自动控制原理-控制系统的校正课件.ppt

1、自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正自动控制原理自动控制原理 (Principles of Automatic Control）自动控制原理自动控制原理第六章第六章 控制系统的校正控制系统的校正Chapter 6 Compensation of Control Systems自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 本章重点内容本章重点内容系统校正的目的、意义系统校正的目的、意义基本控制规律基本控制规律串联超前、滞后校正方法串联超前、滞后校正方法反馈校正方法反馈校正方法自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校

2、正 被控制对象是已知的，性能指标是预先给定被控制对象是已知的，性能指标是预先给定的，要求设计者选择控制器的结构和参数，使控的，要求设计者选择控制器的结构和参数，使控制器与被控对象组成一个性能满足要求的系统。制器与被控对象组成一个性能满足要求的系统。这类问题叫做系统的综合。这类问题叫做系统的综合。 可见，综合的目的就是在系统中引入合适的可见，综合的目的就是在系统中引入合适的附加装置，使原有系统的缺点得到校正，从而满附加装置，使原有系统的缺点得到校正，从而满足一定的性能指标。引入的附加装置称为校正装足一定的性能指标。引入的附加装置称为校正装置。置。 所以系统的综合问题就是选择校正装置接入所以系统的

3、综合问题就是选择校正装置接入的位置以及它的结构和参数的问题。有时也笼统的位置以及它的结构和参数的问题。有时也笼统地把系统的综合称为校正。地把系统的综合称为校正。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正6.1 6.1 引言引言 控制系统设计的目的，是将构成控制器的各控制系统设计的目的，是将构成控制器的各元件与被控对象适当组合起来，使之满足表征控元件与被控对象适当组合起来，使之满足表征控制精度、阻尼程度和响应速度的性能指标要求。制精度、阻尼程度和响应速度的性能指标要求。 如果通过调整控制器增益后仍然不能全面满如果通过调整控制器增益后仍然不能全面满足设计要求的性能指标，就

4、需要在系统中增加一足设计要求的性能指标，就需要在系统中增加一些参数及特性可按需要改变的校正装置，使系统些参数及特性可按需要改变的校正装置，使系统全面满足设计要求。全面满足设计要求。 在研究系统校正装置时，为了方便，将系统在研究系统校正装置时，为了方便，将系统中除了校正装置以外的部分，包括被控对象及控中除了校正装置以外的部分，包括被控对象及控制器的基本组成部分一起称为制器的基本组成部分一起称为“固有部分固有部分”。 因此控制系统的因此控制系统的校正校正，就是就是按给定的固有部按给定的固有部分和性能指标，设计校正装置分和性能指标，设计校正装置。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正

5、控制系统的校正6.1.1 被控对象被控对象 将将被被控对象控对象(controlled plant)和控制装置同和控制装置同时进行设计是比较合理的，这样能充分发挥控制时进行设计是比较合理的，这样能充分发挥控制的作用，往往能使受控对象获得特殊的、良好的的作用，往往能使受控对象获得特殊的、良好的技术性能，甚至能使复杂的受控对象得以改造而技术性能，甚至能使复杂的受控对象得以改造而变得异常简单。然而，变得异常简单。然而，相当多的场合还是先给定相当多的场合还是先给定被被控对象，然后才进行系统设计。控对象，然后才进行系统设计。 但无论如何，对但无论如何，对被控被控控对象要做到充分的控对象要做到充分的了解是

6、不容置疑的，要详细了解了解是不容置疑的，要详细了解被被控制对象的工控制对象的工作原理和特点作原理和特点:如哪些参量需要控制，哪些参量能够测量，可以如哪些参量需要控制，哪些参量能够测量，可以通过哪几个机构进行调整，通过哪几个机构进行调整，被被控对象的工作环境控对象的工作环境和干扰如何等。和干扰如何等。 还必须尽可能准确地掌握还必须尽可能准确地掌握被被控对象的动态数学控对象的动态数学模型，以及受控对象性能要求，这些都是系统设模型，以及受控对象性能要求，这些都是系统设计的主要依据。计的主要依据。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正6.1.2 性能指标性能指标 性能指标

7、通常是由使用单位或被控对象的性能指标通常是由使用单位或被控对象的设计制造单位提出的。设计制造单位提出的。 不同的控制系统对性能指标的要求应有不不同的控制系统对性能指标的要求应有不同的侧重。同的侧重。 性能指标的提出，应符合实际系统的需要。性能指标的提出，应符合实际系统的需要。一般来说，性能指标不应当比完成给定任务所一般来说，性能指标不应当比完成给定任务所需要的指标更高。需要的指标更高。 作为控制系统的目标函数，如果性能指标作为控制系统的目标函数，如果性能指标以时域形式给出，一般用根轨迹法进行校正较以时域形式给出，一般用根轨迹法进行校正较为方便；如果性能指标以频域形式给出，通常为方便；如果性能指

