40dB/dec
0oห้องสมุดไป่ตู้校正前
-90o 校正后
-180o
采用PI控制后
1.增加积分环节， 提高系统阶次， 系统稳态误差减小
2.相位裕度减小， 稳定性降低
只有稳定裕度足够大时才采用PI调节器
7
3、PID调节器——比例积分微分调节器
G(s) K s(Ts 1)
20dB / dec
c
1
T
40dB / dec
闭环传递函数为
二阶系统最优模型Bode图
GB (s)
Ts2
k sk
s2
n2 2ns n2
n
k T
1
2 kT
ξ=0.707的阻尼比称为工程最佳阻尼系数，此时转折频率
1 T
2c
要保证 0.707并不容易，常取 0.5 0.8
传递函数为
Gc (s)
K
p (1
1 Ti s
Td s)
Kp=1时，Gc(s)的频率特性为
Gc ( j) 1
1
jTi
jTd
相当于积分环节串接两个导前环节
其作用相应于滞后—超前校正。
8
PID调节器的Bode图
dB
-20dB/dec +20dB/dec
o
Ti2
1/Td2
90o
0o
-90o
校正作用：
正系统的一个极点，故令Td=0.15s，则
G(s)Gc (s)
s(0.15s
40 1)(5.877 103
第6章 控制系统的校正与设计PPT课件
同的侧重。 实际系统的性能指标以组成元部件的固有
误差、非线性特性、能源的功率以及机械强 度等各种物理条件的制约。
7
在控制系统设计中，采用的设计方法一 般依据控制系统的性能指标的形式而定。
若性能指标以单位阶跃响应的峰值时间 、调节时间、超调量、阻尼比、稳态误差等 时域特征量给出时，一般采用时域法校正。
37
(3)无源滞后-超前网络
相位滞后-超前校正装置可用图6-20所示的网络实现。
设此网络输入信号源内阻为零，输出负载阻抗为无穷大，
则其传递函数为 ：
G c(s)12s2 ( 1s( 11 )(2 2s 1 1))2s1
C1
式中：
1 R1C1
2 R2C2
R1 R2
u1
u2
12R1C2
C2
图6-20 相位滞后-超前RC网络
H (s)
图6-1 串联校正系统方框图
11
反馈校正——从系统的某个元件输出取得反馈信号，构成 反馈回路，并在反馈回路内设置传递函数为的校正元件的校正 形式。
R(s) +
-
+
G1 (s)
-
C (s) G2 (s)
Gcs()
H (s)
图6-2 反馈校正系统方框图
12
反馈校正作用：能达到与串联校正同样的校正效果，还 可减弱系统不可变部分的参数漂移对系统性能的影响。
35
图6-17所示的相位滞后校正装置的频率特性为：
Gc(j
j ) No j Image
1 1
其伯德图如图6-19所示。
No Image
No
Image
No Image
0
-10
No Image
误差、非线性特性、能源的功率以及机械强 度等各种物理条件的制约。
7
在控制系统设计中，采用的设计方法一 般依据控制系统的性能指标的形式而定。
若性能指标以单位阶跃响应的峰值时间 、调节时间、超调量、阻尼比、稳态误差等 时域特征量给出时，一般采用时域法校正。
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(3)无源滞后-超前网络
相位滞后-超前校正装置可用图6-20所示的网络实现。
设此网络输入信号源内阻为零，输出负载阻抗为无穷大，
则其传递函数为 ：
G c(s)12s2 ( 1s( 11 )(2 2s 1 1))2s1
C1
式中：
1 R1C1
2 R2C2
R1 R2
u1
u2
12R1C2
C2
图6-20 相位滞后-超前RC网络
H (s)
图6-1 串联校正系统方框图
11
反馈校正——从系统的某个元件输出取得反馈信号，构成 反馈回路，并在反馈回路内设置传递函数为的校正元件的校正 形式。
R(s) +
-
+
G1 (s)
-
C (s) G2 (s)
Gcs()
H (s)
图6-2 反馈校正系统方框图
12
反馈校正作用：能达到与串联校正同样的校正效果，还 可减弱系统不可变部分的参数漂移对系统性能的影响。
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图6-17所示的相位滞后校正装置的频率特性为：
Gc(j
j ) No j Image
1 1
其伯德图如图6-19所示。
No Image
No
Image
No Image
0
-10
No Image
第六章系统的性能指标与校正
（位于两个转折频率的对数中点，即Bode图上的几何中点） 1 1 最大相移： m arctg arctg arcsin 1
华中科技大学 易朋兴
2019/2/10
机械工程控制基础
相位超前校正设计举例 性能要求：
12
6.3 串联校正
稳态性能指标：单位恒速输入时的稳态误差ess＝0.05； 频域性能指标：相位裕度≥50°，增益裕度20lgKg≥10dB。
dB
ω
－90° －180° －90° －180°
ω
稳定，相位裕度不够
华中科技大学 易朋兴
－270°
不稳定
2019/2/10
机械工程控制基础
10
6.3 串联校正
相位超前校正 典型物理环节：c 传递函数： Gc ( s)
U o ( s) (Ts 1) U i ( s) (Ts 1)
16
6.3 串联校正
• 相位滞后校正环节 （ β>1， T为常数）
• 频率特性
Gc ( s )
(Ts 1) ( Ts 1)
R1 R2 , R2 T R2C
1 jT Gc ( j ) 1 jT
• 相频特性:相位滞后 • 幅频特性 • Nyqust轨迹
