文档介绍：第七章线性控制系统的校正 2011年6月主编修改版
华南理工大学
自动化科学与工程学院
制作:罗家祥审校:胥布工
第七章线性控制系统的校正
引言
校正的基本概念
频率法设计串联校正
根轨迹法设计串联校正
PID校正
反馈校正
利用MATLAB辅助控制系统的校正设计
小结
引言
本章知识体系
校正方式、校正装置的设计方法、常见校正装置的特性以及校正装置的实现
校正的动机、期望
性能指标
校正的基本概念
基于频率法和根轨迹法的串联校正、PID校正以及反馈校正的设计方法
利用MATLAB进行辅助校正设计的方法
引言
系统分析是指在系统结构和参数已知的情况下,建立系统模型,利用前面各章节所介绍的时域法、根轨迹法和频率法来分析系统的稳定性,计算动、静态性能指标,并研究系统性能与结构和参数之间的关系。
系统设计则是按控制系统的运行要求,提出各项期望性能指标,然后根据被控对象的实际情况,合理地选择控制方案及结构形式,综合确定参数和选择元器件,通过仿真和实验,建立起能同时满足动、静态性能指标的实用系统。
引言
反馈控制系统的设计步骤:
(1)理解被控过程,明确系统设计任务,分析输入信号及扰动信号的变化范围与特点,并将动、静态性能指标转化为时域、频域或零极点分布位置指标。
(2)选择控制方案,常用的方案包括串联校正、反馈校正和复合校正等。
(3)选择测量、执行、放大等主要元部件。
(4)构造系统线性模型,如确定有效的平衡点,在信号变化容许范围内构造小信号增量化模型,以传递函数、频率特性等方式描述系统模型。
(5)分析稳态性能,包括根据稳态误差要求计算系统开环放大系数;考虑执行器死区、测量误差、放大器零漂误差等因素计算稳态误差。
(6)分析动态性能,设计控制器,主要包含校正环节的设计与实现。
(7)必要时改进工艺,更换测量元件、执行元件或甚至改变受控对象。
(8)建立计算机模型仿真。
(9)制作样机,调试、试运行等。
引言
控制系统设计要比其分析更为复杂
首先,设计问题的答案往往并不唯一,通常可以采用多种不同的控制方案来满足给出的控制要求;
其次,在选择系统结构和计算参数的过程中,很容易出现相互矛盾的情况,此时需要针对要求提出折衷方案;
不管是控制方案的优化选择,还是折衷方案的评价调整,都需要综合考虑众多因素,既要考虑技术要求,又要考虑经济性、可靠性、安装工艺、使用环境和能源等问题,还要考虑提出的系统(或某些环节)在物理上或技术上是否能实现,因而远比系统分析复杂。
校正的基本概念
校正的动机和期望性能指标
在校正设计过程中,固有系统中除放大器的放大系数可作适当调整外,其余部分的参数常常是不变的,故这部分又称为系统的“固有部分”。固有系统或其“固有部分”均称为固有部分或校正前的系统。
一般来说,固有系统的特性较差,单纯靠调整放大系数很难同时满足期望的动态和静态性能要求。这时,需要靠引入附加装置来改变系统特性。这就是控制系统的校正动机。
固有系统并非完全无法改变。相对于校正元件,固有部分调整的成本更高,变化的灵活度更小。若在已有校正方法无法满足预定要求的情况下,更换执行器等元件,甚至改变对象工艺流程往往是必须的。
校正的基本概念
控制系统的常见性能指标(表7-1)
校正的基本概念
不同控制系统对性能指标的要求侧重点不同。如调速系统对于平稳性和稳态精度往往要求高,而随动系统则通常侧重于快速性要求等。
性能指标的提出既应符合实际系统的需要,又要具有可实现性,指标过高可能导致系统成本过高或使得系统过于复杂,有时甚至不可能达到。
性能指标的形式往往决定了合适的校正方法,例如,时域性能指标可以采用根轨迹法校正,而频域指标则更适合采用频率特性法校正。
校正的基本概念
校正方式
基本校正方式主要有三种:
1) 串联校正:校正装置Gc(s)与广义被控对象Gp(s)相串联位于控制系统的前向通道中。串联校正是基于偏差产生控制作用原理的反馈控制系统的基本结构。
2) 反馈校正:专指校正装置位于反馈通道的情况,反馈校正从被校正对象后或其中引出反馈信号,与被校正对象或其一部分构成局部反馈回路。