8、标以频域形式给出，通常宜用频率法进行校正。宜用频率法进行校正。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 (1) 稳态精度指标，稳态精度指标，包括静态位置误差系数包括静态位置误差系数Kp，静态，静态速度误差系统速度误差系统Kv和静态加速度误差系数和静态加速度误差系数Ka。 (2) 稳定裕量指标。稳定裕量指标。通常希望相角裕量通常希望相角裕量 ，增，增益裕量益裕量Kg10dB，谐振峰值，谐振峰值 ,超调超调量量 ，阻尼比，阻尼比 。 (3) 响应速度，响应速度，包括上升时间包括上升时间tr、调整时间、调整时间ts、剪切频、剪切频率率 、带宽、带宽BW、谐振频率、谐振频率

9、 等。等。 (1)常用的时域指标包括超调量常用的时域指标包括超调量 、调节时间、调节时间ts、静、静态位置误差系数态位置误差系数Kp、静态速度误差系数、静态速度误差系数Kv、静态加、静态加速度误差系数速度误差系数Ka。 (2)常用的频域性能指标包括峰值频率常用的频域性能指标包括峰值频率 、频带、频带 、截止频率截止频率 、稳定裕度、稳定裕度和和Kg。45 601.1 1.4rM25%0.47 0.7rc%rbc自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正6.1.3 系统带宽的确定系统带宽的确定 性能指标中的带宽频率性能指标中的带宽频率 的要求，是一项的要求，是一项重要的

10、技术指标。无论采用哪种校正方式，都要重要的技术指标。无论采用哪种校正方式，都要求校正后的系统既能以所需精度跟踪输入信号，求校正后的系统既能以所需精度跟踪输入信号，又能抑制噪声扰动信号。又能抑制噪声扰动信号。在控制系统实际运行中在控制系统实际运行中输入信号一般是低频信号，而噪声信号则一般是输入信号一般是低频信号，而噪声信号则一般是高频信号。高频信号。因此，合理选择控制系统的带宽，在因此，合理选择控制系统的带宽，在系统设计中是一个很重要的问题。系统设计中是一个很重要的问题。b自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 通常通常，一个设计良好的实际运行系统，其相，一个设计良

11、好的实际运行系统，其相角裕量大约在角裕量大约在4560之间，之间，过低于此值，系过低于此值，系统的动态性能较差，且对参数变化的适应能力较统的动态性能较差，且对参数变化的适应能力较弱；弱；过高于此值，意味着对整个系统及其组成部过高于此值，意味着对整个系统及其组成部件要求较高。件要求较高。要实现要实现45左右的相角裕量，开环左右的相角裕量，开环对数幅频特性在中频区的斜率应为对数幅频特性在中频区的斜率应为20dB/dec，同，同时要求中频区占据一定的频率范围，以保证在系时要求中频区占据一定的频率范围，以保证在系统参数变化时，相角裕量变化不大。统参数变化时，相角裕量变化不大。 过此中频区后，要求系统幅

12、频特性迅速衰减，过此中频区后，要求系统幅频特性迅速衰减，以削弱噪声对系统的影响，这是选择系统带宽应以削弱噪声对系统的影响，这是选择系统带宽应该考虑的一个方面。另一方面，进入系统输入端该考虑的一个方面。另一方面，进入系统输入端的信号，既有输入信号的信号，既有输入信号 ，又有噪声信号，又有噪声信号 。( )r t( )n t自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正如果输入信号带宽为如果输入信号带宽为 ，噪声信号集中，噪声信号集中起作用的频带为起作用的频带为 ，则控制系统的带宽，则控制系统的带宽频率通常取为频率通常取为且使且使 处于处于( )范围之范围之 外，外，(510

13、)bM0 M1n1n0 b自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正6.1.4 系统校正系统校正 所谓校正，所谓校正，就是给系统附加一些具有某种典型就是给系统附加一些具有某种典型环节特性的电网络、模拟运算部件及测量装置等，环节特性的电网络、模拟运算部件及测量装置等，靠这些环节的配置来有效地改善整个系统的性能，靠这些环节的配置来有效地改善整个系统的性能，借以达到要求指标。借以达到要求指标。改善系统的性能有两种途径，改善系统的性能有两种途径，一种是调整参数，另一种就是增加校正环节。一种是调整参数，另一种就是增加校正环节。 按照校正环节在系统中的连接方式，控制系统按照校正环

