自動(dòng)控制原理 孟慶明 第6章

1、自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)步驟系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)步驟1.根據(jù)用戶提出的性能指標(biāo)和被控對(duì)象的根據(jù)用戶提出的性能指標(biāo)和被控對(duì)象的具體工作環(huán)境，根據(jù)條件進(jìn)行調(diào)研、查閱具體工作環(huán)境，根據(jù)條件進(jìn)行調(diào)研、查閱技術(shù)資料，確定合理的設(shè)計(jì)指標(biāo)，作為設(shè)技術(shù)資料，確定合理的設(shè)計(jì)指標(biāo)，作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。計(jì)的依據(jù)。2.初步確定控制方案，如是用計(jì)算機(jī)控制初步確定控制方案，如是用計(jì)算機(jī)控制還是一般的模擬控制，驅(qū)動(dòng)方式是采用還是一般的模擬控制，驅(qū)動(dòng)方式是采用電動(dòng)的還是液壓氣動(dòng)的，完成系統(tǒng)

2、的職電動(dòng)的還是液壓氣動(dòng)的，完成系統(tǒng)的職能方框圖，寫出可行性方案論證報(bào)告。能方框圖，寫出可行性方案論證報(bào)告。自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正3. 具體進(jìn)行設(shè)計(jì)具體進(jìn)行設(shè)計(jì) 根據(jù)初步確定的合理的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行根據(jù)初步確定的合理的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，合理地設(shè)計(jì)或選擇元部件，尤總體設(shè)計(jì)，合理地設(shè)計(jì)或選擇元部件，尤其是對(duì)測(cè)量元件的選擇要給予充分的注意。其是對(duì)測(cè)量元件的選擇要給予充分的注意。組成系統(tǒng)后進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)分析計(jì)算，同組成系統(tǒng)后進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)分析計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。若不符合指標(biāo)要求，時(shí)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。若不符合指標(biāo)要求，則要進(jìn)行校正，使其滿足

3、指標(biāo)要求。則要進(jìn)行校正，使其滿足指標(biāo)要求。自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正 4實(shí)驗(yàn)室原理性試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室原理性試驗(yàn) 根據(jù)具體設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室建造系統(tǒng)的原根據(jù)具體設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室建造系統(tǒng)的原型機(jī)，并進(jìn)行試驗(yàn)。按照試驗(yàn)的結(jié)果調(diào)正改型機(jī)，并進(jìn)行試驗(yàn)。按照試驗(yàn)的結(jié)果調(diào)正改系統(tǒng)九部件中的有關(guān)參數(shù)，排除故障，進(jìn)一系統(tǒng)九部件中的有關(guān)參數(shù)，排除故障，進(jìn)一步完善具體設(shè)計(jì)。步完善具體設(shè)計(jì)。 5提交樣機(jī)通過(guò)技術(shù)鑒定提交樣機(jī)通過(guò)技術(shù)鑒定 在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上考慮到實(shí)際的在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上考慮到實(shí)際的使用條件進(jìn)行樣機(jī)生產(chǎn)。再通過(guò)對(duì)樣機(jī)的試使用條件進(jìn)行樣機(jī)生產(chǎn)。再通過(guò)對(duì)樣

4、機(jī)的試驗(yàn)考核，鑒定其是否全面滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，基驗(yàn)考核，鑒定其是否全面滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，基本符合后才可決定小批量生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)本符合后才可決定小批量生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)，最后才能通過(guò)技術(shù)鑒定，投入小用的考驗(yàn)，最后才能通過(guò)技術(shù)鑒定，投入小批量生產(chǎn)，進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用。批量生產(chǎn)，進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用。自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間ts超調(diào)量超調(diào)量 %穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差ess靜態(tài)位置誤差系數(shù)靜態(tài)位置誤差系數(shù)Kp靜態(tài)速度誤差系數(shù)靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv靜態(tài)加速度誤差系數(shù)靜態(tài)加速度誤差系數(shù)Ka一、時(shí)域指標(biāo)一、時(shí)域指標(biāo)6.2 性能指標(biāo)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的