Gc ( j ) arctanT arctanT 0
机械工程控制基础
华中科技大学机械学院
机电系 易朋兴、熊良才
2019/2/10
机械工程控制基础
2
第六章 系统的性能指标与校正
系统的性能指标 系统校正 无源校正 PID校正 反馈校正 顺馈校正
作业 6.4，6.6，6.7，6.8
《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。
机械现代控制工程6 系统的性能指标与校正 [恢复]
![机械现代控制工程6 系统的性能指标与校正 [恢复]](https://img.taocdn.com/s3/m/cfec3d6b58fafab069dc02f2.png)
机械工程控制基础
6.1 系统的性能指标
在控制系统设计中，常采用频率特性 法，且是较为方便通用的开环频率特性法。 如果频域指标是闭环的，可以大致换算成 开环频域指标进行校正，然后对校正后的 系统，分析计算它的闭环频域指标以作验 算。如果系统提出的是时域指标，也可利 用它和频域指标的近似关系，先用频域法 校正，再进行验算。
串联校正：一般接在系统误差测量点之后和放大器之 前，串联接于系统前向通道之中。 反馈校正：接在系统局部反馈通路中 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，接在系统给定值之后，主反馈作用点之前的 前向通道上。另一种前馈校正装置接在系统可测扰动作用点与 误差测量点之间，对扰动信号进行直接或间接测量，经变换后 接入系统，形成一条附加的对扰动进行补偿的通道。 复合校正：在反馈控制回路中，加入前馈校正通路， 组成有机整体。
m 1
aT
T (a 1) 1 aT 2 2
m
1 aT
tan ( m )
a 1 2 a
a 1 m ( m ) arctan arcsin a 1 2 2
a 1
可解出
a
1 sin m 1 sin m
L( m ) 10 lg a
机械工程控制基础
6.1 系统的性能指标
时域性能指标 瞬态性能指标
稳态性能指标
频域性能指标
综合性能指标
机械工程控制基础
6.1 系统的性能指标
1、二阶系统频域指标与时域指标的关系。
谐振峰值 谐振频率
Mr 1 2 1 2 0 2 0.707 2
r n 1 2 2
机械工程控制基础
6.2 系统的校正
机械工程控制基础概述.pptx
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。
第六章 系统的性能指标与校正
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；
P控制对系统性能的影响：
➢ Kp>1
开环增益加大，稳态误差减小；
幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短； 系统稳定程度变差。只有原系统稳定裕量充
分大时才采用比例控制。
第六章 系统的性能指标与校正
➢ Kp<1
与Kp>1时，对系统性能的影响正好相反。
3、PI控制（比例加积分控制）
ut
K
p t
Kp Ti
0t
d
U s s
K
p
1
1 Ti s
其中Kp、Ti 均可调。调节Ti 影响积分控制作用；调节 Kp既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。
由于存在积分控制，PI控制器具有记忆功能。
(t)
1
0
t0 t
u(t)
PI控制
Kp
只有P控制
0
t0
t
第六章 系统的性能指标与校正
Gc
j
K
p
1
jTi jTi
c 0
0
dB
0 0 未校正
0°
H(s)
-20 已校正
-20
-40
'c c -40
()
-90° -180°
(c) ('c) (rad/s)
第六章 系统的性能指标与校正
若原系统频率特性为L0()、0()，则加入P控制
第六章 系统的性能指标与校正
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；
P控制对系统性能的影响：
➢ Kp>1
开环增益加大，稳态误差减小；
幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短； 系统稳定程度变差。只有原系统稳定裕量充
分大时才采用比例控制。
第六章 系统的性能指标与校正
➢ Kp<1
与Kp>1时，对系统性能的影响正好相反。
3、PI控制（比例加积分控制）
ut
K
p t
Kp Ti
0t
d
U s s
K
p
1
1 Ti s
其中Kp、Ti 均可调。调节Ti 影响积分控制作用；调节 Kp既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。
由于存在积分控制，PI控制器具有记忆功能。
(t)
1
0
t0 t
u(t)
PI控制
Kp
只有P控制
0
t0
t
第六章 系统的性能指标与校正
Gc
j
K
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1
jTi jTi
c 0
0
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0 0 未校正
0°
H(s)
-20 已校正
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(c) ('c) (rad/s)
第六章 系统的性能指标与校正
若原系统频率特性为L0()、0()，则加入P控制