自动控制原理_第六章控制系统的校正与设计

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第6章 控制系统的校正与设计

第6章 控制系统的校正与设计主要内容：

6.1 控制系统校正的概念6.2 基本控制规律分析 6.3 串联校正 6.4 采用频率法进行串联校正 6.5 采用根轨迹法进行串联校正 6.6 反馈校正及其参数确定 6.7 用MATLAB进行控制系统的校正第 # 页

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第6章 控制系统的校正与设计6.1 控制系统校正的概念控制系统——由为完成给定任务而设置的一系列元件组 成，其中可分成被控对象与控制器两大部分。 综合与校正问题：

当将选定的控制器与被控对象组成控制系统后，如果不 能全面满足设计要求的性能指标时，在已选定的系统不可 变部分基础上，再增加些必要的元件，使重新组合起来的 控制系统能够全面满足设计要求的性能指标。

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第6章 控制系统的校正与设计控制系统的校正元件：使系统的控制性能满足设计要求的性能指标而有目的地增添的元件。 控制系统校正的作用：使原系统在性能指标方面缺陷得 到补偿。 系统的校正方案：校正元件的形式及其在系统中的位置， 以及它和系统不可变部分的联接方式。

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第6章 控制系统的校正与设计串联校正——校正元件与系统不可变部分串接，如图6-1所 G 示， ( s ) 与 G ( s ) 分别为不可变部分及校正元件的传递函数。0

c

R(s) +

Gc ( s)

C (s )

G0 ( s)

H (s)

图6-1 串联校正系统方框图

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第6章 控制系统的校正与设计反馈校正——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 ) ++

C (s )

G1 ( s)

G2 ( s)

-

Gs() cH (s )

图6-2 反馈校正系统方框图

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第6章 控制系统的校正与设计反馈校正作用：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。复合控制校正——把前馈控制和反馈控制有机结合起来 的校正方法。 复合校正中的前馈装置： 扰动补偿

输入补偿

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第6章 控制系统的校正与设计按扰动补偿的复合控制系统如图6-3所示。N(s)+

Gn (s)R(s) + E(s)+

G1 (s)

G2 (s)

C(s)

-

图6-3 按扰动补偿的复合控制系统

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第6章 控制系统的校正与设计按给定补偿的复合控制系统如图6-4所示。Gr ( s)R(s) E (s )+

C (s ) G(s )

-

+

图6-4 按给定补偿的复合控制系统

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第6章 控制系统的校正与设计控制系统的综合与校正问题和分析问题既有联系又有 差异：分析问题——在已知控制系统的结构形式及其全部参 数的基础上，求取系统的各项性能指标，以及这些性能指 标与系统参数间的关系。 综合与校正问题——在

给定系统不可变部分基础上， 按控制系统应有的性能指标，寻求全面满足性能指标的校 正方案，并合理确定校正元件的参数。

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第6章 控制系统的校正与设计6.2 基本控制规律分析6.2.1 比例(P)控制规律 P控制器——具有比例控制规律的控制器。mt K p (t )

图6-5为P控制器方框图。r (t ) +

ε(t)

KP

m(t )

c(t )

图6-5 P控制器方框图第 # 页

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第6章 控制系统的校正与设计6.2.2 比例加微分(PD)控制规律

PD控制器——具有比例加微分控制规律的控制器。m(t ) K p (t ) K p d (t ) dt

PD控制器的方框图如图6-6所示。R(s ) +

ε(s)

KP (1 s)

M (s )

C (s )

图6-6 PD控制器方框图

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第6章 控制系统的校正与设计图6-7所示为PD控制器对于匀速信号的响应过程中微分控 制规律相对比例控制规律所具有的预见性。ε(t) m (t)Kp 0 0

Kp 0

0

0

(a)

t

0

(b)

t

图6-7 微分控制规律的预见性第 # 页

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第6章 控制系统的校正与设计例6.1:设具有PD控制器的控制系统方框图如图6-8所示。 试分析比例加微分控制规律对该系统性能的影响。

R(s ) +

ε(s)

KP (1 s)

-

1 Js2

C (s )

图6-8 控制系统方框图

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第6章 控制系统的校正与设计解：无PD控制器时，给定系统的特征方程为Js 1 02

从特征方程看出，该系统的阻尼比等于零。其输出信号c t 具有不衰减的等幅振荡形式，系统处于临界稳定，即实际上的 不稳定状态。 加入PD控制器后，从图6-6求得给定系统的特征方程为Js K p s K p 02

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第6章 控制系统的校正与设计这时的阻尼比 K / 2 J 0 ,因此闭环系统是稳 定的。这是因为PD控制器的加入提高了给定系统的阻尼 程度，使特征方程s项系数由零提高到大于零的 K ,而且 给定系统的阻尼程度可通过PD控制器的参数 K 及 来调 整。ppp

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第6章 控制系统的校正与设计6.2.3 积分(I)控制规律I控制器——具在积分控制规律的控制器。m(t ) K i (t )dt0 t

或

dm(t ) dt

K i (t )

I控制器的方框图如图6-9所示。

图6-9 I控制器方框图

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