《機(jī)控性能與校正》ppt課件

1、6 6、系統(tǒng)的性能目的與校正、系統(tǒng)的性能目的與校正1 1、緒、緒 論論3 3、系統(tǒng)的時(shí)間呼應(yīng)分析、系統(tǒng)的時(shí)間呼應(yīng)分析2 2、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型4 4、系統(tǒng)的頻率特性分析、系統(tǒng)的頻率特性分析5 5、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第一講第一講 控制系統(tǒng)校正原理及方法控制系統(tǒng)校正原理及方法一、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理一、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理1 1控制系統(tǒng)的校正控制系統(tǒng)的校正 一個(gè)控制系統(tǒng)可視為由控制器和被控對(duì)象一個(gè)控制系統(tǒng)可視為由控制器和被控對(duì)象兩大部分組成，當(dāng)被控對(duì)象確定后，對(duì)系統(tǒng)的兩大部分組成，當(dāng)被控對(duì)象確定后，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐上歸結(jié)為對(duì)控制器的設(shè)計(jì)，這項(xiàng)任務(wù)設(shè)計(jì)實(shí)踐上歸結(jié)為對(duì)控制器的設(shè)計(jì)，

2、這項(xiàng)任務(wù)稱為控制系統(tǒng)的校正。稱為控制系統(tǒng)的校正。校正的含義：根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先給定的性能目的，校正的含義：根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先給定的性能目的，去設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足性能要求的控制系統(tǒng)，從控去設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足性能要求的控制系統(tǒng)，從控制原理上講指的是尋覓一個(gè)適宜的計(jì)算方法設(shè)制原理上講指的是尋覓一個(gè)適宜的計(jì)算方法設(shè)計(jì)控制器。計(jì)控制器。 在實(shí)踐過程中，既要實(shí)際指點(diǎn)，也要注重實(shí)際閱在實(shí)踐過程中，既要實(shí)際指點(diǎn)，也要注重實(shí)際閱歷，往往還要配合許多部分和整體的實(shí)驗(yàn)。所謂校正，歷，往往還要配合許多部分和整體的實(shí)驗(yàn)。所謂校正，就是在系統(tǒng)中參與一些其參數(shù)可以根據(jù)需求而改動(dòng)的就是在系統(tǒng)中參與一些其參數(shù)可以根據(jù)需求而改動(dòng)的機(jī)構(gòu)或安裝，使系統(tǒng)

3、整個(gè)特性發(fā)生變化，從而滿足給機(jī)構(gòu)或安裝，使系統(tǒng)整個(gè)特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項(xiàng)性能目的。定的各項(xiàng)性能目的。輸出量串串聯(lián)聯(lián)補(bǔ)補(bǔ)償償元元件件放放大大元元件件執(zhí)執(zhí)行行元元件件被被控控對(duì)對(duì)象象反反饋饋補(bǔ)補(bǔ)償償元元件件測(cè)測(cè)量量元元件件局部反饋為改善系統(tǒng)性能測(cè)量元件被控對(duì)象執(zhí)行元件局部反饋放大元件串聯(lián)補(bǔ)償主反饋反饋補(bǔ)償為改善系統(tǒng)性能輸入量輸出量二、系統(tǒng)的性能目的二、系統(tǒng)的性能目的1.1.性能目的及校正方法性能目的及校正方法時(shí)域目的時(shí)域目的穩(wěn)態(tài)型別、靜態(tài)誤差系數(shù)穩(wěn)態(tài)型別、靜態(tài)誤差系數(shù)動(dòng)態(tài)超調(diào)、調(diào)整時(shí)間、上升時(shí)間、峰值時(shí)間動(dòng)態(tài)超調(diào)、調(diào)整時(shí)間、上升時(shí)間、峰值時(shí)間頻域目的頻域目的開環(huán)頻率、閉環(huán)帶寬、諧振峰值、

4、諧振頻率開環(huán)頻率、閉環(huán)帶寬、諧振峰值、諧振頻率增益、穿越頻率、幅值裕度和相位裕度增益、穿越頻率、幅值裕度和相位裕度 以頻域特征量閉環(huán)頻率特性諧振峰值、諧振頻率、以頻域特征量閉環(huán)頻率特性諧振峰值、諧振頻率、帶寬頻率或開環(huán)頻率特性相角裕度、截止頻率、開環(huán)增帶寬頻率或開環(huán)頻率特性相角裕度、截止頻率、開環(huán)增益、穩(wěn)態(tài)誤差給出時(shí)，普通采用頻域法進(jìn)展校正。益、穩(wěn)態(tài)誤差給出時(shí)，普通采用頻域法進(jìn)展校正。以時(shí)域性能目的阻尼比、自然頻率、超調(diào)量、調(diào)理時(shí)以時(shí)域性能目的阻尼比、自然頻率、超調(diào)量、調(diào)理時(shí)間、上升時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差給出時(shí)，普通采用根軌跡法校正。間、上升時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差給出時(shí)，普通采用根軌跡法校正。2.2.時(shí)頻域性

