第六章线性系统的校正方法 6-1综合与校正的基本概念 6-2常用校正装置及其特性 6-3串联校正 6-4反馈校正 本章小结
1 第六章 线性系统的校正方法 6-1 综合与校正的基本概念 6-2 常用校正装置及其特性 6-3 串联校正 6-4 反馈校正 本章小结
6-1综合与校正的基本概念 设计一个自动控制系统一般经过以下三步: ☆根据任务要求,选定控制对象; ☆根据性能指标的要求,确定系统的控制规律,并设计出满足这个 控制规律的控制器,初步选定构成控制器的元器件; ☆将选定的控制对象和控制器组成控制系统,如果构成的系统不能 满足或不能全部满足设计要求的性能指标,还必须增加合适的元 件,按一定的方式连接到原系统中,使重新组合起来的系统全面 满足设计要求。 控制器十+[控制对象 →匚原系统 匚原系統」+校正装置一~匚校正系统 图6-1系统综合与校正示意图 能使系统的控制性能满足控制要求而有目的地增添的元件 称为控制系统的校正元件或称校正装置
2 6-1 综合与校正的基本概念 设计一个自动控制系统一般经过以下三步: ❖ 根据任务要求，选定控制对象； ❖ 根据性能指标的要求，确定系统的控制规律，并设计出满足这个 控制规律的控制器，初步选定构成控制器的元器件； ❖ 将选定的控制对象和控制器组成控制系统，如果构成的系统不能 满足或不能全部满足设计要求的性能指标，还必须增加合适的元 件，按一定的方式连接到原系统中，使重新组合起来的系统全面 满足设计要求。 控制器 控制对象 原系统 原系统 校正装置 校正系统 能使系统的控制性能满足控制要求而有目的地增添的元件 称为控制系统的校正元件或称校正装置. 图6－1 系统综合与校正示意图
°必须指出,并非所有经过设计的系统都要经过综合与校正这一步 骤,对于控制精度和稳定性能都要求较高的系统,往往需要引入 校正装置才能使原系统的性能得到充分的改善和补偿。反之,若 原系统本身结构就简单而且控制规律与性能指标要求又不高,通 过调整其控制器的放大系数就能使系统满足实际要求的性能指标。 在控制工程实践中,综合与校正的方法应根据特定的性能指标来 确定。一般情况下,若性能指标以稳态误差￠峰值时间t,最 大超调量σ和过渡过程时间、t等时域性能指标给岀时,应用 根轨迹法进行综合与校正比较方便;如果性能指标是以相角裕度r 幅值裕度、相对谐振峰值、谐振频率和系统带宽 等频域性能指标给岀时,应用频率特性法进行综合与校正更合适
3 • 必须指出，并非所有经过设计的系统都要经过综合与校正这一步 骤，对于控制精度和稳定性能都要求较高的系统，往往需要引入 校正装置才能使原系统的性能得到充分的改善和补偿。反之，若 原系统本身结构就简单而且控制规律与性能指标要求又不高，通 过调整其控制器的放大系数就能使系统满足实际要求的性能指标。 • 在控制工程实践中，综合与校正的方法应根据特定的性能指标来 确定。一般情况下，若性能指标以稳态误差 、峰值时间 、最 大超调量 、和过渡过程时间 、等时域性能指标给出时，应用 根轨迹法进行综合与校正比较方便;如果性能指标是以相角裕度r 幅值裕度 、相对谐振峰值 、谐振频率 和系统带宽 等频域性能指标给出时,应用频率特性法进行综合与校正更合适。 ss e p t p s t Kg Mr r b
系统分析与校正的差别: 系统分析的任务是根据已知的系统,求出系统的性能指标和分析 这些性能指标与系统参数之间的关系,分析的结果具有唯性。 系统的综合与校正的任务是根据控制系统应具备的性能指标以及 原系统在性能指标上的缺陷来确定校正裝置(元件)的结构、参数 和连接方式。从逻辑上讲,系统的综合与校正是系统分析的逆问 题。同时,满足系统性能指标的校正装置的结构、参数和连接方 式不是唯一的,需对系统各方面性能、成本、体积、重量以及可 行性综合考虑,选出最佳方案
4 系统分析与校正的差别: 系统分析的任务是根据已知的系统，求出系统的性能指标和分析 这些性能指标与系统参数之间的关系，分析的结果具有唯一性。 系统的综合与校正的任务是根据控制系统应具备的性能指标以及 原系统在性能指标上的缺陷来确定校正装置(元件)的结构、参数 和连接方式。从逻辑上讲，系统的综合与校正是系统分析的逆问 题。同时，满足系统性能指标的校正装置的结构、参数和连接方 式不是唯一的，需对系统各方面性能、成本、体积、重量以及可 行性综合考虑，选出最佳方案
6-2常用校正装置及其特性 校正装置的连接方式: (1)串联校正 (2)顺馈校正 (3)反馈校正 G(s):校正装置传递函数 G(s):原系统前向通道的传递函数 H(s):原系统反馈通道的传递函数
5 6-2 常用校正装置及其特性 校正装置的连接方式: (1)串联校正 (2)顺馈校正 (3)反馈校正 Gc (s): 校正装置传递函数 G(s): 原系统前向通道的传递函数 H(s): 原系统反馈通道的传递函数
