6自动控制原理.ppt

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1、自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第一节第一节第一节第一节 线性系统校正的概念线性系统校正的概念线性系统校正的概念线性系统校正的概念第二节第二节第二节第二节 线性系统基本控制规律线性系统基本控制规律线性系统基本控制规律线性系统基本控制规律第三节第三节第三节第三节 常用校正装置及特点常用校正装置及特点常用校正装置及特点常用校正装置及特点第四节第四节第四节第四节 校正装置设计的方法和依据校正装置设计的方法和依据校正装置设计

2、的方法和依据校正装置设计的方法和依据第五节第五节第五节第五节 串联校正的设计串联校正的设计串联校正的设计串联校正的设计第六节第六节第六节第六节 反馈校正的设计反馈校正的设计反馈校正的设计反馈校正的设计第七节第七节第七节第七节 反馈和前馈复合控制反馈和前馈复合控制反馈和前馈复合控制反馈和前馈复合控制第八节第八节第八节第八节 MATLABMATLAB在线性系统校正中的应用在线性系统校正中的应用在线性系统校正中的应用在线性系统校正中的应用自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第一节第一节第一节第一节 线性系统

3、校正的概念线性系统校正的概念线性系统校正的概念线性系统校正的概念控制系统不可变部分执行机构功率放大器检测装置可变部分放大器、校正装置迫使系统满足给定的性能(设计系统)一、控制系统的组成一、控制系统的组成一、控制系统的组成一、控制系统的组成自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正 根据被控对象及其控制要求，选择适当的控制器及控制规律设计一个满足给定性能指标的控制系统。校正校正校正校正(补偿补偿补偿补偿)：通过改变系统结构，或在系统中增加附加装置或元件附加装置或元件对已有的系统（固有部分）进行再设计使之满足性

4、能要求。控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置(校正装置校正装置)二、控制系统的设计任务二、控制系统的设计任务二、控制系统的设计任务二、控制系统的设计任务自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正三、控制系统的性能指标三、控制系统的性能指标三、控制系统的性能指标三、控制系统的性能指标稳态精度 稳态误差ess过渡过程响应特性时域：上升时间tr、超调量Mp、调节时间ts频域：谐振峰值Mr、增益交界频率c、谐 振频率r、带宽b相对稳定性 增益裕量Kg、相位裕量(c)扰动的

5、抑制 带宽b自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正四、校正方式四、校正方式四、校正方式四、校正方式串联校正并联校正（反馈校正）复合（前馈、顺馈）校正自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正校正方式选择需要考虑的因素 系统中信号的性质；技术方便程度；可供选择的元 件；其它性能要求（抗干扰性、环境适应性等）；经济性串联校正的特点 设计较简单，容易对信号进行各种必要的变换，但需注意负载效应的影响。反馈校正的特点 可消除系

6、统原有部分参数对系统性能的影响，元件数也往往较少。同时采用串、并联校正 性能指标要求较高的系统。自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第二节第二节第二节第二节 线性系统基本控制规律线性系统基本控制规律线性系统基本控制规律线性系统基本控制规律PID(Proportional Integral Derivative)控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。比例控制（比例控制（比例控制（比例控制（P P）Proportional微分控制微分控制微分控制微分控制（D D）积分控

7、制积分控制积分控制积分控制（I I）IntegralDerivative线性系线性系线性系线性系统基本统基本统基本统基本控制规控制规控制规控制规律律律律 P、PI、PD 或PID 控制 适用于数学模型已知及大多数数学模型难以确 定的控制系统或过程。PID 控制参数整定方便，结构灵活自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正一、比例控制（一、比例控制（一、比例控制（一、比例控制（P P P P）比例控制器实质是一种增益可调的放大器比例控制器实质是一种增益可调的放大器自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制

8、理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正对系统性能的影响正好相反。Kp1开环增益加大，稳态误差减小；幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短；系统稳定程度变差。原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。Kp1自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正 微分控制具有预测特性。微分控制具有预测特性。Td 就是微分控制作用超前于比例控制作用效果的时间间隔。微分控制不可能预测任何尚未发生的作用。微分控制不可能预测任何尚未发生的作用。二、比例微

