自動(dòng)控制原理2008雙語(yǔ)cha.ppt

1,The Principle of Automatic Control 自動(dòng)控制原理,Lecturers：Prof. Jiang Bin Dr. Lu Ningyun College of Automation Engineering NUAA，2008. Autumn,2,NUAA-The Principle of Automatic Control,Chapter 6 Control system design by Frequency Response 基于頻域響應(yīng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),3,校正方式,校正：采用適當(dāng)方式，在系統(tǒng)中加入一些參數(shù)可調(diào)整的 裝置（校正裝置），用以改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)滿(mǎn)足指標(biāo)要求。,串聯(lián)校正 并聯(lián)（或反饋）校正 前饋校正 復(fù)合校正,4,校正策略,控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的指標(biāo)描述：,時(shí)域指標(biāo),頻域指標(biāo),根軌跡校正,頻率法校正,校正裝置的基本特性是相同的： 超前校正、滯后校正、超前滯后校正,5,性能指標(biāo),P244頁(yè)，二階系統(tǒng)時(shí)域指標(biāo)與頻域指標(biāo)關(guān)系 帶寬的確定,無(wú)論哪種校正方式，都要求校正后系統(tǒng)既能快速準(zhǔn)確跟蹤輸入信號(hào)，又能有效抑制噪聲擾動(dòng)信號(hào),輸入信號(hào)：中低頻； 噪聲信號(hào)：高頻,wb=(510)wm,6,系統(tǒng)的希望開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性,1、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)確定希望對(duì)數(shù)幅頻曲線低頻段,:初始段斜率 20lgK:=1處的幅值,7,2、暫態(tài)指標(biāo)確定希望對(duì)數(shù)幅頻曲線中頻段,中頻段 -20dB/dec,c處以-20dB/dec穿0dB線，且保持一定寬度。,8,3、抗擾性能和暫態(tài)指標(biāo)起始段確定希望對(duì)數(shù)幅頻曲線高頻段,高頻段,以抑噪為主； 高頻段衰減越快，抑噪越強(qiáng)；但影響暫態(tài)，超調(diào)將增大。,9,頻率法串連校正,1. 超前校正 2. 滯后校正 3.滯后超前校正,頻率法串聯(lián)校正的設(shè)計(jì)過(guò)程,10,超前校正-(1)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),時(shí)間常數(shù),衰減因子,11,超前校正- (2)頻率特性,1/aT,1/T,超前網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻率在1/aT到1/T之間的輸入信號(hào)有明顯的微分作用，在該頻率段內(nèi)，輸出信號(hào)相角超前于輸入，因此命名為超前校正網(wǎng)絡(luò)。,10lg a,12,超前校正- (2)頻率特性,13,超前校正- (2)頻率特性,超前網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：相角超前，幅值增加 最大超前角只和a有關(guān)，a=(R1+R2)/R2，受網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)的限制，一級(jí)超前網(wǎng)絡(luò)最大超前角約為65 超前網(wǎng)絡(luò)是高通濾波器，a不能太大，最有效的,14,串聯(lián)超前校正實(shí)質(zhì)： 利用超前網(wǎng)絡(luò)相角超前特性提高系統(tǒng)的相角裕度； 為了獲得最大的相位超前量，應(yīng)使得超前網(wǎng)絡(luò)的最大超前相位 發(fā)生在校正后系統(tǒng)的截止頻率( )處,超前校正- (3)校正思想,15,(設(shè)給定指標(biāo)為校正后系統(tǒng)的 ）, 確定需要對(duì)系統(tǒng)增加的相位超前量, 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)參數(shù), 調(diào)整開(kāi)環(huán)增益,是否滿(mǎn)足要求,驗(yàn)算,超前校正- (4)基本步驟, 利用已確定的開(kāi)環(huán)增益K，計(jì)算校正前系統(tǒng)的相位裕度,16,超前校正- (4)基本步驟,17,超前校正- (5) 例子, 由穩(wěn)態(tài)誤差要求確定開(kāi)環(huán)增益,畫(huà)出校正前系統(tǒng)的bode圖，虛線所示,18,-20db,-40db,19, 利用已確定的開(kāi)環(huán)增益K，計(jì)算校正前系統(tǒng)的相位裕度,漸近線估算,或圖中量出, 確定需要對(duì)系統(tǒng)增加的相位超前量,20, 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)參數(shù),確定m的值。 