自动控制原理胡寿松第六章PI.ppt

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1、第六章第六章 控制系统的校正控制系统的校正64 反馈校正反馈校正 61 系统校正的基本概念系统校正的基本概念62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性63 串联校正串联校正 65 复合控制复合控制 主要内容主要内容 1、校正的概念及类型、校正的概念及类型2、常用校正装置及其特性、常用校正装置及其特性3、串联综合校正、串联综合校正超前、滞后、滞后超前、滞后、滞后超超 前、希望特性法前、希望特性法4、并联综合校正、并联综合校正5、复合控制校正、复合控制校正重点与难点重点与难点1、常用校正装置及其特性、常用校正装置及其特性2、串联综合校正、串联综合校正超前、滞后、超前、滞后、滞后滞后超前、希望特

2、性法超前、希望特性法3、并联综合校正、并联综合校正难难 点点 校正方法与步骤校正方法与步骤重重 点点本章引言本章引言 设计控制系统时首先根据实际生产的要求选设计控制系统时首先根据实际生产的要求选择受控对象，如温控系统选温箱，调速系统选电择受控对象，如温控系统选温箱，调速系统选电机等等；然后确定控制器，完成测量，放大，比机等等；然后确定控制器，完成测量，放大，比较，执行等任务。但实际生产会对系统各方面的较，执行等任务。但实际生产会对系统各方面的性能提出要求：时域性能提出要求：时域 等，频等，频域域 等。当把受控对象和控等。当把受控对象和控制器组合起来以后，除了制器组合起来以后，除了K可作适当调整

3、外，其可作适当调整外，其它都有自身的静、动态特性它都有自身的静、动态特性称为不可变部分；称为不可变部分；设计的第三步是确定控制方式设计的第三步是确定控制方式开环、开环、闭环、复合控制等；第四步是分析系统性能闭环、复合控制等；第四步是分析系统性能时时域、复域、频域均可，若满足要求，域、复域、频域均可，若满足要求，皆大欢喜，但皆大欢喜，但概率很小，一般不满足要求，这时可在允许范围内概率很小，一般不满足要求，这时可在允许范围内调整调整K，K增大增大ess减小，但稳定性降低，若仍不满减小，但稳定性降低，若仍不满足要求，只能设法改进。如：按足要求，只能设法改进。如：按ess设计的设计的K可能使可能使 ，

4、不稳，若，不稳，若 ，但，但ess增大又不满足。所以增大又不满足。所以K不能减小，只能引入附加装置不能减小，只能引入附加装置校正装置。校正装置。本章引言（续）本章引言（续）61 系统校正的基本概念系统校正的基本概念 一、定义：一、定义：给系统附加一些具有某些典型环节的电网络，给系统附加一些具有某些典型环节的电网络，模拟运算部件及测量元件等，靠他们的配置有效的模拟运算部件及测量元件等，靠他们的配置有效的改进系统性能，称为系统校正。改进系统性能，称为系统校正。二、类型：二、类型：1、串联校正：一般接在系统测量点之后和放大器、串联校正：一般接在系统测量点之后和放大器 之前，串接于系统前向通道之中。之

5、前，串接于系统前向通道之中。2、反馈校正：一般接于系统局部反馈通道中。、反馈校正：一般接于系统局部反馈通道中。3、复合控制：在第三章减小、复合控制：在第三章减小ess的措施中已经讨的措施中已经讨 论过，有按给定补偿和扰动补偿两种方式。论过，有按给定补偿和扰动补偿两种方式。61 系统校正的基本概念系统校正的基本概念校正类型（续）校正类型（续）三、校正中使用的性能指标：三、校正中使用的性能指标：1、二阶系统频域指标与时域指标的关系：、二阶系统频域指标与时域指标的关系：61 系统校正的基本概念系统校正的基本概念61 系统校正的基本概念系统校正的基本概念性能指标（续）性能指标（续）61 系统校正的基本

6、概念系统校正的基本概念2、高阶系统频域指标与时域指标的关系：、高阶系统频域指标与时域指标的关系：性能指标（续）性能指标（续）61 系统校正的基本概念系统校正的基本概念性能指标（续）性能指标（续）四、基本控制规律：四、基本控制规律：一般采用比例、微分、积分等基本控制规律或采一般采用比例、微分、积分等基本控制规律或采用这些基本控制规律的某些组合，如用这些基本控制规律的某些组合，如PD、PI、PID等，等，利用它们相位超前或滞后、幅值增加等作用以实现对利用它们相位超前或滞后、幅值增加等作用以实现对被控对象的有效控制。被控对象的有效控制。62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性一、无源校正网络一

