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1、控制工程基础第五章控制系统的校正1第1页，此课件共27页哦结构不稳定系统及其改进实例：仅仅调节参数无法稳定的系统称为结构不稳定系统。0HaU1Q1K3K)1(2TssKsK4H2Q-杠杆和放大器的传递函数执行电机的传递函数进水阀门的传递函数控制对象水箱的传递函数放大器电动机减速器进水阀门电位器连杆浮子实际水位水池出水+-例：如图所示的液位控制系统2第2页，此课件共27页哦闭环传递函数为：432124321)1()(KKKKTssKKKKs4321KKKKK 令：0)1(2KTss闭环特征方程为：023KsTs展开为：KaaaTa0123,0,1,方程系数：由于 ，不满足系统稳定的必要条件，所以
2、系统是不稳定的。这也可从劳斯表看出。01a劳斯表：KKTKTssss100123 由于无论怎样调节参数K和T都不能使系统稳定，所以是一个结构不稳定的系统。欲使系统稳定，必须改变原系统的结构。3第3页，此课件共27页哦引入开环零点（比例微分）0H1Q1s)1(321TssKKKsK4H2Q稳定的充分必要条件为：即0ia0,0,0KT0)(TKT 即4第4页，此课件共27页哦第一节 概述n一、定义：在原有系统中，有目的的增添一些装置和元件，人为地改变系统的结构和性能，使之满足所需要的性能指标，这种方法称为“系统校正”（system compensation)。增添的装置和元件称为校正装置和校正元件
3、。n二、校正方式 根据校正装置在控制系统中的位置，最基本的校正方式有两种，即串联校正和反馈校正（也称并联校正）。若将两种校正结合称为复合校正。5第5页，此课件共27页哦1、串联校正方式n将校正装置串联在反馈控制系统的前向通道中。n校正装置的作用：实现各种控制规律，以改善控制系统的性能，因此常称为控制器。+-Xi()sGc()sH(s)Xo()sG()s2校正环节校正环节6第6页，此课件共27页哦 根据所起的作用不同，串联校正装置可分为：n 相位超前校正装置n 相位滞后校正装置n 相位滞后-超前校正装置7第7页，此课件共27页哦2、反馈校正方式n将校正装置接于局部反馈通道中构成。n优点：可大大提
4、高系统的相对稳定性，有效削弱非线性因素的不良影响，降低系统对参数变化的敏感度，显著改善系统抑制扰动的能力。+-Xi()sXo()s+G1()sG()s2 G()scG()s3-G()s2*校正环节校正环节8第8页，此课件共27页哦三、校正装置n分类分类 根据动力源和信号性质不同，校正装置分为根据动力源和信号性质不同，校正装置分为电气的、气动的、液压的以及机械的等，其中应电气的、气动的、液压的以及机械的等，其中应用最广泛的是用最广泛的是电气校正网络电气校正网络。根据电气校正装置是否使用电源，其又可分根据电气校正装置是否使用电源，其又可分为以下两种：为以下两种：无源校正装置、有源校正装置。无源校正
5、装置、有源校正装置。9第9页，此课件共27页哦1 1、无源校正装置、无源校正装置n 构成：由电阻和电容组成的两端口网络。n 特点：无需外供电源，线路简单，组合方便，成本 低。但本身没有增益，且输入阻抗低，输出阻抗高。输入、输出阻抗与系统性能：10第10页，此课件共27页哦2 2、有源校正装置、有源校正装置n 构成：由构成：由运算放大器运算放大器和和无源网络无源网络组成。组成。n 特点：特点：输入阻抗高，输出阻抗低；可以提供所需要的增益；输入阻抗高，输出阻抗低；可以提供所需要的增益；设计、参数调整方便，使用灵活等。设计、参数调整方便，使用灵活等。11第11页，此课件共27页哦第二节 PID控制P
6、IDPID控制控制（Proportional-Integral-Differential Control）：即比例、积分：即比例、积分和微分控制的简称。和微分控制的简称。在当今应用的工业控制器中，半数以上采用了在当今应用的工业控制器中，半数以上采用了PIDPID或变形或变形PIDPID控制方控制方案。案。PIDPID控制器分为控制器分为模拟模拟和和数字控制器数字控制器两种。模拟两种。模拟PIDPID控制器通常是电控制器通常是电子、气动或液压型的，数字子、气动或液压型的，数字PIDPID控制器是由计算机实现的。控制器是由计算机实现的。大多数大多数PIDPID控制器的参数是现场调节的。控制器的参数
7、是现场调节的。PIDPID控制的价值在于它对控制的价值在于它对于大多数控制系统的广泛适应性，虽然在许多给定的情况下还不能提于大多数控制系统的广泛适应性，虽然在许多给定的情况下还不能提供最佳控制。供最佳控制。12第12页，此课件共27页哦 下图表示了一种控制对象的PID控制。它是串联在系统的前向通道中的，这是一种最常见的形式。PID控制器的时域表达式为：)1.6.().)()(1)()(0dttdeTdtteTtektudtip 式中，u(t)是PID控制器的输出信号，e(t)是PID控制器的输入信号，也就是系统的误差信号。kp称为比例系数，Ti、Td分别称为积分和微分时间常数。-PID控制器控
