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1、自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)步驟 1.根據(jù)用戶提出的性能指標(biāo)和被控對象的 具體工作環(huán)境 ， 根據(jù)條件進(jìn)行調(diào)研 、 查閱 技術(shù)資料 ， 確定合理的設(shè)計(jì)指標(biāo) ， 作為設(shè) 計(jì)的依據(jù) 。 2.初步確定控制方案 ， 如是用計(jì)算機(jī)控制 還是一般的模擬控制 ， 驅(qū)動方式是采用電 動的還是液壓氣動的 ， 完成系統(tǒng)的職能方 框圖 ， 寫出可行性方案論證報(bào)告 。 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 3. 具體進(jìn)行設(shè)計(jì) 根據(jù)初步確定的合理的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行 總體設(shè)計(jì) ， 合理地設(shè)計(jì)或選擇元部件 ， 尤 其是對測量元件的選擇要給予充分

2、的注意 。 組成系統(tǒng)后 進(jìn)行動 、 靜態(tài)分析計(jì)算 ， 同 時(shí)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真 。 若不符合指標(biāo)要求 ， 則要進(jìn)行校正 ， 使其滿足指標(biāo)要求 。 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 4 實(shí)驗(yàn)室原理性試驗(yàn) 根據(jù)具體設(shè)計(jì) ， 在實(shí)驗(yàn)室建造系統(tǒng)的原 型機(jī) ， 并進(jìn)行試驗(yàn) 。 按照試驗(yàn)的結(jié)果調(diào)正修 改系統(tǒng)的部件中的有關(guān)參數(shù) ， 排除故障 ， 進(jìn) 一步完善具體設(shè)計(jì) 。 5 提交樣機(jī)通過技術(shù)鑒定 在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上 考慮到實(shí)際的 使用條件進(jìn)行樣機(jī)生產(chǎn) 。 再通過對樣機(jī)的試 驗(yàn)考核 ， 鑒定其是否全面滿足設(shè)計(jì)指標(biāo) ， 基 本符合后才可決定小批量生產(chǎn) 。 經(jīng)過實(shí)際應(yīng) 用的考驗(yàn) ， 最后才能通過技術(shù)鑒

3、定 ， 投入小 批量生產(chǎn) ， 進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用 。 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 超調(diào)量 p% 穩(wěn)態(tài)誤差 ess 靜態(tài)位置誤差系數(shù) Kp 靜態(tài)速度誤差系數(shù) Kv 靜態(tài)加速度誤差系數(shù) Ka 一、時(shí)域指標(biāo) 6.2 性能指標(biāo)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 二、頻域指標(biāo) : 1閉環(huán)頻域指標(biāo) 峰值 Mr 峰值頻率 r 頻帶 b 2 開環(huán)頻域指標(biāo) 截止頻率 (穿越頻率 )c 相穩(wěn)定裕度 模穩(wěn)定裕度 Lh 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 三、各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)系 四、系統(tǒng)帶寬的選擇 五、校正方案 校正裝置 ：給系統(tǒng)加入一些具有

4、某種典型 環(huán)節(jié)特性的電網(wǎng)絡(luò)、模擬運(yùn)算部件以及測 量裝置等，靠這些環(huán)節(jié)的配置來有效地改 善整個(gè)系統(tǒng)的控制性能，借以達(dá)到所要求 的性能指標(biāo)。這一加入的部件或裝置通常 稱為校正元件或校正裝置?？蓺w結(jié)為易于 實(shí)現(xiàn)的幾種類型（ 超前校正裝置 、 滯后校 正裝置 和 超前 -滯后校正裝置 ）。 結(jié)構(gòu)已 知，參數(shù)可調(diào)。工程上廣泛應(yīng)用 PID調(diào)節(jié)器 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 校正（連接）方式 ： 按照系統(tǒng)中校正裝置的 連接方式 ，可分為 串聯(lián)校正 、 反饋校正 、 前饋校正 、 復(fù)合校 正 四種。 串聯(lián)校正和反饋校正 (1)串聯(lián)校正和反饋校正 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校