5、能目的之間的關(guān)系時(shí)頻域性能目的之間的關(guān)系A(chǔ)諧振峰值與超調(diào)量諧振峰值與超調(diào)量707. 02201212rM%10021eMp最大超調(diào)量調(diào)和振峰最大超調(diào)量調(diào)和振峰值隨值隨的增大而減小。的增大而減小。當(dāng)閉環(huán)幅頻特性有諧當(dāng)閉環(huán)幅頻特性有諧振峰時(shí)，系統(tǒng)的輸入信號(hào)振峰時(shí)，系統(tǒng)的輸入信號(hào)頻譜在頻譜在=r 附近諧波分附近諧波分量經(jīng)過系統(tǒng)后顯著加強(qiáng)，量經(jīng)過系統(tǒng)后顯著加強(qiáng)，并引起振蕩。并引起振蕩。A諧振頻率、調(diào)理時(shí)間諧振頻率、調(diào)理時(shí)間221nr)/(21)43()/()43(2rnSt諧振頻率：諧振頻率：調(diào)整時(shí)間：調(diào)整時(shí)間： 對(duì)于給定的阻尼比對(duì)于給定的阻尼比，調(diào)整時(shí)間，調(diào)整時(shí)間tsts與諧振頻率與諧振頻率rr成反

6、比，成反比，rr大的系統(tǒng)，瞬態(tài)呼應(yīng)速度快；大的系統(tǒng)，瞬態(tài)呼應(yīng)速度快；rr小的呼應(yīng)速度慢。小的呼應(yīng)速度慢。A帶寬頻率與截止頻率帶寬頻率與截止頻率帶寬頻率帶寬頻率或截至頻率：或截至頻率：1)21 (21222nb穿越頻率：穿越頻率：24214(ncA相位裕度、截止頻率與相位裕度、截止頻率與的關(guān)系的關(guān)系)2()(2nnjjjG典型二階系統(tǒng)的典型二階系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性：開環(huán)頻率特性：幅值穿越頻率幅值穿越頻率c：1)2()(222nccncjG24214(nc開環(huán)相頻特性為：開環(huán)相頻特性為：n2arctan90)(相位裕度為：相位裕度為：2241arctan90180)(24c242412arctan)

7、(c根據(jù)根據(jù)Mp計(jì)算公式計(jì)算公式和和(c)計(jì)算公式計(jì)算公式,以以為參變量。為參變量。當(dāng)當(dāng)=0。時(shí)，。時(shí)，Mp=100%; 隨著隨著添添加，加，Mp 減小。當(dāng)減小。當(dāng) = 76.35 。時(shí)，。時(shí)，Mp=0。A截止頻率截止頻率c 、固有頻率、固有頻率n與與的關(guān)系的關(guān)系根據(jù)根據(jù)Mp計(jì)算公式和計(jì)算公式和(c)計(jì)算公式計(jì)算公式,以以為參為參變量。如下圖：當(dāng)變量。如下圖：當(dāng)00.4時(shí)，時(shí)，0.85c/nTd時(shí)，時(shí)，PID調(diào)理器在低頻調(diào)理器在低頻段起積分作用，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；在中頻段段起積分作用，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；在中頻段起微分作用改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。起微分作用改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。A比例系數(shù)比例系數(shù)K

8、pKp直接決議控制造用的強(qiáng)弱，加大直接決議控制造用的強(qiáng)弱，加大KpKp可以減少系統(tǒng)的可以減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的呼應(yīng)速度，但導(dǎo)致動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞。穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的呼應(yīng)速度，但導(dǎo)致動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞。A比例調(diào)理根底上加積分控制可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，由于偏比例調(diào)理根底上加積分控制可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，由于偏向積分所產(chǎn)生的控制量總是用來消除穩(wěn)態(tài)誤差，直到積分的值為向積分所產(chǎn)生的控制量總是用來消除穩(wěn)態(tài)誤差，直到積分的值為零，控制造用才停頓。缺陷：導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程變慢，過強(qiáng)導(dǎo)致零，控制造用才停頓。缺陷：導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程變慢，過強(qiáng)導(dǎo)致超調(diào)量增大，穩(wěn)定性變差。超調(diào)量增大，穩(wěn)定性變差。A微分的控制造用跟偏

