第六章线性系统校正PPT讲稿.ppt

第六章线性系统校正第1页，共109页，编辑于2022年，星期三6.1.1 控制系统的设计控制系统的设计（1）分析被控对象的工作原理，明确控制目标，制定控制方案制定控制方案；控制装置控制装置执行元件执行元件-被控对象被控对象CR测量元件测量元件放大元件放大元件（6）设计校正装置设计校正装置。为了使设计的控制系统满足给定的性能指标，有必要在系统中引入一些附加装置，改变整个系统的性能，从而满足给定的各项性能指标要求。这些附加装置称为校正装置或补偿器。设计附加校正装置的过程就称为控制系设计附加校正装置的过程就称为控制系统的校正统的校正。（2）选择执行元件选择执行元件（型式、特性和参数）；（3）选择测量元件选择测量元件（类型、特性和参数）；（4）选择放大元件选择放大元件（前置放大，功率放大），要求放大器增益可调；（5）由初步选定的测量元件、放大元件和执行元件等作为控制装置的基本组成元件，与被控对象一起，构成自动控制系统构成自动控制系统；第2页，共109页，编辑于2022年，星期三6.1.2 性能指标性能指标常用的性能指标：常用的性能指标：时域指标时域指标：调节时间超调量静态误差系数开环频域指标开环频域指标：相角裕度幅值裕度截止频率闭环频域指标闭环频域指标：谐振峰值谐振频率带宽零频幅值比说明：说明：1.不同的控制系统对动不同的控制系统对动静态性能指标的要求应静态性能指标的要求应有不同的侧重。有不同的侧重。2.系统带宽的选择既系统带宽的选择既要考虑信号的通过能要考虑信号的通过能力，又要考虑抗干扰力，又要考虑抗干扰能力。能力。3.性能指标的提出，性能指标的提出，应符合实际系统的需应符合实际系统的需要与可能。要与可能。第3页，共109页，编辑于2022年，星期三在控制系统的设计中，时域指标和频域指标之间可以通过近似公式进行互换。(1)二阶系统频域指标与时域指标的关系：谐振峰值 谐振频率 带宽频率 截止频率 第4页，共109页，编辑于2022年，星期三(2)高阶系统频域指标与时域指标的关系 谐振峰值 超调量 调节时间 相角裕度 超调量 调节时间 第5页，共109页，编辑于2022年，星期三6.1.3 校正的作用校正的作用在系统初步设计阶段，先选择一些元部件（如执行元件、测量元件、放大元件）构成控制器的基本部分，一般情况下，除了放大器的增益，其它参数不易调整。然而在大多数实际情况中，仅仅调整增益不能使系统满足给定的各项性能指标。因此，有必要在系统中引入适当的校正装置以改变系统的结构和参数，从而满足给定的各项性能指标要求。引入校正装置的作用，从频域来说，可以在不同频段上对原系统开环频率特性曲线的形状进行相应的修改，使校正后的系统满足稳态性能和瞬态性能的要求。第6页，共109页，编辑于2022年，星期三根据稳态误差的要求，应取K100，设K=100，作出系统的开环频率特性曲线1，系统是不稳定的。从闭环谐振峰值Mr=1.25出发，可求得K=1，系统不满足指标。要求系统在斜坡函数作用下，稳态误差ess0.01，且闭环谐振峰值 ,试选择K。例例6-1 设控制系统的开环传递函数为：可见，调整开环增益K无法同时满足系统稳态误差和谐振峰值的要求。解解：若引入校正装置，使系统的开环幅相曲线如中的实线3所示，则可同时满足系统稳态误差和谐振峰值的要求。第7页，共109页，编辑于2022年，星期三6.1.4 校正方式校正方式校正校正装置装置原有原有部分部分原有原有部分部分CR校正校正装置装置原有原有部分部分CR校正校正装置装置原有原有部分部分CR+校正校正装置装置原有原有部分部分原有原有部分部分CR+D串联校正串联校正 反馈校正反馈校正 复合校正复合校正 按照校正装置在系统中的连接方式，控制系统校正方式可分为串联校正、反馈校正、复合校正三种。其中，复合校正又分为按输入补偿的复合校正和按扰动补偿的复合校正。第8页，共109页，编辑于2022年，星期三6.1.5 校正装置的设计方法校正装置的设计方法常用的方法有根轨迹法和频域法：根轨迹法根轨迹法：根轨迹设计方法通过在系统中增加适当的开环零、极点来修改系统原有的闭环根轨迹形状，使校正后的根轨迹能够经过希望的闭环极点。所需要增加的零、极点由校正装置实现。一般来说，当性能指标以时域量给出时，例如给出超调量、调节时间、希望的闭环主导极点等，采用根轨迹法进行设计更为有效和方便。频域法：频域法：系统开环频率特性的低频段表征了闭环系统的稳态性能，中频段表征了闭环系统的动态性能，高频段表征了闭环系统的抗扰性能。