自动控制原理笫6章课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《自动控制原理笫6章课件.ppt》由用户(三亚风情)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 自动控制 原理 课件
- 资源描述:
-
1、1第六章第六章 频率法校正频率法校正第一节第一节 频率法校正的基本概念频率法校正的基本概念第二节第二节 串联超前校正串联超前校正第三节第三节 串联滞后校正串联滞后校正第四节第四节 相位滞后相位滞后-超前校正超前校正第五节第五节 期望串联校正期望串联校正第六节第六节 并联校正并联校正第七节第七节 PIDPID控制器控制器 控制系统的设计,是根据系统性能指标的要求值,首先确定出系控制系统的设计,是根据系统性能指标的要求值,首先确定出系统组成的基本部件和参数,然后采用前几章介绍的某种方统组成的基本部件和参数,然后采用前几章介绍的某种方 法对法对 系统系统进进 行行 理论理论 分分 析,若系析,若系
2、统性统性 能指能指 标完全标完全 满足要求,满足要求,则理论设计完则理论设计完毕,转入运行调试。毕,转入运行调试。若系统性能不能完全满足要求,就要在基本结构的系统中引入若系统性能不能完全满足要求,就要在基本结构的系统中引入某种合适的称为校正装置的元部件或环节,使系统能够全面地满足某种合适的称为校正装置的元部件或环节,使系统能够全面地满足所要求的性能指标,后一过程又称为系统的校正或综合。所要求的性能指标,后一过程又称为系统的校正或综合。理论设计与校正的方法,在经典控制理论中有理论设计与校正的方法,在经典控制理论中有“时域法时域法”、“根轨迹法根轨迹法”和和“频率法频率法”。因频率法是最重要、最方
3、便和最常用的一种方法,所以。因频率法是最重要、最方便和最常用的一种方法,所以本章只介绍和讨论有关这方面的内容。本章只介绍和讨论有关这方面的内容。3 第一节第一节 概述概述一、系统性能指标一、系统性能指标 两类:1.1.时域指标时域指标静态指标:稳态误差静态指标:稳态误差 、无差度、无差度 、开环放大系数等。开环放大系数等。动态指标:调节时间、超调量、上升时间、峰值时间和振荡次数等。动态指标:调节时间、超调量、上升时间、峰值时间和振荡次数等。2.2.频域指标频域指标开环频域指标开环频域指标 有截止频率、相角稳定裕度、幅值稳定裕度。有截止频率、相角稳定裕度、幅值稳定裕度。闭环频域指标闭环频域指标
4、有闭环谐振峰值、谐振频率、带宽频率。有闭环谐振峰值、谐振频率、带宽频率。用频率法对系统进行设计时,若给出的是时域性能指标,则要换算用频率法对系统进行设计时,若给出的是时域性能指标,则要换算成频域性能指标。成频域性能指标。控制系统设计所关注的核心问题是,性能指标以及系统是否能满足所提出的指标要求。系统的性能指标在经典控制理论中有如下二种。4二、对数幅频特性的形状与系统性能指标的关系二、对数幅频特性的形状与系统性能指标的关系 由第五章可知由第五章可知1.低频段低频段 频率特性低频部分的特征反映开环系统积分环节的个数和开环放大系数的数值,它主要影响系统的稳态性能。如图所示的系统,无差度数=1,开环放
5、大倍数K=10,其稳态误差系数Kp=,Kv=10。5 频率法校正的基本概念频率法校正的基本概念3.3.高频段高频段 高频段特性反映了系统的抗高频干扰能力,这部分特性衰减越快,系统 的抗干扰能力越强。2.中频段中频段 为了使系统稳定并有足够的稳定裕度,截止频率c处的斜率应为-20dB/dec并有一定的宽度。c的数值与时域指标中的ts和tr有关。上述的结论表明,频率校正的实质就是引入校正装置的特性去改变原系统开环对数幅频特性的形状,使其满足给出的性能指标。6三、校正方式三、校正方式-最常用两种最常用两种:串联串联;局部局部反馈反馈校正装置在系统的前向通路与被校正校正装置在系统的前向通路与被校正对象