串联校正 串联校正的接入位置应视校正装置本身的物理特性和原系 统的结构而定。一般情况下,对于体积小、重量轻、容量小的 校正装置(电器装置居多),常加在系统信号容量不大的地方,即 比较靠近输入信号的前向通道中。相反,对于体积、重量、容 量较大的校正装置(如无源网络、机械、液压、气动装置等),常 串接在容量较大的部位,即比较靠近输出信号的前向通道中。 R(s G(shG(shus H(S)
6 串联校正 串联校正的接入位置应视校正装置本身的物理特性和原系 统的结构而定。一般情况下，对于体积小、重量轻、容量小的 校正装置(电器装置居多)，常加在系统信号容量不大的地方，即 比较靠近输入信号的前向通道中。相反，对于体积、重量、容 量较大的校正装置(如无源网络、机械、液压、气动装置等)，常 串接在容量较大的部位，即比较靠近输出信号的前向通道中。 Gc (s) G(s) H(s) R(s) C(s) - 6－2 串联校正
顺馈校正 顺馈校正是将校正装置Gc(s)前向并接在原系统前向通道的一 个或几个环节上。它比串联校正多一个连接点,即需要一个信号取 出点和一个信号加入点 Gs R(S) G1(S) c(s) G2(S) H(S)
7 顺馈校正 顺馈校正是将校正装置Gc(s)前向并接在原系统前向通道的一 个或几个环节上。它比串联校正多一个连接点,即需要一个信号取 出点和一个信号加入点。 R(s) Gc (s) G2 (s) H(s) G1 (s) C(s) - 图6－3 顺馈校正
反馈校正 反馈校正是将校正裝置Gc(s)反向并接在原系统前向通道的 个或几个环节上,构成局部反馈回路 R(S G1(s) C(s) G(sh H(S) 由于反馈校正装置的输入端信号取自于原系统的输岀端或原系 统前向通道中某个环节的输出端,信号功率一般都比较大,因此在 校正装置中不需要设置放大电路,有利于校正装置的简化。但由于 输入信号功率比较大,校正装置的容量和体积相应要大一些
8 反馈校正 反馈校正是将校正装置Gc(s)反向并接在原系统前向通道的一 个或几个环节上，构成局部反馈回路。 G1 (s) G2 (s) Gc (s) H(s) R(s) C(s) 由于反馈校正装置的输入端信号取自于原系统的输出端或原系 统前向通道中某个环节的输出端，信号功率一般都比较大，因此,在 校正装置中不需要设置放大电路，有利于校正装置的简化。但由于 输入信号功率比较大，校正装置的容量和体积相应要大一些。 图6－4 反馈校正
种连接方式的合理变换 通过结构图的变换,一种连接方式可以等效地转换成另一种连接方 式,它们之间的等效性决定了系统的综合与校正的非唯一性。在工程应 用中,究竟釆用哪一种连接方式,这要视具体情况而定。一般来说,要考 虑的因素有:原系统的物理结构,信号是否便于取出和加入,信号的性 质,系统中各点功率的大小,可供选用的元件,还有设计者的经验和经 济条件等。由于串联校正通常是由低能量向高能量部位传递信号。加上 校正装置本身的能量损耗。必须进行能量补偿。因此,串联校正装置通 常由有源网络或元件构成,即其中需要有放大元件 反馈校正是由高能量向低能量部位传递信号,校正装置本身不需要 放大元件,因此需要的元件较少,结构比串联校正装置简单。由于上述 原因,串联校正装置通常加在前向通道中能量较低的部位上,而反馈校 正则正好相反。从反馈控制的原理出发,反馈校正可以消除校正回路中 元件参数的变化对系统性能的影响。因此,若原系统随着工作条件的变 化,它的某些参数变化较大时,采用反馈校正效果会更好些
9 三种连接方式的合理变换 通过结构图的变换，一种连接方式可以等效地转换成另一种连接方 式，它们之间的等效性决定了系统的综合与校正的非唯一性。在工程应 用中，究竟采用哪一种连接方式,这要视具体情况而定。一般来说，要考 虑的因素有：原系统的物理结构，信号是否便于取出和加入，信号的性 质，系统中各点功率的大小，可供选用的元件，还有设计者的经验和经 济条件等。由于串联校正通常是由低能量向高能量部位传递信号。加上 校正装置本身的能量损耗。必须进行能量补偿。因此，串联校正装置通 常由有源网络或元件构成，即其中需要有放大元件。 反馈校正是由高能量向低能量部位传递信号，校正装置本身不需要 放大元件，因此需要的元件较少，结构比串联校正装置简单。由于上述 原因，串联校正装置通常加在前向通道中能量较低的部位上，而反馈校 正则正好相反。从反馈控制的原理出发，反馈校正可以消除校正回路中 元件参数的变化对系统性能的影响。因此，若原系统随着工作条件的变 化，它的某些参数变化较大时，采用反馈校正效果会更好些
常用校正装置及其特性 (1)超前校正网终 (2)滞后校正网络 ●(3)滞后-超前校正网绪 常用无源校正网络表(6-1) 10
10 常用校正装置及其特性 (1) 超前校正网络 (2) 滞后校正网络 (3) 滞后-超前校正网络 常用无源校正网络表(6-1)