在博德图上能方便地根据系统的开环频率特性和给定的频域指标确定校正装置的参数。如果系统校正时要求满足的性能指标属频域特征量，例如相位裕量、幅值裕量、谐振峰值和带宽等，则通常采用频域设计方法。第9页，共109页，编辑于2022年，星期三6.2 6.2 常用的串联校正装置及其特性常用的串联校正装置及其特性 串联校正系统的结构：串联校正一般包括超前校正、滞后校正、滞后超前三种校正方式，所采用的校正装置Gc(s)是不相同的。本节介绍常用的串联校正装置的电路形式、传递函数和频率特性，以帮助理解不同形式的校正装置在系统校正时所起的作用。第10页，共109页，编辑于2022年，星期三6.2.1 超前校正网络U1U2R1R2C无源网络：1.电路形式及数学模型传递函数：其中：第11页，共109页，编辑于2022年，星期三00o90oReIm2.频率特性：最大相角频率：最大超前角：第12页，共109页，编辑于2022年，星期三6.2.2 滞后校正网络0j1.电路形式及数学模型U U1 1U U2 2R R1 1R R2 2C C其中：无源网络：传递函数：第13页，共109页，编辑于2022年，星期三00o-90oReIm2.频率特性：第14页，共109页，编辑于2022年，星期三6.2.3 滞后-超前校正网络 其中：无源网络：且1.电路形式及数学模型传递函数：滞后网络滞后网络超前网络超前网络0j第15页，共109页，编辑于2022年，星期三00o-90o90o2.频率特性：第16页，共109页，编辑于2022年，星期三6.2.4 有源校正网络 在控制系统的实际应用中，由于采用无源网络进行校正时需要考虑负载效应问题，有时难以实现希望的控制规律，此外，复杂网络的设计与调整也不方便。因此，采用由运算放大器实现的有源校正装置更为普遍。有源校正网络有多种形式。下面的表中给出了几种有源校正电路：第17页，共109页，编辑于2022年，星期三有源校正网络 类型电路图传递函数对数幅频特性超前网络滞后网络滞后超前网络0dB0dBdB0第18页，共109页，编辑于2022年，星期三6.3 6.3 串联校正：频域分析法串联校正：频域分析法 如果系统设计要求满足的性能指标属频域特征量，则通常采用频域校正方法。在线性系统的校正设计中，常用的频域校正方法包括分析法和综合法。分析法又称试探法。在频域中，串联校正装置的主要作用是改变系统开环频率特性曲线的形状，在频率特性曲线上用分析法设计校正装置的基本思想是：根据控制系统设计指标要求，首先在超前校正、滞后校正、滞后超前校正中选择一种校正方式，然后按照各项指标计算所选择的校正网络的模型参数，最后依据确定的模型参数决定电路中各元件的值。分析法设计过程带有试探性。需要根据指标要求不断修正设计参数直到满足要求。综合法又称期望特性法，首先根据规定的性能指标确定系统期望的开环频率特性曲线形状，然后与系统原有的开环频率特性相比较，从而确定校正方式、校正装置的形式和参数。第19页，共109页，编辑于2022年，星期三6.3.1 串联超前校正串联超前校正1串联超前校正的作用和特点超前校正的作用：超前校正的作用：利用超前校正装置的足够大的正相角，补偿原系统过大的滞后相角，提高相角裕度，改善系统的动态特性。第20页，共109页，编辑于2022年，星期三（1）校正装置提供正相角补偿，改善了系统的相对稳定性，使系统具有一定的稳定裕量。（4）超前校正提高了系统幅频曲线在高频段的幅值，校正后的系统抗高频干扰能力下降。超前校正的特点：（2）从对数幅频曲线看，截止频率由校正前的 提高到校正后的 ，使校正后系统频带变宽，动态响应变快。（3）为了充分利用超前校正装置的相角补偿作用，校正装置的转折频率 和 应分设在校正前截止频率 和校正后截止频率 的两边，最大相角频率 设在 处。第21页，共109页，编辑于2022年，星期三（1）根据稳态误差的要求，确定原系统的开环增益K；2.超前校正的设计步骤（2）利用已确定的开环增益，计算未校正系统相角裕度 和幅值裕度 ；（4）令校正后的截止频率 。应有解出 ，再由 求出T。（6）验算校正后系统的性能指标。（7）确定超前校正网络的元件值。（5）确定校正装置的传递函数设计步骤是按照设计步骤是按照主要用于对截止主要用于对截止频率频率 没有具体没有具体要求的情况。要求的情况。注意：注意：（3）由给定的 计算需要产生的最大超前角：，根据 ，可以计算出 的数值。第22页，共109页，编辑于2022年，星期三如果对截止频率如果对截止频率 有明确要求，设计步骤可按照有明确要求，设计步骤可按照只需要将上述设计步骤中的（3）（4）改为：（4）令未校正系统在 处的幅值确定 的值；再由确定 。