自動(dòng)控制原理——PID課件

1、第六章 線性系統(tǒng)的校正方法系統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能分析系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型微分方程傳遞函數(shù)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)的誤差分析穩(wěn)、快、準(zhǔn)時(shí)域分析頻域分析根軌跡分析法改善系統(tǒng)整體性能頻率特性差分方程+系統(tǒng)校正自動(dòng)控制原理課程體系結(jié)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念、分類建立數(shù)學(xué)模型分析該模型（時(shí)域、頻域）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正實(shí)際系統(tǒng)物理模型數(shù)學(xué)模型方法（系統(tǒng)組成分析、設(shè)計(jì)）第六章 線性系統(tǒng)的校正方法導(dǎo) 讀為什么要介紹本章? 初步設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)是不滿足性能指標(biāo)要求的。一個(gè)很自然的想法就是在已有系統(tǒng)中加入一些參數(shù)和結(jié)構(gòu)可以調(diào)整的裝置，來(lái)改善系統(tǒng)特性。從理論上來(lái)講這是完全可以的，因?yàn)榧尤肓诵Ｕb置就改變了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，也就改變了

2、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。第六章 線性系統(tǒng)的校正方法知識(shí)點(diǎn)一：自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖知識(shí)點(diǎn)二：自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)（時(shí)域、頻域）知識(shí)點(diǎn)三：校正校正的方法知識(shí)點(diǎn)四：校正的控制規(guī)律第六章 線性系統(tǒng)的校正方法設(shè)計(jì)過(guò)程 設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)一般步驟：根據(jù)任務(wù)要求，選定控制對(duì)象性能指標(biāo)要求，確定系統(tǒng)的控制規(guī)律設(shè)計(jì)出滿足這個(gè)控制規(guī)律的控制器系統(tǒng)校正原系統(tǒng)控制器控制對(duì)象校正系統(tǒng)原系統(tǒng)校正裝置第六章 線性系統(tǒng)的校正方法知識(shí)點(diǎn)一：自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖定格到第一章第六章 線性系統(tǒng)的校正方法知識(shí)點(diǎn)二：性能指標(biāo)（時(shí)域、頻域）定格到第二、三、五章穩(wěn)態(tài)誤差ess動(dòng)態(tài)指標(biāo)上升時(shí)間tr 、調(diào)節(jié)時(shí)間ts 、峰值時(shí)間tp、超調(diào)量 、

3、1. 時(shí)域指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)“快”“準(zhǔn)”“穩(wěn)”第六章 線性系統(tǒng)的校正方法知識(shí)點(diǎn)二：性能指標(biāo)（時(shí)域、頻域）定格到第二、三、五章開(kāi)環(huán)頻域指標(biāo)，包括截止頻率c、 相位裕度和幅值裕度h。 閉環(huán)頻域指標(biāo)，包括閉環(huán)諧振峰值Mr、 諧振頻率r和帶寬頻率b。 2. 頻域指標(biāo)“穩(wěn)”“快”第六章 線性系統(tǒng)的校正方法知識(shí)點(diǎn)三：校正校正的方法串聯(lián)校正反饋校正前饋校正復(fù)合校正校正裝置在系統(tǒng)中的連接方式第六章 線性系統(tǒng)的校正方法知識(shí)點(diǎn)三：校正校正的方法(1) 串聯(lián)校正：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)接于系統(tǒng)前向通道之中。(2) 反饋校正：從系統(tǒng)原有部分引出反饋信號(hào), 與原有部分或其一部分構(gòu)成局部反饋回路, 并在

