自动控制系统基本知识.ppt

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1、自动控制基本知识,引 言,自动控制学科由自动控制技术和自动控制理论两部分组成。,什么是自动控制?,自动控制，就是在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。,随着生产和科学技术的发展，自动控制技术可以说已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。,事实上，任何技术设备、工作机械或生产过程都必须按要求运行。例如：要使火炮能自动跟踪并命中飞行目标，炮身就必须按照指挥仪的命令而作方位角和俯仰角的变动；,要把数吨重人造卫星送入数百公里高空的轨道，使其所携带的各种仪器能长期使用

2、、准确地工作，就必须保持卫星的正确姿态，使它的太阳能电池一直朝向太阳，无线电发射天线一直指向地球；,要使数控机床能加工出高精度的工件，就必须保证其工作台或刀架的进给量准确地按照程序指令的设定值变化；,要想使轮船安全顺利的航行，就必须按照领航员的命令改变尾舵的方向；,所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。,要使炼钢炉提供优质的产品，就必须严格控制炉温等等。,近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展，并在工农业生产、交通运输、国防建设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。比如：人造地球卫星的成功发射与安全返回，导弹的准确击中目标，雷达系统的准确跟踪目标，自动控制技术都起着极其重要的作用。,交通

3、系统：,安全、快捷、舒适、准点,制造系统：,数控机床,加工生产线,自动码垛机器人,自动包装机器人,家用电器：,电扇：控制转速,电冰箱、空调、电饭煲：控制温度,洗衣机：控制水位、强弱、时间等,什么是自动控制系统?,自动控制系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它是控制对象以及参与实现其被自动控制的装置或元部件的组合，一般由控制装置和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机构、比较机构、执行机构。自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单也有复杂。它可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的全部生产和管理过程；它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较抽象的社会

4、系统、生态系统或经济系统。,控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分析。控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给定系统的性能指标，合理的确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。,随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展，出现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控制技术的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。,自动控制理论的发展,古典控制理论以传递行数为基

5、础研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于发展较早，现已臻成熟。在工程上也比较成功地解决了如伺服系统与恒值系统自动控制的实践问题。现代控制理论是在古典控制理论基础上随着科学技术发展和工程实践需要而迅速发展起来的。它以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。它物流在数学工具、理论基础，还是研究方法上都不是古典控制理论的简单延伸和推广,而是认识上的一次飞跃。最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域的主要课题。,自动控制系统的分类,从信号传送的特点或系统结构特点分类：可以将控制系统分为开环控制系统、闭环控

6、制系统和复合控制系统三大类。按输入量的特点分类：可以将控制系统分为定值系统、随动系统、程序系统,开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。优点：结构简单，成本低廉，易于实现缺点：对扰动没有抑制能力，控制精度低,开环控制,闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着负反馈的控制方式。采用闭环控制的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环控制是一切生物控制自身运动的基本规律。人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。,闭环控制,优点：具有自动补偿由于系统内部和外部干扰所引起的系统误差（偏差）的能

7、力，因而有效地提高了系统的精度。缺点：系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。,闭环控制,反馈的概念,反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。显然，负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭环控制。,反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发

8、了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。,反馈的概念,比较开环与闭环两种控制方式,由于开环控制的特点是控制装置只按照给定的输入信号对被控制量进行单向控制，而不对控制量进行测量并反向影响控制作用。这样，当炉温偏离希望值时，开关K的接通或断开时间不会相应改变。因此，开环控制不具有修正由于扰动（使被控制量偏离希望值的因素）而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力，即抗干扰能力差。,比较开环与闭环两种控制方式,在闭环控制中，被控量一般是由测量装置检测并反馈到输入端，然后由比较装置将它与

9、输入信号综合得到偏差（误差），有时，测量与综合作用是由一个装置完成的，如水银温度计。由于采用了接触式水银温度计，可以不断对炉温进行测量和比较，根据炉温的实际偏差进行控制，提高了控制精度和抗干扰能力。,是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的顺馈通路，用来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。应用顺馈补偿扰动信号对系统输出的影响，是在可测扰动信号的不利影响产生之前，通过补偿通道来抵消这种扰动对系统输出的影响。,复合控制,应用顺馈减小系统响应控制信号的误差，是在反馈系统的基础上，引入控制信号的微分（一般为