（3）令校正装置的最大超前相角频率 等于希望的截止频率 ；第23页，共109页，编辑于2022年，星期三例例6-2 设一单位负反馈系统的开环传递函数为 解：解：要求系统的稳态误差系数 ，相角裕度 ，幅值裕度 ，试确定串联超前校正装置。（1）根据稳态指标要求确定增益K。因为所以取K=10。该系统的开环增益为20。（2）绘出未校正系统的对数幅频特性和对数相频特性曲线,计算未校正系统的性能指标。由未校正的对数幅频渐近线可知求出 需要补偿的相角小于60，采用超前校正可以达到要求。（3）确定需要的最大超前角。由第24页，共109页，编辑于2022年，星期三（4）计算 。由 ，求得（5）计算T。由 ，求得 。再由 ，求得 （6）写出校正装置的传递函数为两个转折频率分别为：校正后的开环传递函数（7）验算校正后系统的性能指标。第25页，共109页，编辑于2022年，星期三第26页，共109页，编辑于2022年，星期三例例6-3 设一单位负反馈系统的开环传递函数为 解：解：要求系统在单位斜坡输入信号作用下的稳态误差 ，开环截止频率 ，相角裕度 ，幅值裕度 ，试确定串联超前校正装置。（1）首先根据稳态误差的要求，确定K。由 求得K=10。（2）画出校正前的对数幅频渐近线，由渐近线可求出（3）确定最大超前相角频率 。取（4）计算超前校正网络的参数。令由渐近线可知 求得 。并且第27页，共109页，编辑于2022年，星期三（5）超前校正装置的传递函数（6）检验校正后的性能指标。校正后系统的开环传递函数为校正后的开环对数幅频特性渐近曲线如图。由于在校正过程中，首先确定了校正后的截止频率，然后按照 的顺序计算出校正网络的最大补偿相角，因此，不一定能够保证最终获得的相角裕量满足要求，需要进行校验。经过计算可得第28页，共109页，编辑于2022年，星期三 第29页，共109页，编辑于2022年，星期三 当系统要求响应快、超调量小时，可采用串联超前校正。但是，串联超前校正受以下两种情况的限制：（2）对系统抗高频干扰要求比较高时，一般也不宜采用串联超前校正。因为若未校正系统不稳定，为了得到要求的相角裕量，需要超前网络提供很大的超前相角。这样，超前网络的 值必须选得很大，从而造成已校正系统 过大，使系统抗高频噪声的能力下降，甚至使系统失控。3超前校正的使用条件（1）超前校正网络提供的最大相位超前角 一般不应大于60。在截止频率 附近相角迅速减小的系统，一般不宜采用串联超前校正。（因为随着截止频率的增大，未校正系统的相角迅速减小，在 处需要补偿的相角会很大，超前校正变得无效。）第30页，共109页，编辑于2022年，星期三6.3.2 串联滞后校正串联滞后校正1串联滞后校正的作用和特点串联滞后校正的串联滞后校正的作用作用：利用滞后校正装置的高频幅值衰减特性，使已校正系统的截止频率下降，从而使系统获得足够的相角裕度。另外，滞后校正有利于提高低频段的增益，减小稳态误差。第31页，共109页，编辑于2022年，星期三滞后校正具有如下特点：（1）利用校正装置的高频幅值衰减特性改善了系统的相对稳定性，使系统具有一定的稳定裕量，对校正装置相角滞后特性的影响忽略不计。（2）从对数幅频曲线看，校正后的截止频率 比校正前的 提前，因此，系统的快速性降低，提高了系统的相对稳定性。（3）为了保证校正装置的滞后相角不影响系统的相位裕量，其最大滞后相角应避免出现在校正后的截止频率 附近。为了做到这一点，校正网络的两个转折频率 和 均应设置在远离截止频率的低频段。（4）校正后系统的幅频特性曲线在高频段衰减大，可以提高系统抗高频干扰能力。第32页，共109页，编辑于2022年，星期三（1）根据稳态误差的要求，确定原系统的开环增益 。（2）利用已确定的开环增益 ，画出未校正系统的伯德图，计算未校正系统的相角裕量 和幅值裕量 。（3）若相角裕量和幅值裕量不满足指标，则根据指标要求的相角裕量 ，在未校正系统的对数相频曲线上确定相角满足下式的点：选择该点对应的频率 作为校正后的截止频率 。2滞后校正的设计步骤（4）计算未校正幅频曲线在 处的分贝值 并且令，可求出 的值。（6）确定校正装置的传递函数（8）确定超前校正网络的元件值。（7）验算校正后系统的性能指标。（5）为减小校正装置相角滞后特性的影响，滞后网络的转折频率可求出 。（对应零点）应低于 110倍频程，一般取 第33页，共109页，编辑于2022年，星期三解：解：例：例：设一单位负反馈系统的开环传递函数为：要求校正后系统的稳态误差系数 ，相角裕度 ，幅值裕度 ，试设计串联校正装置。