合肥工業(yè)大學自動控制理論課件6-3

合肥工業(yè)大學自動控制理論課件6-3第一頁，共22頁。6.5.1繪制希望的開環(huán)頻率特性

中頻段低頻段高頻段低中頻段的銜接段中高頻段的銜接段根據(jù)三頻段特性分析，對于一個最小相位系統(tǒng)，開環(huán)幅頻特性的低頻段反映了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度；高頻段反映了系統(tǒng)的抗高頻干擾的能力；中頻段則反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。繪制希望的開環(huán)幅頻特性，關鍵是如何根據(jù)瞬態(tài)指標繪制開環(huán)幅頻特性的中頻段。第二頁，共22頁。1.希望開環(huán)頻率特性的參數(shù)與性能指標的關系：希望的開環(huán)對數(shù)幅頻曲線中頻段的形狀一般為：

中頻寬H：可以證明：使最小的“最佳頻比”為或所以選擇：或另外：第三頁，共22頁。（1）根據(jù)對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的要求，確定開環(huán)積分環(huán)節(jié)個數(shù)和開環(huán)增益，繪制希望特性曲線的低頻段；（2）根據(jù)動態(tài)響應速度、超調量、穩(wěn)定裕量、中頻區(qū)寬度要求，確定截止頻率及中頻區(qū)上下限角頻率，繪制希望特性曲線的中頻段，保證中頻段的斜率為[-20]；（3）繪制希望特性低、中頻段之間的銜接頻段，其斜率一般為[-40]；（4）根據(jù)系統(tǒng)對幅值裕量和抗高頻噪聲的要求，繪制希望特性曲線的高頻段；（5）繪制希望特性中、高頻段之間的銜接頻段，其斜率一般取[-40]；（6）對求出的希望特性進行性能指標驗算，并對特性曲線的轉折頻率作必要的調整2.典型形式的希望對數(shù)幅頻特性的確定第四頁，共22頁。6.5.2頻域綜合法設計串聯(lián)校正裝置

串聯(lián)綜合法校正的設計步驟如下：

（4）驗證系統(tǒng)校正后的性能指標；（5）考慮串聯(lián)校正裝置的物理實現(xiàn)。（1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標要求，繪制滿足穩(wěn)態(tài)指標的待校正系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性；（2）根據(jù)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標，繪制希望的開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線，其低頻段與低頻段重合；（3）由確定串聯(lián)校正裝置的對數(shù)幅頻特性，求出校正裝置的傳遞函數(shù)；第五頁，共22頁。例6-10

單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為試用綜合法設計串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)滿足

解

（1）取，畫未校正系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線。未校正系統(tǒng)的截止頻率。低頻段：（2）繪希望特性曲線：中頻段及銜接頻段：對數(shù)曲線希望特性仍為I型系統(tǒng)，低頻段斜率為，與的低頻段重合。首先將及轉換為相應的頻域指標第六頁，共22頁。所以應有：