10、一阶、二阶微分）作为系统的附加输入而实现的优点：具有很高的控制精度，可以抑制几乎所有的可量测扰动缺点:补偿器的参数要有较高的稳定性,复合控制,定值系统:这类系统即白动调节系统，其输入量是定值(根据工艺过程的需要，允许调整为另外的值)，要求系统的输出量也保持相应的定值，如电动机白动调速、恒温、恒压、恒流等白动控制系统。随动系统:这类系统的输入量是随意变化着的，要求系统的输出量，能以一定的精确度随输入量的变化作相应的变化。因此，也称之为自动跟踪系统。如机床的仿形控制、雷达自动跟踪目标。程序系统:这类系统的特点是系统的控制作用按预先制定的程序或跟随某一参数的变化而变化。如按预先制定的引导雷达跟踪目标

11、。,1.3.2 按给定值的特点分：,定常系统：系统的参数不随时间变化的系统。描述其动态特性的微分方程或差分方程的系数为常数。时变系统：系统的参数随时间而变化。描述其动态特性的微分方程或差分方程的系数不为常数。,此外，自动控制系统按系统参数是否随时间变化分类可分为定常系统与时变系统,一个自动控制系统由若干个环节组成，每个环节有其特定的功能。自动控制系统的组成和信号的传递情况常用方框图表示，在方框图中，系统的各环节用方框表示，环节间作用信号的传递情况用箭头表示。,方框图的概念,方框图的概念,方框：控制装置和被控对象分别用方框表示信号线：方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号线表示输入信号

12、：进入方框的信号输出信号：离开方框的信号,开环控制电加热炉方框图,开关,电阻丝,输入量,输出量,（炉温实际值）,输入量：加在电阻丝两端的电压被控制对象：炉子被控制量（输出量）：炉温控制装置：开关K和电热丝，对被控制量起控制作用。,（电压）,闭环控制的电加热炉方框图,闭环控制系统方框图的组成、名词术语,控制装置:外加的设备或装置，亦叫控制器。受控对象:被控制的机器或物体。给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统给定值。比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们之间的偏差。测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。,闭环控制系统方框图的组成、名词术语,放

13、大元件：其职能是将比较元件给出的偏差 信号进行放大，用来推动执行元件去控制受 控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压、功率放大器。执行元件：其职能是直接推动受控对象，使其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压马达等。校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容 组成的无源或有源网络，还有计算机。,闭环控制系统方框图的组成、名词术语,给定值:来自系统外部的输入量称为指令，指令通常要转换为与之成正比的参考输入信号。参考输入信号就是给定值。调节环节:又称为相加点，是系统的比较环节，将输入信号和反馈信号在此处相加

14、。图上应标明“+”、“一”号或信号的极性。放大环节:属于控制系统的运算环节，比较微弱的偏差信号在这里经过放大、整形等处理后，输出有足够功率的控制信号。执行环节:其输出控制量对被控对象进行控制，使被控量趋于其期望值，执行器可以与放大器合并并为控制环节。,闭环控制系统方框图的组成、名词术语,反馈环节:用以将被控量变换成与输入量相同性质的物理量，并送回到输入端，与输入信号相加。反馈控制的作用是在有扰动的情况下，保持被控量的稳定，反馈控制是基于被控输出量与给定输入量之问的偏差来实现的，反馈控制是针对无法预料的扰动而设计的。被控对象:通常是由一些机械或电器零件组成的一台设备，这台设备需要完成某些特定的动

15、作，这些动作通常是控制系统最终输出的目标，如果反馈回路之外还连接有被控对象，则称为问接被控对象。被控量:即被控对象的输出量，通常是被调节量。,闭环控制系统方框图的组成、名词术语,前向通路：信号从输入端沿箭头方向，到达输出端的传输通路。主反馈通路：系统输出量通过测量装置反馈到输入端的传输通路。前向通路与主反馈通路一起构成主回路(主环)。某些自动控制系统，还有局部反馈通路以及它所组成的内回路(内环)。只有一个反馈通路的系统，称为单回路(单环)系统;而具有两个及以上反馈通路的系统，则称为多回路(多换)系统。扰动：是对系统的输出量产生反作用的信号或因素。若扰动产生于系统内部，则成为内扰;若其来白于系统

