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《控制工程基础第5章 控制系统的设计和校正课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第5章控制系统的设计和校正5.1概述◈虽然系统的时域瞬态响应分析是最直观、最重要的，但是它存在着计算烦琐,不利于系统的设计与校正。频域分析法给系统在博德图上进行设计和校正带来了方便。◈对于某些动态方程推导起来比较困难的元件（如液压和气动元件），应用时域分析法分析困难。而应用频域法设计就特别方便。原因：这些元件的动态特性通常可以通过频率响应实验来确定。频域法可以用开环特性来研究闭环。当应用频域法设计出系统开环特性之后,就可以进一步分析闭环系统了。★因此,本章主要研究用开环频率特性设计控制系统。◈控制系统的设计任务：是在已知控制对象的特性和系统的性能指标条件下设计系统的控制部分。◈
2、控制部分的组成：包括测量元件、比较元件、放大元件、执行元件等。★控制系统的设计：①根据被控制量的形式选择测量元件（例如电位器、热电偶、测速发电机以及各类传感器等）;②按照输入信号和反馈信号的形式选择给定元件和比较元件。③根据控制精度和驱动执行元件的要求在比较元件和执行元件之间配置一个(或几个)增益可调的放大器。◈以上各类元件在选择之前都必须根据已知条件和系统要求进行综合考虑和计算。◈选择不到合适的元件,则要自行设计和制造。★★★选择和设计出的上述这些元件与控制对象一起构成了系统的基本组成部分,通常称为系统的固有部分(不变部分),固有部分除系统增益可调外,其余结构和参数一般不能任
3、意改变。▲由固有部分组成的系统往往不能同时满足各项性能指标的要求,有的甚至还不稳定。◈为了使控制系统能满足性能指标所提出的各项要求,一般先调整系统的增益值。但是,在大多数实际情况中,只调整增益并不能使系统的性能得到充分改变,以满足给定的性能指标。♂因为:随着增益值的增大,系统的稳态性能得到改善,但稳定性却随之变差,甚至有可能造成系统不稳定。♂需要对系统进行再设计(通过改变系统结构,或在系统中加进附加装置或元件,改变系统的总体性能,使之满足要求。)◈这种“再设计”,称为系统的校正。为了满足性能指标而往系统中加进的适当装置,称为“校正装置Gc(S)”。★根据“校正装置Gc(s)”加
4、入的不同，分为：串联校正、并联校正和复合校正。◈图5.1所示为反馈控制系统中常用的校正方式。图5.1a所示的方式,是将校正装置Gc(s)串联在系统固定部分的前向通道中,这种校正称为串联校正;图5.1b所示的方式,是从某些元件引出反馈信号,构成反馈回路,并在内反馈回路上设置校正装置Gc(s),这种校正称为反馈校正或并联校正。★校正方式的选择,主要考虑：系统中信号的性质、技术上方便程度、可供选择的元件、系统的其它性能要求(如抗干扰性、环境适应性)、经济性以及设计者的经验等诸因素。★若把串联、并联校正方式结合起来使用,就称之为复合校正。5.2PID控制规律PID(Proportion
5、alIntegralDerivative)控制是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制策略,经过长期的工程实践,已形成了一套完整的控制方法和典型的结构。♂PID控制参数整定方便,结构改变灵活,在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。比如：日本OMRON的PID温控模块等♂PID控制数字化,在计算机控制系统中实施数字PID控制,已成为一个新的发展趋势。▲在图5.2a所示的反馈控制系统中,偏差信号ε(t)是系统进行控制的最基本、最原始的信号。▲为了提高系统的控制性能,可对信号ε(t)加以改造,使其按某种函数关系进行变换,形成新的控制规律,具体如下：★加入PID控制后的系统如图5.
6、2b所示。所谓PID控制,就是对偏差信号ε(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律,即续式中：续PID控制可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD或PID控制。★下面用频域法分别说明它们的控制作用。比例控制器的方框图如图5.3所示。控制器的输出u(t)与偏差信号ε(t)之间的关系为☎5.2.1 P控制（比例控制）控制器的传递函数为由式(5.3)和式(5.4)可知,比例控制器实质上是一种增益可调的放大器。P控制的作用如图5.4所示。♂Kp＞1时:①开环增益加大，稳定性变差，稳态性能变好。②幅值穿越频率ωc增大,过渡过程时间ts缩短。比例加积分控制器的控制作用由
7、下式定义☎5.2.2 PI控制（比例加积分控制）控制器的传递函数为比例加积分控制器的方框图如图5.5a所示。这种控制器的Kp和Ti均为可调。调节积分时间常数Ti可调整积分控制作用;改变比例系数Kp既影响控制作用的比例部分,又影响控制作用的积分部分。若偏差信号ε(t)为单位阶跃函数,如图5.5b所示,则控制器的输出u(t)将如图5.5c所示。由该图可以看出,积分控制作用具有记忆功能。⊙若取Kp=1,PI控制器的频率特性:续★PI控制器的控制作用一（Kp>1）:(如图5.6a所示)★结论：①0型
