《机械工程控制基础》杨叔子主编第六章系统的性能指标与校正PPT课件

加强自适应校正技术的 研究，提高系统在复杂 环境中的适应性和稳定
性。
推动控制工程与其他学 科的交叉融合，为控制 系统校正引入更多的创 新思路和技术手段。
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07
结论与展望
结论总结
控制系统校正的重要性
通过校正可以改善控制系统的性能，提高系统的稳定性和精度。
校正方法的应用
在实际工程中，应根据系统的具体要求和特点选择合适的校正方法 。
校正效果的评价
采用仿真和实验手段对校正后的系统进行评估，以验证校正方法的 有效性。
展望未来发展趋势
智能控制技术的发展
随着人工智能和机器学习技术的不断 进步，智能控制方法在控制系统校正
滞后校正应用
适用于具有较小滞后和高频噪声干扰的系统，如 电子放大器、测量仪器等。
超前-滞后校正
超前-滞后校正网络
01
将超前校正网络和滞后校正网络组合使用，实现系统全频段性
能优化。
超前-滞后校正特点
02
可以兼顾系统的稳定性和快速性，减小超调量和调节时间，提
高系统的动态性能和稳态精度。
超前-滞后校正应用
比例微分校正
比例微分校正可以改善系统的动态性能，提高系统的 快速性。同时，微分作用还可以减小系统调节时间， 使系统更快地达到稳态。
06
校正方法的选择与 实施
校正方法的选择原则
性能指标要求
根据系统性能指标要求，选择适合的校正方 法。
系统稳定性
考虑校正方法对系统稳定性的影响，选择能 够提高系统稳定性的校正方法。
性。
实例二：滞后校正的应用
滞后校正原理
通过增加相位滞后环节，降低系统高频段的增益，提高系统抗高 频干扰能力。

0o -90o -180o
6
PI调节器的校正作用
dB 校正后
-20dB/dec
o 校正环节
-40dB/dec
0oห้องสมุดไป่ตู้校正前
-90o 校正后
-180o
采用PI控制后
1.增加积分环节， 提高系统阶次， 系统稳态误差减小
2.相位裕度减小， 稳定性降低
只有稳定裕度足够大时才采用PI调节器
7
3、PID调节器——比例积分微分调节器
G(s) K s(Ts 1)
20dB / dec
c
1
T
40dB / dec
闭环传递函数为
二阶系统最优模型Bode图
GB (s)
Ts2
k sk
s2
n2 2ns n2
n
k T
1
2 kT
ξ=0.707的阻尼比称为工程最佳阻尼系数，此时转折频率
1 T
2c
要保证 0.707并不容易，常取 0.5 0.8
传递函数为
Gc (s)
K
p (1
1 Ti s
Td s)
Kp=1时，Gc(s)的频率特性为
Gc ( j) 1
1
jTi
jTd
相当于积分环节串接两个导前环节
其作用相应于滞后—超前校正。
8
PID调节器的Bode图
dB
-20dB/dec +20dB/dec
o
Ti2
1/Td2
90o
0o
-90o
校正作用：
正系统的一个极点，故令Td=0.15s，则
G(s)Gc (s)
s(0.15s
40 1)(5.877 103

同的侧重。 实际系统的性能指标以组成元部件的固有
误差、非线性特性、能源的功率以及机械强 度等各种物理条件的制约。
7
在控制系统设计中，采用的设计方法一 般依据控制系统的性能指标的形式而定。
若性能指标以单位阶跃响应的峰值时间 、调节时间、超调量、阻尼比、稳态误差等 时域特征量给出时，一般采用时域法校正。
37
(3)无源滞后-超前网络
相位滞后-超前校正装置可用图6-20所示的网络实现。
设此网络输入信号源内阻为零，输出负载阻抗为无穷大，
则其传递函数为 ：
G c(s)12s2 ( 1s( 11 )(2 2s 1 1))2s1
C1
式中：
1 R1C1
2 R2C2
R1 R2
u1
u2
12R1C2
C2
图6-20 相位滞后-超前RC网络
H (s)
图6-1 串联校正系统方框图
11
反馈校正——从系统的某个元件输出取得反馈信号，构成 反馈回路，并在反馈回路内设置传递函数为的校正元件的校正 形式。
R(s) +
-
+
G1 (s)
-
C (s) G2 (s)
Gcs()
H (s)
图6-2 反馈校正系统方框图
12
反馈校正作用：能达到与串联校正同样的校正效果，还 可减弱系统不可变部分的参数漂移对系统性能的影响。
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图6-17所示的相位滞后校正装置的频率特性为：
Gc(j
j ) No j Image
1 1
其伯德图如图6-19所示。
No Image
No
Image
No Image
0
-10
No Image

（位于两个转折频率的对数中点，即Bode图上的几何中点） 1 1 最大相移： m arctg arctg arcsin 1
华中科技大学 易朋兴
2019/2/10
机械工程控制基础
相位超前校正设计举例 性能要求：
12
6.3 串联校正
稳态性能指标：单位恒速输入时的稳态误差ess＝0.05； 频域性能指标：相位裕度≥50°，增益裕度20lgKg≥10dB。
dB
ω
－90° －180° －90° －180°
ω
稳定，相位裕度不够
华中科技大学 易朋兴
－270°
不稳定
2019/2/10
机械工程控制基础
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6.3 串联校正
相位超前校正 典型物理环节：c 传递函数： Gc ( s)

U o ( s) (Ts 1) U i ( s) (Ts 1)
16
6.3 串联校正
• 相位滞后校正环节 （ β>1， T为常数）
• 频率特性
Gc ( s )
(Ts 1) ( Ts 1)