5、正 前饋校正 (2)前饋校正 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 (4)復(fù)合校正 復(fù)合校正 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 六、 校正方法 （兩法都有經(jīng)驗(yàn)成分） 1. 分析法（試探法） 首先由經(jīng)驗(yàn)確定校正方案，然后由指標(biāo)選擇 易于實(shí)現(xiàn)的校 正裝置（類型）的參數(shù)，直到系統(tǒng)校正后滿足給定的全部 性能指標(biāo)。 該法的優(yōu)點(diǎn)是校正裝置簡單，可以設(shè)計(jì)成產(chǎn)品，例如，工 業(yè)上常用的 PID調(diào)節(jié)器等。因此，在工程上得到廣泛的應(yīng) 用。 2. 綜合法（期望特性法） 按性能指標(biāo)，構(gòu)造期望的數(shù)學(xué)模型，然后選擇校正裝置的 數(shù)學(xué)模型，使校正后的數(shù)學(xué)模型等于期望的數(shù)學(xué)模型。 該法雖然簡單，但得到的數(shù)

6、學(xué)模型一般比較復(fù)雜，在實(shí)際 應(yīng)用中有很大的限制。但，對校正裝置的選擇有很好的 指導(dǎo)作用。 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 6.3 基本控制規(guī)律（ PID算法） 在校正裝置中 ， 常采用比例 (P)、 微分 (D)、 積分 (I)、 比例微分 (PD)、 比例積分 (PI)、 比 例積分微分 (PID)等基本的控制規(guī)律 。 一、比例 (P)控制 具有比例控制規(guī)律的控制器稱為比例控 制器 其特性和比例環(huán)節(jié)完全相同 ， 它 實(shí)際上是一個(gè)可調(diào)增益的放大器 。 傳遞函數(shù) p () () Xs K Es 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為 比例控制的作用： 1在系

7、統(tǒng)中增大比例系數(shù) Kp可減少系統(tǒng)的穩(wěn) 態(tài)誤差以提高穩(wěn)態(tài)精度。 2增加 Kp可降低系統(tǒng)的慣性，減小一階系統(tǒng) 的時(shí)間常數(shù)，改善系統(tǒng)的快速性。 3. 提高 Kp往往會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚 至?xí)斐上到y(tǒng)的不穩(wěn)定。 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 二、比例 微分 (PD)控制 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為 具有比例 微分控制規(guī)律的控制器稱為比 例微分控制器。 傳遞函數(shù) p () ( 1 ) () Xs Ks Es 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 PD控制器的作用： PD控制具有超前校正的作用 ， 能給出控制系 統(tǒng)提前開始制動的信號 ， 具有 “ 預(yù)見 ” 性 ， 能反應(yīng)偏差信號的變化

8、速率 (變化趨勢 )， 并 能在偏差信號變得太大之前 ， 在系統(tǒng)中引進(jìn) 一個(gè)有效的早期修正信號 ， 有助于增加系統(tǒng) 的穩(wěn)定性 ， 同時(shí)還可以提高系統(tǒng)的快速性 。 其缺點(diǎn)是系統(tǒng)抗高頻干擾能力差 。 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 三、積分 (I)控制 具有積分控制規(guī)律的控制器，稱為 I控制器。 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為 傳遞函數(shù) i() () KXs E s s 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 積分控制的作用： 1在串聯(lián)校正中，采用 I控制器可以提高系統(tǒng) 的型別，提高穩(wěn)態(tài)精度。 2增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)對穩(wěn)定性 不利。 3. 一般不單獨(dú)采用。 自動控制原理 第六章 自動

9、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 四、比例積分 (PI)控制 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 傳遞函數(shù) p i p ii 111 KXs TsK E s T s T s 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 PI控制器的作用： 在系統(tǒng)中主要用于在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定的 基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)的型別，從而提高系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)精度。 五、比例 積分 微分 (PID)控制 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 自動控制原理 第六章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 傳遞函數(shù) p i 11Xs Ks E s T s PID控制器的作用： PID具有 PD和 PI雙重作用 ， 能夠較全面地提 高系統(tǒng)的控制性能 。 PID控制器除了提高系 統(tǒng)型別之外 ， 還提供了兩個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn) ， 從 而較 PI控制器在提高系統(tǒng)的動態(tài)性能方面有 更大的優(yōu)越性 。 因此 ， 在工業(yè)控制設(shè)計(jì)中 ， PID控制器得到了非常廣泛的應(yīng)用 。