9、分（二、比例微分（二、比例微分（二、比例微分（PDPDPDPD）控制控制控制控制自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正转折频率1=Kp/Td预先作用抑制阶跃响应的超调 缩短调节时间 抗高频干扰能力自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正相位裕量增加，稳定 性提高；c增大，快速性提高Kp1时，系统的稳 态性能没有变化。高频段增益上升，可 能导致执行元件输出 饱和，并且降低了系 统抗干扰的能力；微分控制仅仅在系统的微分

10、控制仅仅在系统的瞬态过程中起作用，一瞬态过程中起作用，一般不单独使用。般不单独使用。PD控制通过引入微分作用改善了系统的动态性能自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正三、比例积分（三、比例积分（三、比例积分（三、比例积分（PIPIPIPI）控制控制控制控制调节Ti 影响积分控制作用；调节Kp既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。由于存在积分控制，PI控制器具有记忆功能。自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正转

11、折频率1=1/（KpTi）一个积分环节 提高系统的稳态精度一个开环零点弥补积分环节对系统稳定性的不利影响自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正Kp1系统型次 提 高，稳态性 能改善。相位裕量减 小，稳定程 度变差。自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正Kp 1系统型次提高，稳态性能改善；系统从不稳定变 为稳定；c减小，快速性 变差。自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统

12、的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正通过引入积分控制作用以改善系统的稳态性能。通过比例控制作用来调节积分作用所导致相角滞后对系统的稳定性所带来的不利影响。由于 ，导致引入PI控制器后，系统的相位滞后增加，因此，若要通过PI控制器改善系统的稳定性，必须有Kp 1，以降低系统的幅值穿越频率。自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正四、四、四、四、PIDPIDPIDPID控制控制控制控制 一个零极点 提高稳态精度两个负实部零点 提高动态性能自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章

13、第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正Kp1自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正在低频段，PID控制器通过积分控制作用,改善了系统的稳态性能；在中频段，PID控制器通过微分控制作用,有效地提高了系统的动态性能。近似有：通常PID 控制器中 i Td）自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第三节第三节第三节第三节 常用校正装置及特点常用校正装置及特点常用校正装置及特点常用校正装置及

14、特点校正装置校正装置校正装置校正装置无源校无源校无源校无源校正装置正装置正装置正装置有源校有源校有源校有源校正装置正装置正装置正装置无相移校正装置无相移校正装置无相移校正装置无相移校正装置相位超前校正装置相位超前校正装置相位超前校正装置相位超前校正装置相位滞后校正装置相位滞后校正装置相位滞后校正装置相位滞后校正装置相位滞后相位滞后相位滞后相位滞后超前校正装置超前校正装置超前校正装置超前校正装置无相移校正装置无相移校正装置无相移校正装置无相移校正装置相位超前校正装置相位超前校正装置相位超前校正装置相位超前校正装置相位滞后校正装置相位滞后校正装置相位滞后校正装置相位滞后校正装置相位滞后相位滞后相位

15、滞后相位滞后超前校正装置超前校正装置超前校正装置超前校正装置自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正一、无源校正装置与有源校正装置的特点一、无源校正装置与有源校正装置的特点一、无源校正装置与有源校正装置的特点一、无源校正装置与有源校正装置的特点无源校正网络：阻容元件 优点：校正元件的特性比较稳定。缺点：由于输出阻抗较高而输入阻抗较低，需要另 加放大器并进行隔离;没有放大增益，只有衰减。有源校正网络：阻容电路+线性集成运算放大器优点：带有放大器，增益可调，使用方便灵活。缺点：特性容易漂移。自动控制理论自动控

16、制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正二、无相移校正装置（比例控制）二、无相移校正装置（比例控制）二、无相移校正装置（比例控制）二、无相移校正装置（比例控制）1 1、传递函数、传递函数、传递函数、传递函数2 2、实现形式、实现形式、实现形式、实现形式无源网络无源网络无源网络无源网络放大器放大器放大器放大器3 3、BodeBode图图图图自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正三、相位超前校正装置（三、相位超前校正装置（三、相位超前校