7、、无源校正网络 超前网络（微分性质）超前网络（微分性质）62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性超前网络（续）超前网络（续）1.幅相特性：幅相特性：62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性10.20.5j0=0.2=0.52.对数频率特性：对数频率特性：62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性特点特点:转折转折相位超前，故称超前校正装置相位超前，故称超前校正装置 62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性 由由可求得可求得时时的的超前网络（续）超前网络（续）实际实际上上62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性 则则有有超前网络（续）超前网络（续）62 常用校正装置及

8、其特性常用校正装置及其特性3、实实用方式：用方式：低低频频段段出出现现低低频频下降，串入系下降，串入系统统会使会使K减小减小，ess增加。增加。实实用中可用中可让让放大器的放大系数增加放大器的放大系数增加超前网络（续）超前网络（续）倍，倍，则则会得到会得到补偿补偿。即。即62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性0超前网络（续）超前网络（续）滞后网络（积分性质）：滞后网络（积分性质）：Z262 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性1、幅相特性、幅相特性 62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性特性曲线见下页特性曲线见下页滞后网络（续）滞后网络（续）j10滞后网络（续）滞后网络（续

9、）2、对数频率特性：、对数频率特性：转折：转折：特点：特点：相位滞后，故称为滞后校正装置。相位滞后，故称为滞后校正装置。62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性仍按照超前网络中公式计算，仍按照超前网络中公式计算，只将只将换为换为即可。即可。62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性滞后网络（续）滞后网络（续）3.实用形式：实用形式：滞后网络不衰减，可直接使用。它是一个低通滤滞后网络不衰减，可直接使用。它是一个低通滤波器，而超前网络是一个高通滤波器。波器，而超前网络是一个高通滤波器。滞后滞后超前网络（积分超前网络（积分微分性质）：微分性质）：62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特

10、性62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性滞后滞后超前网络（续）超前网络（续）62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性若设若设 即即 则则 滞后滞后超前网络（续）超前网络（续）1、幅相特性：、幅相特性：62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性此时此时 且同样且同样 62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性滞后滞后超前网络（续）超前网络（续）2、对数频率特性：、对数频率特性：转折：转折：62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性滞后滞后超前网络（续）超前网络（续）特点：特点：此网络无衰减，两边对称，直接使用即可。此网络无衰

11、减，两边对称，直接使用即可。3、实用形式：、实用形式：62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性 相差相差足足够够大（如几十倍以上），大（如几十倍以上），则则可利用滞后可利用滞后网络和超网络和超前网络的计算公式计算前网络的计算公式计算后后相位超前，故称滞后相位超前，故称滞后超前网超前网络络。当。当 和和相位滞后，相位滞后，2、D调节器：调节器：3、I调节器：调节器：二、有源校正网络：二、有源校正网络：1、P调节器：调节器：62 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性4、PD调节器：调节器：其中其中 6、PID调节器：调节器：7、惯性环节：、惯性环节：其中其中 其中其中 62 常用校正装置

12、及其特性常用校正装置及其特性5、PI调节器：调节器：其中其中 有源校正网络（续）有源校正网络（续）63 串联校正串联校正将时域指标转化为频域指标后：稳定性为将时域指标转化为频域指标后：稳定性为 常采用超前、滞后、滞后常采用超前、滞后、滞后超前三种方式。超前三种方式。暂态性能为暂态性能为；稳态性能为；稳态性能为K。串联校正中。串联校正中1、超前校正：、超前校正：已考已考虑虑了低了低频频衰减，衰减，则则有有1、实质实质：利用超前校正装置的相位：利用超前校正装置的相位超前特性增大系超前特性增大系 统的相角裕量，以改善系统的暂态性能。因此应统的相角裕量，以改善系统的暂态性能。因此应 将超前校正网络的将

13、超前校正网络的 处于校正后系统的处于校正后系统的 处。处。2、作用：、作用：1）使）使 2）3）对提高稳态精度作用不大，抗高频干扰能力降低。）对提高稳态精度作用不大，抗高频干扰能力降低。63 串联校正串联校正4）适于）适于ess已满足，噪音信号很小，但已满足，噪音信号很小，但 不够的不够的 系统。系统。3、步骤：、步骤：1）根据）根据ess确定确定K；2）根据）根据K、绘制原系统的绘制原系统的，确定未校正，确定未校正系统的系统的校正装置校正装置校正后系统校正后系统校正前系统校正前系统0-40-40-20-20+20 a)若若对对已有要求，已有要求，则可查到则可查到 ；取；取 使使 与与 之和为