6、相串联,称为串联校正,如图对象相串联,称为串联校正,如图6-26-2所示。所示。校正装置在局部反馈通道中接入校正校正装置在局部反馈通道中接入校正装置,称为局部反馈校正,如图装置,称为局部反馈校正,如图6-36-3所所示。示。一般的系统可采用串联校正或局部反馈校正。对于复杂的、性能要求较一般的系统可采用串联校正或局部反馈校正。对于复杂的、性能要求较高的系统可同时采用串联校正和局部反馈校正。高的系统可同时采用串联校正和局部反馈校正。7第二节第二节 串联超前校正串联超前校正一、一、相位超前校正装置相位超前校正装置无源网络相位超前校正装置如图无源网络相位超前校正装置如图6-4a)6-4a)所示。所示。
7、传递函数的零、极点形式为传递函数的零、极点形式为11)(TsTssG212RRRCRT1其中1.传递函数为传递函数为 pszssG式中:TpTz1 ,1 校正装置的零点较极点更靠近原点,对输入信号有明校正装置的零点较极点更靠近原点,对输入信号有明显的微分作用,故也称微分校正装置。显的微分作用,故也称微分校正装置。8 串联超前校正串联超前校正2.2.校正装置的频率特性校正装置的频率特性1 11)(TjjTjG当当 为不同值时,其频率特性曲线如图所示。为不同值时,其频率特性曲线如图所示。9 该频率特性的该频率特性的主要特点主要特点是是,所有频率下相频特性曲线所有频率下相频特性曲线具有正相移,表明网
8、络在正弦信号作用下,稳态输出电压具有正相移,表明网络在正弦信号作用下,稳态输出电压的相位超前于输入,故的相位超前于输入,故也也称为称为相位超前校正相位超前校正装装置。置。由于由于 ,出现低频特性哀减出现低频特性哀减,会使系统开环放大系数下降会使系统开环放大系数下降,精度变精度变差差。常常须引入增益补偿须引入增益补偿。引入增益补偿引入增益补偿 后特性后特性11/注意:相频特性曲线相频特性曲线不变不变的!10 *3.校正装置的频率特性参数根据校正装置的相频特性,可以得到最大超前相位角根据校正装置的相频特性,可以得到最大超前相位角mm 1T1 1 ,21arctanTTmmm或及出现最大及出现最大超
9、前相位角所对应的频率超前相位角所对应的频率,其值为其值为可知该频率正好位于对数幅频特性两个转折频率的几何中点。可知该频率正好位于对数幅频特性两个转折频率的几何中点。与最大超前相位角与最大超前相位角m之间的关系还可以写成之间的关系还可以写成 sin1sin11 ,sin1sin1mmmm或11 由图可见,超前网络的对数幅频特性在频率由图可见,超前网络的对数幅频特性在频率TT11decdB/200lg20 范围内的斜率为。而低频段的对数幅频特性为而低频段的对数幅频特性为,即即出现低频衰减。这会使开环增益减少,稳态误差增大。因此,为保证稳态出现低频衰减。这会使开环增益减少,稳态误差增大。因此,为保证
10、稳态不变,就要在加入超前网络的同时,串进放大倍数为不变,就要在加入超前网络的同时,串进放大倍数为1/1/的放大器。经这的放大器。经这种补偿后,相位超前校正装置的频率特性变为种补偿后,相位超前校正装置的频率特性变为111TjjTjG 图图6-76-7给出了经增益补偿后超前网给出了经增益补偿后超前网络的对数幅频特性曲线,其相频特络的对数幅频特性曲线,其相频特性不变。性不变。12 二、相位超前校正装置所起的作用二、相位超前校正装置所起的作用 相位超前校正装置在串联校正中相位超前校正装置在串联校正中所起的作用可以用图所起的作用可以用图6-86-8来说明。来说明。设单位反馈系统未校正时的开环设单位反馈系
