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1、机械工程控制基础第六章系统校正第1页，本讲稿共58页第六章 系统的性能指标与校正 本章主要教学内容本章主要教学内容本章主要教学内容本章主要教学内容 6.1 系统的性能指标 6.2 系统的校正 6.3 串联校正;6.4 PID校正6.5 反馈校正6.6 顺馈校正第2页，本讲稿共58页本节主要教学内容 6.1 系统的性能指标 6.1.1 时域性能指标6.1.2 频域性能指标6.1.3 综合性能指标Back第3页，本讲稿共58页1.时域性能指标瞬态性能指标 延迟时间上升时间峰值时间最大超调量调整时间稳态性能指标稳态误差第4页，本讲稿共58页2.频域性能指标相位裕度幅值裕度复现频率/复现带宽 0谐振频
2、率/谐振峰值 0 截止频率/截止带宽 0！可以证明：可以证明：及及 都是阻尼比都是阻尼比的函数。因此当系的函数。因此当系统的阻尼比给定后，系统的截止频率统的阻尼比给定后，系统的截止频率 与与 及及 都成都成反比反比关系。即系统的关系。即系统的带宽带宽越越大大，该系统响应输入信号的，该系统响应输入信号的快速性快速性越越好好。第5页，本讲稿共58页例1 两个一阶系统：系统系统 系统系统结论：带宽：带宽大大的系统的系统比带宽较比带宽较小小的系统的系统具有较具有较快快的的 响应速度响应速度第6页，本讲稿共58页3.综合性能指标（误差准则）（1）误差积分性能指标误差积分性能指标适合无超调的情形适合无超调
3、的情形误差误差积分 而e(t)的Laplace变换为 故有第7页，本讲稿共58页(2)(2)误差平方积分性能指标误差平方积分性能指标输出过程有振荡的情形输出过程有振荡的情形 误差平方积分误差平方积分 -重视大的的误差重视大的的误差(3)广义误差平方积分性能指标广义误差平方积分性能指标 -同时重视大的误差同时重视大的误差 及大的误差变化率及大的误差变化率 第8页，本讲稿共58页6.2 系统的校正 本节主要教学内容 6.2.1 校正的概念 6.2.2 校正的目标 6.2.3 校正的分类第9页，本讲稿共58页 所谓所谓校正校正（或称（或称补偿补偿Compensation），就是指在控制系），就是指在
4、控制系 统中增加新的统中增加新的装置装置(环节环节)，以改善，以改善系统性能系统性能的方法。的方法。自动控制系统的设计大体上可按两种方式进行：自动控制系统的设计大体上可按两种方式进行：一是预先给出某种设计指标，通常以严格的数学形式给一是预先给出某种设计指标，通常以严格的数学形式给出，然后确定某种控制形式，并通过解析的方式预定指标出，然后确定某种控制形式，并通过解析的方式预定指标的控制器的控制器 系统综合系统综合。二是制定控制系统的期望性能指标，并根据这些性能二是制定控制系统的期望性能指标，并根据这些性能指标计算出开环系统特性，然后比较期望的开环特性与实指标计算出开环系统特性，然后比较期望的开环
5、特性与实际的开环特性，根据比较结果确定在开环系统中增加某种际的开环特性，根据比较结果确定在开环系统中增加某种控制装置，并计算出控制装置的参数控制装置，并计算出控制装置的参数 系统校正系统校正。6.2.1.校正的概念第10页，本讲稿共58页方法二方法二 在原系统中增加新的环节，使在原系统中增加新的环节，使Nyquist轨迹在某个频率范围轨迹在某个频率范围(如如 内内)发生变化，例如从曲线发生变化，例如从曲线变为曲线变为曲线，使原来不稳定的系，使原来不稳定的系 统变为稳定的系统，而且不改变统变为稳定的系统，而且不改变K，即不增大系统的稳态误差。，即不增大系统的稳态误差。为什么要进行系统校正？【例例
6、1】曲线曲线为系统的开环为系统的开环Nyquist图图(P=0)，由于，由于Nyquist轨迹包围点轨迹包围点(-1，j0)，故相应的闭环，故相应的闭环系统不稳定。系统不稳定。如何使得系统如何使得系统稳定稳定？方法一方法一 减小系统的开环放大倍数减小系统的开环放大倍数K，由，由K变为变为K1，则曲线，则曲线因模变小而变为曲线因模变小而变为曲线，不包围，不包围(-1，j0)，这样系统就稳定了。但是，这样系统就稳定了。但是K变小会使变小会使系统的稳态误差增加，这是不希望的，也是不允系统的稳态误差增加，这是不希望的，也是不允许的。许的。第11页，本讲稿共58页 为什么要进行系统校正？【例例2】曲线】