（1）确定开环增益K。根据稳态精度的要求（2）作出未校正系统的开环对数幅频特性和相频特性曲线。由曲线可以求出 ，说明系统是不稳定的。由于需要补偿的超前相角大于60，超前校正不适用，可采用串联滞后校正方法。（3）确定校正后的截止频率。根据取 时，求得第34页，共109页，编辑于2022年，星期三（4）确定参数b。时，令 即 ，解得 。（5）确定参数T。取滞后校正网络的转折频率求得滞后网络的另一个转折频率 ，。（6）串联滞后校正网络的传递函数（7）检验校正后的性能指标。校正后系统的开环传递函数为 校正后系统的性能指标为第35页，共109页，编辑于2022年，星期三第36页，共109页，编辑于2022年，星期三 当要求稳态精度高，抗高频干扰能力强，对快速性要求不高时，可采用串联滞后校正。但在下面的情况下，不宜使用滞后校正：3滞后校正的使用条件（2 2）如果采用滞后校正，使得）如果采用滞后校正，使得T T值太大，难以实现。值太大，难以实现。（1 1）要求系统动态响应快，采用滞后校正有可能不满足。）要求系统动态响应快，采用滞后校正有可能不满足。（若要使滞后校正网络产生足够的高频幅值衰减，要求b 很小，但是滞后网络的零点1/bT不能太靠近 否则滞后网络所引入的滞后相角的影响就不能忽略，因此只能将滞后网络的极点1/T安置在足够小的频率值上，致使T很大而难以实现。）第37页，共109页，编辑于2022年，星期三6.3.3 串联滞后串联滞后-超前校正超前校正1串联滞后-超前校正的作用及特点 如果需要同时改善系统的动态性能和稳态性能，则需要采用滞后超前校正。滞后超前校正的基本原理是利用校正网络的超前部分增大系统的相角裕量，利用滞后部分来改善系统的稳态精度。滞后超前网络的传递函数：设计滞后超前校正装置，实际上是前面介绍的超前校正和滞后校正设计方法的综合。选择超前网络的参数等于滞后网络的参数的倒数，并且令，则就可以将超前网络和滞后网络组合在一起，构成滞后超前校正网络。第38页，共109页，编辑于2022年，星期三（1）根据稳态误差的要求，确定开环增益K；2.滞后-超前校正的设计步骤（2）绘制未校正系统的对数频率特性曲线，求出开环截止频率 、相角裕度 、幅值裕度 ；（3）在未校正系统对数频率特性曲线上，选择一频率作为校正后的截止频率 ，使 ，要求的相角裕度将由校正网络的超前部分补偿；（4）计算需要补偿的相角 ，并由 确定 值；（5）选择校正网络滞后部分的零点 ；（6）校正网络在 处的分贝值为令可求出 ；第39页，共109页，编辑于2022年，星期三（8）验算校正后系统的性能指标。（9）确定滞后-超前校正网络的元件值。（7）确定校正装置的传递函数 ；若设计指标对 提出了明确要求，可以对（3）（4）两步作相应调整，即按照要求确定 ，需要补偿的相角由下式计算：说明：说明：当滞后-超前网络滞后部分和超前部分可单独设计。为了方便，先设计超前部分，再设计滞后部分。第40页，共109页，编辑于2022年，星期三例例6-5 单位负反馈系统的开环传递函数为：解：解：要求校正后系统的稳态误差系数 ，相角裕度 ，幅值裕度 ，试设计串联滞后-超前校正装置。（1）求增益K。根据对静态速度误差系数的要求，可得因此，即开环增益等于10。（2）画出未校正的开环对数频率特性曲线。由幅频渐近线可计算出 说明系统不稳定。如果用超前校正，需要补偿的超前相角至少83；如果用滞后校正，截止频率会大大提前。必须采用滞后超前校正。（3）确定校正后的截止频率。当 时，。设计指标未对调节时间作要求，可以取 。第41页，共109页，编辑于2022年，星期三（4）计算 。需要补偿的相角 ，所以（5）计算 。选择校正网络滞后部分的零点 求得 。（6）计算 。由未校正的幅频渐近线可求得 代入公式 ，求得 。（7）校正装置的传递函数（8）计算检验校正后的指标 第42页，共109页，编辑于2022年，星期三第43页，共109页，编辑于2022年，星期三6.4 6.4 串联校正：根轨迹分析法串联校正：根轨迹分析法一般来说，当性能指标以时域指标给出时，采用根轨迹法进行设计更为有效和方便。依据给定的时域指标确定希望的主导极点。基于根轨迹的串联校正方法是通过引入适当的开环零、极点来修改系统原有的闭环根轨迹形状，使校正后的根轨迹能够经过希望的闭环主导极点。所需要增加的零、极点由校正装置实现。