5、基本思路性能指標(biāo)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正二、二、頻域指標(biāo)頻域指標(biāo): :1閉環(huán)頻域指標(biāo)閉環(huán)頻域指標(biāo)峰值峰值Mr峰值頻率峰值頻率 r頻帶頻帶 b b 2開(kāi)環(huán)頻域指標(biāo)開(kāi)環(huán)頻域指標(biāo)截止頻率截止頻率(穿越頻率穿越頻率) c c 相穩(wěn)定裕度相穩(wěn)定裕度 模穩(wěn)定裕度模穩(wěn)定裕度L Lh 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正三、各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)系三、各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)系四、系統(tǒng)帶寬的選擇四、系統(tǒng)帶寬的選擇五、校正方式五、校正方式校正校正：給系統(tǒng)加入一些具有某種典型環(huán)節(jié)：給系統(tǒng)加入一些具有某

6、種典型環(huán)節(jié)特性的電網(wǎng)絡(luò)、模擬運(yùn)算部件以及測(cè)量裝特性的電網(wǎng)絡(luò)、模擬運(yùn)算部件以及測(cè)量裝置等，靠這些環(huán)節(jié)的配置來(lái)有效地改善整置等，靠這些環(huán)節(jié)的配置來(lái)有效地改善整個(gè)系統(tǒng)的控制性能，借以達(dá)到所要求的性個(gè)系統(tǒng)的控制性能，借以達(dá)到所要求的性能指標(biāo)。這一加入的部件或裝置通常稱為能指標(biāo)。這一加入的部件或裝置通常稱為校正元件或校正裝置。校正元件或校正裝置。 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正校正方式：校正方式：按照系統(tǒng)中校正裝置的連接方式，可分為按照系統(tǒng)中校正裝置的連接方式，可分為串聯(lián)校正、反饋校正、前饋校正、復(fù)合校串聯(lián)校正、反饋校正、前饋校正、復(fù)合校正四種。

7、正四種。 串聯(lián)校正和反饋校正串聯(lián)校正和反饋校正 (1)(1)串聯(lián)校正和反饋校正串聯(lián)校正和反饋校正 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正前饋校正前饋校正 (2)(2)前饋校正前饋校正 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正(4)(4)復(fù)合校正復(fù)合校正 復(fù)合校正復(fù)合校正 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正六、校正方法六、校正方法1. 分析法分析法2. 綜合法綜合法自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與

8、校正正6.3 基本控制規(guī)律基本控制規(guī)律在校正裝置中，常采用比例在校正裝置中，常采用比例(P)、微分、微分(D)、積分積分(I)、比例微分、比例微分(PD)、比例積分、比例積分(PI)、比例積分微分比例積分微分(PID)等基本的控制規(guī)律。等基本的控制規(guī)律。一、比例一、比例(P)控制控制具有比例控制規(guī)律的控制器稱為比例控具有比例控制規(guī)律的控制器稱為比例控制器其特性和比例環(huán)節(jié)完全相同，它制器其特性和比例環(huán)節(jié)完全相同，它實(shí)際上是一個(gè)可調(diào)增益的放大器。實(shí)際上是一個(gè)可調(diào)增益的放大器。傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) p( )( )X sKE s 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的

9、設(shè)計(jì)與校正正動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為 比例控制的作用：比例控制的作用：1在系統(tǒng)中增大比例系數(shù)在系統(tǒng)中增大比例系數(shù)Kp可減少系統(tǒng)的穩(wěn)可減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差以提高穩(wěn)態(tài)精度。態(tài)誤差以提高穩(wěn)態(tài)精度。2增加增加Kp可降低系統(tǒng)的慣性，減小一階系統(tǒng)可降低系統(tǒng)的慣性，減小一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，改善系統(tǒng)的快速性。的時(shí)間常數(shù)，改善系統(tǒng)的快速性。3. 提高提高Kp往往會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚往往會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至?xí)斐上到y(tǒng)的不穩(wěn)定。至?xí)斐上到y(tǒng)的不穩(wěn)定。自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正二、比例二、比例微分微分(PD)控制控制動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為 具

10、有比例具有比例微分控制規(guī)律的控制器稱為比微分控制規(guī)律的控制器稱為比例微分控制器。例微分控制器。傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) p( )(1)( )X sKsE s 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正PD控制器的作用：控制器的作用：PD控制具有超前校正的作用，能給出控制系控制具有超前校正的作用，能給出控制系統(tǒng)提前開(kāi)始制動(dòng)的信號(hào)，具有統(tǒng)提前開(kāi)始制動(dòng)的信號(hào)，具有“預(yù)見(jiàn)預(yù)見(jiàn)”性，性，能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化速率能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化速率(變化趨勢(shì)變化趨勢(shì))，并，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引進(jìn)能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引進(jìn)一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，有助于

