自動(dòng)控制原理（第2版） 第6章 控制系統(tǒng)的校正(1)

自動(dòng)控制原理 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 六章 控制系統(tǒng)的校正 連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 本章重點(diǎn)內(nèi)容 系統(tǒng)校正的目的、意義 基本控制規(guī)律 串聯(lián)超前、滯后校正方法 反饋校正方法 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 被控制對(duì)象是已知的，性能指標(biāo)是預(yù)先給定的，要求設(shè)計(jì)者選擇控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使控制器與被控對(duì)象組成一個(gè)性能滿足要求的系統(tǒng)。這類問題叫做系統(tǒng)的綜合。 可見，綜合的目的就是在系統(tǒng)中引入合適的附加裝置，使原有系統(tǒng)的缺點(diǎn)得到校正，從而滿足一定的性能指標(biāo)。引入的附加裝置稱為校正裝置。 所以系統(tǒng)的綜合問題就是選擇校正裝置接入的位置以及它的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的問題。有時(shí)也籠統(tǒng)地把系統(tǒng)的綜合稱為校正。 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 引言 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的，是將構(gòu)成控制器的各元件與被控對(duì)象適當(dāng)組合起來，使之滿足表征控制精度、阻尼程度和響應(yīng)速度的性能指標(biāo)要求。 如果通過調(diào)整控制器增益后仍然不能全面滿足設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)，就需要在系統(tǒng)中增加一些參數(shù)及特性可按需要改變的校正裝置，使系統(tǒng)全面滿足設(shè)計(jì)要求。 在研究系統(tǒng)校正裝置時(shí)，為了方便，將系統(tǒng)中除了校正裝置以外的部分，包括被控對(duì)象及控制器的基本組成部分一起稱為“固有部分”。 因此控制系統(tǒng)的 校正 ， 就是 按給定的固有部分和性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)校正裝置 。 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 被控對(duì)象 將 被 控對(duì)象 (控制裝置同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)是比較合理的，這樣能充分發(fā)揮控制的作用，往往能使受控對(duì)象獲得特殊的、良好的技術(shù)性能，甚至能使復(fù)雜的受控對(duì)象得以改造而變得異常簡(jiǎn)單。然而， 相當(dāng)多的場(chǎng)合還是先給定被 控對(duì)象，然后才進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 但無論如何，對(duì) 被控 控對(duì)象要做到充分的了解是不容置疑的，要詳細(xì)了解 被 控制對(duì)象的工作原理和特點(diǎn) : 如哪些參量需要控制，哪些參量能夠測(cè)量，可以通過哪幾個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整， 被 控對(duì)象的工作環(huán)境和干擾如何等。 還必須盡可能準(zhǔn)確地掌握 被 控對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，以及受控對(duì)象性能要求，這些都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 性能指標(biāo) 性能指標(biāo)通常是由使用單位或被控對(duì)象的設(shè)計(jì)制造單位提出的。 不同的控制系統(tǒng)對(duì)性能指標(biāo)的要求應(yīng)有不同的側(cè)重。 性能指標(biāo)的提出，應(yīng)符合實(shí)際系統(tǒng)的需要。一般來說，性能指標(biāo)不應(yīng)當(dāng)比完成給定任務(wù)所需要的指標(biāo)更高。 作為控制系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)，如果性能指標(biāo)以時(shí)域形式給出，一般用根軌跡法進(jìn)行校正較為方便；如果性能指標(biāo)以頻域形式給出，通常宜用頻率法進(jìn)行校正。 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 (1) 穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)， 包括靜態(tài)位置誤差系數(shù) 態(tài)速度誤差系統(tǒng) a。 (2) 穩(wěn)定裕量指標(biāo)。 通常希望相角裕量 ，增益裕量 0振峰值 ,超調(diào)量 ，阻尼比 。 (3) 響應(yīng)速度， 包括上升時(shí)間 整時(shí)間 切頻率 、帶寬 振頻率 等。 (1)常用的時(shí)域指標(biāo)包括超調(diào)量 、調(diào)節(jié)時(shí)間 態(tài)位置誤差系數(shù) 態(tài)速度誤差系數(shù) 態(tài)加速度誤差系數(shù) (2)常用的頻域性能指標(biāo)包括峰值頻率 、頻帶 、截止頻率 、穩(wěn)定裕度 和 4 5 6 0 1 1 . 425% 0 . 4 7 0 . 7 rc %r bc大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 系統(tǒng)帶寬的確定 性能指標(biāo)中的帶寬頻率 的要求，是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。無論采用哪種校正方式，都要求校正后的系統(tǒng)既能以所需精度跟蹤輸入信號(hào)，又能抑制噪聲擾動(dòng)信號(hào)。 在控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中輸入信號(hào)一般是低頻信號(hào)，而噪聲信號(hào)則一般是高頻信號(hào)。 因此，合理選擇控制系統(tǒng)的帶寬，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是一個(gè)很重要的問題。 b大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 通常，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)，其相角裕量大約在 45 60 之間， 過低于此值，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較差，且對(duì)參數(shù)變化的適應(yīng)能力較弱； 過高于此值，意味著對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及其組成部件要求較高。 