17、正装置（三、相位超前校正装置（PDPD校正）校正）校正）校正）1 1、传递函数、传递函数、传递函数、传递函数2 2、实现形式、实现形式、实现形式、实现形式自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正采用阻容网络实现PD校正装置时的取值1）受超前校正装置物理结构的限制；2）太大，通过校正装置的信号幅值衰减太严重。近似地实现PD控制实用微分校正电路一般取 20几点说明：几点说明：几点说明：几点说明：自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正

18、线性系统的校正整个系统的开环增益下降 倍。为满足稳态精度的要 求，必须提高放大器的增益予以补偿。近似PD校正装置在整个频率范围内都产生相位超前。相位超前校正。串联校正时转角频率1/T，/T的几何中点 3 3、BodeBode图图图图自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正 m =20时，m65高通滤波特性，值过大对抑制系统高频噪声不利。相位超前 系统带宽 动态性能 噪声为保持较高的系统信噪比，通常选择10(此时m=55)。最大超前角自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章

19、线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正使中频段使中频段斜率减小斜率减小在在1/T 和和/T间引入相位间引入相位超前超前自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正三、相位滞后校正装置（三、相位滞后校正装置（三、相位滞后校正装置（三、相位滞后校正装置（PIPI校正）校正）校正）校正）1 1、传递函数、传递函数、传递函数、传递函数2 2、实现形式、实现形式、实现形式、实现形式自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系

20、统的校正3 3、BodeBode图图图图在整个频率范围内相位都 滞后，相位滞后校正。转角频率1/T，1/T的几何中点。开环对数频率特性的中高频部分增益交界频率 稳定裕量串联校正时开环对数频率特性的低频部分稳态精度自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正越大，相位滞后越严重。应尽量使产生最大滞后相角的频率m远离校正后系统的幅值穿越频率c，否则会对系统的动态性能产生不利影响。常取自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正对

21、于稳定的系统 提高稳态准确度，1/T 和1/T 向左远离c，使c附 近的相位不受滞后环节的影响。对于不稳定的系统增益降低使得c减小。滞后校正装置实质上是 一个低通滤波器，它对低 频信号基本上无衰减作用,但能削弱高频噪声，越大，抑制噪声能力越强。通常选=10左右。自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正四、相位滞后四、相位滞后四、相位滞后四、相位滞后超前校正装置（超前校正装置（超前校正装置（超前校正装置（PIDPID校正）校正）校正）校正）1 1、传递函数、传递函数、传递函数、传递函数2 2、实现形式、实现

22、形式、实现形式、实现形式滞后-超前校正自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正PID校正滞后-超前校正自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正前半段是相位滞后部分,由于具有使增益衰减的作用，所以允许在低频段提高增益，以改善系统的稳态性能。后半段是相位超前部分,可以提高系统的相位裕量,加大幅值穿越频率，改善系统的动态性能。3 3、BodeBode图图图图自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章

23、第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第四节第四节第四节第四节 校正装置设计的方法和依据校正装置设计的方法和依据校正装置设计的方法和依据校正装置设计的方法和依据一、设计方法一、设计方法一、设计方法一、设计方法控制系统设计的内涵：控制系统设计的内涵：控制系统设计的内涵：控制系统设计的内涵：根据系统性能指标要求确定控制根据系统性能指标要求确定控制根据系统性能指标要求确定控制根据系统性能指标要求确定控制器的结构形式和参数，并实现之。器的结构形式和参数，并实现之。器的结构形式和参数，并实现之。器的结构形式和参数，并实现之。1 1、根轨迹设计方法、根轨迹设计方法、根轨迹设计方法