16、外部，则称为外扰。,典型闭环控制系统方框图,控制系统的时域模型,建立系统或元件微分方程的步骤,1.确定元件输入量和输出量2.根据物理或化学定律，列出元件的原始方程3.在可能条件下，对各元件的原始方程进行适当简化，略去一些次要因素或进行线性化处理4.消去中间变量，得到描述元件输入和输出关系的微分方程5.对微分方程进行标准化处理：与输出量相关的各项置于等号左侧，而与输入量相关的置于等号右边；等号左右各项均按降幂排列；将各项系数归化为具有一定物理意义的形式,例：RLC电路时域微分方程,设回路电流为i（t）,由克希霍夫定律写出回路方程为：,确定元件的输入ur(t)、输出uc(t),消去中间变量i（t）

17、，得到描述网络输入输出关系的微分方程为,拉氏变换法求解步骤：考虑初始条件，对微分方程中的每一项分别进行拉氏变换，得到变量s的代数方程：2.求出输出量拉氏变换函数的表达式；3.对输出量拉氏变换函数求反变换，得到输出量的时域表达式，即为所求微分方程的解。,线性定常微分方程的求解,求解方法：经典法、拉氏变换法。,拉氏(laplace)变换求解,拉氏反变换为,定义：设函数f(t)当t=0时有定义，而且积分,存在，其中s是复数,则称F(s)是f(t)的象函数,即f(t)的拉氏变换。记为,传递函数的定义与性质,定义：线性定常系统的传递函数为零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与系统输入量的拉氏变换之比。,所

18、谓零初始条件是指1）输入量在t0时才作用在系统上，即在 时系统输入及各项导数均为零；2）输入量在加于系统之前，系统为稳态，即在 时系统输出及其所有导数项为零。,控制系统的复域模型,列写RLC电路网络传递函数 Uc(s)/Ur(s),零初始条件下取拉氏变换：,传递函数：,传递函数性质 1.传递函数是复变量s的有理真分式函数，分子多项式的次数m 低于或等于分母多项的次数n，所有系数均为实数；2.传递函数表征了系统本身的动态特性。（传递函数只取决于系统本身的结构参数，而与输入和初始条件等外部因素无关，可见传递函数有效地描述了系统的固有特性.3.只能描述线性定常系统与单输入单输出系统，不能表征内部所有

19、状态的特征。4.服从不同动力学规律的系统可有同样的传递函数。5.传递函数有一定的零、极点分布图与之对应，因此传递函数的零、极点分布图也表征了系统的动态性能。,有理分式形式：,传递函数的表示方式,传递函数的分母多项式 D(s)称为系统的特征多项式,D(s)=0称为系统的特征方程，D(s)=0的根称为系统的特征根或极点。分母多项式的阶次定义为系统的阶次。对于实际的物理系统，多项式D(s)、N(s)的所有系数为实数，且分母多项式的阶次 n高于或等于分子多项式的阶次m，即 nm。,零极点形式 将传递函数的分子、分母多项式变为首一多项式，然后在复数范围内因式分解，得,式中 Zi称为系统的零点；Pi为系统

20、的极点；K为系统的根轨迹增益。系统零点、极点的分布决定了系统的特性，因此，可以画出传递函数的零极点图，直接分析系统特性。在零极点图上，用“x”表示极点位置，用“0”表示零点,线性系统的时域分析,分析和设计控制系统的首要任务是建立系统的数学模型。一旦获得合理的数学模型，就可以采用不同的分析方法来分析系统的性能。,时域分析法是在时间域内研究系统在典型输入信号的作用下，其输出响应随时间变化规律的方法。对于任何一个稳定的控制系统，输出响应含有瞬态分量和稳态分量。,工程实际中，有些系统的输入信号是已知的（如恒值系统），但对有些控制系统来说，常常不能准确地知道其输入量是如何变化的（如随动系统）。因此，为了

