專題3：線性系統(tǒng)校正方法.pptVIP

專題3線性系統(tǒng)的校正方法 用頻率響應(yīng)法對(duì)單輸入 單輸出 線性定常系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和校正 本章主要內(nèi)容本章介紹了控制系統(tǒng)校正的基本概念 常用校正方法和常見(jiàn)校正裝置的特性 主要闡述了利用頻率特性進(jìn)行串聯(lián)超前 滯后以及超前 滯后校正的原理和基本方法 同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了局部反饋校正的原理 一 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正問(wèn)題 當(dāng)被控對(duì)象給定后 設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)一般要確定 1 根據(jù)所要求的被控信號(hào)的最大速度或速度等 初步選擇執(zhí)行元件的形式 特性和參數(shù) 2 根據(jù)要求的測(cè)量精度 抗擾動(dòng)能力 被測(cè)信號(hào)的物理性質(zhì) 測(cè)量過(guò)程中的慣性 非線性度等因素 選擇測(cè)量元件 3 根據(jù)執(zhí)行元件的功率要求 選擇功率放大器 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)增益的要求確定增益可調(diào)的前置放大器 若僅靠調(diào)整放大器增益或系統(tǒng)已有的元部件參數(shù) 不能使得系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足要求 則要在系統(tǒng)中加入?yún)?shù)及特性可調(diào)整的校正裝置 主要三種校正方法 串聯(lián)校正 反饋校正 復(fù)合校正 性能指標(biāo)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) 1 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)速度平穩(wěn)性 穩(wěn)態(tài)精度要求較高 2 隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)輸出對(duì)系統(tǒng)輸入的跟蹤速度要盡可能快 系統(tǒng)的快速性 生產(chǎn)過(guò)程 石油化工 生物工程 熱力工程等 系統(tǒng)輸出 溫度 流量 壓力等 平穩(wěn) 穩(wěn)態(tài)精度 性能指標(biāo)的確定要考慮物理可實(shí)現(xiàn)性 經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)方法 1 根軌跡法校正時(shí)域性能指標(biāo) 單位階躍響應(yīng)的峰值時(shí)間 調(diào)節(jié)時(shí)間 超調(diào)量 阻尼比 穩(wěn)態(tài)誤差等 2 頻率法校正頻域性能指標(biāo) 相角裕度 幅值裕度 諧振峰值 閉環(huán)帶寬 靜態(tài)誤差系數(shù)等 在實(shí)際應(yīng)用中頻率法校正更加廣泛 二階系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系 諧振峰值 諧振頻率 帶寬頻率 截止頻率 相角裕度 超調(diào)量 調(diào)節(jié)時(shí)間 高階系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系 諧振峰值 超調(diào)量 調(diào)節(jié)時(shí)間 系統(tǒng)帶寬的選擇 無(wú)論采用哪種校正方式 都要求系統(tǒng)即能跟蹤輸入又能抑制噪聲和擾動(dòng) 實(shí)際系統(tǒng)輸入信號(hào)一般是低頻 噪聲一般是高頻 要求較高的穩(wěn)定裕度 要求系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度在45 左右 希望開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性在截止頻率處的斜率為 20dB dec 要求較強(qiáng)的從噪聲中辨識(shí)信號(hào)的能力 希望開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性在截止頻率處的斜率小于 40dB dec 不同用途的系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)帶寬是不一樣的 若輸入信號(hào)的帶寬 噪聲信號(hào)主要作用的頻帶為 而且使處于之外 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具 在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí) 主要的研究工具是伯德圖 BodeDiagram 即開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的漸近線 它的繪制方法簡(jiǎn)便 可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息 而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能 正因?yàn)槿绱?伯德圖是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方法 在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時(shí) 通常將伯德圖分成低 中 高三個(gè)頻段 頻段的分割界限是大致的 不同文獻(xiàn)上的分割方法也不盡相同 這并不影響對(duì)系統(tǒng)性能的定性分析 下圖繪出了自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型伯德圖 典型伯德圖從圖中三個(gè)頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能 這些特征包括以下四個(gè)方面 典型的控制系統(tǒng)伯德圖 伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系 中頻段以 20dB dec的斜率穿越0dB 而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度 則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好 截止頻率 或稱剪切頻率 越高 則系統(tǒng)的快速性越好 低頻段的斜率陡 增益高 說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高 高頻段衰減越快 即高頻特性負(fù)分貝值越低 說(shuō)明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng) 以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的 對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí) 常需要放大系數(shù)大 卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定 加上校正裝置后 系統(tǒng)穩(wěn)定了 又可能犧牲快速性 