14、之和为 0，即可求得，即可求得 。b)若对若对 未提出要求，则由未提出要求，则由（裕量（裕量），求得），求得。则有。则有 在在 上查出其幅值为上查出其幅值为，所对应的，所对应的 就是就是，且，且 63 串联校正串联校正3）确定）确定和和4）63 串联校正串联校正5）画）画 曲线。曲线。6）检验指标，若不满足再重选一次）检验指标，若不满足再重选一次 和和 7）确定电路参数（）确定电路参数（R、C等）。等）。例例1、若、若，要求在，要求在 下下，求，求。63 串联校正串联校正R(s)C(s)-解：解：1），画，画 曲线，则有：曲线，则有：2），在，在 上量上量 所对所对校正装置校正装置校正后系统校

15、正后系统校正前系统校正前系统0-40-40-20-20+2013）4）补偿校正损失：）补偿校正损失：，则有，则有 63 串联校正串联校正满足要求。满足要求。63 串联校正串联校正5）确定参数：）确定参数：若选若选（任选，但应以（任选，但应以C不要太大为合理），不要太大为合理），二、滞后校正：二、滞后校正：63 串联校正串联校正，要求，要求 例例2、R(s)C(s)-解：解：1）2）画）画 曲线，曲线，不稳。不稳。4）分析：现要求）分析：现要求 比比 小不少，小不少，3）若采用超前校正，则）若采用超前校正，则，且，且 之后的之后的。经计算：。经计算：不满不满 需放大需放大100倍，所以超前校正倍

16、，所以超前校正难以凑效。难以凑效。63 串联校正串联校正1、步骤：、步骤：1）根据）根据ess确定确定K，绘制原系统的，绘制原系统的 计算计算。因此需要有一。因此需要有一使中频的使中频的率的校正网络，且远离率的校正网络，且远离 以使以使（负的）（负的）对对 几乎无影响，采用滞后校正。几乎无影响，采用滞后校正。所以可所以可个负斜个负斜2）确定）确定 a)若题目给出若题目给出，可选用之，简单。，可选用之，简单。b)若题目未给出若题目未给出，则利用：，则利用：其中其中 为裕量为裕量，以补偿，以补偿 根据根据 在原系统在原系统 上查出对应的上查出对应的 63 串联校正串联校正3）求）求：找出原：找出原

17、 求得求得 4）确定）确定（要远离（要远离），），画出画出 曲线。曲线。5）校验：）校验：6）确定参数。）确定参数。63 串联校正串联校正63 串联校正串联校正a、取、取 b、，设校正网络在，设校正网络在 处有处有 上例：上例：63 串联校正串联校正（负值舍去）（负值舍去）内均可，内均可，c、d、取取 e、63 串联校正串联校正f、满足要求。满足要求。当当 时时 满足要求。满足要求。63 串联校正串联校正，选，选 G、确定参数：、确定参数：2）适用于对快速性要求不高而对抗高频干扰能力较）适用于对快速性要求不高而对抗高频干扰能力较 高的系统。高的系统。3）当未校正系统具有较好的动特性而）当未校正

18、系统具有较好的动特性而ess不够时，用不够时，用 滞后校正加一个放大倍数为的放大器，则有滞后校正加一个放大倍数为的放大器，则有 形状不变，只向上移形状不变，只向上移 无影响，可使无影响，可使 倍，则倍，则 63 串联校正串联校正2.作用：作用：且抗高频干扰能力提高。且抗高频干扰能力提高。1）以牺牲快速性换取稳定裕度）以牺牲快速性换取稳定裕度，但，但 三、滞后三、滞后超前校正：超前校正：63 串联校正串联校正R(s)C(s)-401-20-40L()-20-402010100-600.16031校正前校正前特性曲线如下图所示特性曲线如下图所示401-20-40L()-20-402010100-6

19、00.160311.250.2542.620校正装置校正装置校正前校正前校正后校正后 特点与作用：特点与作用：1.用低频积分性质和高频相位超前的特性来全面改善用低频积分性质和高频相位超前的特性来全面改善2.系统性能，低频段提高稳态精度，高频段相位超前系统性能，低频段提高稳态精度，高频段相位超前3.使使 。2.用于需要同时改善暂态和稳态性能的系统，但结构用于需要同时改善暂态和稳态性能的系统，但结构 复杂，校正繁琐。复杂，校正繁琐。四、期望特性法（只适用于最小相位系统）四、期望特性法（只适用于最小相位系统）（一）期望特性法：（一）期望特性法：63 串联校正串联校正上述三种方法均为试探法上述三种方法