第44页，共109页，编辑于2022年，星期三6.4.1 6.4.1 串联超前校正串联超前校正 设未校正系统的开环传递函数为 系统的开环增益 取超前校正网络的传递函数为 第45页，共109页，编辑于2022年，星期三校正后的开环传递函数为 设希望的闭环复数主导极点为 ，应满足根轨迹方程：（幅值方程）（幅值方程）（相角方程）（相角方程）第46页，共109页，编辑于2022年，星期三超前网络应满足的幅值条件为 超前网络应产生的相角为 式中 由幅值方程和相角方程求得：第47页，共109页，编辑于2022年，星期三根据稳态指标确定根轨迹增益 后，和 均为已知的，设计超前网络就是根据 和 确定参数a 和T。计算a 和T的方法有多种,这里介绍一种图解法。可求出第48页，共109页，编辑于2022年，星期三式中 和 分别是决定主导极点位置的无阻尼自然频率和阻尼比。最后可确定超前校正网络的参数 由图可求得：第49页，共109页，编辑于2022年，星期三（1）根据瞬态性能指标，确定希望的闭环主导极点。根据稳态性能指标，确定原系统的开环增益和根轨迹增益；（2）画未校正系统的根轨迹图，若希望的主导极点位置在未校正系统根轨迹的左侧，则应进行超前校正；（3）计算 M 和；（4）求出超前网络的参数a 和T，得到校正网络的传递函数；（5）检验校正后的性能指标。综上所述，用根轨迹法设计串联超前校正装置的步骤如下：第50页，共109页，编辑于2022年，星期三例例6-66-6 单位负反馈系统的开环传递函数为 试设计串联超前校正装置，使校正后系统的阻尼比=0.5，无阻尼自然频率n=4rad/s，速度误差系数Kv4.5 s-1。解：解：取 由设计要求，确定闭环主导极点：第51页，共109页，编辑于2022年，星期三求得即求出第52页，共109页，编辑于2022年，星期三校正后的开环传递函数为 闭环极点为：与闭环零点比较靠近，对瞬态性能影响不大，可保证 为主导极点。第53页，共109页，编辑于2022年，星期三6.4.2 6.4.2 串联滞后校正串联滞后校正 设未校正系统的开环传递函数为 设未校正系统的根轨迹上，希望的复数闭环主导极点为 取滞后校正网络的传递函数为 第54页，共109页，编辑于2022年，星期三将 和 看作一对偶极子，有 可见，校正后 处的根轨迹不会明显变化。原系统的根轨迹增益 可增加 倍，所以，校正后系统的开环增益也增加 倍，可使稳态误差减小相应的倍数。第55页，共109页，编辑于2022年，星期三用根轨迹法设计串联滞后校正装置的步骤如下（1）绘制未校正系统的根轨迹图，根据瞬态性能指标，在根轨迹上确定希望的闭环主导极点的位置，利用幅值条件计算闭环主导极点处的根轨迹增益 和开环增益 ；（4）绘制校正后的根轨迹图，找到希望的闭环主导极点，再根据幅值条件，确定校正网络的增益 。（5）检验校正后的性能指标。（2）根据稳态指标要求，确定校正后的开环增益 ，计算需要增加的增益 ，。（3）选择校正网络的零点 和极点 (原则上是使零极点靠近原点，例如可取 )。取校正网络第56页，共109页，编辑于2022年，星期三例例6-76-7 单位负反馈系统的开环传递函数为 要求校正后 ，并且原闭环主导极点的位置无明显改变，试设计串联滞后校正装置。解解（1）绘制未校正系统的根轨迹 时，闭环主导极点（2）根据设计要求 即要求校正后的开环增益 第57页，共109页，编辑于2022年，星期三（3）取校正网络（4）校正后的开环传递函数 绘制校正后的根轨迹。保持 ，校正后的闭环主导极点 由幅值条件：第58页，共109页，编辑于2022年，星期三（5）检验校正后的性能指标。校正后的开环传递函数 靠近闭环零点，离虚轴较远 是主导极点。校正后 。第59页，共109页，编辑于2022年，星期三6.4.3 6.4.3 串联滞后超前校正串联滞后超前校正 滞后超前校正是利用校正装置的超前部分改善系统的瞬态性能，而利用滞后部分改善系统的稳态性能，使得系统瞬态和稳态性能同时得到改进。滞后超前校正网络的传递函数为利用根轨迹法设计滞后利用根轨迹法设计滞后超前校正网络的步骤：超前校正网络的步骤：（1）根据给定的瞬态性能指标，确定希望的复数闭环主导极点；根据稳态性能指标，确定。（2）计算需要由校正网络的超前部分补偿的相角 ；第60页，共109页，编辑于2022年，星期三（3）若能将 选择得足够大，使 ，则滞后部分满足 这时，根据根轨迹的幅值条件和相角条件，有可确定 和 。第61页，共109页，编辑于2022年，星期三（4）选择 ，使得滞后部分满足（5）确定校正装置的传递函数,绘制校正后的根轨迹图，检验校正后的性能指标。