7、曲线为某系统的开为某系统的开Nyquist 图（图（P=0），系统是稳定的。但是），系统是稳定的。但是 相位裕度太小，是系统的响应有很大相位裕度太小，是系统的响应有很大 的超调量，调整时间太长。即使减小的超调量，调整时间太长。即使减小 K，因相位裕度没有变化，系统的性，因相位裕度没有变化，系统的性 能仍然得不到改善。只有加入新的环能仍然得不到改善。只有加入新的环 节，使节，使Nyquist轨迹变为曲线轨迹变为曲线，即，即，使原来的特性在使原来的特性在 至至 频率区间产频率区间产 生正的相移，才能使系统的相位裕度生正的相移，才能使系统的相位裕度 得到明显的提高，系通的性能得到改得到明显的提高，系
8、通的性能得到改 善。善。！从频率法看，增加新的环节，主要是改变系统的频率特性。第12页，本讲稿共58页6.2.2.校正的目标校正的目标【示例】:为被控对象的传递函数，为校正装置的传递函数；为输入，为负载扰动，为测量噪声；为输出。校正设计基于开环传递函数校正设计基于开环传递函数 。校正的目标为：。校正的目标为：系统的系统的稳定性稳定性 输出跟踪输入的输出跟踪输入的精确性精确性 减少负载减少负载扰动扰动的影响的影响 抑制测量抑制测量噪声噪声的影响的影响 处理模型不确定性能的处理模型不确定性能的鲁棒性鲁棒性能能第13页，本讲稿共58页使 1，以获得高频滚降特性，减低高频噪声的影响。高频段：一般使用低
9、增益控 制策略，通过控制器给 开环传递函数增加极点，低频段：一般使用高增益控 制策略，提高系统的型 别，或提高静态增益。交越区（中频段）：通过增 加开环零点或降低开环 静态增益使 以较 平缓的斜率穿越0dB线 可获得较大的相位裕度 和增益裕度 。典型的对数幅频特性图第14页，本讲稿共58页6.2.3.校正的分类校正的分类串联校正串联校正相位超前校正相位滞后校正相位超前-滞后校正 无源校正环节无源校正环节 电阻电容网络电阻电容网络 有源校正环节有源校正环节 PID校正校正 反馈校正反馈校正 顺馈校正顺馈校正第15页，本讲稿共58页6.3 串联校正串联校正本节主要教学内容6.3.1 相位超前校正6
10、.3.2 相位滞后校正6.3.3 相位滞后-超前校正第16页，本讲稿共58页 引引 言言 串联校正环节一般都放在前向通道的前端，以减少功率消耗。串联校正环节按性质可分为：(1)增益调整；(2)相位超前校正；(3)相位滞后调整；(4)相位超前-滞后调整 增益调整增益调整 难以同时满足静态和动态性能指标，其校正作用有限。难以同时满足静态和动态性能指标，其校正作用有限。增益增益 稳态误差稳态误差 系统的相对稳定性系统的相对稳定性 增益增益 稳态误差稳态误差 系统的相对稳定性系统的相对稳定性第17页，本讲稿共58页6.3.1 相位超前校正相位超前校正 为什么要进行相位超前校正？增加系统的开环增益可以提
11、高系统的响应速度。因为，开环增益的提高会使系统的开环频率特性 的穿越频率(或剪切频率)变大，其结果是增大了系统的带宽 ，而带宽大的系统，响应速度就高。然而仅仅增加增益又会使相位裕度（或增益裕度）减小，从而使系统的稳定性下降。所以，要预先在剪切频率的附近和比它还要高的频率范围内使相位提前一些，这样相位裕度增大了，在增加系统的增益就不会损害稳定性。！为了既能提高系统的响应速度，又能保证系统的其 他特性不变坏，就需要对系统进行相位超前校正。第18页，本讲稿共58页6.3.1 相位超前校正相位超前校正1 相位超前校正原理及其频率特性高通滤波器是一个相位超前环节，其传递函数为式中此环节是比例环节、一阶微