24、、根轨迹设计方法系统系统系统系统性能性能性能性能指标指标指标指标闭环主闭环主闭环主闭环主导极点导极点导极点导极点位置位置位置位置系统参系统参系统参系统参数根轨数根轨数根轨数根轨迹迹迹迹加入加入加入加入校正校正校正校正装置装置装置装置主要问题：主要问题：主要问题：主要问题：1 1、设计何种控制规律、设计何种控制规律、设计何种控制规律、设计何种控制规律 2 2、过程复杂、过程复杂、过程复杂、过程复杂自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正2 2、频率特性设计方法、频率特性设计方法、频率特性设计方法、频率特性设

25、计方法系统系统系统系统性能性能性能性能指标指标指标指标期望的期望的期望的期望的频率特频率特频率特频率特性性性性系统固系统固系统固系统固有部分有部分有部分有部分频率特频率特频率特频率特性性性性加入加入加入加入校正校正校正校正装置装置装置装置系统固系统固系统固系统固有部分有部分有部分有部分传递函传递函传递函传递函数数数数优点：优点：优点：优点：1 1、开环频率特性图容易绘制、开环频率特性图容易绘制、开环频率特性图容易绘制、开环频率特性图容易绘制简便简便简便简便2 2、系统结构参数与系统性能关系清晰、系统结构参数与系统性能关系清晰、系统结构参数与系统性能关系清晰、系统结构参数与系统性能关系清晰直观直

26、观直观直观自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正二、设计依据和一般步骤二、设计依据和一般步骤二、设计依据和一般步骤二、设计依据和一般步骤（1 1）绘制固有部分的开环伯德图）绘制固有部分的开环伯德图）绘制固有部分的开环伯德图）绘制固有部分的开环伯德图（2 2）列出控制系统需要满足的性能指标）列出控制系统需要满足的性能指标）列出控制系统需要满足的性能指标）列出控制系统需要满足的性能指标（3 3）校正后的开环伯德图（期望开环频率特性）校正后的开环伯德图（期望开环频率特性）校正后的开环伯德图（期望开环频率特性）

27、校正后的开环伯德图（期望开环频率特性）（4 4）求出校正装置的伯德图）求出校正装置的伯德图）求出校正装置的伯德图）求出校正装置的伯德图（5 5）求出校正装置的传递函数）求出校正装置的传递函数）求出校正装置的传递函数）求出校正装置的传递函数（6 6）确定校正装置的结构和参数）确定校正装置的结构和参数）确定校正装置的结构和参数）确定校正装置的结构和参数自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正三、频域性能指标的确定三、频域性能指标的确定三、频域性能指标的确定三、频域性能指标的确定1、控制系统的暂态性能指标、控制

28、系统的暂态性能指标(1)(1)以系统的单位阶跃响应为基础而提出的性能指标以系统的单位阶跃响应为基础而提出的性能指标以系统的单位阶跃响应为基础而提出的性能指标以系统的单位阶跃响应为基础而提出的性能指标 上升时间上升时间tr、超调量、超调量Mp、调节时间、调节时间ts(2)(2)以系统闭环频率特性为基础而提出的性能指标以系统闭环频率特性为基础而提出的性能指标以系统闭环频率特性为基础而提出的性能指标以系统闭环频率特性为基础而提出的性能指标 谐振峰值谐振峰值Mr、谐振频率、谐振频率r、带宽、带宽b(3)(3)以系统开环频率特性为基础而提出的性能指标以系统开环频率特性为基础而提出的性能指标以系统开环频率

29、特性为基础而提出的性能指标以系统开环频率特性为基础而提出的性能指标系统开环伯德图的剪切频率系统开环伯德图的剪切频率系统开环伯德图的剪切频率系统开环伯德图的剪切频率c系统的增益裕度系统的增益裕度Gm、相角裕度、相角裕度(c)三组性能指标不是各自独立三组性能指标不是各自独立三组性能指标不是各自独立三组性能指标不是各自独立,可以混合使用可以混合使用可以混合使用可以混合使用,但不能互相矛盾但不能互相矛盾但不能互相矛盾但不能互相矛盾!自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正2、控制系统的带宽频率的确定、控制系统的带