超前網(wǎng)絡(luò)在最大超前相位角處的幅值為,要想得到最大的相位裕度，必須使m與校正后的截止頻率c重合，因此校正前系統(tǒng)在m處的幅值應(yīng)為,(2) 確定T,21, 調(diào)整開(kāi)環(huán)增益,為了抵消校正網(wǎng)絡(luò)中1/3的幅值衰減，總的開(kāi)環(huán)增益應(yīng)該增加3倍,畫(huà)出校正后系統(tǒng)的bode圖，實(shí)線所示，驗(yàn)證是否滿(mǎn)足要求,22,-4.77,-20db,-40db,-40db,-20db,23,是否滿(mǎn)足要求,驗(yàn)算,這是因?yàn)閺男Ｕ跋到y(tǒng)截止頻率 到校正后截止頻率 相位滯后了7度，而在計(jì)算a時(shí)，為了湊整數(shù)，我們只補(bǔ)償了3度，因此要想有準(zhǔn)確的45度相位裕度，可增加a值到3.5，重復(fù)上述步驟。,24,-20db,-40db,-40db,-20db,校正后系統(tǒng)的中頻段斜率為20db/dec，并占據(jù)一定頻帶范圍，這使系統(tǒng)相位裕度增大，瞬態(tài)過(guò)程的超調(diào)變小 且使截止頻率增大，帶寬增大，響應(yīng)速度變快,25,超前校正的幾點(diǎn)說(shuō)明,1 若系統(tǒng)對(duì)校正后系統(tǒng)開(kāi)環(huán)截止頻率 已有明確要求，則計(jì)算超前網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時(shí)可直接計(jì)算a 和T (教材p259頁(yè)例63） 2 有些情況下采取串連超前校正是無(wú)效的，它受以下兩個(gè)因素的限制： （1）閉環(huán)帶寬的要求。若校正前系統(tǒng)不穩(wěn)定，為了得到期望的相位裕度，需要超前網(wǎng)絡(luò)提供很大的相位超前量，a必須很大，從而造成校正后帶寬過(guò)大，噪聲污染嚴(yán)重； （2）在截止頻率處相位迅速減小的系統(tǒng)（-40db斜率)不適宜超前校正。,26,滯后校正-(1)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),滯后網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻率在1/T 到1/bT之間的輸入信號(hào)有明顯的積分作用，在該頻率段內(nèi)，輸出信號(hào)相角滯后于輸入，因此命名為滯后校正網(wǎng)絡(luò)。,27,滯后校正-(2)頻率特性,最大滯后頻率,最大滯后相位,滯后網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)低通濾波器，低頻時(shí)幅值為0db，高頻時(shí)幅值-20db,28,滯后校正-(3) 校正思想,利用其高頻幅值衰減特性，以降低系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)截止頻率，借助校正前系統(tǒng)自身在該截止頻率處的相位，使系統(tǒng)獲得足夠的相位裕度 降低截止頻率，挖掘自身相位儲(chǔ)備,因此，設(shè)計(jì)滯后網(wǎng)絡(luò)時(shí)，千萬(wàn)要避免最大相角滯后發(fā)生在校正后系統(tǒng)截止頻率 附近,29,藍(lán)色：原系統(tǒng) 綠色：校正后系統(tǒng),截止頻率下降，帶寬減小，系統(tǒng)響應(yīng)速度降低。 