11、增加系統(tǒng)一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)還可以提高系統(tǒng)的快速性。的穩(wěn)定性，同時(shí)還可以提高系統(tǒng)的快速性。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)抗高頻干擾能力差。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)抗高頻干擾能力差。自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正三、積分三、積分(I)控制控制具有積分控制規(guī)律的控制器，稱為具有積分控制規(guī)律的控制器，稱為I控制器?？刂破?。動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) i( )( )KX sE ss 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正四、比例積分四、比例積分(PI)控制控制動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

12、圖 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) pipii111KX sTsKE sTsTs 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正PI控制器的作用：控制器的作用：在系統(tǒng)中主要用于在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定的在系統(tǒng)中主要用于在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)的型別，從而提高系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)的型別，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。穩(wěn)態(tài)精度。五、比例五、比例積分積分微分微分(PID)控制控制動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) pi11X sKsE sTs PID控制器的作用：控制器的作用：PID

13、具有具有PD和和PI雙重作用，能夠較全面地雙重作用，能夠較全面地提高系統(tǒng)的控制性能。提高系統(tǒng)的控制性能。PID控制器除了提高控制器除了提高系統(tǒng)型別之外，還提供了兩個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)，系統(tǒng)型別之外，還提供了兩個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)，從而較從而較PI控制器在提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能方控制器在提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能方面有更大的優(yōu)越性。因此，在工業(yè)控制設(shè)面有更大的優(yōu)越性。因此，在工業(yè)控制設(shè)計(jì)中，計(jì)中，PID控制器得到了非常廣泛的應(yīng)用?？刂破鞯玫搅朔浅V泛的應(yīng)用。自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正6.4 常用串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)常用串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò) 一、超前校正網(wǎng)絡(luò)和滯后校正網(wǎng)絡(luò)一、超前校正

14、網(wǎng)絡(luò)和滯后校正網(wǎng)絡(luò) 常用的串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)一般形式為常用的串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)一般形式為 1c1mjjniiKszGssp 當(dāng)校正網(wǎng)絡(luò)為當(dāng)校正網(wǎng)絡(luò)為1階時(shí)，傳遞函數(shù)為階時(shí)，傳遞函數(shù)為 | |cK szGszpsp 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正校正網(wǎng)絡(luò)的頻率特性函數(shù)為校正網(wǎng)絡(luò)的頻率特性函數(shù)為 c1jjjj/11jj/11jKzGpzKKzpp 相頻特性曲線為相頻特性曲線為 arctanarctan 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正最大超前相角最大超前相角 對(duì)應(yīng)的角頻率對(duì)應(yīng)的

15、角頻率m1zp m1sin1 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正相角滯后校正網(wǎng)絡(luò)相角滯后校正網(wǎng)絡(luò)(或稱遲后校正網(wǎng)絡(luò)或稱遲后校正網(wǎng)絡(luò)) 傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為 cszGssp 滯后校正網(wǎng)絡(luò)的頻率特性為滯后校正網(wǎng)絡(luò)的頻率特性為cj1(j )j1G 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正滯后校正網(wǎng)絡(luò)的伯德圖滯后校正網(wǎng)絡(luò)的伯德圖自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正二、用伯德圖方法設(shè)計(jì)超前校正網(wǎng)絡(luò)二、用伯德圖方法設(shè)計(jì)超前校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)步驟如下：設(shè)計(jì)步驟如

16、下：(1) 繪制未校正系統(tǒng)的伯德圖，計(jì)算相角裕繪制未校正系統(tǒng)的伯德圖，計(jì)算相角裕度，判定是否滿足要求，是否需要引入合度，判定是否滿足要求，是否需要引入合適的超前校正網(wǎng)絡(luò)適的超前校正網(wǎng)絡(luò)Gc(s)；(2) 確定所需的最大超前相角確定所需的最大超前相角 m;(3) 利用利用 ，計(jì)算，計(jì)算 ；m1sin1 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正(4) 計(jì)算計(jì)算10lg ，在未校正系統(tǒng)的幅值增益曲線，在未校正系統(tǒng)的幅值增益曲線上，確定與上，確定與10lg 對(duì)應(yīng)的頻率。當(dāng)對(duì)應(yīng)的頻率。當(dāng) = c= m時(shí)，時(shí)，超前校正網(wǎng)絡(luò)能提供超前校正網(wǎng)絡(luò)能提供10lg (