20、均为试探法从原系统的从原系统的 出发，出发，靠性差，工作量大。靠性差，工作量大。，若不满足需重选，可，若不满足需重选，可依据分析和经验，选取依据分析和经验，选取 根据给出的性能指标先求出与此对应的系统幅根据给出的性能指标先求出与此对应的系统幅希望对数幅频特性，希望对数幅频特性，比较，比较，频特性频特性与原系统的与原系统的再将它再将它以确定以确定，进而确，进而确定其参数。定其参数。校正后校正后 则则 据此写出据此写出 低频：低频：K应充分大，且具有负斜率，保证应充分大，且具有负斜率，保证ess的要求。的要求。中频：宜取中频：宜取 且宽，且宽，适当，保证适当，保证。高频：应有较大的幅值衰减，抗高频

21、干扰能力增强。高频：应有较大的幅值衰减，抗高频干扰能力增强。63 串联校正串联校正（二）典型期望对数频率特性：（二）典型期望对数频率特性：1.二阶期望特性：二阶期望特性：校正后为典型二阶系统，又称为典型校正后为典型二阶系统，又称为典型1型系统，型系统，根据要求确定根据要求确定 和和：63 串联校正串联校正-20-40L()0此时此时 各项性能最好。各项性能最好。63 串联校正串联校正工程上称工程上称 为最佳二阶系统，为最佳二阶系统，二阶期望特性因系统性能指标和典型特性间关系较二阶期望特性因系统性能指标和典型特性间关系较简单，便于计算而比较实用，但它比高阶希望特性简单，便于计算而比较实用，但它比

22、高阶希望特性的适应性差。的适应性差。2.三阶期望特性：三阶期望特性：校正后校正后为为典型三典型三阶阶系系统统，又称，又称为为典型典型2型系统，型系统，其中其中 可以证明：当可以证明：当h一定时有：一定时有：63 串联校正串联校正h345678910303642464951535552.643.637.633.229.827.22520.3121191011121314可可见见：当：当时时，性能最好，性能最好，最短，此最短，此为为工程工程值值。但若要求但若要求 较好。较好。，则选，则选 在此在此 对应的对应的 在在 的几何中点，的几何中点，并求得并求得 63 串联校正串联校正3、四、四阶阶期望特

23、性：期望特性：63 串联校正串联校正为为低低频频属于属于1型系型系统统，要满足，要满足ess的要求，的要求，因因为为只适用于最小相位系只适用于最小相位系统统，故省去故省去 曲线曲线 1、绘绘制原系制原系统统的的按按ess要求要求绘绘制，制，检验检验性能指性能指标标。：2、确定期望的、确定期望的63 串联校正串联校正中频的连接段；中高频的连接段及高频段应尽可能考中频的连接段；中高频的连接段及高频段应尽可能考虑未校正系统。虑未校正系统。且且宽宽，为中频，应为为中频，应为是低频与是低频与（三）期望特性法的步骤：（三）期望特性法的步骤：(3)高频段无特殊要求可保持原斜率不变。高频段无特殊要求可保持原斜

24、率不变。(4)低中频连接段与中频的交点频率不能靠近低中频连接段与中频的交点频率不能靠近-对三、四阶系对三、四阶系 统而言。统而言。63 串联校正串联校正(2)中频段按中频段按(1)4、校验校正后系统的性能指标，确定结构参数。、校验校正后系统的性能指标，确定结构参数。3、确定、确定63 串联校正串联校正不稳定。不稳定。63 串联校正串联校正0.3 63 串联校正串联校正(3)63 串联校正串联校正（4）校验：）校验：63 串联校正串联校正64 反馈校正反馈校正 除了串联校正外，反馈校正也是广泛应用的一除了串联校正外，反馈校正也是广泛应用的一种校正方式。实用中采用局部反馈校正较多。第三种校正方式。

25、实用中采用局部反馈校正较多。第三章中改善二阶系统性能之一的速度反馈即是反馈校章中改善二阶系统性能之一的速度反馈即是反馈校正的应用。系统采用反馈校正后，除了可以得到与正的应用。系统采用反馈校正后，除了可以得到与串联校正相同的校正效果外，还可以获得某些改善串联校正相同的校正效果外，还可以获得某些改善系统性能的特殊功能。系统性能的特殊功能。一、反馈校正对系统特性的影响及其特点：一、反馈校正对系统特性的影响及其特点：如图典型结构：如图典型结构：64 反馈校正反馈校正(1)当满足当满足 也就是反馈校正不起作用。也就是反馈校正不起作用。(2)当满足当满足 适当选择校正装置的结构与参数，使开环频率特性适当选