12、分环节与惯性环节的串联。当s很小时，即低频时，此环节相当于一比例环节当s较小时，在中频段相当于比例微分环节当s很大时，即高频时此环节不起校正作用第19页，本讲稿共58页1 相位超前校正原理及其频率特性相位超前校正原理及其频率特性此相位超前环节的频率特性为相频特性为相位超前幅频特性为第20页，本讲稿共58页 相位超前校正环节的频率特性相位超前校正环节的频率特性：Nyguist图图的实部u和虚部v满足此环节的最大相位超前角 ，！超前环节相当于高通滤波器 ,第21页，本讲稿共58页相位超前校正环节的频率特性相位超前校正环节的频率特性：Bode图图增加相位超前环节，增加相位超前环节，系统的带宽，系统的
13、带宽，系统，系统的响应速度的响应速度，相位裕度，相位裕度 ，系统的相对稳定性，系统的相对稳定性第22页，本讲稿共58页2 采用采用Bode图进行相位超前校正图进行相位超前校正例 右图为一单位反馈控制系统。给定的稳态性能指标：单位恒速输入时稳态误差 ；频域性能指标：相位裕度 增益裕度 。设计串联校正环节。解解 根据稳态误差确定开环增根据稳态误差确定开环增益益K。因为是。因为是型系统，所以型系统，所以开环频率特性为第23页，本讲稿共58页采用采用Bode图进行相位超前校正图进行相位超前校正 从Bode图可知，校正前系统的相位裕度为 ，增益裕度大于10dB，故系统是稳定的。但因相位裕度小于 ，相对稳
14、定性不符合要求。采用超前环节校正。第24页，本讲稿共58页 采用采用Bode图进行相位超前校正图进行相位超前校正超前校正环节的零点转角频率 极点转角频率这是超前校正环节在 点上造成的对数幅频特性的上移量。从Bode图上找到-6.2dB时的频率约为 ,这一频率就是校正后系统的剪切频率 。第25页，本讲稿共58页为了补偿超前校正环节造成的幅值衰减,原开环增益要增大到 倍,使 ,故故校正后系统的传递函数为相位校正环节的频率特性为第26页，本讲稿共58页右图为校正后的 Bode图.校正后系统的带宽增加,相位裕度从 增加到 .小结 串联超前校正环节的效果：（1）增大了相位裕度，加大了带宽，即提高了系统的
15、相对稳定性；（2）提高交越频率，加快了系统响应速度，使过渡过程得到显著改善。（3）高频段增益提高，抗测量噪声能力变差。由于系统的增益和型次都未变，稳态精度提高很少。第27页，本讲稿共58页6.3.2 相位滞后校正相位滞后校正1 相位滞后校正原理及其频率特性由电阻电容组成的相位滞后校正环节的传递函数为式中当s很小时,不起校正作用当s较大时,比例+积分+一阶微分当s很大时,比例环节第28页，本讲稿共58页 相位滞后校正相位滞后校正此滞后校正环节的频率特性为相频特性为即相位滞后,其幅频特性为当 时,当 时,此滞后校正环节是一个低通滤波器。当 增益全部下降 ,而相位增加不大。只要增加低频段的增益,可减
16、少系统的稳态误差。第29页，本讲稿共58页 相位滞后环节校正的机理并不是相位滞后,而是使得大于1/T的高频段内的增益全部下降,并且保证在这个频段内的相位变化很小.因此,和 要选得尽可能大.相位滞后校正相位滞后校正第30页，本讲稿共58页给定的稳态性能指标:单位恒速输入时的稳态误差 ;频域性能指标:相位裕度 ,增益裕度 .2 采用采用Bode图进行相位滞后校正图进行相位滞后校正例 设一单位反馈控制系统,其开环传递函数为解解 根据稳态性能指标确定开环增益根据稳态性能指标确定开环增益K.对于对于型系统型系统 第31页，本讲稿共58页选取零点剪切频率由右图可知,原系统的相位裕度为 ,增益裕度为 ,系统
17、是不稳定的.设计裕度 T=10s要使 成为已校正的系统的剪切频率,就需要将该点在原对数幅频特性点移动-20dB.第32页，本讲稿共58页故在剪切频率上故在剪切频率上,相位滞后环相位滞后环节的对数幅频特性曲线分贝节的对数幅频特性曲线分贝值应为值应为当当 时时,有有极点转角频率极点转角频率相位滞后校正环节相位滞后校正环节的频率特的频率特性为性为已校正的系统已校正的系统的开环传递函的开环传递函数为数为系统的响应速度降低系统的响应速度降低.第33页，本讲稿共58页式中 用于补偿滞后环节的滞后相角。串联滞后（及串联滞后（及PI）校正的效果）校正的效果 增加相位裕度，提高系统的相对稳定性增加相位裕度，提高