當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)速度要求不高而抑制噪聲要求較高時(shí)，可選用滯后校正,30,滯后校正-(4) 校正步驟,(設(shè)給定指標(biāo)為校正后系統(tǒng)的 ）, 利用已確定的開(kāi)環(huán)增益K，計(jì)算校正前系統(tǒng)的相位裕度 和截止頻率, 確定校正后系統(tǒng)的截止頻率 ，使其相位裕度滿(mǎn)足要求,在校正前系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻曲線上找一個(gè)頻率點(diǎn)，在該點(diǎn)上使,31, 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)參數(shù),為了防止滯后網(wǎng)絡(luò)引起的相位滯后帶來(lái)的不良影響，滯后網(wǎng)絡(luò)的交接頻率必須明顯低于校正后系統(tǒng)的截止頻率 這樣，滯后網(wǎng)絡(luò)的相位滯后發(fā)生在低頻段，不會(huì)影響校正后系統(tǒng)的相位裕度, 在 處，校正前系統(tǒng)幅值下降20lgb，使得校正后系統(tǒng)確實(shí)處于截止頻率處，從而可確定參數(shù)b，并由步驟4確定T,32, 由穩(wěn)態(tài)誤差要求確定開(kāi)環(huán)增益, 畫(huà)出校正前系統(tǒng)的bode圖，校正前系統(tǒng)相位裕度18度，不滿(mǎn)足要求,滯后校正-(5) 例子（同超前校正例子）,33,-20db,-40db,34, 確定校正后系統(tǒng)的截止頻率,由圖可量出，, 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)參數(shù),在 處，校正前系統(tǒng)幅值下降20lgb，使得校正后系統(tǒng)確實(shí)處于截止頻率處，,35,-20db,-40db,36,-20db,-40db,-40db,-20db,校正后系統(tǒng)的中頻段斜率為20db/dec，并占據(jù)一定頻帶范圍，這使系統(tǒng)相位裕度增大，瞬態(tài)過(guò)程的超調(diào)變小 使截止頻率變小，帶寬變小，響應(yīng)變慢，但抑制噪聲能力變好,37,超前、滯后校正的比較,1 超前校正利用其相位超前特性、獲得系統(tǒng)所需要的相位超前量。而滯后校正則利用其高頻衰減特性，使截止頻率下降，借助于原系統(tǒng)在新的截止頻率處的相位，獲得系統(tǒng)所需要的相位裕度。 2 超前校正通常用來(lái)改善穩(wěn)定裕度，滯后校正通常用來(lái)提高穩(wěn)態(tài)精度。 3 超前校正比滯后校正提供更高的截止頻率。高的截止頻率意味著大的帶寬，從而意味著小的調(diào)整時(shí)間。因此，如果希望系統(tǒng)具有大的帶寬，或者快的響應(yīng)，應(yīng)采用超前校正。,38,超前、滯后校正的比較（續(xù)）,4 超前校正需要由一個(gè)附加的增益增量，以抵消超前網(wǎng)絡(luò)本身的衰減。則表明超前校正比滯后校正需要更大的增益。在多數(shù)情況下，增益越大，意味著系統(tǒng)的體積和重量越大，成本越高，同時(shí)會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生比較大的信號(hào)，這種大信號(hào)容易造成元件的飽和現(xiàn)象。 5 滯后校正降低了系統(tǒng)在高頻區(qū)的增益，但并沒(méi)有降低系統(tǒng)在低頻區(qū)的增益。因?yàn)榻档土烁哳l增益，系統(tǒng)的總增益可以增加，從而低頻增益隨之增加，因此改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。,39,超前、滯后校正的比較（續(xù)）,6 滯后校正減小了帶寬，因此系統(tǒng)具有較低的響應(yīng)速度，但系統(tǒng)中包含的任何高頻噪音都可以得到衰減。 7 滯后校正將會(huì)在原點(diǎn)附近引進(jìn)極、零點(diǎn)組合（偶極子），這將會(huì)在瞬態(tài)響應(yīng)中產(chǎn)生小振幅的長(zhǎng)時(shí)間拖尾。 8 如果既需要獲得快速響應(yīng)特性，又需要良好的穩(wěn)態(tài)精度，則可以采用滯后超前校正。,40,附:控制系統(tǒng)的基本控制方法PID控制,1、比例（P）控制規(guī)律,只改變信號(hào)的幅值，不改變相位,串聯(lián)校正中，增大K將提高可提高系統(tǒng)的控制精度，但會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性.,41,2、比例-微分（PD)控制規(guī)律,微分控制規(guī)律能反應(yīng)輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào)，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。其對(duì)穩(wěn)態(tài)無(wú)影響。 但對(duì)噪聲非常敏感。,42,3、積分（I）控制規(guī)律,提高系統(tǒng)的型別，改善穩(wěn)態(tài)特性。 位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)