30、宽频率的确定重要性：对系统性能有重要影响，受很多因素影响重要性：对系统性能有重要影响，受很多因素影响重要性：对系统性能有重要影响，受很多因素影响重要性：对系统性能有重要影响，受很多因素影响（1 1）信号复现能力和噪声干扰）信号复现能力和噪声干扰）信号复现能力和噪声干扰）信号复现能力和噪声干扰确定方法：确定方法：确定方法：确定方法：有用信号带宽有用信号带宽有用信号带宽有用信号带宽干扰信号带宽干扰信号带宽干扰信号带宽干扰信号带宽需注意问题：需注意问题：需注意问题：需注意问题：s s s s和和和和n n n n靠得比较近难以确定靠得比较近难以确定靠得比较近难以确定靠得比较近难以确定（2 2）机械谐

31、振频率的限制）机械谐振频率的限制）机械谐振频率的限制）机械谐振频率的限制考虑的主要问题：尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。考虑的主要问题：尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。考虑的主要问题：尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。考虑的主要问题：尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。考虑的主要问题：避免激起机械振荡，甚至共振。考虑的主要问题：避免激起机械振荡，甚至共振。考虑的主要问题：避免激起机械振荡，甚至共振。考虑的主要问题：避免激起机械振荡，甚至共振。确定方法：确定方法：确定方法：确定方法：需注意问题：需注意问题：需注意问题：需注意问题：b b b b和和和和m m m m靠得比较近会

32、降低相对稳定性靠得比较近会降低相对稳定性靠得比较近会降低相对稳定性靠得比较近会降低相对稳定性 开环伯德图的剪切频率开环伯德图的剪切频率开环伯德图的剪切频率开环伯德图的剪切频率 c c和和和和 mm距离尽可能远些距离尽可能远些距离尽可能远些距离尽可能远些自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正（3 3）系统的数学模型）系统的数学模型）系统的数学模型）系统的数学模型将系统固有部分的数学模型在一定条件下予以简化，用将系统固有部分的数学模型在一定条件下予以简化，用将系统固有部分的数学模型在一定条件下予以简化，用将

33、系统固有部分的数学模型在一定条件下予以简化，用较为简单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。较为简单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。较为简单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。较为简单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。要求：选定的要求：选定的要求：选定的要求：选定的C C C C应在近似的数学模型的适用带宽内。应在近似的数学模型的适用带宽内。应在近似的数学模型的适用带宽内。应在近似的数学模型的适用带宽内。几种常见的近似和适用条件几种常见的近似和适用条件几种常见的近似和适用条件几种常见的近似和适用条件自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的

34、校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正四、频率特性设计方法四、频率特性设计方法四、频率特性设计方法四、频率特性设计方法频率特性图可以清楚表明系统改变性能指标的方向。频域设计通常通过Bode图进行处理起来十分简单。（当采用串联校正时，使得校正后系统的Bode图即 为原有系统Bode图和校正装置的Bode图直接相加）对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气动元件，通常可以通过频率响应实验来获得其Bode图。在涉及到高频噪声时，频域法设计比其他方法更为方便。自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的

35、校正低频段低频段 (第一个转折频率第一个转折频率 1 1之前的频段之前的频段)稳态性能稳态性能中频段中频段 (1 1 10 10c c)动态性能动态性能高频段高频段 (1010c c 以后的频段以后的频段)抗干扰抗干扰三频段三频段自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正低频段低频段稳态误差系数0型系统 KpK；Kv Ka0I型系统 Kp；Kv1；Ka0II型系统 Kp；Kv；Ka=22 自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性

36、系统的校正中频段反映系统的稳定性和快速性中频段中频段最小相位系统的相位裕量中频段的斜率高频段的斜率中频段的带宽低频段斜率自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正60dB/dec 肯定不稳定；40dB/dec 可能稳定，但稳定裕量较小；20dB/dec 一般稳定，且稳定裕量大。例外：频带太窄时，c g，也不稳定。中频段斜率变化对中频段斜率变化对 的影响的影响自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正=180=0=90低、