第62页，共109页，编辑于2022年，星期三例例6-86-8 单位负反馈系统的开环传递函数为 要求校正后的闭环主导极点处 试设计适当的串联校正装置。解解 分析未校正系统的指标：均不满足要求。这时，应考虑采用滞后超前校正。（1）根据指标要求，希望的闭环主导极点为 。校正后的开环传递函数 第63页，共109页，编辑于2022年，星期三（2）计算要补偿的相角 所以，校正网络超前部分需要提供的补偿角（3）由幅值条件求得第64页，共109页，编辑于2022年，星期三（4）取 ，则有 由图列写方程：解得进一步求得 所以校正网络 第65页，共109页，编辑于2022年，星期三（5）校正后的开环传递函数为 系统能够满足性能指标要求。第66页，共109页，编辑于2022年，星期三6.5 6.5 串联校正：频域综合法串联校正：频域综合法综合法又称希望特性法。其基本思想是：从闭环系统性能与开环频率特性密切相关这一概念出发，根据规定的性能指标要求，首先确定系统希望的开环频率特性曲线形状，然后与系统原有开环频率特性曲线相比较，从而确定校正装置的传递函数形式和参数。校正后的开环频率特性-串联校正系统：1.根据性能指标要求，确定系统希望的开环对数幅频特性 ；装置的对数幅频特性曲线 ，可求得其传递函数。2.根据 ，确定串联校正校正步骤校正步骤：第67页，共109页，编辑于2022年，星期三6.5.1 绘制希望的开环频率特性绘制希望的开环频率特性 中频段中频段低频段低频段高频段高频段低中频段的衔接段低中频段的衔接段中高频段的衔接段中高频段的衔接段根据三频段特性分析，对于一个最小相位系统，开环幅频特性的低频段反映了闭环系统的稳态精度；高频段反映了系统的抗高频干扰的能力；中频段则反映了系统的瞬态性能。绘制希望的开环幅频特性，关键是如何根据瞬态指标绘制开环幅频特性的中频段。第68页，共109页，编辑于2022年，星期三1.希望开环频率特性的参数与性能指标的关系：希望开环频率特性的参数与性能指标的关系：希望的开环对数幅频曲线希望的开环对数幅频曲线中频段的形状一般为：中频段的形状一般为：中频宽H：可以证明：使 最小的“最佳频比”为或所以选：所以选：或或另外：第69页，共109页，编辑于2022年，星期三（1）根据对系统稳态精度的要求，确定开环积分环节个数和开环增益，绘制希望特性曲线的低频段；（2）根据动态响应速度、超调量、稳定裕量、中频区宽度要求，确定截止频率及中频区上下限角频率，绘制希望特性曲线的中频段，保证中频段的斜率为-20；（3）绘制希望特性低、中频段之间的衔接频段，其斜率一般为-40；（4）根据系统对幅值裕量和抗高频噪声的要求，绘制希望特性曲线的高频段；（5）绘制希望特性中、高频段之间的衔接频段，其斜率一般取-40；（6）对求出的希望特性进行性能指标验算，并对特性曲线的转折频率作必要的调整 2.2.典型形式的希望对数幅频特性的确定典型形式的希望对数幅频特性的确定第70页，共109页，编辑于2022年，星期三6.5.2 6.5.2 频域综合法设计串联校正装置频域综合法设计串联校正装置 串联综合法校正的设计步骤如下：（4）验证系统校正后的性能指标；（5）考虑串联校正装置的物理实现。（1）根据稳态性能指标要求，绘制满足稳态指标的待校正系统的开环对数幅频特性 ；（2）根据稳态和动态指标，绘制希望的开环对数幅频特性曲线 ，其低频段与 低频段重合；（3）由 确定串联校正装置的对数幅频特性，求出校正装置的传递函数；第71页，共109页，编辑于2022年，星期三例例6-106-10 单位负反馈系统的开环传递函数为 试用综合法设计串联校正装置，使系统满足 解解（1）取 ，画未校正系统的开环对数幅频特性曲线。未校正系统的截止频率 。低频段：低频段：希望特性仍为I型系统，低频段斜率为 ，与 的低频段重合。（2）绘希望特性曲线：中频段及衔接频段：中频段及衔接频段：将 及 转换为相应的频域指标第72页，共109页，编辑于2022年，星期三且应有 经过 处，作斜率为 的直线，交 于 处，取 ，。在中频段与过 的横轴垂线的交点上，作斜率为 的直线，交希望特性的低频段于 处。高频段及衔接频段：高频段及衔接频段：在 的横轴垂线与中频段的交点上，作斜率为 的直线，与未校正系统的 交于 处；时，使希望特性的高频段与未校正系统相同。希望特性的参数为：第73页，共109页，编辑于2022年，星期三（3）在博得图上求出曲线 ，写出串联校正装置传递函数，（4）验算性能指标。