4、局部反饋回路內(nèi)設(shè)置校正裝置，這種校正方式稱為反饋校正或并聯(lián)校正。 串聯(lián)校正反饋校正第六章 線性系統(tǒng)的校正方法知識(shí)點(diǎn)三：校正校正的方法(3) 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。 前潰校正裝置分兩種情況： 其一，接在系統(tǒng)給定值之后及主反饋?zhàn)饔命c(diǎn)之前的前向通道上，如圖 (a)； (a) 前饋校正（對(duì)給定值處理） 其二，接在系統(tǒng)可測(cè)擾動(dòng)作用點(diǎn)與誤差測(cè)量點(diǎn)之間，如圖(b) 。第六章 線性系統(tǒng)的校正方法知識(shí)點(diǎn)三：校正校正的方法 (b) 前饋校正（對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償） 第六章 線性系統(tǒng)的校正方法知識(shí)點(diǎn)三：校正校正的方法(4) 復(fù)合校正：在反饋控制回路中，加入前饋校正通路，組成有機(jī)整體。

5、(a) 按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制方式(b) 按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制第六章 線性系統(tǒng)的校正方法知識(shí)點(diǎn)三：校正校正的方法無(wú)源校正裝置有源校正裝置校正裝置自身有無(wú)放大能力自身無(wú)放大能力，通常由RC網(wǎng)絡(luò)組成。常由運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)共同組成。知識(shí)點(diǎn)四：校正的控制規(guī)律PID (Proportional Integral Derivative )比例積分微分微分還記得比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)嗎？復(fù)習(xí)：比例環(huán)節(jié)微分方程傳遞函數(shù)比例系數(shù)KP=2的simulink模型圖P (Proportional ）環(huán)節(jié)優(yōu)點(diǎn)輸出不失真，不延遲，成比例地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化。缺點(diǎn)偏差存在。成比例放大的不僅有輸入信號(hào)，還有

6、偏差信號(hào)。復(fù)習(xí)：比例環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)二、典型環(huán)節(jié)simulink仿真知識(shí)點(diǎn)四：校正的控制規(guī)律1、P (Proportional ）控制器微分方程傳遞函數(shù)P控制器示意圖1、P (Proportional ）控制器傳遞函數(shù)為: KP1:c()G0(s)幅頻特性曲線上移相頻特性曲線不變 ()穿越頻率，相位裕量，穩(wěn)態(tài)誤差。結(jié)論： 隨著Kp值的增加，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，但系統(tǒng)的超調(diào)量也隨之增加，調(diào)節(jié)時(shí)間也隨之增長(zhǎng)，當(dāng)Kp增大到一定值，系統(tǒng)不穩(wěn)定。詳見(jiàn)附件：探究PID控制器對(duì)控制系統(tǒng)的影響XQ知識(shí)點(diǎn)四：校正的控制規(guī)律1、P (Proportional ）控制器特點(diǎn)：1、比例控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)放大器。2、比例控制器

7、只改變信號(hào)的增益而不影響其相位；3、在串聯(lián)校正中, 加大控制器增益Kp ，提高系統(tǒng)的控制精度（穩(wěn)態(tài)誤差）, 但會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性（相位裕量）， 甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)中, 很少單獨(dú)使用比例控制規(guī)律。 知識(shí)點(diǎn)四：校正的控制規(guī)律微分方程傳遞函數(shù)2、I (Integral）控制器Ti積分時(shí)間 I控制器示意圖復(fù)習(xí)：比例環(huán)節(jié)Ti=1的simulink模型圖Ti=1/2的simulink模型圖Ti=1的波形圖Ti=1/2的波形圖1、只要有偏差信號(hào)存在，若系統(tǒng)有積分環(huán)節(jié)，就會(huì)有輸出，則一直處于動(dòng)態(tài)過(guò)程，系統(tǒng)就不會(huì)穩(wěn)定。2、Ti越大，積分作用變?nèi)酰琓i越小，積分作用變強(qiáng)。Ti=1

