模块五自动控制系统的校正.ppt

模块五 自动控制系统的校正,任务名称 自动控制系统的校正,教学内容,系统的校正的作用和方法 比例校正、比例微分校正、比例积分校正、比例积分微分（PID）校正的串联校正的分析 反馈校正、复合校正的分析,教学目标,知识目标： 了解系统的校正的作用和方法 掌握串联校正对系统性能的影响 了解反馈校正、复合校正对系统性能的影响 能力目标： 会熟练使用串联校正对系统进行改进 会使用反馈校正、复合校正对系统进行改进 素质目标: 培养自学能力 培养文献检索、资料查找与阅读能力 培养严谨的工作作风,课题一 校正的基本知识 一、系统校正（System Compensation)： 1、定义： 若通过调整参数仍无法满足要求时，则可以在原有的系统中，有目的地增添一些装置和元件，人为地改变系统的结构和性能，使之满足所要求的性能指标，我们把这种方法称为“系统校正”。,2、分类：,课题二 串联校正(Series Compensation) 1、定义： 串联校正是将校正装置串联在系统的前向通路中，来改变系统结构，以达到改善系统性能的方法。 2、比例（P）校正（Proportion Compensation） 举例分析: 图5-1为一随动系统框图，图中 为随动系统的固有部分的传递函数。 若 中，K1=100，T1=0.2s，T2=0.01s；则系统固有部分的传递函数为,图5-1 具有比例校正的系统框图,图5-2 比例校正对系统性能的影响,降低系统增益后,可看出： 使系统的稳定性改善，最大超调量下降，振荡 次数减少； 当系统的开环增益降低时，系统的稳态误差 将增加，系统的稳态性能变差。 结论: 降低增益，将使系统的稳定性改善，但使系统的稳态精度变差。若增加增益，系统性能变化与上述相反。 应用: 调节系统的增益，在系统的相对稳定性和稳态精度之间作某种折衷的选择，以满足(或兼顾)实际系统的要求，是最常用的调整方法之一。,3、比例-微分(PD)校正(Proportional-Derivative）(相位超前校正),图5-3 比例微分校正与比例校正对系统性能影响,Kc=1(为避开增益改变对系统性能的影响)，同时为简化起见，这里的微分时间常数取=T1=0.2s，这样，系统的开环传递函数变为 ：,图5-4 具有比例微分（PD）校正的系统框图,增设PD校正装置后,可看出： 比例微分环节使相位超前的作用，可以抵消惯性环节使相位滞后的不良后果，使系统的稳定性显著改善。这意味着超调量下降，振荡次数减少。 由于抵消了一个惯性环节，因此由此惯性环节造成的时间上的延迟也消除了，从而改善了系统的快速性，使调整时间减少。 在信号输入处由电容器 构成的微分环节很小。高频很容易进入，而很多干扰信号都是高频信号，因此比例微分校正容易引入高频干扰，这是它的缺点。 比例微分校正对系统的稳态误差不产生直接的影响。,结论： 比例微分校正将使系统的稳定性和快速性改善，但抗高频干扰能力明显下降。 由于PD校正使系统的相位前移，所以又称它为相位超前校正。,4、比例-积分(PI)校正(ProportionalIntegral Compensation)(相位滞后校正),图5-5 具有比例积分校正的系统框图,设T10.2s，T20.1s， K140，于是有： (5-5) 如今为实现无静差，可在系统前向通路中，功率放大环节前，增设PI调节器，其传递函数 为： 为了使分析简明起见，今取Tc=T1=0.2s；取Kc=1。 ,图5-6 比例积分校正对系统性能的影响,增设PI调节器后： 系统由0型系统变为型系统，从而实现了无静差。这样，系统的稳态误差将显著减小，从而显著地改善了系统的稳态性能。 系统由0型变为型，是以一个积分环节取代一个惯性环节为代价的，而积分环节在时间（亦即相位）上造成的滞后，较惯性环节更为严重，因此会使系统的稳定性变差，系统的超调量将会增大，振荡次数增多。 结论： 比例积分校正将使系统的稳态性能得到明显的改善，但使系统的稳定性变差。,结论： 比例微分校正能改善系统的动态性能，但使高频抗干扰能力下降；而比例积分校正能改善系统的稳态性能，但使动态性能变差；为了能兼得二者的优点，又尽可能减少两者的副作用，常采用比例-积分-微分（PID）。