《自动控制原理》课件学习单元4-直流电动机控制系统性能分析及PID控制器参数整定(1).pptx
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1、1学习目标知识要求:知识要求:(1)掌握直流电动机控制系统阶跃响应特点(2)掌握直流电动机闭环控制系统时域性能指标;(3)掌握对控制系统进行频域分析的方法以及频域性能指标;(4)了解PID控制器参数整定的各种方法;(5)掌握使用CHR法对PID控制器参数进行优化的方法及步骤。能力要求:能力要求:(1)能够对二阶系统进行时域性能分析;(2)能够根据系统性能要求,使用CHR法对控制器参数进行优化。2任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.1直流电动机转速控制系统简介高精度切削机床轧钢机31.1直流电动机转速控制系统组成直流电动机转速控制系统图任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析4任务1 直
2、流电动机数学模型及时域性能分析1.1直流电动机转速控制方法分类直流电动机转速控制方法主要有两类:对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法,目前多数的应用场合都采用电枢控制法。5任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.1电枢控制直流电动机原理图电枢控制直流电动机原理图6任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.2直流电动机数学模型(电枢控制直流电动机为例)7任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.2直流电动机数学模型8任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.2直流电动机数学模型9任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.3二阶系统10任务1 直流电动机数学模
3、型及时域性能分析1.3二阶系统二阶系统系统框图11任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.3二阶系统RLC电路是典型的二阶系统uo(t)为输出量,ui(t)为输入量12任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.3二阶系统13任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.3二阶系统质量-弹簧-阻尼器组成的机械振动系统(a)为系统示意图 (b)为系统受力分析图。14任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.4知识拓展1二阶系统时域响应不同阻尼比时二阶系统单位阶跃响应15任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.5知识拓展2闭环极点分布对二阶系统性能的影响系统的稳定性及动态性能与闭环传递函数
4、的零极点在复平面上的位置和分布有着直接的关系零极点概念零极点概念16任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.5知识拓展17任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.5知识拓展22.闭环极点对二阶系统性能影响18任务1 直流电动机数学模型及时域性能分析1.6知识拓展3最小相位系统如果系统的开环传递函数在右半s平面上没有极点和零点,则称为最小相位传递函数。具有最小相位传递函数的系统,称为最小相位系统(Minimum Phase-Shift System)。19任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.1频率特性线性定常系统输入输出信号20任务2 直流
5、电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.1频率特性21任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.1频率特性常用图示方法一22任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.1频率特性常用图示方法二幅相频率特性曲线23任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.1频率特性常用图示方法三对数频率特性曲线24任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.2对数频率特性及伯德图对数频率特性曲线又称为伯德曲线或伯德图(
6、对数频率特性曲线又称为伯德曲线或伯德图(Bode图)图)伯德(Bode)图的构成25任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.2对数频率特性及伯德图对数幅频特性图的横坐标是对取以10为底的对数进行分度的,但标注时用角频率的真值以方便读数轴分布图26任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.2对数频率特性及伯德图Bode图的特点:27任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.2对数频率特性及伯德图(3)可采用由直线段构成的渐近特性(或稍加修正)代替精确Bode图,使绘图十
7、分简便。(4)在控制系统的设计和调试中,开环放大系数K是最常变化的参数,而K的变化不影响对数幅频特性的形状,只会使幅频特性曲线作上下平移。28任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.3频域性能指标与时域响应中衡量系统性能采用时域性能指标类似,频率特性在数值上和曲线形状上的特点通常可用频域性能指标(Performance Specifications in the frequency domain)来衡量,它们在很大程度上能够间接地表明系统动静态特性系统频率特性曲线29任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.
8、3频域性能指标常见的频域性能指标主要有:(1)谐振频率(resonant frequency)r,表示幅频特性A()出现最大值时所对应的频率。(2)谐振峰值(resonant magnitude)Mr,表示幅频特性的最大值,Mr值大表明系统对频率的正弦信号反应强烈,即系统的平稳性差,阶跃响应的超调量大。(3)频带(bandwidth)b,表示幅频特性A()的幅值衰减到起始值的0.707倍时所对应的频率。b大表明系统复现快速变化信号的能力强,失真小,即系统快速性好,阶跃响应上升时间短,调节时间短。(4)零频A(0),表示频率=0时的幅值。A(0)表示系统阶跃响应的终值,A(0)与1之间的差反映了
9、系统的稳态精度,A(0)越接近1,系统的精度越高。30任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.4稳定裕度通常情况下,稳定裕度是以相位裕量(Phase Margin,通常简写为PM)和幅值裕量(Gain Margin,通常简写为GM)来表示的。相位裕度及幅值裕度如图31任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.5知识拓展1:典型环节的频率特性控制系统由若干典型环节组成,常见的典型环节有比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、比例微分环节、振荡环节和滞后环节等。下面分别讨论典型环节的对数频率特性。1.比例环节的频
10、率特性比例环节的频率特性32任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.5知识拓展1:典型环节的频率特性由此可知,比例环节的对数幅频特性L()为平行于横轴的一条直线,如图所示。当K1时,直线在0轴以上,表示该比例环节为放大环节;当K1时,直线在0轴以下,表示该比例环节为缩小环节。相频特性()=0,相当于相频特性的横轴,表示输出量与输入量相角一致,既不超前也不滞后。比例环节伯德图33任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.5知识拓展1:典型环节的频率特性2.积分环节的频率特性积分环节的频率特性积分环节伯德图34任
11、务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.5知识拓展1:典型环节的频率特性3.微分环节的频率特性微分环节的频率特性积分环节伯德图35任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.5知识拓展1:典型环节的频率特性4.惯性惯性环节的频率特性环节的频率特性惯性环节伯德图36任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.5知识拓展1:典型环节的频率特性5.比例微分比例微分环节的频率特性环节的频率特性比例微分环节伯德图37任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性
12、能分析与仿真2.5知识拓展1:典型环节的频率特性6.二阶振荡二阶振荡环节的频率特性环节的频率特性二阶振荡环节伯德图38任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.6知识拓展2:开环对数频率特性与时域响应的关系对数频率特性三频段的划分39任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.7知识拓展3:闭环频率特性与时域响应的关系40任务2 直流电动机控制系统频域性能分析与仿真直流电动机控制系统频域性能分析与仿真2.7知识拓展3:闭环频率特性与时域响应的关系41任务3 直流电动机控制系统PID控制器参数整定3.1PID参数鉴
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