17、dB)的幅值增量，的幅值增量，因此，經(jīng)過(guò)校正后，原有幅值增益為因此，經(jīng)過(guò)校正后，原有幅值增益為10lg 的的點(diǎn)將變成新的與點(diǎn)將變成新的與0dB線的交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)頻率就是線的交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)頻率就是新的交接頻率新的交接頻率 c= m ；(5) 計(jì)算極點(diǎn)頻率計(jì)算極點(diǎn)頻率 和零點(diǎn)頻率和零點(diǎn)頻率 。mp mpz 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正(7) 確定系統(tǒng)的增益，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精確定系統(tǒng)的增益，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，抵消由超前校正網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的衰減度，抵消由超前校正網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的衰減1/ 。(6) 繪制校正后的閉環(huán)系統(tǒng)伯德圖，檢查系繪制校正后的閉環(huán)系統(tǒng)伯德圖

18、，檢查系統(tǒng)是否滿足要求。若不滿足要求，則需重新統(tǒng)是否滿足要求。若不滿足要求，則需重新設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)；自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正例例 二階單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)傳遞二階單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為函數(shù)為 2KG ss s 給定的設(shè)計(jì)要求為：系統(tǒng)的相角裕度不小給定的設(shè)計(jì)要求為：系統(tǒng)的相角裕度不小于于40，系統(tǒng)斜坡響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為，系統(tǒng)斜坡響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為5%。解：解： 由穩(wěn)態(tài)誤差的設(shè)計(jì)要求可知，系統(tǒng)的靜由穩(wěn)態(tài)誤差的設(shè)計(jì)要求可知，系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)應(yīng)該為態(tài)速度誤差系數(shù)應(yīng)該為Kv=20，于是未于是未校正系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性函數(shù)為校正系

19、統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性函數(shù)為 20jj0.5j1j0.5j1vKG 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正所需的超前相角至少為所需的超前相角至少為(40 -18 )=22 設(shè)超前相角為設(shè)超前相角為30 , 對(duì)應(yīng)有：對(duì)應(yīng)有：6.2c 018 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正m1sinsin300.531 10lg =4.8 dB，在在G(s)的伯德圖上，確定與的伯德圖上，確定與-4.8 dB對(duì)應(yīng)的頻率，有對(duì)應(yīng)的頻率，有 m=8.4 rad/s，可以，可以得到得到 0.068，而，而|z|=4.8，

20、|p|=14.4，于是得，于是得到接入超前校正網(wǎng)絡(luò)后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)到接入超前校正網(wǎng)絡(luò)后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s)為為c020 14.8( )( )( )(0.51) 114.4sG sG s G ssss 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正系統(tǒng)校正前后的階躍響應(yīng)系統(tǒng)校正前后的階躍響應(yīng)自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正三、用伯德圖設(shè)計(jì)滯后校正網(wǎng)絡(luò)三、用伯德圖設(shè)計(jì)滯后校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)步驟：設(shè)計(jì)步驟：(1) 根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的設(shè)計(jì)要求，確定原系統(tǒng)的根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的設(shè)計(jì)要求，確定原系統(tǒng)的增益增益K，畫出伯德圖

21、；，畫出伯德圖；(2) 計(jì)算原系統(tǒng)的相角裕度，如不滿足要求，計(jì)算原系統(tǒng)的相角裕度，如不滿足要求，則進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)步驟；則進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)步驟；(3) 計(jì)算能滿足相角裕度設(shè)計(jì)要求的交接頻率計(jì)算能滿足相角裕度設(shè)計(jì)要求的交接頻率 c 。計(jì)算期望交接頻率時(shí)。計(jì)算期望交接頻率時(shí), 考慮滯后校正網(wǎng)絡(luò)考慮滯后校正網(wǎng)絡(luò)引起的附加滯后相角。工程上該滯后相角的預(yù)引起的附加滯后相角。工程上該滯后相角的預(yù)留值取留值取5 ：自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正(4) 配置零點(diǎn)。該零點(diǎn)頻率一般比預(yù)期交接頻配置零點(diǎn)。該零點(diǎn)頻率一般比預(yù)期交接頻率小率小10倍頻程倍頻程;(5)