21、方便系统的分析和设计，使各种控制系统有一个进行比较的统一的基础，需要选择一些典型试验信号作为系统的输入，然后比较各种系统对这些输入信号的响应。常用的试验信号有阶跃信号、斜坡信号、抛物线信号、脉冲信号及正弦信号。这些信号都是简单的时间函数，并且易于通过实验产生，便于数学分析和试验研究。,典型输入信号,1阶跃函数,当A=1时，称为单位阶跃函数。,记作,且,当B=1时，称为单 位斜坡函数。,2斜坡函数,斜坡函数的导数是阶跃函数。,记作：,3抛物线函数,称为单位抛物线函数，记作,且,抛物线函数的导数是斜坡函数。,4脉冲函数：,抛物线信号的导数是斜坡信号，斜坡信号的导数是阶跃信号，而阶跃信号的导数是脉冲

22、信号。,4脉冲函数（续）,5正弦函数：,选典型信号时应尽量接近实际工作情况，如输入具有突变情况时选阶跃函数，输入随时间增加而变化时选斜坡函数，周期性变化时选正弦函数等。,5正弦函数（续）,正弦信号可以用于研究系统对对不同频率的正弦输入信号的响应。,1.4 自动控制理论概要,系统有各种各样，对每个系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构和参数时，研究的和感兴趣的却是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程。也就是说，研究的内容和方法都是相同或相似的，如：恒值系统研究扰动作用引起被控量变化的全过程；随动系统研究被控量如何克服扰动影响并跟随给定量的变化过程。所以对于各种控

23、制系统的要求可归纳为：系统的输出c(t)必须迅速、准确的按输入量的变化而变化，克服扰动影响。,自动控制系统的基本要求,实际中，由于机械部分质量、惯量的存在以及电路中L.C的存在，输出不会是理想状态。要有一个过渡过程，最后趋于新的稳态值。因此，从稳、快、准三方面来评价系统的总体精度。,稳定性,稳定性指动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡状态的能力。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件，一个稳定的系统，其输出c(t)偏离期望值的初始偏差应随t的延长逐渐减小或趋于零(如曲线和)。一个不稳定的系统，其c(t)偏离期望值的初始偏差将随着t的增长而发散。无法实现预定的任务。（如曲线）,快速性,快速性指动

24、态过程进行的时间长短。T过长：系统长久出现大偏差，难以复现快速变化的指令信号（例雷达、导弹等）。若满足既稳又快，则系统的动态精度高。,准确性,准确性指系统过渡过程结束到新的平衡工作状态以后或系统受干扰后重新恢复平衡，最终保持的精度。反映后期性能。,因受控对象的不同，各种系统对稳、准、快的要求有所侧重。如：恒值系统-对稳（平衡）要求严格。而对随动系统-快、准要求高。动态指标就是对系统稳、准、快的衡量。同一个系统稳、快、准是相互制约的，提高过渡过程的快速性，可能会引起振荡；改善了平稳性，过渡过程又很迟缓。,动态性能指标,延迟时间td：响应曲线第一次达到其稳态值一半所需时间。上升时间tr：响应从稳态

25、值的10%上升到稳态值90%所需时间；对有振荡系统亦可定义为响应从零第一次上升到稳态值所需时间。上升时间是响应速度的度量。,峰值时间tp：响应超过其稳态值到达第一个峰值所需时间。调节时间ts：响应到达并保持在稳态值内所需时间。超调量%：响应的最大偏离量h(tp)与稳态值h()之差的百分比，即,稳态性能：由稳态误差ess描述。,二阶系统的时域响应 由二阶微分方程描述的系统称为二阶系统。在控制工程实践中，二阶系统应用极为广泛，此外，许多高阶系统在一定的条件下可以近似为二阶系统来研究，因此，讨论和分析二阶系统的特征具有重要的实际意义。,设二阶系统的结构图如图所示。系统的闭环传递函数为 其中K为系统的