R1 R2 , R2 T R2C
1 jT Gc ( j ) 1 jT
• 相频特性:相位滞后 • 幅频特性 • Nyqust轨迹
Gc ( j ) arctanT arctanT 0
机械工程控制基础
华中科技大学机械学院
机电系 易朋兴、熊良才
2019/2/10
机械工程控制基础
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第六章 系统的性能指标与校正

系统的性能指标 系统校正 无源校正 PID校正 反馈校正 顺馈校正
作业 6.4，6.6，6.7，6.8

二、开环、闭环和复合控制系统


控制系统按其有无反馈作用和反馈作用 的方式可分为三类： 1、开环控制系统 2、闭环控制系统 3、复合控制系统
开环控制系统


如果系统的输出量和输入量之间没有反 馈作用，输出量对系统的控制过程不发 生影响时，这样的系统称为开环控制系 统。 图1-5是数控线切割机的进给系统.
二、控制理论的发展

4、1948年美国数学家维纳（N.Wiener）出版了 著名的《控制论—关于在动物和机器中控制和通 讯的科学》一书，他揭示了无论机器系统、生命 系统甚至社会和经济系统中，都存在一个共同本 质的特点，它们都是通过信息的传递、处理与反 馈这三个要素来进行控制，这就是控制论的中心 思想。1950年伊万斯（W.R.Evans）提出的根轨 迹法提供了寻找特征方程根的比较简易的图解方 法，至此，形成了完整的经典控制理论。
控制系统中常用的概念和术语的含义说明
• 输出量（或称输出信号、被控制量）：是指控制系统中需要
加以控制的物理量。系统的输出量常用符号xo(t)表示。 • 输入量（或称输入信号、给定值、给定量）：是指输入给控 制系统用以控制输出量变化规律的物理量它作用于系统输入端 ，直接地或间接地表示系统输出量的期望值（给定值）。系统 的输入量常用符号xi(t)表示. • 扰动量（或称扰动信号）：指那些能使输出量偏离预定要求 （期望值）的意外干扰因素。 • 反馈量（或称反馈信号）：是指把输出量取出并直接或经转 换以后送回到输入端与输入信号进行比较的物理量。
一、控制系统的基本工作原理





系统：是由相互制约的各个部分组成的具有一 定功能的有机整体。 自动控制系统：能够进行自动控制的一整套设 备或装置。通常由控制器（控制装置）和被控 对象两大部分组成。 被控对象是指系统中需要加以控制的机器、设 备或生产过程； 控制器是指能够对被控对象产生控制作用的设 备的总体。 控制系统的任务就是使被控制对象的物理量按 照预先给定的控制规律变化。

机械工程控制基础
6.1 系统的性能指标
在控制系统设计中，常采用频率特性 法，且是较为方便通用的开环频率特性法。 如果频域指标是闭环的，可以大致换算成 开环频域指标进行校正，然后对校正后的 系统，分析计算它的闭环频域指标以作验 算。如果系统提出的是时域指标，也可利 用它和频域指标的近似关系，先用频域法 校正，再进行验算。
串联校正：一般接在系统误差测量点之后和放大器之 前，串联接于系统前向通道之中。 反馈校正：接在系统局部反馈通路中 前馈校正：又称顺馈校正。是在系统主反馈回路之外 采用的校正方式，接在系统给定值之后，主反馈作用点之前的 前向通道上。另一种前馈校正装置接在系统可测扰动作用点与 误差测量点之间，对扰动信号进行直接或间接测量，经变换后 接入系统，形成一条附加的对扰动进行补偿的通道。 复合校正：在反馈控制回路中，加入前馈校正通路， 组成有机整体。
m 1
aT
T (a 1) 1 aT 2 2
m
1 aT
tan ( m )
a 1 2 a
a 1 m ( m ) arctan arcsin a 1 2 2
a 1
可解出
a
1 sin m 1 sin m
L( m ) 10 lg a
机械工程控制基础
6.1 系统的性能指标
时域性能指标 瞬态性能指标
稳态性能指标
频域性能指标
综合性能指标
机械工程控制基础
6.1 系统的性能指标
1、二阶系统频域指标与时域指标的关系。
谐振峰值 谐振频率
Mr 1 2 1 2 0 2 0.707 2
r n 1 2 2
机械工程控制基础
6.2 系统的校正

闭环系统的控制部分一般包括测量元件、比 较元件、放大元件、执行元件等。
第六章 系统的性能指标与校正
执行元件受被控对象的功率要求和所需能源形式以及被 控对象的工作条件限制，常见执行元件：伺服电动机、液 压/气动伺服马达等；
测量元件依赖于被控制量的形式，常见测量元件：电 位器、热电偶、测速发电机以及各类传感器等；
P控制对系统性能的影响：
➢ Kp>1
开环增益加大，稳态误差减小；
幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短； 系统稳定程度变差。只有原系统稳定裕量充
分大时才采用比例控制。
第六章 系统的性能指标与校正
➢ Kp<1
与Kp>1时，对系统性能的影响正好相反。
3、PI控制（比例加积分控制）
ut
K
p t
Kp Ti
0t
d
U s s
K
p
1
1 Ti s
其中Kp、Ti 均可调。调节Ti 影响积分控制作用；调节 Kp既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。
由于存在积分控制，PI控制器具有记忆功能。
(t)
1
0
t0 t
u(t)
PI控制
Kp
只有P控制
0
t0
t
第六章 系统的性能指标与校正
Gc
j
K
p
1
jTi jTi
c 0
0
dB
0 0 未校正
0°
H(s)
-20 已校正
-20
-40
'c c -40
()
-90° -180°
(c) ('c) (rad/s)
第六章 系统的性能指标与校正
若原系统频率特性为L0()、0()，则加入P控制