校正后系统开环传递函数校正后的指标：第74页，共109页，编辑于2022年，星期三第75页，共109页，编辑于2022年，星期三6.6 6.6 串联校正：串联校正：PIDPID控制器的工程设计方法控制器的工程设计方法在工程实际应用中，大多数工业控制系统采用PID控制器或者各类改进的PID控制器。常规PID控制器是由比例（P）、积分（I）、微分（D）三种基本控制规律组合成的。大多数PID控制器的参数是在工业现场进行整定，人们已经总结出很多不同形式的参数整定规则。尤其是，当被控对象的数学模型未知或模型不准确时，无法采用分析法和综合法设计校正装置，这时使用PID控制器进行校正是有效的。由于PID控制器的广泛使用，已经形成了大量的商业产品供选择。本节介绍PID控制器的工程设计方法。第76页，共109页，编辑于2022年，星期三6.6.1 PID 控制规律控制规律具有比例控制规律的控制器，称为P控制器。在串联校正中，加大控制器增益，可以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；但系统开环增益的增加，降低了系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。（1 1）P P控制器控制器第77页，共109页，编辑于2022年，星期三（2 2）PDPD控制器控制器具有比例-微分控制规律的控制器，称为PD控制器。PD控制器中的微分控制规律，能反应输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，可以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。在串联校正中，PD控制器增加了一个开环零点，使系统的相角裕度提高，有助于改善系统的动态性能。0PD控制器控制器超前网络超前网络PDPD控制器的作用相当于超前校正网络控制器的作用相当于超前校正网络第78页，共109页，编辑于2022年，星期三（3 3）PIPI控制器控制器具有比例-积分控制规律的控制器，称为PI控制器。在串联校正中，PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点和一个位于s左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，改善系统的稳态性能；而增加的开环零点则用来提高系统的阻尼程度。在控制工程实践中，PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。PI控制器控制器滞后网络滞后网络0PIPI控制器的作用相当于滞后校正网络控制器的作用相当于滞后校正网络第79页，共109页，编辑于2022年，星期三（4 4）PIDPID控制器控制器具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称为PID控制器。-PIDPID控制器的作用相当于滞后超前校正网络。控制器的作用相当于滞后超前校正网络。PID控制器除可使系统的型别提高一级外，还为系统提供了两个负实零点。与PI控制器相比，除了同样具有提高系统稳态性能的优点外，还多提供了一个负实零点，在提高系统的动态性能方面具有更大的优越性。第80页，共109页，编辑于2022年，星期三6.6.2 PID串联校正的工程设计方法串联校正的工程设计方法典型典型型型典型典型型型（闭环二阶系统）（闭环二阶系统）（闭环三阶系统）（闭环三阶系统）校正装置一般选择：校正装置一般选择：P P控制器控制器,PI,PI控制器控制器,PID,PID控制器控制器工程设计法是在综合法的基础上，将希望特性进一步规范化和简单化。对于一般二阶以上系统，模型参数与性能指标之间的关系难以确定，工程上往往规定一些典型系统（例如典型型、典型型），这些系统的参数与性能指标之间有确定的关系。通常将希望的开环传递函数规范为：常用的工程设计方法有三阶最佳设计法三阶最佳设计法和最小最小Mr 设计法设计法。第81页，共109页，编辑于2022年，星期三1.三阶最佳设计方法 取希望的开环传递函数为典型型（1）若待校正系统 则可选择PI控制器以能取得最大相角裕量，并有尽可能快的响应速度为目标，来选择希望特性的参数，取 第82页，共109页，编辑于2022年，星期三（2）待校正系统 则可选择PID控制器校正后的系统 待校正系统为其它情况时，在一定条件下可以近似作为以上两种情况处理。