11、统未校正时的开环对数幅频特性、相频特性、截止频率、对数幅频特性、相频特性、截止频率、相角稳定裕度分别为相角稳定裕度分别为。和 ,000cL。和 ccL校正装置的对数幅频特性和相频特性为校正装置的对数幅频特性和相频特性为。和 kkL校正后系统的开环对数幅频特性和相频校正后系统的开环对数幅频特性和相频特性为特性为图图6-813 在原系统串入相位超前装置,校正环节的转折频率在原系统串入相位超前装置,校正环节的转折频率1/T1/T及及1/1/T T分别设在原截止频率的两侧。由于校正环节正斜率的作用,分别设在原截止频率的两侧。由于校正环节正斜率的作用,校正后系统对数幅频特性中频段斜率变为校正后系统对数幅
12、频特性中频段斜率变为-20dB/dec-20dB/dec,截止频率,截止频率增大;增大;由于正相移的作用,截止频率附近的相位明显上移,由于正相移的作用,截止频率附近的相位明显上移,使系统具有较大的稳定裕度。使系统具有较大的稳定裕度。所以相位超前校正装置的作用在于:所以相位超前校正装置的作用在于:1 使校正后系统的截止频率增大,通频带变宽,提高了系统使校正后系统的截止频率增大,通频带变宽,提高了系统响应的快速性。响应的快速性。2 使校正后系统的相角稳定裕度增大,提高了系统的相对稳使校正后系统的相角稳定裕度增大,提高了系统的相对稳定性。定性。14例6-1 若单位反馈系统未校正时的开环传递函数为若单
13、位反馈系统未校正时的开环传递函数为 三、三、校正方法校正方法(以例说明以例说明)101.0125.00sssKsG要求校正后系统的速度误差系数为要求校正后系统的速度误差系数为5050,相角稳定裕度为,相角稳定裕度为4545。试确定。试确定串联相位超前校正环节的传递函数。串联相位超前校正环节的传递函数。解解根据要求的根据要求的 K Kv v=50=50。可得。可得 K=KK=Kv v=50=50。1 绘制绘制 K=50K=50时未校正系统的开环对数幅频特性和相频特性,如时未校正系统的开环对数幅频特性和相频特性,如图图6-96-9所示。由此可查出校正系统的截止频率和相位稳定裕度所示。由此可查出校正
14、系统的截止频率和相位稳定裕度 5 ,14ccrad/s15 2 2选用式(选用式(6-66-6)所示的)所示的相位超前校正装置,相位超前校正装置,其参数为其参数为、T T。要使。要使系统满足相角裕度系统满足相角裕度40545m45c 相位超前校正网络最相位超前校正网络最大超前角需大超前角需 由于校正后新的截止由于校正后新的截止频率大于原系统截止频率大于原系统截止频率,新截止频率对频率,新截止频率对应的相角裕度显然小应的相角裕度显然小于于4545,所以需要更,所以需要更大的超前角,试取:大的超前角,试取:55m16 串联超前校正串联超前校正3 根据式(根据式(6-56-5)可解出)可解出dBLm
15、 05.10 1.10lg101lg101.10 55sin155sin1sin1sin11mm将求出的将求出的1/1/代入式(代入式(6-76-7)有)有由图6-9可知 /27 05.100。,时sraddBL17 若使若使,/27sradcm,46c,/1 ,1.101sradTm校正后系统的相角裕度校正后系统的相角裕度满足要求。满足要求。由可计算出校正装置的参数:可计算出校正装置的参数:。11765.0 ,099.0T校正装置的传递函数为校正装置的传递函数为 10117.01118.011ssTsTssGc相位超前电路也可用有源电路相位超前电路也可用有源电路。有源电路有源电路参数计算见参