18、系统的相对稳定性 抬高低频段分贝数，减少稳态误差抬高低频段分贝数，减少稳态误差 系统带宽降低，系统快速性能受限系统带宽降低，系统快速性能受限注：确定校正后系统的穿越频率 时，确定校正环节的转折频率应考虑其相位滞后的影响，条件为第34页，本讲稿共58页(取 )6.3.3 相位滞后-超前校正超前校正的作用:提高系统的相对稳定性和响应快速性滞后校正的作用:在基本上不影响原有动态性能的前提下,提高 系统的开环放大系数,从而显著改善动态性能滞后-超前校正环节:同时改善系统的动态性能和稳态性能1 相位滞后-超前校正原理及其频率特性式中,第35页，本讲稿共58页 分别为 和 .滞后校正在前，超前校正在后，且
19、高频段和低频段均无衰减。当滞后超前环节的频率特性Bode图如右图所示.(取 )频率特性为前一项代表超前校正,后一项代表滞后校正.第36页，本讲稿共58页给定的性能指标:单位恒速输入时的稳态误差 频域性能指标:相位裕度 ,增益裕度 。2 采用采用Bode图进行滞后图进行滞后-超前校正超前校正例 已知开环传递函数为解解 根据稳态性能指标确定根据稳态性能指标确定开环增益开环增益K。对。对型系统型系统开环频率特性为从其Bode图可以看出，该系统的相位裕度约为 ,系统是不稳定的.第37页，本讲稿共58页 先采用超前校正，使相角在 上超前。但若单纯采用超前校正,则低频段衰减太大；若附加增益 ，则剪切频率右
20、移，仍可能在相位交接频率 的右边，系统仍然不稳定。因此在超前校正基础上再采用滞后校正，可使低频段有所衰减，因而有利于 左移。若选未校正前的相位交接频率 为新系统的剪切频率，则取相位裕度 .第38页，本讲稿共58页由上图可知,当 时,幅值约等于13dB.这一点在校正后是剪切频率,所以校正环节在 点上应产生-13dB增益.因此在Bode图上过(1.5 ,-13dB)作斜率为20dB/dec斜线,它和-20dB及零分贝线的交点分别是超前部分的零点转角频率与极点转角频率.即选 ,选滞后部分的零点转角频率远低于 ,则 选则极点转角频率为因此滞后部分的频率特性为第39页，本讲稿共58页超前部分的零点转角频
21、率 则极点转角频率为超前部分的频率特性为综上所述,滞后-超前校正环节的频率特性为已校正的开环传递函数为第40页，本讲稿共58页6.4 PID 校正6.4.1 PID控制规律有源校正环节有源校正环节由运算放大器和电阻、电容组成的反馈网由运算放大器和电阻、电容组成的反馈网 络连结而成，被广泛地用于工程系统中，络连结而成，被广泛地用于工程系统中，常被称为常被称为调节器调节器。PID调节器调节器按偏差的比例按偏差的比例(Proportional)、积分、积分(Integral)、和微分和微分(Derivative)进行控制的调节器进行控制的调节器.-比例系数-积分时间常数-微分时间常数第41页，本讲稿
22、共58页1 PD调节器传递函数为若 时,的频率特性为第42页，本讲稿共58页 PD（超前）校正的作用（超前）校正的作用 增加相位裕量增加相位裕量,增强相对稳定性增强相对稳定性 幅值穿越频率增加幅值穿越频率增加,系统的快速系统的快速 性提高性提高 高频增益上升高频增益上升,抗干扰能力减弱抗干扰能力减弱第43页，本讲稿共58页当 时,的频率特性为2 PI调节器传递函数为PI校正也具有相位滞后特点，为降低稳态误差，一般推荐使用PI校正。第44页，本讲稿共58页PI调节器的作用调节器的作用 加入加入PI控制后控制后,系统从系统从0型型 提高到提高到型，是系统的稳型，是系统的稳 态误差消除或减少态误差消
23、除或减少 相位裕量减小相位裕量减小,相对稳定相对稳定 程度变差程度变差注：滞后或PI校正的限制在低频段无法找到所需的相位裕度或不允许降低带宽的场合不能使用。第45页，本讲稿共58页当 时,PID调节器的Bode图如右所示.低频段:积分作用,改善稳态性能中频段:微分作用,改善动态性能当 时,的频率特性为3 PID调节器传递函数为第46页，本讲稿共58页（1）比例比例系数系数 直接决定控制作用的直接决定控制作用的强弱强弱。，系统的，系统的稳态误差稳态误差，系统的系统的动态响应速度动态响应速度；过大过大则会使则会使动态质量变坏动态质量变坏，甚至导致系统不稳定。，甚至导致系统不稳定。（2）在）在比例比