PI控制器参数 校正后的系统 第83页，共109页，编辑于2022年，星期三2.最小 设计方法 希望的开环传递函数形式 这时，希望特性参数的选择是使闭环系统具有 最小值。参数选择公式一般为 选择控制器形式、计算控制器参数的方法与三阶最佳设计方法相同。第84页，共109页，编辑于2022年，星期三例例6-116-11 设单位负反馈未校正系统的开环传递函数为 试用工程设计方法确定串联PID控制器 解：解：（1）分析未校正系统的性能 未校正系统为过阻尼二阶系统，由于未校正系统为型系统，在斜坡输入信号作用下必然存在稳态误差。因此，可考虑采用工程设计法，将系统校正为型系统。（2）采用三阶最佳设计方法 本例属于三阶最佳设计方法中的第一种情况 第85页，共109页，编辑于2022年，星期三可选PI控制器作为串联校正装置，校正后的开环传递函数 选PI控制器作为串联校正装置（3）采用最小 设计方法 校正后的开环传递函数第86页，共109页，编辑于2022年，星期三6.7 6.7 反馈校正反馈校正改善控制系统的性能，除了采用串联校正方案外，反馈校正也是广泛采用的校正方式之一。6.7.1 6.7.1 反馈校正的作用反馈校正的作用 反馈校正的基本原理是反馈校正的基本原理是：用反馈校正装置包围待校正系统中对动态性能改善有重大妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路。适当选择校正装置的形式和参数，可使局部反馈回路的等效传递函数性能比被包围环节的性能大为改善。-R R C C-R R1 1G(s)第87页，共109页，编辑于2022年，星期三1.1.利用反馈校正取代局部结构利用反馈校正取代局部结构如果在对系统动态性能起主要影响的频率范围内，有 则即用取代G2(s)。2 2利用反馈校正改变局部结构和参数利用反馈校正改变局部结构和参数（1 1）比例反馈包围积分环节）比例反馈包围积分环节积分环节经局部反馈成为惯性环节，意味着降低了系统的型别，这样虽然会使系统跟随一些典型输入信号时的稳态精度降低，但有可能改变原系统存在的结构不稳定。第88页，共109页，编辑于2022年，星期三（2 2）比例反馈包围惯性环节）比例反馈包围惯性环节可见，该反馈校正可以等效为串联超前校正，实现起来更简单。（3 3）微分反馈包围惯性环节）微分反馈包围惯性环节仍为一惯性环节，时间常数增大，但增益不受影响。利用局部反馈可以使原系统中各环节的时间常数拉开距离，从而改善系统的相对稳定性。校正后仍为惯性环节，但减小了时间常数和增益。第89页，共109页，编辑于2022年，星期三（4 4）微分反馈包围振荡环节）微分反馈包围振荡环节从上面的几种情况可以总结出：反馈校正环节是比例系数，校正结果是改变被包围环节传递函数分母多项式的常数项；反馈校正环节是s的一次项，校正结果是改变被包围环节传递函数分母多项式的s项系数；依次类推，其作用是改变系统开环极点分布。校正后仍为振荡环节，但等效阻尼比可显著增大，系统超调量减小。该反馈校正可等效为串联滞后校正。第90页，共109页，编辑于2022年，星期三6.7.2 6.7.2 反馈校正的频域综合法反馈校正的频域综合法 G1(s)G2(s)-RCGc(s)-G3(s)未校正系统的开环传递函数为校正后系统的开环传递函数为 设计的基本思想设计的基本思想：第91页，共109页，编辑于2022年，星期三获得近似的 。由于 是已知的，因此可以求得反馈校正装置 。在系统主要的校正频率范围内，使 ，就有 由希望的频率特性确定。因此可由 在 的频率范围内，有 ；第92页，共109页，编辑于2022年，星期三频域综合法反馈校正设计步骤如下：频域综合法反馈校正设计步骤如下：（3）按照 绘制曲线，确定传递函数 ；（4）检验局部反馈回路的稳定性，并检查希望的开环截止频率附近，的程度是否满足要求；（6）检验校正后系统的性能指标；（7）考虑 的物理实现（1）按稳态性能指标要求，确定开环增益，然后绘制未校正系统的开环对数幅频特性曲线 ；（2）根据给定性能指标要求，绘制希望的开环对数幅频特性曲线（5）由 求出 ；第93页，共109页，编辑于2022年，星期三G1(s)G2(s)-RCGc(s)-G3(s)在6000以内可调。要求系统满足性能指标：静态速度误差系数 超调量 ，调节时间 。试设计反馈校正装置Gc(s)。解解 （1）未校正系统开环传递函数为 例例6-12 6-12 系统结构如图绘制 曲线。第94页，共109页，编辑于2022年，星期三（2）绘制希望的开环对数幅频特性 中频段：中频段：将超调