37、中、高频段斜率相同低、中、高频段斜率相同低、中、高频段斜率相同低、中、高频段斜率相同自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正低频段斜率变化对低频段斜率变化对 的影响的影响、低频段、低频段、低频段、低频段0dB/dec 0dB/dec 中频段中频段中频段中频段20dB/dec20dB/dec自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正=90、低频段、低频段、低频段、低频段-20dB/dec -20dB/dec 中频段中频段

38、中频段中频段20dB/dec20dB/dec自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正低频段有更大的斜率将导致相位裕量减小（原来为低频段有更大的斜率将导致相位裕量减小（原来为9090）。）。影响的大小与影响的大小与 c c/1 1有关，有关，1 1离离 c c越远，影响越小。越远，影响越小。、低频段、低频段、低频段、低频段-40dB/dec -40dB/dec 中频段中频段中频段中频段20dB/dec20dB/dec自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性

39、系统的校正线性系统的校正线性系统的校正结论：低频段斜率越大对相位裕量影响越大。结论：低频段斜率越大对相位裕量影响越大。结论：低频段斜率越大对相位裕量影响越大。结论：低频段斜率越大对相位裕量影响越大。、低频段、低频段、低频段、低频段-60dB/dec -60dB/dec 中频段中频段中频段中频段20dB/dec20dB/dec自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正=90高频段斜率变化对高频段斜率变化对 的影响的影响、中频段、中频段、中频段、中频段-20dB/dec -20dB/dec 高频段高频段高频段高

40、频段20dB/dec20dB/dec自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正高频段有更大的斜率同样导致相位裕量减小。高频段有更大的斜率同样导致相位裕量减小。2 2离离 c c越远，影响越小。越远，影响越小。、中频段、中频段、中频段、中频段-20dB/dec -20dB/dec 高频段高频段高频段高频段40dB/dec40dB/dec自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正结论：高频段斜率越大对相位裕量影响也越大。结论

41、：高频段斜率越大对相位裕量影响也越大。结论：高频段斜率越大对相位裕量影响也越大。结论：高频段斜率越大对相位裕量影响也越大。、中频段、中频段、中频段、中频段-20dB/dec -20dB/dec 高频段高频段高频段高频段60dB/dec60dB/dec自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正中频带宽度对中频带宽度对 的影响的影响自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正 1 1、2 2离离 c c越远，即越远，即h=h=

42、2 2/1 1越大，相位裕量越大，相位裕量 越大。越大。相位裕量最大时相位裕量最大时自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正一个设计合理的系统的三频段一个设计合理的系统的三频段中频段的斜率以20dB为宜；低频段和高频段可以有更大的斜率 低频段斜率大，提高稳态性能；高频段斜率大，排除干扰。但中频段必须有足够的带宽，以保证系的相位裕 量，带宽越大，相位裕量越大。c c的大小取决于系统的快速性要求。的大小取决于系统的快速性要求。c c大快速性好，但抗扰能力下降。大快速性好，但抗扰能力下降。自动控制理论自动控制理

43、论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正五、期望的系统开环频率特性（期望特性）五、期望的系统开环频率特性（期望特性）五、期望的系统开环频率特性（期望特性）五、期望的系统开环频率特性（期望特性）根据设计指标而确定的满足系统品质要求的开环对数幅频特性曲线。期望特性：期望特性：L Ldsds()1 1、确定低频段、确定低频段、确定低频段、确定低频段低频段低频段 ：L()20lgK1放大环节放大环节积分环节积分环节稳态误差稳态误差稳态无差度稳态无差度自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校

44、正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正2、中频段、中频段（1）按给定的时域频性能指标交界频率c（2）过c点作-20dB/dec的直线（3）确定中频渐近线的长度，或起点2和终点32和3分别成为c前后的转折频率I I型或型或II II型系统型系统自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正、高频段、高频段系统固有特性Ls()的高频部分 相同斜率、便于实现！、期望频率特性画法举例、期望频率特性画法举例 设系统开环传递函数为要求的性能指标为要求的性能指标为要求的性能指标为要求的性能指标为自动控制理论自动控制理论