22、 根據(jù)根據(jù) c 和定原系統(tǒng)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線，確和定原系統(tǒng)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線，確定增益衰減；定增益衰減；(6)在在 c 處，滯后校正網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的增益衰減為處，滯后校正網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的增益衰減為20lg 。由此確定。由此確定 值；值；(7) 計(jì)算極點(diǎn)計(jì)算極點(diǎn) p=1/ = z/ ；(8) 驗(yàn)證結(jié)果。如不滿足要求，重新進(jìn)行步驟驗(yàn)證結(jié)果。如不滿足要求，重新進(jìn)行步驟 (3)(8)。自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正由于超前校正和滯后校正各有優(yōu)點(diǎn)，有時(shí)由于超前校正和滯后校正各有優(yōu)點(diǎn)，有時(shí)會(huì)把超前校正和滯后校正綜合起來(lái)應(yīng)用，會(huì)把超前校正和滯后校正綜合起來(lái)應(yīng)用，這種

23、校正網(wǎng)絡(luò)稱為滯后這種校正網(wǎng)絡(luò)稱為滯后超前校正網(wǎng)絡(luò)。超前校正網(wǎng)絡(luò)。滯后滯后超前校正網(wǎng)絡(luò)的伯德圖超前校正網(wǎng)絡(luò)的伯德圖自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正 工程上常用的校正方法通常是把一個(gè)高階工程上常用的校正方法通常是把一個(gè)高階系統(tǒng)近似地簡(jiǎn)化成低階系統(tǒng)，并從中找出少數(shù)系統(tǒng)近似地簡(jiǎn)化成低階系統(tǒng)，并從中找出少數(shù)典型系統(tǒng)作為工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通常選用二階、典型系統(tǒng)作為工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通常選用二階、三階典型系統(tǒng)作為預(yù)期典型系統(tǒng)。只要掌握典三階典型系統(tǒng)作為預(yù)期典型系統(tǒng)。只要掌握典型系統(tǒng)與性能指標(biāo)之間的關(guān)系，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，型系統(tǒng)與性能指標(biāo)之間的關(guān)系，根據(jù)設(shè)計(jì)要求

24、，就可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而把工程實(shí)踐確認(rèn)的就可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而把工程實(shí)踐確認(rèn)的參數(shù)推薦為參數(shù)推薦為“工程最佳參數(shù)工程最佳參數(shù)”，相應(yīng)的性能確，相應(yīng)的性能確定為典型系統(tǒng)的性能指標(biāo)。根據(jù)典型系統(tǒng)選擇定為典型系統(tǒng)的性能指標(biāo)。根據(jù)典型系統(tǒng)選擇控制器形式和工程最佳參數(shù)，據(jù)此進(jìn)行系統(tǒng)電控制器形式和工程最佳參數(shù)，據(jù)此進(jìn)行系統(tǒng)電路參數(shù)計(jì)算。路參數(shù)計(jì)算。6.5 常用的串聯(lián)校正方法常用的串聯(lián)校正方法 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正閉環(huán)傳遞函數(shù)為閉環(huán)傳遞函數(shù)為 2n22nn2sss n/12K TKT nn212KT 典型二階系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為典型二階系

25、統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 2nn12KG ss Tss s 一一、二階典型系統(tǒng)二階典型系統(tǒng)自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正1.二階典型系統(tǒng)的最優(yōu)模型二階典型系統(tǒng)的最優(yōu)模型 條件：條件： 20.7072 得到最優(yōu)模型的校正條件為得到最優(yōu)模型的校正條件為 1122TKKT 或代入代入 12 KT 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正snbncn2cc%4.3%34.2,0.70763.42vtTKK 最優(yōu)模型的性能指標(biāo)為：最優(yōu)模型的性能指標(biāo)為： 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的

26、設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正2. 二階最優(yōu)模型的綜合校正方法二階最優(yōu)模型的綜合校正方法 (1) 系統(tǒng)固有部分特性是一慣性環(huán)節(jié)：系統(tǒng)固有部分特性是一慣性環(huán)節(jié)： 101( )1KG sT s 按二階典型系統(tǒng)應(yīng)串入積分控制器按二階典型系統(tǒng)應(yīng)串入積分控制器即即 ci1( )G sT s則則 10ci1111KKG sGs GsTs T ss Ts式中式中 11iKKTTT自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正應(yīng)滿足最優(yōu)條件應(yīng)滿足最優(yōu)條件11i1122TTKKT即即 i112TTK因此因此 i1 12TK T自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章