9、向的變化速度有關(guān)。微分能預(yù)測(cè)偏向，產(chǎn)微分的控制造用跟偏向的變化速度有關(guān)。微分能預(yù)測(cè)偏向，產(chǎn)生超前的校正作用，有助于減少超調(diào)，抑制振蕩使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，生超前的校正作用，有助于減少超調(diào)，抑制振蕩使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的呼應(yīng)速度。缺陷：放大了噪聲。加快系統(tǒng)的呼應(yīng)速度。缺陷：放大了噪聲。三、三、PID校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)3.1 PD3.1 PD校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)1)()()(sTKsEsMsGdpc1211/,RRKCRTpd3.2 PI3.2 PI校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)sTKsEsMsGipc11)()()(1222/,RRKCRTpi3.3 PID3.3 PID校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)sTsTKsEsMsGdipc

10、11)()()(212211221122112211,CRCRCRKCRCRCRCRTCRCRTpdi四、四、PID調(diào)理器設(shè)計(jì)調(diào)理器設(shè)計(jì)4.1 4.1 二階系統(tǒng)最優(yōu)模型二階系統(tǒng)最優(yōu)模型) 1()(TssKsG2222)(nnnBsssGTKnKT214.2 4.2 高階系統(tǒng)最優(yōu)模型高階系統(tǒng)最優(yōu)模型特點(diǎn)：保證了中頻段斜率為特點(diǎn)：保證了中頻段斜率為-20dB/dec-20dB/dec，又使低頻，又使低頻段有更大的斜率，提高了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。段有更大的斜率，提高了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：可以取設(shè)計(jì)要點(diǎn)：可以取c= 3/2 ,c= 3/2 ,中頻段寬度中頻段寬度h h選為選為712 2712 2個(gè)，更高

11、穩(wěn)定性可增至個(gè)，更高穩(wěn)定性可增至15181518個(gè)個(gè)2. 2. 實(shí)例分析實(shí)例分析 1：) 1105)(110877. 0)(115. 0()(33ssssKsG某單位反響系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)為：某單位反響系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)為：試設(shè)計(jì)有源串聯(lián)校正安裝，使系統(tǒng)速度誤差系數(shù)試設(shè)計(jì)有源串聯(lián)校正安裝，使系統(tǒng)速度誤差系數(shù)KV=40,KV=40,幅值穿越頻率幅值穿越頻率c=50rad/s,c=50rad/s,相位裕度相位裕度=50=50。解：未校正系統(tǒng)為解：未校正系統(tǒng)為I I型系統(tǒng)，故型系統(tǒng)，故K=KV,K=KV,按設(shè)計(jì)按設(shè)計(jì)要求取要求取K=Kv=40K=Kv=40，作未校正系統(tǒng)的，作未校正系統(tǒng)的BodeBo

12、de圖，圖，得得c=16rad/s , =17.25c=16rad/s , =17.25。 原系統(tǒng)性能目的不能滿足要求，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)原系統(tǒng)性能目的不能滿足要求，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，選用串聯(lián)態(tài)精度，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，選用串聯(lián)PDPD校正。校正。選用二階模型為希望的頻率特性，對(duì)未校正部分的選用二階模型為希望的頻率特性，對(duì)未校正部分的高頻段小慣性環(huán)節(jié)做等效處置：高頻段小慣性環(huán)節(jié)做等效處置：110877. 511)10510877. 0(111051110877. 0133333ssss未校正系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)為：未校正系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)為：)110877.5)(115.0(

13、40)(3ssssG由由PDPD校正環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)為：校正環(huán)節(jié)的傳送函數(shù)為：)1()(sTKsGdpc為使校正后的系統(tǒng)為二階最優(yōu)模型，消去校正系一為使校正后的系統(tǒng)為二階最優(yōu)模型，消去校正系一致個(gè)極點(diǎn)，令致個(gè)極點(diǎn)，令Td=0.15sTd=0.15s，那么：，那么：)110877.5(40)1()110877.5)(115.0(40)()(33ssKsTKssssGsGpdpc校正后的開環(huán)放大系數(shù)校正后的開環(huán)放大系數(shù)40Kp=c40Kp=c，根據(jù)性能要求，根據(jù)性能要求， c=50rad/sc=50rad/s，應(yīng)選，應(yīng)選Kp=1.4. Kp=1.4. 校正后開環(huán)傳送函數(shù)為：校正后開環(huán)傳送函數(shù)為：)110877.5(56)115.0(4 .1)110877.5)(115.0(40)()(33sssssssGsGc校正后的幅值穿越頻率為校正后的幅值穿越頻率為c=56rad/s .c=56rad/s .相位裕量相位裕量