控制工程基础-控制系统的设计PPT(共 47张)

显然，由于k<1，就有()0，表明校正装置的输出相位超前于 输入相位。因此，称为超前校正装置。
6. 控制系统的校正
超前校正装置的极坐标图
D(s) k Ts 1 kTs 1
(k 1 T 0)
Im
max
ω=0 k 0.5(1+k)
ω→∞ 1 Re
或者
sim n a0 0 x ..5 5 ( (1 1 k k ) ) 1 1 k k
-
y(s)
G(s)
-
Gc (s)
H (s)
反馈校正的鲁棒性较好，可减小系统参数变化和非线性因素对系统性能的影响
6. 控制系统的校正
前馈校正
u(s)
Gc (s)
y(s)
G(s)
-
H (s)
前馈校正对已知干扰输入的抑制作用较好
混合校正
u(s)
-
Gc1 (s)
y(s)
G(s)
-
Gc2 (s)
H (s)
混合校正主要用于控制性能要求较高的场合
k 1 sim nax 1 sim nax
() t a 1 ( T ) n t a 1 ( kn ) T d d () 0 m T 1 k
m (a m ) x ta 1 ( T n m ) ta 1 ( k n m T ) ta 1 T 1 n tk a 1 T 1 n
由 m T 1 k lg m 1 2 lT 1 g lk 1 g T 2 l|D g 0 ( jm ) | 1 lk 1 g 0
6. 控制系统的校正
(1)基于根轨迹的超前校正
例题6.1：单位反馈控制系统的开环传递函数为
G(s) 4 s(s 2)
频域性 相位裕量、增益裕量、谐振峰值、谐振 能指标 频率、系统带宽等
稳态误差
6. 控制系统的校正
设校正装置的模型为Gc(s)。那么，针对原控制系统，常采用的校 正方法主要有：串联校正来自u(s)y(s)
-
Gc (s)
G(s)
H (s)
串联校正装置的结构较简单，易于调整。这是应用较多的校正方法
反馈校正
u(s)
6.控制系统的设计
6. 控制系统的校正
6.1 引言
前面讨论的时域分析法、根轨迹法和频域分析法是系 统性能分析的基本方法，这些基本方法是控制工程的理论 基础。由这些方法不但可以对系统性能进行定性分析和定 量计算，还可以设计和验证控制系统。
对于（原）控制系统，当结构及其参数确定时，其性能是确定的。
设计控制系统就是针对原控制系统已有的性能，附加一个所谓的 控制装置，使附加控制装置后构成的新控制系统的性能满足控制要 求。因此，这种附加控制装置的本质作用是对原控制系统性能的校 正，又称为校正装置，或控制器。
k R2 R1 R2
T R1C
y (s) K (Ts 1) u(s)
K R2 R1
T R1C
y(s) Ts 1 u(s) kTs 1
k R1 R2 R2
T R2C
y(s) T1s 1
u(s)
T2s
T1 R2C T2 R1C
6. 控制系统的校正
D (s)G (s)KkT s1 4 kT1ss(s2)
注：K是校正装置按零极点形式表示时的增益
串联超前校正后，系统的根轨迹应通过希望闭环极点 s1,2 2j2 3 ， 即应满足根轨迹的相角条件：
D ( s ) G ( s ) D ( s ) G ( s ) 1 080
6. 控制系统的校正
(1) 设计（校正）方法
若原控制系统的结构和模型为
u(s)
y(s)
G(s)
-
H (s)
u(s)——系统的参考输入 y(s)——系统的输出 G(s)——一般是系统的不可变部分 H(s)——为检测装置的传递函数，起信
号变换、传输和反馈的作用
性能 指标
动态性 能指标
稳态性 能指标
时域性 超调量、动态时间、峰值时间、上升时 能指标 间、振荡次数等
试设计一个超前校正装置，使校正后系统的阻尼比ζ=0.5，无阻尼自 然频率ωn=4s-1。
(a)根据已知条件，校正后的系统希望主导极点应是
s1 ,2 n j n 1 2 2j23
(b)绘制校正前的系统根轨迹
G(s) 4 s(s 2)
-2
-1
0
6. 控制系统的校正
(c)由校正后根轨迹通过希望闭环主导极点的相角条件计算超前角： 串联超前校正后，系统的开环传递函数为
随着计算机技术的发展，校正装置的组成和功 能多由计算机承担，形成了计算机控制。
6. 控制系统的校正
校正装置的电气结构，有无源结构和有源结构： 无源结构常用的是R-C电路网络。使用中须注意前后级部件的阻
抗匹配问题 有源结构一般以运算放大器为主组成。
无源校正装置
有源校正装置
y(s) k Ts 1 u(s) kTs 1
仅从理论角度来看，设计控制系统的问题是： 已知：原系统的模型和性能，以及期望的性能要求。 求：满足期望性能要求的控制器（校正装置）模型。
6. 控制系统的校正
(2) 控制器（校正装置）结构 校正装置的结构可以是电气结构（电器和电子
结构等）或机械结构（液压、气压和机构等）。一 般采用电气结构。
校正装置一般置于控制系统的低能量端（输入 侧），以减少功率损耗。
6.2 超前校正
超前校正装置的典型传递函数为 D (s)kT s 1 (k 1T0 ) kT 1s
由于k<1，因而超前装置的零点(-1/T)总位于极点(-1/kT)的右边。 K值越小，超前装置极点距离虚轴左边越远。一般取k=0.5。
超前装置的频率特性函数为
|D ()|k 1 (T )2 ()ta 1(T n )ta 1(n k T ) 1 (k T )2
6. 控制系统的校正
设计控制器（校正装置）的方法主要有：图解法，这时基于频域法、根 轨迹法的设计，其特点是工程适应性强、物理意义明确等；解析法，这时 基于精确计算的设计，如极点配置设计、最优化设计等。
实际采用哪种设计（校正）方法，主要取决于： 系统的性能指标（控制性能指标、抗干扰指标、环境指标等） 经济条件和成本要求 工程实现的方便性（涉及信号性质、可供选用元器件等）