《MATLAB Simulink与控制系统仿真（第3版）》的课件 第8章 控制系统校正与综合.ppt

《MATLAB/Simulink与控制系统仿真（第3版）》 8.1 引言 8.2 控制系统校正与综合基础 8.3 PID控制器设计及MATLAB/Simulink应用 8.4 控制系统校正的根轨迹法 8.5 控制系统校正的频率响应法 8.6 综合实例及MATLAB/Simulink应用 习题 第8章 控制系统校正与综合 内容提要 在实际工程控制中，往往需要设计一个系统并选择适当的参数以满足性能指标的要求，或对原有系统增加某些必要的元件或环节，使系统能够全面满足性能指标要求，此类问题就称为系统校正与综合，或称为系统设计。系统设计过程是一个反复试探的过程，需要许多经验的积累。MATLAB/Simulink为系统设计提供了有效手段。 本章介绍控制系统校正与综合的基本概念和常用方法，重点阐述PID控制器的设计原理，以及基于MATLAB/Simulink的线性控制系统设计方法。 8.2 控制系统校正与综合基础 8.2.1 控制系统性能指标 二阶系统频域指标与时域指标的关系 8.2.2 控制系统校正概述 1．超前校正装置 校正装置输出信号在相位上超前于输入信号，即校正装置具有正的相角特性，这种校正装置称为超前校正装置，对系统的校正称为超前校正。 2．滞后校正装置 校正装置输出信号在相位上滞后于输入信号，即校正装置具有负的相角特性，这种校正装置称为滞后校正装置，对系统的校正称为滞后校正。 3．滞后-超前校正装置 校正装置在某一频率范围内具有负的相角特性，而在另一频率范围内却具有正的相角特性，这种校正装置称为滞后-超前校正装置，对系统的校正称为滞后-超前校正。 根据校正装置与被控对象的不同连接方式，可分为串联校正、反馈（并联）校正、前馈校正和干扰补偿等。串联校正和并联校正是最常见的两种校正方式。 4．串联校正 如果校正元件与系统的不可变部分串联起来。串联校正通常设置在前向通道中能量较低的点，为此通常需要附加放大器以增大增益，补偿校正装置的衰减或进行隔离。 5．反馈校正 如果从系统的某个元件输出取得反馈信号，构成反馈回路，并在反馈回路内设置传递函数为 的校正元件。反馈削弱了前向通道上元件变化的影响，具有较高的灵敏度，单位反馈时也容易控制偏差，这就是较多地采用反馈校正的原因。 6．前馈校正 如果从系统的输入元件输出取得前馈信号，构成前馈回路，并在前馈回路内设置传递函数为 的校正元件。前馈校正通常用于补偿系统外部扰动的影响，也可用于对控制输入进行校正。 8.3 PID控制器设计及MATLAB/Simulink应用 PID控制器具有以下优点： （1）原理简单，使用方便，PID参数可以根据过程动态特性及时调整。如果过程的动态特性发生变化，如对负载变化引起的系统动态特性变化，PID参数就可以重新进行调整与设定。 （2）适应性强，按PID控制规律进行工作的控制器早已商品化，即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是PID控制。PID应用范围广，虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过适当简化，可以将其变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样就可以通过PID控制了。 （3）鲁棒性强，即其控制品质对被控制对象特性的变化不太敏感。 8.3.2 比例（P）控制 P控制只改变系统的增益而不影响相位，它对系统的影响主要反映在系统的稳态误差和稳定性上，增大比例系数可提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度，但这会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统的不稳定，因此，在系统校正和设计中，P控制一般不单独使用。 图8.5 具有比例控制器的系统结构图 8.3.3 比例微分（PD）控制 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至不稳定。原因是由于存在有较大惯性的组件（环节）或有滞后的组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有“比例＋微分”的控制器，就能提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。因此对有较大惯性或滞后的被控对象，“比例＋微分”（PD）控制器能改善系统调节过程中的动态特性。 另外，微分控制对纯滞后环节不能起到改善控制品质的作用且具有放大高频噪声信号的缺点。 在实际应用中，当设定值有突变时，为了防止由于微分控制输出的突跳，常将微分控制环节设置在反馈回路中，这种做法称为微分先行，即微分运算只对测量信号进行，而不对设定信号进行。 8.3.4 积分（I）控制 对于一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统