第8章控制系统的综合与校正.ppt

1系统综合？校正的实质？系统综合？校正的实质？系统性能指标及其计算系统性能指标及其计算系统校正的系统校正的MATLAB编程编程控制系统设计举例控制系统设计举例2系统综合？校正的实质？系统综合？校正的实质？系统性能指标及其计算系统性能指标及其计算系统校正的系统校正的MATLAB编程编程控制系统设计举例控制系统设计举例3 我们知道，在构造控制系统时，为了满足性能指我们知道，在构造控制系统时，为了满足性能指标，适当地改变控制对象的动态特性，可能是一种比标，适当地改变控制对象的动态特性，可能是一种比较简单的方法。但是，在很多实际情况中，由于控制较简单的方法。但是，在很多实际情况中，由于控制对象可能是固定的和不可改变的，所以上述方法行不对象可能是固定的和不可改变的，所以上述方法行不通。因此，必须调整固定的控制对象以外的参数。因通。因此，必须调整固定的控制对象以外的参数。因此，这里要研究的设计问题，就变成了一种通过加校此，这里要研究的设计问题，就变成了一种通过加校正装置来改善系统性能的问题。正装置来改善系统性能的问题。在经典理论中在经典理论中控制器控制器受控系统受控系统控制系统控制系统4 控制系统设计，实质上就是控制器设计。对于不同控制系统设计，实质上就是控制器设计。对于不同的系统，对于不同的设计方法，控制器也称为补偿器、的系统，对于不同的设计方法，控制器也称为补偿器、校正装置（校正器）。校正装置（校正器）。在经典控制理论中，系统综合的在经典控制理论中，系统综合的关键是校正装置设计。而在现代控制理论中，系统综合关键是校正装置设计。而在现代控制理论中，系统综合的关键是控制器设计。的关键是控制器设计。何谓综合？何谓综合？对于给定的受控系统，确定其控制规律，即设计控对于给定的受控系统，确定其控制规律，即设计控制器的结构及其参数，使系统的过程满足事先规定的性制器的结构及其参数，使系统的过程满足事先规定的性能指标。能指标。在已知受控对象的特性和要求的系统性能指标，构在已知受控对象的特性和要求的系统性能指标，构造一个控制系统，称为系统综合。造一个控制系统，称为系统综合。5 为了改善控制系统的稳态和动态性能，需要在系统中加入适当的为了改善控制系统的稳态和动态性能，需要在系统中加入适当的校正装置，使系统的整个特性满足给定的各项性能指标要求。校正装置，使系统的整个特性满足给定的各项性能指标要求。系统校正系统校正 所谓校正，就是改变系统的动态特性，使系统满足特所谓校正，就是改变系统的动态特性，使系统满足特定的技术要求。通过改变系统结构或在系统中加入一些参定的技术要求。通过改变系统结构或在系统中加入一些参数可调的装置，以改善系统的稳态、动态性能，使系统满数可调的装置，以改善系统的稳态、动态性能，使系统满足给定的性能指标。为了满足性能指标而加进系统的装置，足给定的性能指标。为了满足性能指标而加进系统的装置，称为校正装置。称为校正装置。6 现代控制系统实质上就是计算机控制系统，传统的校正技术现代控制系统实质上就是计算机控制系统，传统的校正技术和校正装置已被和校正装置已被算法和计算机算法和计算机取代。但其设计思想和技术仍然是取代。但其设计思想和技术仍然是重要的。重要的。改变系统的极点数目和极点位置。改变系统的极点数目和极点位置。校正可以归结为设计一种滤波器，这种滤波器具校正可以归结为设计一种滤波器，这种滤波器具有的特性能够补偿控制对象不希望的且不能改变的特有的特性能够补偿控制对象不希望的且不能改变的特性。我们把校正装置与不能改变的传递函数性。我们把校正装置与不能改变的传递函数G(s)G(s)进行进行串联，以获得必要的动态特性。因此，设计的主要问串联，以获得必要的动态特性。因此，设计的主要问题将是如何恰当地选择校正装置题将是如何恰当地选择校正装置G(s)G(s)的极点和零点，的极点和零点，以改善系统的动态特性，使系统性能指标得到满足。以改善系统的动态特性，使系统性能指标得到满足。请注意，如果说用经典控制理论设计控制系统的关键是系统校请注意，如果说用经典控制理论设计控制系统的关键是系统校正，那么现代控制系统设计巳归结为控制器的设计了。而后者是前正，那么现代控制系统设计巳归结为控制器的设计了。而后者是前者的继承与发展。者的继承与发展。7增加零点的影响增加零点的影响增加极点的影响增加极点的影响 在系统的开环传递函数中增加极点，会降低系统的相在系统的开环传递函数中增加极点，会降低系统的相对稳定性，增加系统响应的调整时间。增加积分控制相当对稳定性，增加系统响应的调整时间。增加积分控制相当于增加位于原点的极点，因此降低了系统的稳定性。于增加位于原点的极点，因此降低了系统的稳定性。在系统的开环传递函数中增加零点，会增加系统的稳在系统的开环传递函数中增加零点，会增加系统的稳定性，减小系统响应的调整时间。增加零点意味着对系统定性，减小系统响应的调整时间。增加零点意味着对系统增加微分控制，其效果是在系统中引入超前相位，且加快增加微分控制，其效果是在系统中引入超前相位，且加快瞬态响应。瞬态响应。8系统综合？校正的实质？系统综合？校正的实质？