16、数计算见p144!19 从上例可得频率法设计超前校正装置的步骤为从上例可得频率法设计超前校正装置的步骤为1.1.根据性能指标的要求选择超前网络的最大超前角。根据性能指标的要求选择超前网络的最大超前角。2.2.根据最大超前角,按公式计算校正网络参数。根据最大超前角,按公式计算校正网络参数。3.3.先按要求的稳态精度所确定的系统开环放大系数先按要求的稳态精度所确定的系统开环放大系数K K 值,值,绘制未校正系统的对数频率特性。绘制未校正系统的对数频率特性。4.4.绘制校正后系统的开环对数频率特性,检查其性能绘制校正后系统的开环对数频率特性,检查其性能 指指标是否满足设计要求,若不满足,应重新选取超
17、前网络标是否满足设计要求,若不满足,应重新选取超前网络的最大超前角,重复以上设计过程。的最大超前角,重复以上设计过程。5.5.确定超前校正网络的结构和参数。确定超前校正网络的结构和参数。20第三节第三节 串联滞后校正串联滞后校正一、一、相位滞后校正装置相位滞后校正装置 无源网络相位滞后校正装置如图无源网络相位滞后校正装置如图6-11a)6-11a)所示。所示。21传递函数的零、极点形式为传递函数的零、极点形式为11)(TsTssG1212RRRCRRT21其中1.传递函数为传递函数为 pszssG式中:TpTz1 ,1 校正装置的极点较零点更靠近原点,对输入信号有明校正装置的极点较零点更靠近原
18、点,对输入信号有明显的积分作用,故也称积分校正装置。显的积分作用,故也称积分校正装置。22 2.校正装置的频率特性为校正装置的频率特性为1 11)(jTTjjG当当 为不同值时,其频率特性为不同值时,其频率特性曲线如图曲线如图6-56-5所示。所示。23 该频率特性的主要特点是所有频率下相频特性曲线具有滞该频率特性的主要特点是所有频率下相频特性曲线具有滞后相移,表明网络在正弦信号作用下,稳态输出电压的相位滞后后相移,表明网络在正弦信号作用下,稳态输出电压的相位滞后于输入,故称为相位滞后校正装置。于输入,故称为相位滞后校正装置。24 3.校正装置的频率特性参数校正装置的频率特性参数从图从图6-1
19、26-12可以看出,相位滞后校正装置高频段的幅频特性具有较大的可以看出,相位滞后校正装置高频段的幅频特性具有较大的衰减,在频率衰减,在频率范围内,幅频特性的斜率为范围内,幅频特性的斜率为 相位角滞后,其最大滞后相位角及所对应的频率仍可按式(相位角滞后,其最大滞后相位角及所对应的频率仍可按式(6-36-3)和)和(6-4)计算。可以看出,相位滞后校正是一个低通滤波器,采用相位滞后校正主要可以看出,相位滞后校正是一个低通滤波器,采用相位滞后校正主要就是利用其高频衰减的作用,而高频衰减的强度与就是利用其高频衰减的作用,而高频衰减的强度与 有关。其衰减量为有关。其衰减量为TT11decdB/20lg2
20、0L25 二、相位滞后校正装置所起的作用二、相位滞后校正装置所起的作用 相位滞后校正装置在串联校正中所起的作用可以用图相位滞后校正装置在串联校正中所起的作用可以用图6-136-13来说明。来说明。设单位反馈系统未校正时的开环对数幅频特性、相频特性、截设单位反馈系统未校正时的开环对数幅频特性、相频特性、截止频率、相角稳定裕度分别为止频率、相角稳定裕度分别为。和 ,000cL。和 ccL校正装置的对数幅频特性和相频特性为校正装置的对数幅频特性和相频特性为。和 kkL校正后系统的开环对数幅频特性和相频特性为校正后系统的开环对数幅频特性和相频特性为图图6-1327 在原系统串入相位滞后校正装置时,为了
