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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n n1.串联校正和反馈校正方法串联校正和反馈校正方法 n n2.采用前馈反馈复合控制的校正采用前馈反馈复合控制的校正方法方法 n n3.PID控制器的工程整定控制器的工程整定 6.1串联校正和反馈校正方法1.系统校正的概念n n 所谓校正，是指当系统的性能指标不能满足控制要求时，通过给系统附加某些新的部件、环节，依靠这些部件、环节的配置来改善原系统的控制性能，从而使系统性能达到控制要求的过程。这些附加的部件、环节称为校正装置。按照校正装置在系统中的连接方式，按照校正装置在系统中的连接方式，分为并联和分为并联和串联两种。串联两种。1.1.串联校正串联校
2、正 校正装置与系统原有部分串联连接2.反馈或并联校正反馈或并联校正 校正装置接在系统的局部反馈通道之中 2.校正装置及系统的连接方式图6-10 校正装置与系统的连接方式（a）串联校正；（b）反馈校正串联校正和反馈校正的优缺点：串联校正和反馈校正的优缺点：1.串联校正比反馈校正更易于实现对信号进行串联校正比反馈校正更易于实现对信号进行各种必要形式的变换。串联校正装置分各种必要形式的变换。串联校正装置分无源无源和和有源有源两类。两类。（1）无源串联装置无源串联装置比较简单，它本身没有放比较简单，它本身没有放大器，用来串联校正在信号变换过程中引起的大器，用来串联校正在信号变换过程中引起的幅值衰减。此
3、外，为了避免功率损耗，无补偿幅值衰减。此外，为了避免功率损耗，无补偿源串联校正装置一般安置在前向通道中能量最源串联校正装置一般安置在前向通道中能量最低的点上。低的点上。（2）有源串联校正装置有源串联校正装置含有放大器，因此，含有放大器，因此，上述补偿问题可自行解决。上述补偿问题可自行解决。2.反馈校正反馈校正该校正的信号是从高功率点传向低功率点的，故该校正的信号是从高功率点传向低功率点的，故不必附设放大器。采用反馈校正除了能收到与串不必附设放大器。采用反馈校正除了能收到与串联校正同样的校正效果外，还可以消除系统原有联校正同样的校正效果外，还可以消除系统原有不可变部分的参数波动及非线性因素对系统
4、性能不可变部分的参数波动及非线性因素对系统性能的影响。因此，若调节系统随工作条件的改变，的影响。因此，若调节系统随工作条件的改变，它的某些参数的变化幅度较大，且在系统中又有它的某些参数的变化幅度较大，且在系统中又有条件应用反馈校正（能取出适当的反馈信号），条件应用反馈校正（能取出适当的反馈信号），这时宜采用反馈校正这时宜采用反馈校正 3.相位超前校正装置 最最简简单单的的超超前前校校正正装装置置是一种无源微分电路是一种无源微分电路 传递函数可写为 相位超前网络的频率特性为此频率特性在复平面上是一个半圆 最大相角与衰减系数的关系为在设计超前校正装置时，便可按所要求的最大相位超前角来求出装置的参数
5、切点频率 是 的几何中点求出：图6-13 超前网络的对数频率特性由上图可以看出，在高频段（如w10/T）,校正器有较高的增益，从图6-11也可看出，当输入信号频率较高时，电容C的容耗很小，输出信号接近于输入信号，所以相位超前网络基本上是一个高通滤波器（高频可以通过，低频被衰减掉）。4用频率法设计超前校正装置相位超前装置的主要作用是在中频范围内产生足够相位超前装置的主要作用是在中频范围内产生足够大的超前相角，以补偿原系统中元件造成的过大相大的超前相角，以补偿原系统中元件造成的过大相角滞后。所以，设计超前校正装置，就是根据系统角滞后。所以，设计超前校正装置，就是根据系统的性能指标要求校正装置所应提
6、供的超前相角，来的性能指标要求校正装置所应提供的超前相角，来确定校正装置的参数及传递函数。确定校正装置的参数及传递函数。共同看书上的例题进行分析共同看书上的例题进行分析相位超前校正装置对系统性能有下列影响：相位超前校正装置对系统性能有下列影响：（1）在截止频率附近使对数频率特性斜率减小，增加）在截止频率附近使对数频率特性斜率减小，增加了被校正系统的开环频率特性的相角裕量。也就是提高了被校正系统的开环频率特性的相角裕量。也就是提高了系统的阻尼比了系统的阻尼比，改善了系统瞬态响应性能；，改善了系统瞬态响应性能；（2）减少了开环幅频线在幅值交点频率处的负斜率）减少了开环幅频线在幅值交点频率处的负斜率
7、（斜线较平），提高了系统的相对稳定性；（斜线较平），提高了系统的相对稳定性；（3）增大了闭环系统的频带宽度，提高了系统瞬态响）增大了闭环系统的频带宽度，提高了系统瞬态响应的速度，但系统抗高频干扰的能力也将降低；应的速度，但系统抗高频干扰的能力也将降低；（4）由于稳定裕量增加，减少了系统阶跃响应的超调）由于稳定裕量增加，减少了系统阶跃响应的超调量；量；（5）由于比例系数先按要求设计好，所以不影响系统）由于比例系数先按要求设计好，所以不影响系统的稳态误差。的稳态误差。5反馈校正(1)、反馈校正的特点、反馈校正的特点采用反馈校正，不仅可以获得与串联校正同样的采用反馈校正，不仅可以获得与串联校正同样的