經過處，作斜率為的直線，交于處，取，。在中頻段與過的橫軸垂線的交點上，作斜率為的直線，交希望特性的低頻段于處。高頻段及銜接頻段：希望特性的參數(shù)為：由于對高頻段沒有提出要求，故在的高頻段，取希望特性與未校正系統(tǒng)的特性重合。這樣，可使得到的校正裝置盡可能簡單。對數(shù)曲線第七頁，共22頁。（3）在博德圖上求出曲線，寫出串聯(lián)校正裝置傳遞函數(shù)（4）驗算性能指標。校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)校正后的指標：對數(shù)曲線第八頁，共22頁。返回第九頁，共22頁。6.6串聯(lián)校正：PID控制器的工程設計方法在工程實際應用中，大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)采用PID控制器或者各類改進的PID控制器。常規(guī)PID控制器是由比例（P）、積分（I）、微分（D）三種基本控制規(guī)律組合成的。大多數(shù)PID控制器的參數(shù)是在工業(yè)現(xiàn)場進行整定，人們已經總結出很多不同形式的參數(shù)整定規(guī)則。尤其是，當被控對象的數(shù)學模型未知或模型不準確時，無法采用分析法和綜合法設計校正裝置，這時使用PID控制器進行校正是有效的。由于PID控制器的廣泛使用，已經形成了大量的商業(yè)產品供選擇。本節(jié)介紹PID控制器的工程設計方法。第十頁，共22頁。6.6.1PID控制規(guī)律具有比例控制規(guī)律的控制器，稱為P控制器。在串聯(lián)校正中，加大控制器增益，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度；但系統(tǒng)開環(huán)增益的增加，降低了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。（1）P控制器第十一頁，共22頁。（2）PD控制器具有比例-微分控制規(guī)律的控制器，稱為PD控制器。PD控制器中的微分控制規(guī)律，能反應輸入信號的變化趨勢，產生有效的早期修正信號，可以增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正中，引入PD控制器后系統(tǒng)增加了一個開環(huán)零點，使系統(tǒng)的相角裕度提高，有助于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。0PD控制器超前網絡PD控制器的作用在一定頻段內相當于超前校正網絡。第十二頁，共22頁。（3）PI控制器具有比例-積分控制規(guī)律的控制器，稱為PI控制器。在串聯(lián)校正中，PI控制器相當于在系統(tǒng)中增加了一個位于原點的開環(huán)極點和一個位于s左半平面的開環(huán)零點。位于原點的極點可以提高系統(tǒng)的型別，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而增加的開環(huán)零點則用來提高系統(tǒng)的阻尼程度。在控制工程實踐中，PI控制器主要用來改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。PI控制器滯后網絡0PI控制器的作用在一定頻段內相當于滯后校正網絡第十三頁，共22頁。（4）PID控制器具有比例-積分-微分控制規(guī)律的控制器，稱為PID控制器。-PID控制器的作用在一定頻段內相當于滯后－超前校正網絡。

PID控制器除可使系統(tǒng)的型別提高一級外，還為系統(tǒng)提供了兩個負實零點。與PI控制器相比，除了同樣具有提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)點外，還多提供了一個負實零點，在提高系統(tǒng)的動態(tài)性能方面具有更大的優(yōu)越性。PI控制器0第十四頁，共22頁。6.6.2

PID串聯(lián)校正的工程設計方法典型Ⅰ型典型Ⅱ型（閉環(huán)二階系統(tǒng)）（閉環(huán)三階系統(tǒng)）校正裝置一般選擇：P控制器,PI控制器,PID控制器工程設計法是在綜合法的基礎上，將希望特性進一步規(guī)范化和簡單化。對于一般二階以上系統(tǒng)，模型參數(shù)與性能指標之間的關系難以確定，工程上往往規(guī)定一些典型系統(tǒng)（例如典型Ⅰ型、典型Ⅱ型），這些系統(tǒng)的參數(shù)與性能指標之間有確定的關系。通常將希望的開環(huán)傳遞函數(shù)規(guī)范為：常用的工程設計方法有三階最佳設計法和最小Mr設計法。

第十五頁，共22頁。1.三階最佳設計方法

取希望的開環(huán)傳遞函數(shù)為典型Ⅱ型（1）若待校正系統(tǒng)

則可選擇PI控制器以能取得最大相角裕量，并有盡可能快的響應速度為目標，來選擇希望特性的參數(shù)。取第十六頁，共22頁。（2）待校正系統(tǒng)

則可選擇PID控制器校正后的系統(tǒng)待校正系統(tǒng)為其它情況時，在一定條件下可以近似作為以上兩種情況處理。PI控制器參數(shù)校正后的系統(tǒng)第十七頁，共22頁。2.最小設計方法

希望的開環(huán)傳遞函數(shù)形式

希望特性參數(shù)的選擇是使閉環(huán)系統(tǒng)具有最小值。參數(shù)選擇公式一般為

選擇控制器形式、計算控制器參數(shù)的方法與三階最佳設計方法相同。第十八頁，共22頁。例6-11

設單位負反饋未校正系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為試用工程設計方法確定串聯(lián)PID控制器。

解：

（1）分析未校正系統(tǒng)的性能未校正系統(tǒng)為過阻尼二階系統(tǒng)，

由于未校正系統(tǒng)為?型系統(tǒng)，在斜坡輸入信號作用下必然存在穩(wěn)態(tài)誤差。因此，可考慮采用工程設計法，將系統(tǒng)校正為Ⅱ型系統(tǒng)。

（2）采用三階最佳設計方法

本例屬于三階最佳設計方法中的第一種情況第十九頁，共22頁。可選PI控制器作為串聯(lián)校正裝置，其參數(shù)為

校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)

選PI控制器作為串聯(lián)校正裝置，參數(shù)為

（3）采用最小設計方法

校正后的