45、自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正解：解：解：解：(1)低频段的绘制I型系统低频段斜率:20dB/decA点:(=1,20lgK=20lg200=46dB)（2）中频段的绘制 过 作斜率为20dB/dec的直线 取取自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正与高频段相交过 作斜率为40dB/dec直线（5）中高频段的联接系统固有特性 的高频段（3）绘制高频段60dB/dec中频段与 垂线的交点（4）低中频段的联接斜率等于40dB/dec

46、与低频渐近线交点的频率srad/1003=w自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正（6）验算性能特性指标 校正后系统校正后系统校正后系统校正后系统传递函数传递函数传递函数传递函数剪切频率剪切频率剪切频率剪切频率相角裕度相角裕度相角裕度相角裕度中频带宽度中频带宽度中频带宽度中频带宽度自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正六、校正装置的实现问题六、校正装置的实现问题六、校正装置的实现问题六、校正装置的实现问题、什么是

47、实现问题、什么是实现问题、什么是实现问题、什么是实现问题传递函数传递函数传递函数传递函数实际电路或物理系统实际电路或物理系统实际电路或物理系统实际电路或物理系统、实现问题需要考虑的因素、实现问题需要考虑的因素、实现问题需要考虑的因素、实现问题需要考虑的因素技术因素（实现的简便性、可靠性、稳定性、技术因素（实现的简便性、可靠性、稳定性、技术因素（实现的简便性、可靠性、稳定性、技术因素（实现的简便性、可靠性、稳定性、可维护性、体积大小、功耗等）可维护性、体积大小、功耗等）可维护性、体积大小、功耗等）可维护性、体积大小、功耗等）经济因素（实现成本、运行成本、维护成本）经济因素（实现成本、运行成本、维

48、护成本）经济因素（实现成本、运行成本、维护成本）经济因素（实现成本、运行成本、维护成本）、实现问题存在的困难、实现问题存在的困难、实现问题存在的困难、实现问题存在的困难微分校正装置难以实现，且抗干扰能力差微分校正装置难以实现，且抗干扰能力差微分校正装置难以实现，且抗干扰能力差微分校正装置难以实现，且抗干扰能力差七、非线性因素和干扰问题七、非线性因素和干扰问题七、非线性因素和干扰问题七、非线性因素和干扰问题自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正线性系统的校正第五节第五节第五节第五节 串联校正的设计串联校正的设计串联校正

49、的设计串联校正的设计一、串联相位超前校正一、串联相位超前校正一、串联相位超前校正一、串联相位超前校正c相频超前 系统带宽稳定裕度设计串联相位超前校正装置的步骤：设计串联相位超前校正装置的步骤：设计串联相位超前校正装置的步骤：设计串联相位超前校正装置的步骤：1 1、根据稳态性能指标确定系统的开环增益、根据稳态性能指标确定系统的开环增益、根据稳态性能指标确定系统的开环增益、根据稳态性能指标确定系统的开环增益2 2、绘制在确定、绘制在确定、绘制在确定、绘制在确定KK值下的开环佰德图，计算其相角裕度值下的开环佰德图，计算其相角裕度值下的开环佰德图，计算其相角裕度值下的开环佰德图，计算其相角裕度0 0

50、0 03 3、由要求的相角裕度、由要求的相角裕度、由要求的相角裕度、由要求的相角裕度，计算所需的超前相角，计算所需的超前相角，计算所需的超前相角，计算所需的超前相角4 4、计算校正网络系数、计算校正网络系数、计算校正网络系数、计算校正网络系数5 5、确定校正后系统的剪切频率、确定校正后系统的剪切频率、确定校正后系统的剪切频率、确定校正后系统的剪切频率未校正系统伯德图曲线上增益为未校正系统伯德图曲线上增益为未校正系统伯德图曲线上增益为未校正系统伯德图曲线上增益为对应频率对应频率对应频率对应频率自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论第六章第六章第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正线