26、开环放大系数，T为时间常数。,式中，称为无阻尼自然振荡角频率，（简称为无阻尼自振频率），称为阻尼系数（或阻尼比）。,为了分析方便，将系统的传递函数改写成如下形式,它的两个根为,系统的闭环特征方程为,二阶系统特征根（即闭环极点）的形式随着阻尼比 取值的不同而不同。,二阶系统的单位阶跃响应 设系统的输入为单位阶跃函数，则系统输出响应的拉 氏变换表达式为,1.过阻尼（1）的情况,系统具有两个不相等的负实数极点,对上式取拉氏反变换，即可求得二阶系统的单位阶跃响应。,稳态分量为1，瞬态分量包含两个衰减指数项，曲线单调上升。,分析：当 时，极点 比 距虚轴远得多，故 比 衰减快的多，可将二阶系统近似成一阶

27、系统来处理。,阻尼比 1 时二阶系统的运动状态为过阻尼状态。系统的单位跃响应无振荡、无超调、无稳态误差.,欠阻尼时的极点分布,2.欠阻尼（）的情况,系统具有一对在S平面的左半部的共轭复数极点，,系统的稳态响应为1，瞬态分量是一个随时间t的增大而衰减的正弦振荡过程。振荡的角频率为，它取决于阻尼比 和无阻尼自然频率。衰减速度取决于 的大小。此时系统工作在欠阻尼状态。输出响应如图所示。,67,稳态部分等于1，表明不存在稳态误差；瞬态部分是阻尼正弦振荡过程，阻尼的大小由 n(即特征根实部）决定；振荡角频率为阻尼振荡角频率d（特征根虚部），其值由阻尼比和自然振荡角频率n决定。,欠阻尼二阶系统的单位阶跃响

28、应由稳态和瞬态 两部分组成：,3.临界阻尼（）的情况,系统的输出响应无超调、无振荡,由零开始单调上升，最后达到稳态值1，不存在稳态误差。是输出响应的单调和振荡过程的分界，通常称为临界阻尼状态。,系统具有两个相等的负实数极点,系统有一对共轭纯虚数极点,它们在S平面上的位置如图所示。,4.无阻尼（）的情况,无阻尼时的极点分布和响应,系统的输出响应是无阻尼的等幅振荡过程，其振荡频率为,二阶系统瞬态性能指标,此时，系统在具有适度振荡特性的情况下，能有较短的过渡过程时间，因此下面有关性能指标的定义和定量关系的推导，主要是针对二阶系统的欠阻尼工作状态进行的。控制系统的单位阶跃响应一般与初始条件有关，为了便

29、于比较各种系统的控制质量，通常假设系统的初始条件为零。,除了一些不允许产生振荡的系统外，通常希望二阶系统工作在 的欠阻尼状态下。,当系统受到外部扰动的影响或者参考输入发生变化时，被控量会随之发生变化，经过一段时间，被控量恢复到原来的平衡状态或到达一个新的给定状态，称这一过程为过渡过程 在时域中，常用单位阶跃信号作用下，系统输出的超调量p,上升时间Tr，峰值时间Tp,过渡过程时间（或调整时间）Ts和振荡次数N等特征量表示。,1.上升时间tr,当 一定时，阻尼比 越大，上升时间 越长，当 一定时，越小，上升时间 越长。,响应曲线从零开始上升，第一次到达稳态值所需的时间，称为上升时间。,3.超调量,

30、在响应过程中，输出量C（t）超出其稳态值的最大差量与稳态值之比称为超调量。,上式表明，超调量只是阻尼系数的函数，与无阻尼自振频率无关，越小,则 越大。当二阶系统的阻尼比 确定后，即可求得对应的超调量。反之，如果给出了超调量的要求值，也可求得相应的阻尼比的数值。,一般当 时，相应的超调量为,欠阻尼二阶系统超调与阻尼比关系曲线,与 的关系曲线如图所示。,4.调节时间,响应曲线到达并停留在稳态值的 5%（或 2%)误差范围内所需的最小时间称为调节时间（或过渡过程时间）。,采用近似的计算方法，忽略正弦函数的影响，认为指数项衰减到0.05（或0.02）时，过渡过程即进行完毕，得到,在 时，上面两式可分别

31、近似为 和,可以近似认为调节时间与闭环极点到虚轴的距离成反比。,5.振荡次数N,响应曲线在 0 ts时间内波动的次数称为振荡次数。,振荡次数只与阻尼比有关。,在,和,时，,线性系统的校正,设计一个自动控制系统一般经过以下三步:1.根据任务要求，选定控制对象；2.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；3.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。,能使系统的控制性能满足控制要求而有目的地增添的元