要實(shí)現(xiàn) 45 左右的相角裕量，開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性在中頻區(qū)的斜率應(yīng)為 20dB/時(shí)要求中頻區(qū)占據(jù)一定的頻率范圍，以保證在系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，相角裕量變化不大。 過此中頻區(qū)后，要求系統(tǒng)幅頻特性迅速衰減，以削弱噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，這是選擇系統(tǒng)帶寬應(yīng)該考慮的一個(gè)方面。另一方面，進(jìn)入系統(tǒng)輸入端的信號(hào)，既有輸入信號(hào) ，又有噪聲信號(hào) 。 ()自動(dòng)控制原理 如果輸入信號(hào)帶寬為 ，噪聲信號(hào)集中起作用的頻帶為 ，則控制系統(tǒng)的帶寬頻率通常取為 且使 處于 ( )范圍之 外， ( 5 1 0 )0 M1 b大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 系統(tǒng)校正 所謂校正， 就是給系統(tǒng)附加一些具有某種典型環(huán)節(jié)特性的電網(wǎng)絡(luò)、模擬運(yùn)算部件及測(cè)量裝置等，靠這些環(huán)節(jié)的配置來有效地改善整個(gè)系統(tǒng)的性能，借以達(dá)到要求指標(biāo)。 改善系統(tǒng)的性能有兩種途徑，一種是調(diào)整參數(shù)，另一種就是增加校正環(huán)節(jié)。 按照校正環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的連接方式，控制系統(tǒng)校正方式可分為 : 串聯(lián)校正 (反饋校正 (前饋校正 ( 復(fù)合校正 (大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 串聯(lián)校正裝置一般接在系統(tǒng)誤差測(cè)量點(diǎn)之后和放大器之前，串聯(lián)于系統(tǒng)前向通道之中 （上圖） ；反饋校正裝置接在系統(tǒng)局部反饋通路之中 （下圖） 。 -+)( sG c )(0 ( + )( sG c)(0 - -+大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 前饋校正又稱順饋校正 ，是在系統(tǒng)主反饋回路之外采用的校正方式。前饋校正是基于開環(huán)補(bǔ)償?shù)霓k法來提高系統(tǒng)的精度，所以前饋校正一般不單獨(dú)使用，總是和其他校正方式結(jié)合應(yīng)用而構(gòu)成復(fù)合校正系統(tǒng)，以滿足某些性能要求較高的系統(tǒng)的需要。如圖中 (a)為按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制形式，(b)為按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制形式。 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常用的校正方式為 串聯(lián)校正 和 反饋校正 兩種。 一般來說，串聯(lián)校正設(shè)計(jì)比反饋校正設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，也比較容易對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種必要形式的變換。 反饋校正所需元件數(shù)目比串聯(lián)校正少。反饋校正可消除系統(tǒng)原來部分參數(shù)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在性能指標(biāo)要求較高的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常常兼用串聯(lián)校正與反饋校正兩種方式。 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 基本控制規(guī)律 1. 比例控制規(guī)律 (P) 質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大器。 在信號(hào)變換過程中， 在串聯(lián)校正中，加大控制器增益可提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 2. 比例微分控制規(guī)律 (d ( )( ) ( )t K e t 反應(yīng)輸入信號(hào)的 變化趨勢(shì) ，產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào)，以增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正時(shí)，可使系統(tǒng)增加一個(gè) 開環(huán)零點(diǎn) ，使系統(tǒng)的 相角穩(wěn)定裕度提高，因而有助于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的改善。 通常，微分控制規(guī)律總是與比例控制規(guī)律或比例積分控制規(guī)律結(jié)合起來，構(gòu)成組合的 用于實(shí)際的控制系統(tǒng)。 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 3. 積分控制規(guī)律 (I) 0( ) ( ) t K e t t 在串聯(lián)校正時(shí)，采用 差度 )，有利用系統(tǒng)穩(wěn)定性能的提高，但積分控制使系統(tǒng)增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，使信號(hào)產(chǎn)生 90 的滯后，于系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。 因此，在控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)中，通常不宜采用單一的 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 4. 比例積分控制規(guī)律 (0( ) ( ) ( ) t K e t e t 在串聯(lián)校正時(shí)， 時(shí)也增加了一個(gè)位于 位于原點(diǎn)的極點(diǎn) 可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而 增加的負(fù)實(shí)數(shù)零點(diǎn) 則用來減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和 只要積分時(shí)間常數(shù) 在控制工程實(shí)踐中， 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)控制原理 5. 比例積分微分控制規(guī)律 (0d ( )( ) ( ) ( ) t K e t e t t )1