26、择校正装置的结构与参数，使开环频率特性发生所希望的变化，满足性能指标的发生所希望的变化，满足性能指标的 要求。要求。64 反馈校正反馈校正反馈校正的特点：反馈校正的特点：(1)削弱非线性特性的影响。削弱非线性特性的影响。(2)减小系统的时间常数：若减小系统的时间常数：若 则则 64 反馈校正反馈校正(3)降低系统对参数变化的敏感性：降低系统对参数变化的敏感性：上例中：上例中：64 反馈校正反馈校正采用反馈校正：采用反馈校正：其相对增量为其相对增量为其中其中 为未校正系统的为未校正系统的开环频率特性开环频率特性64 反馈校正反馈校正(4)抑制系统噪声。抑制系统噪声。二、综合法反馈校正：二、综合法

27、反馈校正：右图有：右图有：2、若、若满满足足则则有有，1、在对数频率特性上，若满足、在对数频率特性上，若满足 即即 即即64 反馈校正反馈校正u校正中为方便起见，校正中为方便起见，即即 64 反馈校正反馈校正附近附近误误差差较较大，又知大，又知附近对系附近对系统的稳定性和动态性能指标影响最大，所以应使统的稳定性和动态性能指标影响最大，所以应使则则工程上允工程上允许许且且对对系系统统性能影响不大。性能影响不大。（一）步骤：（一）步骤：1、先绘制未校正系统的开环对数频率特性：、先绘制未校正系统的开环对数频率特性：2、按给定性能指标绘制希望的开环对数频率特性：、按给定性能指标绘制希望的开环对数频率特

28、性：64 反馈校正反馈校正4、检验小闭环的稳定性，并在、检验小闭环的稳定性，并在 附近检查附近检查 的程度。的程度。64 反馈校正反馈校正3、起作用的起作用的频频段，并求得段，并求得该该段段由于当由于当 可任取，为简单起见，将起作用段延伸到不可任取，为简单起见，将起作用段延伸到不起作用段。起作用段。5、6、校、校验验校正后系校正后系统统的性能指的性能指标标。（二）例题：要求（二）例题：要求64 反馈校正反馈校正64 反馈校正反馈校正100-20-40-20-60-40-40+20-20解：解：1）64 反馈校正反馈校正2）根据）根据3）根据）根据得得两边延伸即可。两边延伸即可。时，时，稳定。稳

29、定。时，时，近似程度可以。近似程度可以。64 反馈校正反馈校正。4、校验小闭环：小闭环的开环对数频率特性为、校验小闭环：小闭环的开环对数频率特性为 5、64 反馈校正反馈校正满足。满足。满足。满足。6、由于、由于 有两个纯微分环节，不易实现，有两个纯微分环节，不易实现，64 反馈校正反馈校正可将原结构图略作调整：可将原结构图略作调整：虽然串联校正和反馈校正是控制工程中广泛虽然串联校正和反馈校正是控制工程中广泛 采用的校正方法，并在一定程度上可以使校正后采用的校正方法，并在一定程度上可以使校正后 的系统满足要求的性能指标。但如果系统对稳态的系统满足要求的性能指标。但如果系统对稳态 精度和动态性能

30、都要求很高，则上述两种方法就精度和动态性能都要求很高，则上述两种方法就 难以凑效，故可将前馈（补偿）和反馈控制结合难以凑效，故可将前馈（补偿）和反馈控制结合 起来，形成复合控制，可解决上述问题。起来，形成复合控制，可解决上述问题。采用复合控制，只要适当选择参数，不但可采用复合控制，只要适当选择参数，不但可 以保持系统稳定，极大的减小乃至消除以保持系统稳定，极大的减小乃至消除e essss，而且，而且 可以抑制几乎所有的可测量的扰动，其中包括低可以抑制几乎所有的可测量的扰动，其中包括低65 65 复合控制复合控制65 复合控制复合控制 频强扰动。频强扰动。复合控制在第三章复合控制在第三章“减小减小ess的措施的措施”一部分中一部分中 讲过。它包括按给定补偿和按扰动补偿两种方式，讲过。它包括按给定补偿和按扰动补偿两种方式，均是按不变性原理设计的，只要原系统的动态性能均是按不变性原理设计的，只要原系统的动态性能良好且稳定，复合控制可以在不改变动态性能和稳良好且稳定，复合控制可以在不改变动态性能和稳定性的前提下，大大提高稳态精度，甚至实现全补定性的前提下，大大提高稳态精度，甚至实现全补偿。采用等效传递函数的概念，适当选择前馈补偿偿。采用等效传递函数的概念，适当选择前馈补偿环节的参数，将系统的类型等效的提高。环节的参数，将系统的类型等效的提高。复合控制（续）复合控制（续）