提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng) 又容易引入高頻干擾 如此等等 設(shè)計(jì)時(shí)往往須在穩(wěn) 準(zhǔn) 快和抗干擾這四個(gè)矛盾的方面之間取得折中 才能獲得比較滿意的結(jié)果 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 在實(shí)際系統(tǒng)中 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證 而且還要有一定的裕度 以防參數(shù)變化和一些未計(jì)入因素的影響 在伯德圖上 用來(lái)衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是 相角裕度 和以分貝表示的增益裕度GM 一般要求 30 60 GM 6dB 保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度 是考慮到實(shí)際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定 在一般情況下 穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的平穩(wěn)性 穩(wěn)定裕度大 意味著動(dòng)態(tài)過(guò)程振蕩弱 超調(diào)小 設(shè)計(jì)步驟 系統(tǒng)建模 首先應(yīng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì) 選擇基本部件 按穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算參數(shù) 形成基本的閉環(huán)控制系統(tǒng) 或稱原始系統(tǒng) 系統(tǒng)分析 建立原始系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 畫(huà)出其伯德圖 檢查它的穩(wěn)定性和其他動(dòng)態(tài)性能 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定 或動(dòng)態(tài)性能不好 就必須配置合適的動(dòng)態(tài)校正裝置 使校正后的系統(tǒng)全面滿足性能要求 二 系統(tǒng)的校正概述 所謂校正 或稱補(bǔ)償 就是給系統(tǒng)附加一些具有某種典型環(huán)節(jié)特性的電網(wǎng)絡(luò) 運(yùn)算部件或測(cè)量裝置等 靠這些裝置的配置來(lái)有效地改善整個(gè)系統(tǒng)的控制性能 這一附加的部分稱為校正元件或校正裝置 通常是一些無(wú)源或有源微積分電路 以及速度 加速度傳感器等 校正裝置在系統(tǒng)中的聯(lián)結(jié)方式 順饋校正 干擾補(bǔ)償 串聯(lián)校正和反饋校正 順饋校正 補(bǔ)償器放在系統(tǒng)回路之外 不影響特征方程 只補(bǔ)償由于輸入造成的穩(wěn)態(tài)誤差 干擾補(bǔ)償 當(dāng)干擾直接可測(cè)量時(shí) 不影響特征方程 只補(bǔ)償由于干擾造成的穩(wěn)態(tài)誤差 串聯(lián)校正 在系統(tǒng)主反饋回路內(nèi)采用的校正方法 校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)的前向通道中 反饋校正 在系統(tǒng)主反饋回路內(nèi)采用的校正方法 在系統(tǒng)中增加某些局部反饋環(huán)節(jié) 三 串聯(lián)校正 超前校正滯后校正滯后 超前校正PID調(diào)節(jié)器 超前校正1 超前網(wǎng)絡(luò) 2 超前校正的作用 由于正相移的作用 使截止頻率附近的相位明顯上升 具有較大的相位裕量 既改善了原系統(tǒng)的穩(wěn)定性 又提高了系統(tǒng)的截止頻率 獲得足夠的快速性 超前校正不改變低頻特性 所以不能提高穩(wěn)態(tài)精度 若想進(jìn)一步提高開(kāi)環(huán)增益 以提高穩(wěn)態(tài)精度 則會(huì)降低系統(tǒng)抗高頻干擾的能力 滯后校正1 滯后網(wǎng)絡(luò) 2 滯后校正的作用 滯后校正并不是利用相角滯后作用來(lái)使原系統(tǒng)穩(wěn)定 而是利用幅值衰減作用使系統(tǒng)穩(wěn)定的 校正后 截止頻率前移 以犧牲快速性換取穩(wěn)定性 滯后校正不改變低頻段的特性 故對(duì)穩(wěn)態(tài)精度無(wú)破壞作用 相反 還允許適當(dāng)提高開(kāi)環(huán)增益 進(jìn)一步改善穩(wěn)態(tài)精度 對(duì)于高精度 而快速性要求不高的系統(tǒng)采用滯后校正 如恒溫控制等 滯后 超前校正1 滯后 超前網(wǎng)絡(luò) 滯后網(wǎng)絡(luò) 超前網(wǎng)絡(luò) PID調(diào)節(jié)器 在當(dāng)今的工業(yè)控制器中 有半數(shù)以上采用了PID或變形PID控制方案 模擬PID控制器大多數(shù)是液壓的 氣動(dòng)的 電氣的和電子型的 或是由它們構(gòu)成的組合型 由于微處理器的大量應(yīng)用 許多變成了數(shù)字型的 大多數(shù)PID控制器是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的 某些PID控制器還具有在線自動(dòng)調(diào)節(jié)能力 ProportionIntegralDifferentiation 1 PD調(diào)節(jié)器 相當(dāng)于超前校正 2 PI調(diào)節(jié)器 相當(dāng)于滯后校正 3 PID調(diào)節(jié)器 相當(dāng)于滯后 超前校正 四 反饋校正 反饋校正在控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用 常見(jiàn)的有被控量的速度 加速度反饋 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出及其速度的反饋 以及復(fù)雜系統(tǒng)的中間變量反饋等 在隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)中 轉(zhuǎn)速 加速度 電樞電流等 都可作為反饋信號(hào)源 而具體的反饋元件實(shí)際上就是一些測(cè)量傳感器 如測(cè)速發(fā)電機(jī) 加速度傳感器 電流互感器等 在隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)中 轉(zhuǎn)速 加速度 電樞電流等 都可作為反饋信號(hào)源 而具體的反饋元件實(shí)際上就是一些測(cè)量傳感器 如測(cè)速發(fā)電機(jī) 加速度傳感器 電流互感器等 從控制的觀點(diǎn)來(lái)看 反饋校正比串聯(lián)校正有其突出的特點(diǎn) 一 它能有效地改變被包圍環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和參數(shù) 二 在一定條件下 反饋校正甚至能完全取代被包圍環(huán)節(jié) 從而可以大大減弱這部分環(huán)節(jié)由于特性參數(shù)變化及各種干擾 給系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響 一 利用反饋校正改變局部結(jié)構(gòu)和參數(shù)1 比例反饋包圍積分環(huán)節(jié) 由原來(lái)的積分環(huán)節(jié)變成慣性環(huán)節(jié) 2 比例反饋包圍慣性環(huán)節(jié) 結(jié)果仍為慣