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1、第六章 自动控制系统的设计与校正,6.1 系统设计的设计步骤,1.根据用户提出的性能指标和被控对象的具体工作环境，根据条件进行调研、查阅技术资料，确定合理的设计指标，作为设计的依据。,2.初步确定控制方案，如是用计算机控制还是一般的模拟控制，驱动方式是采用电动的还是液压气动的，完成系统的职能方框图，写出可行性方案论证报告。,3.具体进行设计 根据初步确定的合理的设计指标进行总体设计，合理地设计或选择元部件，尤其是对测量元件的选择要给予充分的注意。组成系统后进行动、静态分析计算，同时进行计算机仿真。若不符合指标要求，则要进行校正，使其满足指标要求。,4实验室原理性试验 根据具体设计，在实验室建造
2、系统的原型机，并进行试验。按照试验的结果调正修改系统的部件中的有关参数，排除故障，进一步完善具体设计。,5提交样机通过技术鉴定 在实验室试验的基础上考虑到实际的使用条件进行样机生产。再通过对样机的试验考核，鉴定其是否全面满足设计指标，基本符合后才可决定小批量生产。经过实际应用的考验，最后才能通过技术鉴定，投入小批量生产，进行定点实际应用。,调节时间ts超调量p%稳态误差ess静态位置误差系数Kp静态速度误差系数Kv静态加速度误差系数Ka,一、时域指标,6.2 性能指标与系统设计的基本思路,二、频域指标:,1闭环频域指标峰值Mr峰值频率r频带b,2开环频域指标截止频率(穿越频率)c 相稳定裕度模
3、稳定裕度Lh,三、各项指标的关系,四、系统带宽的选择,五、校正方案,校正装置：给系统加入一些具有某种典型环节特性的电网络、模拟运算部件以及测量装置等，靠这些环节的配置来有效地改善整个系统的控制性能，借以达到所要求的性能指标。这一加入的部件或装置通常称为校正元件或校正装置。可归结为易于实现的几种类型（超前校正装置、滞后校正装置和超前-滞后校正装置）。结构已知，参数可调。工程上广泛应用PID调节器,校正（连接）方式：,按照系统中校正装置的连接方式，可分为串联校正、反馈校正、前馈校正、复合校正四种。,串联校正和反馈校正,(1)串联校正和反馈校正,前馈校正,(2)前馈校正,(4)复合校正,复合校正,六
4、、校正方法（两法都有经验成分）,分析法（试探法）首先由经验确定校正方案，然后由指标选择易于实现的校正装置（类型）的参数，直到系统校正后满足给定的全部性能指标。该法的优点是校正装置简单，可以设计成产品，例如，工业上常用的PID调节器等。因此，在工程上得到广泛的应用。,2.综合法（期望特性法）按性能指标，构造期望的数学模型，然后选择校正装置的数学模型，使校正后的数学模型等于期望的数学模型。该法虽然简单，但得到的数学模型一般比较复杂，在实际应用中有很大的限制。但，对校正装置的选择有很好的指导作用。,6.3 基本控制规律（PID算法）,在校正装置中，常采用比例(P)、微分(D)、积分(I)、比例微分(
5、PD)、比例积分(PI)、比例积分微分(PID)等基本的控制规律。,一、比例(P)控制,具有比例控制规律的控制器称为比例控制器其特性和比例环节完全相同，它实际上是一个可调增益的放大器。,传递函数,动态结构图为,比例控制的作用：,1在系统中增大比例系数Kp可减少系统的稳态误差以提高稳态精度。,2增加Kp可降低系统的惯性，减小一阶系统的时间常数，改善系统的快速性。,3.提高Kp往往会降低系统的相对稳定性，甚至会造成系统的不稳定。,二、比例微分(PD)控制,动态结构图为,具有比例微分控制规律的控制器称为比例微分控制器。,传递函数,PD控制器的作用：PD控制具有超前校正的作用，能给出控制系统提前开始制
6、动的信号，具有“预见”性，能反应偏差信号的变化速率(变化趋势)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引进一个有效的早期修正信号，有助于增加系统的稳定性，同时还可以提高系统的快速性。其缺点是系统抗高频干扰能力差。,三、积分(I)控制,具有积分控制规律的控制器，称为I控制器。,动态结构图为,传递函数,积分控制的作用：,1在串联校正中，采用I控制器可以提高系统的型别，提高稳态精度。,2增加了一个位于原点的开环极点对稳定性不利。,3.一般不单独采用。,四、比例积分(PI)控制,动态结构图,传递函数,PI控制器的作用：在系统中主要用于在保证控制系统稳定的基础上提高系统的型别，从而提高系统的稳态精度。,传递函数,PID控制器的作用：PID具有PD和PI双重作用，能够较全面地提高系统的控制性能。PID控制器除了提高系统型别之外，还提供了两个负实零点，从而较PI控制器在提高系统的动态性能方面有更大的优越性。因此，在工业控制设计中，PID控制器得到了非常广泛的应用。,