21、不对系统的相角在原系统串入相位滞后校正装置时,为了不对系统的相角裕度产生不良影响,通常是使校正装置产生相角滞后的最大频裕度产生不良影响,通常是使校正装置产生相角滞后的最大频率,处于未校正系统的低频段,即将校正环节的两个转折频率率,处于未校正系统的低频段,即将校正环节的两个转折频率 1/T 1/T 和和 1/1/T T 均设置在均设置在远离系统截止频率的低频段。远离系统截止频率的低频段。由图由图6-136-13可以看出,由于校正装置的高频衰减作用,校正可以看出,由于校正装置的高频衰减作用,校正后系统的截止频率降低,通频带变窄,降低了系统的快速性。后系统的截止频率降低,通频带变窄,降低了系统的快速
22、性。但因在新的截止频率附近系统的相角裕度增大,提高了系统的但因在新的截止频率附近系统的相角裕度增大,提高了系统的相对稳定性。因此,相位滞后校正是以牺牲快速性换取了系统相对稳定性。因此,相位滞后校正是以牺牲快速性换取了系统的稳定性。的稳定性。28 采用相位滞后校正时,要确定校正装置的参数采用相位滞后校正时,要确定校正装置的参数 和和T T。为减少校正。为减少校正装置的相角滞后对中频段特性的影响,可取校正后系统的截止频率装置的相角滞后对中频段特性的影响,可取校正后系统的截止频率.当取当取Tc/10时,/10Tc校正装置在该处产生的相角滞后与校正装置在该处产生的相角滞后与1/1/的关系的关系,如图如
23、图6-146-14所示。所示。29 三、三、校正方法校正方法(以例说明以例说明)例例6-2设某控制系统被控对象的传递函数为设某控制系统被控对象的传递函数为 12.011.00sssKsG要求校正后系统的速度误差系数为要求校正后系统的速度误差系数为3030,相角稳定裕度,相角稳定裕度40c试确定串联相位滞后校正装置的传递函数。试确定串联相位滞后校正装置的传递函数。30 解解1 根据稳态精度指标的要求,绘出未校正系统的对数频率特性,根据稳态精度指标的要求,绘出未校正系统的对数频率特性,和 00L如图如图6-156-15所示所示。2 2 为使校正后系统具有大于为使校正后系统具有大于 4040的相角裕
24、度,再考虑到相位滞后校正在校正的相角裕度,再考虑到相位滞后校正在校正后截止频率处将有后截止频率处将有5 5左右的相位滞后影响,从原系左右的相位滞后影响,从原系统相频特性上找出相角稳定裕度为统相频特性上找出相角稳定裕度为4545处的频率处的频率 ,3rad/sc将该频率作为校正后系统截止频率将该频率作为校正后系统截止频率32 3 3 在原系统的对数幅频率特性上查出相应于新的截止频率处的幅在原系统的对数幅频率特性上查出相应于新的截止频率处的幅 值为值为20dB20dB。故可由。故可由0.1 20lg20计算出dB/03.011sradT4 取相位滞后校正环节的转折频率取相位滞后校正环节的转折频率求
25、得求得 T=33.3s。以及另一转折频率以及另一转折频率sradTTc/3.01 ,10112即33 5 .校正装置的传递函数为校正装置的传递函数为 13.33133.311ssTsTssGc校正后开环系统和校正装置的对数频率特性如图校正后开环系统和校正装置的对数频率特性如图6-156-15所示。所示。34 从上例可归纳出利用博德图设计滞后校正装置的步骤为从上例可归纳出利用博德图设计滞后校正装置的步骤为1.画出满足稳态精度指标的未校正系统开环对数频率特性,画出满足稳态精度指标的未校正系统开环对数频率特性,并查出原系统截止频率和相角稳定裕度的数值。并查出原系统截止频率和相角稳定裕度的数值。2.2
展开阅读全文