32、件称为控制系统的校正元件或称校正装置.,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。控制系统包括两部分：不可变部分（执行元件和测量元件一旦选定，其参数和结构就固定了。）和可变部分（当系统通过调节放大元件的参数仍不能满足系统性能指标时，我们要加入附加装置来改善系统性能。我们称之为校正装置。）（校正的实质就是通过系统的零极点来改变系统性能。）

33、,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.,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

34、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。,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),Y(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。,应用顺馈减小

35、系统响应控制信号的误差,应用顺馈补偿扰动信号对系统输出的影响,串联校正方式：PID（比例、积分、微分）PID控制在工业上比较常用。其工作原理可由比例(P)、积分(I)、微分(D)三环节并联直观地说明。,比例(P)控制,比例（P）作用：,假设在初始稳态（平衡）条件下，有,Kp 为比例增益,考虑设定值阶跃扰动，在 下，有式：,基本PID控制算法,控制器的比例增益越大，控制稳态误差越小。但降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。,在稳态条件下，即当 时，设定值阶跃输入导致的稳态偏差为：,比例控制的优缺点 比例控制及时、快速、控制作用强，可提高系统的控制精度（即可降低系统的稳态误差）。但其具

36、有致命的缺点有稳态偏差且降低相对稳定性甚至使系统不稳定。当扰动发生后，经过比例控制，系统虽然能达到新的稳定，但是永远回不到原来的给定值上。也就是说，新的平衡值相对于原来地平衡值有一差值。,积分(I)控制,积分作用：,积分控制优缺点前向通道上提高控制系统的型别，改善系统的稳态精度。积分作用在控制中会造成过调现象，乃至引起被控参数的振荡。因为u(t)的大小及方向，只决定于偏差e(t)的大小及方向，而不考虑其变化速度的大小及方向。积分作用滞后90度，对稳定性不利；且调节缓慢，不及时。,Ti为“积分时间常数”。,传递函数为,比例积分(PI)控制,在前向通道上，相当于系统增加了一个位于原点的极点，和一个

37、s左半平面的零点，该零点可以抵消极点所产生的相位滞后，以缓和积分环节带来的对稳定性不利的影响。,比例积分作用是比例作用和积分作用的综合,比例积分控制器的阶跃响应特性,在单位阶跃偏差输入条件下，每过一个积分时间常数时间Ti，积分项产生一个比例作用的效果。以此来测量Ti的大小。比例积分作用主要用来改善系统的稳态性能。,微分(D)控制,微分作用：,微分作用是根据偏差变化的速度大小来修正控制。可称为“超前”控制作用，能有效地改善容积滞后比较大的被控对象的控制质量。微分作用总是阻止被控参数的任何变化。适当地加入微分控制，可有效抑制振荡、提高系统的动态性能。实际中的微分控制由比例作用和近似微分作用组成。,

38、比例微分(PD)控制,比例微分作用是比例作用和微分作用的综合,微分控制器的响应特性,在斜坡输入条件下，要达到同样的u(t)，PD作用要比单纯P作用快，提前的时间就是Td。,如图所示，当Td为0和不为0时系统的阶跃响应有何区别？,当Td为0时系统闭环传函为,这是二阶无阻尼临界稳定系统。,系统阶跃响应曲线,微分控制器的响应特性,当Td不等于0时系统闭环传函为,系统阶跃响应曲线,可见微分控制增加的系统的阻尼，有助于改善系统的动态性能。,微分控制器的响应特性,比例积分微分(PID)控制,PID控制：包含上述三种控制规律的调节器称为PID调节器,它可以结合三种作用的优点（积分改善稳态性能，微分改善动态性能），较好的满足生产过程自动控制的要求。根据实际情况选择其三个参数：Kp、Ti、Td,PID参数对控制性能的影响,Kp 对过渡过程的影响：增益 Kp 的增大，使系统的调节作用增强，但稳定性下降；Ti 对系统性能的影响：积分作用的增强（即Ti 下降），使系统稳态误差减小，但稳定性下降；Td 对系统性能的影响：微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但高频噪声起放大作用。因而，微分作用不适合于测量噪声较大的对象。,