自动控制原理课件 第六章 校正系统

自动控制原理课件 第六章 校正系统

第六章§6-1

自动控制系统的校正

线性系统校正的概念

§6-3 常用校正装置及其特性 §6-5 串联校正的设计 §6-6 反馈校正的设计 §6-7 反馈和前馈复合控制

自动控制原理课件 第六章 校正系统

§6-1 线性系统校正的概念Design and Compensation Techniques

前面几章讨论了控制系统几种基本方法。掌握了这些 基本方法，就可以对控制系统进行定性分析和定量计算。 本章讨论另一命题，即如何根据系统预先给定的性 能指标，去设计一个能满足性能要求的控制系统。基于一个控制系统可视为由控制器和被控对象两大部分 组成，当被控对象确定后，对系统的设计实际上归结为对 控制器的设计，这项工作称为对控制系统的校正。

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校正装置的形式有多种：可按结构、按作用等来分类●

校正分类：

1、按结构形式分 串、并、串并、顺馈、反馈等。

①串联校正：G(s)=Gc(s)*Go(s)

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R(s)

E(s)

C(s) Gc (s) (s) H (s)Go (s)

串联校正

校正装置

校 正 方 式

②局部反馈校正:

反馈校正前馈校正 复合校正

R(s)

E(s)

校正装 置

Go (s)

C(s)

Gc (s)

H (s)

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前馈校正

(a)前馈校正(对给定值处理) (b)前馈校正(对扰动的补偿)N(s)

G n (s)

R(s) + E(s)

G 1 (s)

+

G 2 (s)

C(s)

°´ ¯ ²¹³ ¸´ Ï Í³

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系统校正过程： 分析原有系统性能指标 确定校正装置 加校正装置、校验结果 计算校正装置元件参数 得希望系统

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§6-2、3 常用校正装置及其特性(1)比例(P)控制规律r (t )

e(t ) Kp

C(t )(a)P控制器

-

B(t )

C(t ) K p e(t )提高系统开环增益，减小系统稳态误差，但会降低系统的 相对稳定性。

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(2)比例-微分(PD)控制规律R(s) E (s)

K p (1 s)

c (s)

(b)

B (s)PD控制器

de (t ) c(t ) K p e(t ) K p dtPD控制规律中的微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，产生有 效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定 性。在串联校正时，可使系统增加一个的开环零点，使系统的相角 裕度提高，因此有助于系统动态性能的改善。

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(3)积分(I)控制规律

具有积分(I)控制规律的控制器，称为I控制器。C (t ) K i e(t )dt0 t

R(s)

E(s)

K

i

C (s)

输出信号 C (t ) 与其输入信号的积分成比例。

-

B(s)

sI控制器

Ki

为可调比例系数

当

e(t ) 消失后，输出信号 C (t )

有可能是一个不为零的常量。在串联校正中，采用I控制 器可以提高系统的型别(无差度),有利提高系统稳态性 能，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，使信号 产生的相角滞后，于系统的稳定不利。

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(4)比例-积分(PI)控制规律具有积分比例-积分控制规律的控制器，称为PI控制器。

C (t ) K p e(t ) 输出信号

C (t )

Kp Ti

e(t )dt0

t

R(s)

E(s)

与其输入信号及输入信号的积分成比例。 K p 为可调比例系数 Ti 为可调积分时间系数

-

1 C (s) K p (1 ) Ti sPI控制器

B (s)

增加开环极点，提高型别，减小稳态误差。增加开 环零点，提高系统的阻尼程度，缓和PI极点对系统 产生的不利影响。只要积分时间常数足够大，PI控制器对系统的不利影响可大为减小

PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。

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(5)比例(PID)控制规律具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称为PID控制器。C (t ) K p e(t ) Kp Ti

t

0

e(t )dt K p

de(t ) R(s) dt

E(s)

1 Gc ( s) K p (1 s) Ti sK p Ti s 2 Ti s 1 ( ) Ti s

-

1 s) K p (1 Ti s

C (s)

B (s)

PID控制器1 4 1 Ti (1 1 ) 2 Ti

K p ( 1s 1)( 2 s 1) Ti s

4 Ti 1

2 Ti (1 1

1 2

4 ) Ti

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无相移校正装置 无源校 正装置 相位超前校正装置 相位滞后校正装置 相位滞后—超前校正装置 校正装置 无相移校正装置 有源校 正装置 相位超前校正装置 相位滞后校正装置 相位滞后—超前校正装置

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一、无源校正装置与有源校正装置的特点

无源校正网络：阻容元件 优点：校正元件的特性比较稳定。 缺点：由于输出阻抗较高而输入阻抗较低，需要另 加放大器并进行隔离; 没有放大增益，只有衰减。 有源校正网络：阻容电路+线性集成运算放大器 优点：带有放大器，增益可调，使用方便灵活。

缺点：特性容易漂移。

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二、无相移校正装置(比例控制) 1、传递函数 2、实现形式 无源网络R1u1 u1 R2

Gc (s) K

放大器R2

R1

u2

R0K 1

u2

R2 K R1 R2

K

3、分压器、衰减器

R2 R1

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无源超前校正

一般而言，当控制系统的开环增益增大到 满足其静态性能所要求的数值时，系统有可能 不稳定，或者即使能稳定，其动态性能一般也 不会理想。在这种情况下，需在系统的前向通 路中增加超前校正装置，以实现在开环增益不 变的前题下，系统的动态性能亦能满足设计的 要求。先讨论超前校正网络的特性，而后介绍基 于频率响应法的超前校正装置的设计过程。

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二、相位超前校正网络无源阻容网络组成的装置

U 2 (s) R2 Gc ( s ) 1 U1 ( s) R2 1 sC R1

R1C

R2 (1 R1Cs ) R2 1 R1CS) ( R2 R2 R1 R1 R2CS (R R )( R2 R1CS ) 1 1 1 2 R1 R2 R1 R 2

U2 s 1 GC ( S ) U1 s 1

j 1 G c ( j ) j 1