27、自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正(2) 系統(tǒng)固有部分是兩個(gè)串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)固有部分是兩個(gè)串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié) 101212()11KGsTTT sT s 使其化成二階典型系統(tǒng)，則需采用使其化成二階典型系統(tǒng)，則需采用PI控制器控制器 pici1KT sGsT s 選參數(shù)時(shí)把時(shí)間常數(shù)大的環(huán)節(jié)消去，即選參數(shù)時(shí)把時(shí)間常數(shù)大的環(huán)節(jié)消去，即 i1TT 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正因此因此 1pi0c2/( )11K KTKG sG s Gss T ss Ts 根據(jù)最優(yōu)條件：根據(jù)最優(yōu)條件： 12TK 21pi12TK KT 即即 則得則

28、得 121p2TTK K 1p122TKK T 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正(3) 系統(tǒng)固有部分由一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)系統(tǒng)固有部分由一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)和若干個(gè)小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)組成：節(jié)和若干個(gè)小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)組成： 1012( )111nKG sT sT sT s 式中式中 123,1,2,3,TTTin 把小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)合并成一個(gè)把小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)合并成一個(gè)“等等效效”的慣性環(huán)節(jié)，即的慣性環(huán)節(jié)，即 23nTTTT 則則 10111KGsT sT s (1)自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控

29、制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正(3) 系統(tǒng)固有部分為典型二階系統(tǒng)系統(tǒng)固有部分為典型二階系統(tǒng), ,但不符合最優(yōu)條件，遇到這種情況要根據(jù)要但不符合最優(yōu)條件，遇到這種情況要根據(jù)要求的性能指標(biāo)來(lái)具體的進(jìn)行校正。求的性能指標(biāo)來(lái)具體的進(jìn)行校正。 101( )1KG ss T s 如如T1滿足快速性的要求滿足快速性的要求( (ts=4.2T1) )穩(wěn)態(tài)精穩(wěn)態(tài)精度不作要求時(shí)，只要調(diào)整度不作要求時(shí)，只要調(diào)整K1使之符合最優(yōu)使之符合最優(yōu)條件即可。條件即可。 即即 111122KKTT自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正若此時(shí)若此時(shí)T1滿足要求，而滿足

30、要求，而K1不符合要求不符合要求(即即穩(wěn)態(tài)精度不滿足指標(biāo)穩(wěn)態(tài)精度不滿足指標(biāo))，首先使，首先使K1增大到增大到K使使之符合指標(biāo)要求。之符合指標(biāo)要求。 101( )1KG ss T s c1c11KT sGsTs 因此因此 c11c111111K KT sK KG ss T sTss Ts 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正根據(jù)最優(yōu)條件：根據(jù)最優(yōu)條件： c11122TKK K K1為已知，為已知，Kc為增大的倍數(shù)，即根據(jù)指標(biāo)為增大的倍數(shù)，即根據(jù)指標(biāo)決定的數(shù)據(jù)，亦為已知，則決定的數(shù)據(jù)，亦為已知，則K=K1Kc為已知，為已知，所以所以T即可求出。即

31、可求出。 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正如如T1不滿足要求，不滿足要求，K1亦不滿足要求，首先亦不滿足要求，首先應(yīng)使應(yīng)使T1滿足指標(biāo)要求，然后在使?jié)M足指標(biāo)要求，然后在使K1符合要求符合要求即可；或者先滿足即可；或者先滿足 K1再滿足再滿足T1，這要根據(jù)這要根據(jù)具體情況而定。具體情況而定。注意注意: : 一定要使各項(xiàng)指標(biāo)都滿足要求。一定要使各項(xiàng)指標(biāo)都滿足要求。 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正(5) 系統(tǒng)固有部分傳遞函數(shù)系統(tǒng)固有部分傳遞函數(shù): 10123111KGsT sT sT s