8、的波形圖Ti=1/2的波形圖特點(diǎn)：知識(shí)點(diǎn)四：校正的控制規(guī)律2、I (Integral）控制器 I控制器1、串聯(lián)校正時(shí), 采用積分控制器可以提高系統(tǒng)的型別, 有利于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的提高（準(zhǔn)確性），但積分控制使系統(tǒng)增加一個(gè)開(kāi)環(huán)極點(diǎn), 產(chǎn)生90的相角滯后, 對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利；2、 在校正設(shè)計(jì)中, 通常不宜采用單一的積分控制器。特點(diǎn)：知識(shí)點(diǎn)四：校正的控制規(guī)律3、D ( Derivative )控制器y(t) =de(t)dtTdE(s)Y(s)G(s) = TdSTd微分時(shí)間注意：微分控制器是理想狀態(tài)，不可單獨(dú)使用。知識(shí)點(diǎn)四：校正的控制規(guī)律3、P I(Proportional Integral）控制器

9、微分方程傳遞函數(shù)PI控制器微分方程特點(diǎn)：1、KP系數(shù)實(shí)現(xiàn)階躍性增加，Ti積分是緩慢變化。2、KP越大，比例控制作用變大，但振蕩。3、Ti越小，積分作用增強(qiáng)，消除余差作用增強(qiáng)，但穩(wěn)定性降低。復(fù)習(xí)：PI環(huán)節(jié)頻域 PI控制器伯德圖 20lgK-20dB/decL()/dB0()111、PI控制使系統(tǒng)的型別加度，穩(wěn)態(tài)誤差減小，準(zhǔn)確性提高；2、積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，Ti越大，積分作用越弱；3、同時(shí)使相角裕量減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度下降。特點(diǎn)：P I(Proportional Integral）控制器0例：設(shè)比例-積分控制系統(tǒng)如下圖所示, 試分析PI控制器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善作用。 解：接入PI控

10、制器后, 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 系統(tǒng)由原來(lái)的型系統(tǒng)提高到了型系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸入信號(hào)為單位斜坡函數(shù), 則無(wú)PI控制器時(shí), 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為1/K;接入PI控制器后, 穩(wěn)態(tài)誤差為零。表明型系統(tǒng)采用PI控制器后, 可以消除系統(tǒng)對(duì)斜坡輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差, 控制精度大為改善。采用PI控制器后, 系統(tǒng)的特征方程為 其中, 參數(shù)T, Ti, K, Kp都是正數(shù)。 由勞斯判據(jù)可知, 要想使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，TiKKpTiTTiKKp，所以可調(diào)整PI控制器的積分時(shí)間常數(shù)Ti , 使之大于被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T，保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 P I(Proportional Integral）控制器結(jié)論： 隨著積分時(shí)間的減小

11、，積分控制作用增強(qiáng)，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。詳見(jiàn)附件：探究PID控制器對(duì)控制系統(tǒng)的影響XQ知識(shí)點(diǎn)四：校正的控制規(guī)律4、PID (Proportional Integral Derivative )控制器微分方程傳遞函數(shù)1、KP系數(shù)實(shí)現(xiàn)階躍性增加，Ti積分是緩慢變化，Td微分加速系統(tǒng)變化。2、KP越大，比例控制作用變大，但振蕩。3、Ti越小，積分作用增強(qiáng)，消除余差作用增強(qiáng)，但延遲作用增強(qiáng)，穩(wěn)定性降低。4、Td越大，微分作用越強(qiáng)，減小系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，但過(guò)大會(huì)振蕩。特點(diǎn)：結(jié)論： 本圖為PID參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響。知識(shí)點(diǎn)四：校正的控制規(guī)律4、PID (Proportional Integral Derivative )控制器PID控制器 特點(diǎn)：1、 增加了一個(gè)開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的型別，提高穩(wěn)態(tài)性能；2、提供了兩個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)，動(dòng)態(tài)性能比PI更具優(yōu)越性；3、通常，使積分發(fā)生在低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；4、使微分部分發(fā)生在高頻段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中, 廣泛使用PID控制器。PID (Proportional Integral Derivative )控制器知識(shí)點(diǎn)四：校正的控制規(guī)律知識(shí)點(diǎn)五：頻率響應(yīng)的校正 在頻域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)的基本思路是：通過(guò)所加校正裝置，改變系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性的形狀。？在頻域內(nèi)如何表征系