8、校正效果，还可以削弱系统不可变部分中某些元校正效果，还可以削弱系统不可变部分中某些元件的非线性、参数波动、惯性等对系统性能的影件的非线性、参数波动、惯性等对系统性能的影响。调节器本身就是利用反馈原理来实现各各种响。调节器本身就是利用反馈原理来实现各各种作用规律，同时削弱前向通道中放大器的参数变作用规律，同时削弱前向通道中放大器的参数变化、非线性等因素的不利影响的。化、非线性等因素的不利影响的。特点：特点：A.减小惯性时间常数减小惯性时间常数B.降低参数变化对系统性能的影响降低参数变化对系统性能的影响C.削弱系统不可变部分中不希望有的特性削弱系统不可变部分中不希望有的特性.正反馈可以提高反馈环路
9、的放大系数正反馈可以提高反馈环路的放大系数 (2)、用频率法分析反馈校正、用频率法分析反馈校正其开环频率特性为：其开环频率特性为：若条件 成立便可近似写成可以认为系统开环频率特性近似等于并联反馈校正装置的频率特性的倒特性，而与系统不可变部分的频率特性无关。若条件 成立便可近似写成也就是说明：反馈作用小到可以忽略不计时，显然系统的开环频率特性就和前向通道的特性一致。.2采用前馈反馈复合控制的校正方法 复合校正：复合校正：对于稳定性、超调性和快速性要对于稳定性、超调性和快速性要求比较高的系统，需要在主反馈回路内部进求比较高的系统，需要在主反馈回路内部进行前馈或局部反馈，这种前馈、反馈相结合行前馈或
10、局部反馈，这种前馈、反馈相结合的校正，称为复合校正。的校正，称为复合校正。1 1 具有前馈的复合控制具有前馈的复合控制由图可知，系统的输出量为 系统的误差为：综合可得：假若引入的前馈传递函数为：则：可看出：系统的输出量在任何时刻都可以完全复现输入量，具有理想的时间响应特性。2.2.扰动补偿的复合控制扰动补偿的复合控制假设扰动补偿的复合控制系统如图 复合校正的目的:是通过的适当选择 使扰动 经过 对系统输出 产生补偿作用，以抵消扰动 通过 对输出 的影响。此时的扰动输出为：此时的扰动输出为：扰动下误差为：选择前馈校正装置的传递函数 可得出：称 为对扰动的误差全补偿条件。由此我们可以看出前馈控制的
11、有利因素：由此我们可以看出前馈控制的有利因素：1.从补偿原理来看，由于前馈校正实际上是采用从补偿原理来看，由于前馈校正实际上是采用开环控制方式去补偿可预知的扰动信号，因此前开环控制方式去补偿可预知的扰动信号，因此前馈校正并不改变反馈系统的特性。馈校正并不改变反馈系统的特性。2.从抑制扰动的角度来看，前馈控制可以减轻反从抑制扰动的角度来看，前馈控制可以减轻反馈控制的负担，所以反馈控制系统的增益可以取馈控制的负担，所以反馈控制系统的增益可以取得小一些，以有利于系统的稳定性。得小一些，以有利于系统的稳定性。6.3 PID控制器的工程整定 6.3.1热工调节对象动态特性的特点 热工调节对象有自平衡能力
12、对象：在阶跃输入扰动下，调节对象不需要外界的帮助，能通过被调量的变化来抵消输入扰动的作用重新达到平衡状态。无自平衡能力对象：在阶跃输入扰动下被调量在最后阶段是以一定的速度不断变化，不能稳定下来。热工调节对象动态特性有如下的基本特点：1）有一定的迟廷和惯性 2）热工对象是不振荡环节 3）阶跃响应特性曲线的最后阶段，被调量可能达到新的平衡,也可能以一定速度不断变化不再稳定下来根据试验得到的阶跃响应特性，可以通过数学处理的方法写出近似的传递函数，为调节系统的模拟研究和整定计算提供必要的数学模型。对于下图所示的阶跃响应特性曲线，通常可以用多容环节的传递函数来近似描述。其一般形式为：有自平衡能力的对象有
13、自平衡能力的对象 无自平衡能力的对象无自平衡能力的对象 对于典型的热工对象，表示其动态特性的对于典型的热工对象，表示其动态特性的特征参数按如下的方法选取特征参数按如下的方法选取：（1）无自平衡能力的多容对象 和 两个特征参数来表示这类对象的动态特性（2）有自平衡能力的多容对象 可用、和三个特征参数来表示它的动态特性。6.3.2控制器参数的整定控制器参数整定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法：依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改 二是工程整定方法：主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、