24、例之上之上加积分加积分环节（环节（PI）可以）可以消除消除系统的系统的稳态误稳态误 差差。但积分的加入将使系统的。但积分的加入将使系统的动态过程变慢动态过程变慢，且过强，且过强 的积分作用使系统的的积分作用使系统的超调量增大超调量增大，从而使系统的，从而使系统的稳定稳定 性变坏。性变坏。（3）微分微分的控制作用与的控制作用与偏差的变化速度偏差的变化速度有关。微分控制能有关。微分控制能 预测偏差预测偏差，产生，产生超前超前的的校正校正作用，有助于作用，有助于减少超调减少超调，克服振荡克服振荡，使系统，使系统趋于稳定趋于稳定，并能，并能加快加快系统的系统的响应速响应速 度度，减少调整时间减少调整时
25、间，从而，从而改善改善系统的系统的动态动态性能。性能。微分的微分的不足不足之处是之处是放大了噪声放大了噪声。PID调节器的作用第47页，本讲稿共58页6.4.2 有源校正环节实现PID1 PD校正环节由运算放大器和RC网络组成的有源校正环节.根据复阻抗概念,有由可得传递函数为其中第48页，本讲稿共58页2 PI校正环节根据复阻抗概念,有其传递函数为其中第49页，本讲稿共58页3 PID校正环节复阻抗传递函数为式中第50页，本讲稿共58页故 称为工程最佳阻尼比。调节时间 ，超调量 ，转折频率 ，当阻尼比 时，6.4.3 PID调节器设计如何用希望特性来确定有源校正网络的参数?工程上常采用两种典型
26、的希望的对数频率特性。1 二阶系统最优模型设单位反馈系统的开环传递函数为闭环传递函数为第51页，本讲稿共58页2 高阶系统最优模型低频段：较高的值和斜率，可提高系统的稳态 精度。中频段：斜率为高频段：衰减较大，可抑制 测量噪声。初步设计时，取 =/2中频段宽度 选为712或 1518个 。第52页，本讲稿共58页6.5 反馈校正（局部）反馈校正：环绕系 统中一个或几个前向通 道的反馈。反馈校正具有串联校正不具 备的特点。（1）信号从 高能级被引向低能级，因此不需要放大。（2）通常提供更大的抗 负载干扰能力。局部闭环系统的传递函数其开环频率特性为若 1，校正很弱若 1，反馈校正作用很强。第53页
27、，本讲稿共58页6.5.1 位置反馈校正对非0型系统，未校正系统的传递函数为若采用单位反馈校正，即K=1，则闭环传递函数为第54页，本讲稿共58页例 一阶系统,设 ,加并联反馈校正 ,则闭环传递函数为 校正后系统的校正后系统的 型次未变；型次未变；时间常数下降时间常数下降-惯性减弱惯性减弱,导致导致过渡过程时间缩短过渡过程时间缩短,响应响应 速度加快；速度加快；系统的增益下降。系统的增益下降。第55页，本讲稿共58页6.5.2 速度反馈校正如右图所示的如右图所示的型系统型系统,未未校正前的传递函数为校正前的传递函数为采用速度反馈校正后的系统传递函数为校正后：型次未变；时间常数下降；系统增益减小
28、。第56页，本讲稿共58页6.6 顺馈校正(补偿)单位反馈闭环系统的输出为即存在误差加入顺馈环节 后传递函数为第57页，本讲稿共58页即 时，有当 或所以这称为全补偿的顺馈校正。顺馈校正并不影响系统的稳定性，因为系统的特征方程没有变，仍然为本章小结本章小结 系统校正时应关注的性能系统校正时应关注的性能 指标主要有指标主要有:稳定性、稳态稳定性、稳态 误差、相位裕度误差、相位裕度/幅值裕幅值裕 度、带宽、动态性能、调度、带宽、动态性能、调 整时间等；整时间等；理解各种校正方法的原理解各种校正方法的原 理、频率特性、实施方理、频率特性、实施方 法；加入校正环节以后系法；加入校正环节以后系 统性能参数的变化及其求统性能参数的变化及其求 法。重点是串联校正。法。重点是串联校正。第58页，本讲稿共58页