系统性能指标及其计算系统性能指标及其计算系统校正的系统校正的MATLAB编程编程控制系统设计举例控制系统设计举例时域性能指标时域性能指标动态性能指标动态性能指标例题例题8-1稳态性能指标稳态性能指标稳态误差、无差度、开环放大系数稳态误差、无差度、开环放大系数例题例题8-2频域性能指标频域性能指标开环频域指标开环频域指标闭环频域指标闭环频域指标幅值穿越频率幅值穿越频率c，幅值裕度，幅值裕度Kg，相位裕度，相位裕度谐振峰值谐振峰值Mr，谐振频率，谐振频率c，频宽，频宽b10已知系统传递函数为已知系统传递函数为求最大超调量求最大超调量 Mp，峰值时间，峰值时间 tp 和调整时间和调整时间 ts564)1(5)(23sssssG11001lim()lim()1()()ssissesE ssX sG s H s0011lim()lim()1()()()ssissesE ssX sG s H s H s单位反馈单位反馈调用计算稳态增益的指令调用计算稳态增益的指令K=degain(sys)也可用来计算系统阶跃响应的也可用来计算系统阶跃响应的稳态值和稳态误差。稳态值和稳态误差。例题例题8-212已知单位负反馈系统的开环传递函数为已知单位负反馈系统的开环传递函数为求其单位斜坡输入时，系统的稳态误差。求其单位斜坡输入时，系统的稳态误差。)5)(1(10)(ssssGk13系统综合？校正的实质？系统综合？校正的实质？系统性能指标及其计算系统性能指标及其计算系统校正的系统校正的MATLAB编程编程控制系统设计举例控制系统设计举例14主要校正方式主要校正方式控制系统设计的主要方法控制系统设计的主要方法时域设计时域设计频域设计频域设计相位滞后校正相位滞后校正PID校正校正15相位超前相位超前相位滞后相位滞后滞后超前滞后超前利用相位超前利用相位超前特性改善系统特性改善系统的动态特性，的动态特性，使系统的带宽使系统的带宽增加，响应速增加，响应速度变快。度变快。利用高频幅值利用高频幅值衰减特性，在衰减特性，在不影响动态特不影响动态特性的前提下，性的前提下，改善系统的稳改善系统的稳态特性。态特性。同时改善系统同时改善系统的动态、稳态的动态、稳态性能。性能。微分作用微分作用D积分作用积分作用I积分微分作用积分微分作用ID16相位滞后校正相位滞后校正1)1()(11sTsTKsGcc1 利用高频幅值衰减利用高频幅值衰减特性，在不影响动态特特性，在不影响动态特性的前提下，改善系统性的前提下，改善系统的稳态特性。的稳态特性。17 先确定增益先确定增益Kc使系统具有希使系统具有希望的稳态精度，望的稳态精度，再确定校正装置再确定校正装置的转折频率使系的转折频率使系统具有希望的相统具有希望的相位裕度位裕度。相位滞后校正相位滞后校正设计思想：设计思想：)105.0)(15.0)(12(4)(ssssG=60开环增益开环增益 K0=49181920 PID控制器是一种线性控制器。它将偏差的比例、积分和微分控制器是一种线性控制器。它将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID控制规律的控制规律的微分方程式为微分方程式为)()()()(0tedtdKdtteKteKtuDtIPsKsKKsEsUsGDIPc1)()()()11()(sTsTKsGDIPcKP比例系数；比例系数；TI积分时间常数；积分时间常数；TD微分时间常数微分时间常数PID传递函数传递函数21)11.0)(15.0(1)(ssssG设计设计PID控制器控制器Ka10c4rad/s(c)502223系统综合？校正的实质？系统综合？校正的实质？系统性能指标及其计算系统性能指标及其计算系统校正的系统校正的MATLAB编程编程控制系统设计举例控制系统设计举例24汽车悬架系统控制汽车悬架系统控制主动悬架主动悬架阀控液压马达速度控制系统阀控液压马达速度控制系统25输入信号输入信号u输出信号输出信号x1车身位移车身位移主动控制力主动控制力干扰信号干扰信号W控制目的控制目的通过调整控制力通过调整控制力u，使汽车在任何路面上行驶，使汽车在任何路面上行驶时，车身振动小，且振动衰减快。时，车身振动小，且振动衰减快。26车身车身加速度加速度传感器传感器控制器控制器车桥车桥悬架弹簧悬架弹簧可调阻尼可调阻尼（减振器）（减振器）路面激励（扰动输入）路面激励（扰动输入）车身振动（输出）车身振动（输出）路面路面轮胎刚度轮胎刚度 主动悬架实际上是主动悬架实际上是一个恒值控制系统。它一个恒值控制系统。它通过检测到的车身振动通过检测到的车身振动加速度、速度来控制空加速度、速度来控制空气弹簧的刚度、悬架阻气弹簧的刚度、悬架阻尼以及参数之间的匹配尼以及参数之间的匹配关系，从而抑制路面扰关系，从而抑制路面扰动激励引起的车身振动，动激励引起的车身振动，使车身振动尽可能小，使车身振动尽可能小，达到提高汽车平顺性的达到提高汽车平顺性的控制目的。控制目的。271 12121()()sm xKxxb xxum1m2fksfbufkt2221212()()()stm xKxxb xxuK Wx 28被动悬架框图被动悬架框图1 12121()()sm xKxxb xxu2221212()()()stm xKxxb xxuK Wx 2930313233343536系统综合？校正的实质？系统综合？校正的实质？系统性能指标及其计算系统性能指标及其计算系统校正的系统校正的MATLAB编程编程控制系统设计举例控制系统设计举例