14、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。几种控制器常用的方法：1.经验法这种方法实质上是一种试凑法。它是由工人和技术人员在生产实距中总结出来的、行之有效的方法。在现场得到广泛应用。经验法的整定步骤：（1）由大到小改变比例带。用改变给定值作为系统扰动。观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。阶跃扰动时，比例带对控制过程的影响如图61所示。（2）将比例带增大1.2倍，由大到小改变积分时间Ti，利用给定值扰动以求得满意的控制过程。积分时间Ti对控制过程的影响如图62所示。（3）积分时间保持不变，改变比例带，观察控制过程是否有所改善，如有改善
15、则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例带减小一些，再调整积分时间，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例带和积分时间为止。（4）引入微分时间Td，此时可适当减少比例带和积分时间，设置微分是境Td数值一般可取积分时间Ti的1/61/4为宜（调节器型不同Td/Ti比值有差别），试凑过程中应使Td/Ti比值尽量保持不变（保比），这样可使调节器干扰系数不变，从而保证不会由于Ti、Td改变对比例带有所影响。和前面一样，积分和微分时间须反复调整，直到控制过程满意为止。具体作法如下：具体作法如下：(1)将调节器的积分时间，微分时间，比例带放在较大的数将调节器的积分时间，微分时间，比例带放在较大
16、的数值，将控制系统投入闭环运行。值，将控制系统投入闭环运行。(2)待系统稳定运行后，加给定值阶跃振动，观察控制过程。待系统稳定运行后，加给定值阶跃振动，观察控制过程。逐渐减小比例带。重复做给定值拢动，直到控制过程（或）的逐渐减小比例带。重复做给定值拢动，直到控制过程（或）的控制过程为止，记下时的比例带。控制过程为止，记下时的比例带。(3)从控制过程曲线上求取时的工作周期，或时的上升时间。从控制过程曲线上求取时的工作周期，或时的上升时间。(4)按表按表6-3计算调节器参数计算调节器参数(5)先将调节器比例带先置略先将调节器比例带先置略大于值，后按求得的数值设置好，后再将比例带减小到值。做大于值，
17、后按求得的数值设置好，后再将比例带减小到值。做给定值阶跃拢动试验，观察控制过程，适当修改整定参数，直给定值阶跃拢动试验，观察控制过程，适当修改整定参数，直到控制过程满意为止。到控制过程满意为止。2.临界比例带法此法又称移定边界法。它的特点是不需要专门求取被控对象的动态特性，而是直接在闭环控制进行整定。具体做法如下：（1）将调节器的积分时间置于最大值（Ti=）微分时间置零（Td=0）比例带放大较大的数值，控制系统投入闭环运行。（2）待系统运行稳定后，逐步将比例减小，注意观察控制过程直到出现等幅振荡为止（一般持续等幅振荡四五次即可认为达到等幅振荡）。记下此时的比例kp和振荡周期Tkp。(3)根据求
18、得的kp和Tkp由表6-2求调节器的整定参数。表中积分和微分时间为选取的最小值。(4)按所求得的参数将调节器整定参数设置好，先把比例带放到比计算值大一点的数值上作阶跃扰动试验，观察控制过程，进行适当修改。因为各种被控对象动态特性差别很大，采用表6-2所给出的公式求得的整定参数所得到的控制过程不一定都是满意的。3.衰减曲线法衰减曲线法衰减曲线法是在临界比例带法的基础上发展起来的。安既衰减曲线法是在临界比例带法的基础上发展起来的。安既不像经验法那样经过大量的试凑，也不需要得到临界的被不像经验法那样经过大量的试凑，也不需要得到临界的被动过程，而是直接利用纯比例作用条件下衰减率时的比例动过程，而是直接
19、利用纯比例作用条件下衰减率时的比例带和衰减周期（两相邻波峰之间的时间）；或者时的比例带和衰减周期（两相邻波峰之间的时间）；或者时的比例带和上升时间，求取调节器的整定参数。带和上升时间，求取调节器的整定参数。4.响应曲线法响应曲线法是在系统开环状态下试验得到阶跃响应曲线线），求取初始对是在系统开环状态下试验得到阶跃响应曲线线），求取初始对象动态参数、（无自平衡能力对象）。然后调节器整定参数。象动态参数、（无自平衡能力对象）。然后调节器整定参数。响应曲线法不足之处：响应曲线法不足之处：该法是根据被控对象的阶跃响应曲线。计算调节器整定参数在实际工业被控对象上作试验时不容易获得准确的阶跃响应曲线，甚至有时不准许做阶跃拢动试验。附附:工程上控制器参数整定常用的口诀：参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低4比1一看二调多分析，调节质量不会低思考题 试回答下列问题：n n(1)进行校正的目的是什么？为什么不能用改变系统开环增益的办法来实现？n n(2)如果型系统在校正后希望成为型系统，应该采用哪种校正规律才能保证系统稳定？