,5、比例-积分-微分(PID)校正(ProportionalIntegralDerivative Compensation) (相位滞后-超前校正),为伺服电动机的机电时间常数，设 ； 为检测滤波时间常数，设 ； 为系统的总增益，设 随动系统固有部分的传递函数为： 如今要求此系统对等速输入信号，也能实现无静差。 设PID调节器的传递函数为 ， 有,图5-7 具有比例积分微分（PID）校正的系统框图,为了使分析简明起见，选择调节器的T1与系统系统的大惯性时间常数Tm相等,即T1=Tm=0.2s，并取T2Tx，今取T2=0.1s，Kc=2。于是经PID串联校正后系统的开环传递函数为：,图5-7 比例积分微分（PID)校正对系统性能的影响,增设PID调节器后： 系统由型变为型，系统增加了一阶无静差度，从而显著地改善了系统的稳态性能，对等速输入信号可实现无静差。 若使T1与T2取得较大，则同时可改善系统的稳定性。超调量和振荡次数明显减少，而且调整时间也明显减少。 结论： 比例积分微分（PID）校正兼顾了系统稳态性能和相对稳定性的改善，因此在要求较高的场合（或已含有积分环节的系统），较多采用PID校正。,课题三 反馈校正,通常反馈校正又可分为硬反馈和软反馈。 硬反馈校正装置的主体是比例环节（可能还含有滤波小惯性环节），它在系统的动态和稳态过程中都起反馈校正的作用。 软反馈校正装置的主体是微分环节（可能还含有滤波小惯性环节），它的特点是只在动态过程中起校正作用，而在稳态时，形同开路，不起作用。,图5-9 反馈校正在系统中的影响,结论： 环节(或部件)经反馈校正后，不仅参数发生了变化，甚至环节(或部件)的结构和性质也可能发生改变。 若反馈校正回路的增益， 则 该局部反馈回路的特性完全取决于反馈校正装置。当系统中某些元件的特性或参数不稳定时，常常用反馈校正装置将它们包围，以削弱这些元件对系统性能的影响。,【例1】图5-10a为具有位置负反馈和转速负反馈的 随动系统的系统框图。 图中检测电位器常数 K1=0.1V/(°) 功放及电动机转速总增益 电动机机电时间常数 Tm=0.2s 电动机及齿轮箱的转速位移常数 转速反馈系数 试分析增设转速负反馈(反馈校正)对系统性能的影响。,【解】 若系统未设转速负反馈环节，由图5-10a可见，系统的开环传递函数为：,由以上分析可见，此为典系统。 由 可得 由 可得 由 可得 此时系统的阶跃响应曲线如图5-11的曲线所示。,图5-10 随动系统框图,结论： 比较曲线和，显然可见，增设转速负反馈环节后，将使系统的位置超调量显著下降，调整时间ts也明显减小，系统的动态性能得到了显著的改善。,图5-11 转速负反馈对随动系统 动态性能的影响,顺馈补偿,一、问题的引入： 跟随误差的拉氏式（此处 ）： （5-10） 扰动误差的拉氏式（此处 ） ： （5-11） 二、顺馈补偿的定义： 顺馈补偿就是以某种方式在系统信号输入处引入(s)和D(s) 信号来作某种补偿，以降低甚至消除系统误差的方法。,图5-12 典型系统框图,三、分类 顺馈补偿又可分为按扰动进行补偿和按输入进行补偿。 四、复合控制 通常把顺馈补偿和反馈控制结合起来的控制方 式称为“复合控制”。,五、扰动顺馈补偿 当作用于系统的扰动量可以直接或间接获得时，可采用复合控制。 在如图5-13所示的系统中，若无扰动顺馈补偿，由扰动量产生的系统误差由式(5-11)已知 如今增设扰动顺馈补偿后，则系统误差变为 ： （5-12）,若 ，即 则可使 因扰动量而引起的扰动误差已全部被顺馈环节所补偿了，这称为“全补偿”。 扰动误差全补偿的条件是： 结论：含有扰动顺馈补偿的复合控制具有显著减小扰动误差的优点，因此在要求较高的场合，获得广泛的应用。当然，这是以系统的扰动量有可能被直接或间接测得为前提的。,图5-13 具有扰动顺馈补偿的复合控制,六、输入顺馈补偿 当系统的输入量可以直接或间接获得时，可采用如图5-20所示的复合控制。 若无输入顺馈补偿，由输入量产生的系统误差由式(5-10)已知 增设输入顺馈补偿后，则系统误差变为： （5-14）,若 ， 即 则可使 因扰动量而引起的扰动误差已全部被顺馈环节所补偿了，这称为“全补偿”。 对应跟随误差全补偿的条件是： 结论：具有顺馈补偿和反馈环节的复合控制是减小系统误差(包括稳态误差和动态误差)的有效途径，但补偿量要适度，过量补偿会引起振荡。顺馈补偿量要低于但可接近于全补偿条件。,