32、 式中式中 123TTT T3亦可以是許多小時(shí)間常數(shù)的等效時(shí)間常亦可以是許多小時(shí)間常數(shù)的等效時(shí)間常數(shù)，此時(shí)，應(yīng)采用數(shù)，此時(shí)，應(yīng)采用PID控制器：控制器： c12c11KssGss 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正令令11223c13c1 3112212TTTTKK KTTKK T 則則自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正二、三階典型系統(tǒng)校正法二、三階典型系統(tǒng)校正法 典型三階系統(tǒng)模型的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為典型三階系統(tǒng)模型的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 0122(1)( )(1)K T sG ss T s 開(kāi)環(huán)

33、開(kāi)環(huán)伯德圖伯德圖為為1 2 定義定義為中頻段寬度為中頻段寬度 2112ThT 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正1. 具有最佳頻比的典型三階系統(tǒng)具有最佳頻比的典型三階系統(tǒng) 最佳頻比最佳頻比: :當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)滿足以下兩式時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)滿足以下兩式時(shí)，所對(duì)應(yīng)的閉環(huán)所對(duì)應(yīng)的閉環(huán)Mr值最小。值最小。具有最佳頻比的典型三階模型為具有最佳頻比的典型三階模型為 2222221121hT shG sh TsT s 2cc12112hhh c0c120lg40lg20lg0K 由由得到得到022212hKh T 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制

34、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正考慮到參考輸入和擾動(dòng)輸入兩方面的性能考慮到參考輸入和擾動(dòng)輸入兩方面的性能指標(biāo)，通常取中頻寬度指標(biāo)，通常取中頻寬度h=5。 (1)若未校正系統(tǒng)傳遞函數(shù)為若未校正系統(tǒng)傳遞函數(shù)為 2021KGss T s 可采用可采用PI控制器控制器 cPI11GsKT s參數(shù)設(shè)定為參數(shù)設(shè)定為 PI2221,2hKThTK hT 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正(2)若未校正系統(tǒng)傳遞函數(shù)為若未校正系統(tǒng)傳遞函數(shù)為 202323()11KGsTTs T sT s 可采用可采用PID控制器控制器 cpDI11GsKT sT s

35、參數(shù)設(shè)定為參數(shù)設(shè)定為 23P23D222223I231,2hT ThKhTTTh K ThTTThTT 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正2具有最大相角裕度的典型三階系統(tǒng)具有最大相角裕度的典型三階系統(tǒng) 典型三階系統(tǒng)的相角裕度為典型三階系統(tǒng)的相角裕度為 c1c2arctanarctanTT典型典型三階系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為三階系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 0122(1)( )(1)K T sG ss T s 調(diào)整調(diào)整K0，即改變即改變 c使使 取得最大值。設(shè)當(dāng)取得最大值。設(shè)當(dāng) c= 0 ， 取最大值。取最大值。 由由 對(duì)對(duì) c的導(dǎo)數(shù)等的導(dǎo)數(shù)等于于0，得

36、，得01212211TThT 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正max1arctan2hh 22001221Kh hTh h 具有最大相角裕度的典型三階系統(tǒng)為具有最大相角裕度的典型三階系統(tǒng)為 2222211( )1hT sG ssT sh hT 一般取一般取h=4，T1=4T2， 。02218KT 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正6.6 反饋校正反饋校正 一、一、比例負(fù)反饋可以減弱被反饋包圍部分的比例負(fù)反饋可以減弱被反饋包圍部分的慣性，從而擴(kuò)展其頻帶慣性，從而擴(kuò)展其頻帶比例負(fù)反饋包圍慣

37、比例負(fù)反饋包圍慣性環(huán)節(jié)，其閉環(huán)傳性環(huán)節(jié)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為遞函數(shù)為0284 00f00f1111KC sKK KsTTsR ssK K 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正二、速度反饋包圍振蕩環(huán)節(jié)，可增加環(huán)節(jié)的二、速度反饋包圍振蕩環(huán)節(jié)，可增加環(huán)節(jié)的阻尼，有效的減弱阻尼環(huán)節(jié)的不利影響阻尼，有效的減弱阻尼環(huán)節(jié)的不利影響系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為 22nn22t22nnnnn222C ssKR sssss 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第六章第六章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正正三、反饋校正可以減弱參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能三、反饋校正可以減弱參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響的影響 比較有反饋和無(wú)反饋比較有反饋和無(wú)反饋時(shí)系統(tǒng)輸出對(duì)參數(shù)變時(shí)系統(tǒng)輸出對(duì)參數(shù)變化的敏感程度化的敏感程度:對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 0CsCsGsG sR s 即