8、制对象)(tu)(te13第13页，此课件共27页哦 上页所示的PID表达式(6.1)即是通常所说的常规PID控制器。常规PID控制器可以采用多种形式进行工作。主要有以下几种，分别称为：q 比例控制器：)()(tektupq 比例-积分控制器：)(1)()(0tipdtteTtektuq比例-微分控制器：)()()(dttdeTtektudpq比例-积分-微分控制器：)()(1)()(0dttdeTdtteTtektudtip 在某些特殊的情况下，PID控制器可以进行适当的变形，以适应系统控制的要求。这些控制器称为变形的PID控制器。比如，积分分离PID控制器，变速PID控制器，微分先行PID
9、控制器，抗饱和PID控制器，Fuzzy PID控制器等形式。14第14页，此课件共27页哦v PID控制器的传递函数如下：)11()()(sTsTksEsUdipv PID控制器的结构图如下：pksTkipsTkdp)(sU)(sE-控制对象pksTkipsTkdp)(sU)(sE)(sR)(sYv PID控制器在控制系统中的应用：15第15页，此课件共27页哦q 比例部分：增加比例系数可加快系统的响应速度，减小稳态误差；但比例系数太大会影响系统的稳定性。q 积分部分：积分时间常数越小，积分作用越强。积分控制作用可以消除系统的稳态误差；但积分作用太大，会使系统的稳定性下降。q 微分部分：微分时
10、间常数越大，微分作用越强。微分作用能够反映误差信号的变化速度。变化速度越大，微分作用越强，从而有助于减小振荡，增加系统的稳定性。但是微分作用对高频误差信号（不管幅值大小）很敏感。如果系统存在高频小幅值的噪音，则它形成的微分作用可能会很大，这是不希望出现的。PID控制器每一部分对控制系统的作用：16第16页，此课件共27页哦第三节 串联校正一、比例校正)1)(1(121sTsTskR(s)C(s)_kcGcG1降低增益k后：1、相对稳定性改善；2、穿越频率c降低，ts增大，系统快速性变差；3、稳态误差增大，系统稳态精度降低。17第17页，此课件共27页哦二、比例-微分(PD)校正（相位超前校正）
11、R(s)_Gc)1)(1(211sTsTskC(s)G1)1(skcPD校正后：1、相对稳定性提高；2、穿越频率增大，系统的快速性提高；3、系统的高频增益增大，易引入高频干扰；4、对稳态精度不产生直接影响。18第18页，此课件共27页哦三、比例-积分(PI)校正（相位滞后校正）PI校正后：1、低频段0型 I型，系统稳态性能提高；2、中频段，系统的相对稳定性变差；3、高频段，校正前后对系统的性能影响不大。R(s)_Gc)1)(1(211sTsTkC(s)G1sTsTkccc)1(19第19页，此课件共27页哦第三节 反馈校正 一、特点一、特点 n 改变反馈所包围环节的动态结构和参数，消除所包围环
12、节的参数波动对系统性能的影响。+-Xi()sXo()s+G1()sG()s2 G()scG()s3-G()s2*校正环节校正环节20第20页，此课件共27页哦在一定频率范围内，选择1)()(2sGsGc)(1)(*2sGsGc则有：所以 的影响可以忽略，即局部回路的特性完全取决于 。n 取代特性不好的局部结构。设局部环节传函如下：)()(1)()(22*2sGsGsGsGc)(sGc)(2sG21第21页，此课件共27页哦二、反馈校正的形式ccksG)(位置反馈（比例反馈）：sksGcc)(速度反馈（微分反馈）：加速度反馈（二阶微分反馈）：2)(sksGcc+-Xi()sXo()s+G1()s
13、G()s2 G()scG()s3-G()s2*校正环节校正环节22第22页，此课件共27页哦三、位置反馈校正(比例反馈校正)ckkksGksG1)()(*校正后：结构不变，但增益降低。+-Xi()sXo()skkc1、包围比例环节23第23页，此课件共27页哦2、包围积分环节)11(111)(*skkkkkskksksksGcccc校正后：校正后：(1)由积分环节变成了惯性环节(改变了型次)；(2)积分环节消失，无静差有静差，稳态性能变差。+-Xi()sXo()sskkc24第24页，此课件共27页哦3、包围惯性环节ckTskTsksG111)(*1111skkTkkkkkTskccc反馈系数
14、kc越大，闭环增益和时间常数下降越多。+-Xi()sXo()sTs+1kkc（2）增益下降，由k 降为:)1/(ckkk（1）仍为惯性环节，但时间常数下降，由T 降为:)1/(ckkT反馈校正后:25第25页，此课件共27页哦四、速度反馈校正(微分反馈校正)1)()(*skkksGksGc校正后：比例变成惯性，增益不变。校正后：比例变成惯性，增益不变。1、包围比例环节+-Xi()sXo()skkcs26第26页，此课件共27页哦2、包围积分环节 sksG)(skkksGc)1/()(*校正后：仍为积分环节，但增益减小。校正后：仍为积分环节，但增益减小。+-Xi()sXo()sssB()skck27第27页，此课件共27页哦