14、节在系统中的连接方式，控制系统校正方式可分为校正方式可分为: 串联校正串联校正(cascade compensation) 反馈校正反馈校正(feedback compensation) 前馈校正前馈校正(feedforward compensation) 复合校正复合校正(compound compensation)自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 串联校正装置一般接在系统误差测量点之后和放串联校正装置一般接在系统误差测量点之后和放大器之前，串联于系统前向通道之中大器之前，串联于系统前向通道之中（上图）（上图）；反馈校正装置接在系统局部反馈通路之中反馈校正

15、装置接在系统局部反馈通路之中（下（下图）图）。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 前馈校正又称顺馈校正前馈校正又称顺馈校正，是在系统主反馈回路之，是在系统主反馈回路之外采用的校正方式。前馈校正是基于开环补偿的外采用的校正方式。前馈校正是基于开环补偿的办法来提高系统的精度，所以前馈校正一般不单办法来提高系统的精度，所以前馈校正一般不单独使用，总是和其他校正方式结合应用而构成复独使用，总是和其他校正方式结合应用而构成复合校正系统，以满足某些性能要求较高的系统的合校正系统，以满足某些性能要求较高的系统的需要。如图中需要。如图中(a)为按扰动补偿的复合控制形式，为按扰

16、动补偿的复合控制形式，(b)为按输入补偿的复合控制形式。为按输入补偿的复合控制形式。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 在在控制系统设计中，常用的校正方式为控制系统设计中，常用的校正方式为串联串联校正校正和和反馈校正反馈校正两种。两种。 一般来说一般来说，串联校正设计比反馈校正设计简，串联校正设计比反馈校正设计简单，也比较容易对信号进行各种必要形式的变换。单，也比较容易对信号进行各种必要形式的变换。 反馈校正所需元件数目比串联校正少。反馈反馈校正所需元件数目比串联校正少。反馈校正可消除系统原来部分参数波动对系统性能的校正可消除系统原来部分参数波动对系统性能的影

17、响。在性能指标要求较高的控制系统设计中，影响。在性能指标要求较高的控制系统设计中，常常兼用串联校正与反馈校正两种方式。常常兼用串联校正与反馈校正两种方式。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正6.1.5 基本控制规律基本控制规律1. 1. 比例控制规律比例控制规律(P)(P)P P控制器控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。实质上是一个具有可调增益的放大器。在在信号变换过程中，信号变换过程中，P P控制器只改变信号的增益而不控制器只改变信号的增益而不影响其相位。影响其相位。在串联校正中，加大控制器增益可提高系统的开环在串联校正中，加大控制器增益可提高系统的开环增

18、益，减小系统误差，从而提高系统的控制精度，增益，减小系统误差，从而提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。统不稳定。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正2. 2. 比例微分控制规律比例微分控制规律(PD)(PD)d ( )( )( )dppe tm tK e tKt PD控制器中的微分控制规律，能反应输入信号控制器中的微分控制规律，能反应输入信号的的变化趋势变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。在串联校正时，的

19、阻尼程度，从而改善系统的稳定性。在串联校正时，可使系统增加一个可使系统增加一个开环零点开环零点，使系统的，使系统的相角稳定裕度相角稳定裕度提高，因而有助于系统动态性能的改善。提高，因而有助于系统动态性能的改善。 通常，微分控制规律总是与比例控制规律或比例通常，微分控制规律总是与比例控制规律或比例积分控制规律结合起来，构成组合的积分控制规律结合起来，构成组合的PD或或PID控制控制器，应用于实际的控制系统。器，应用于实际的控制系统。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正3. 3. 积分控制规律积分控制规律(I)(I) 0( )( )dtim tKe tt 在在串联校

20、正时，采用串联校正时，采用I控制器可以提高系统的型别控制器可以提高系统的型别(无差度无差度)，有利用系统稳定性能的提高，但积分，有利用系统稳定性能的提高，但积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点，使控制使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生信号产生90的滞后，于系统的稳定性不利。的滞后，于系统的稳定性不利。因因此，在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单此，在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单一的一的I控制器。控制器。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正4. 4. 比例积分控制规律比例积分控制规律(PI)(PI) 0( )( )( )dtppiKm

21、tK e te ttT 在在串联校正时，串联校正时，PI控制器相当于在系统中增加控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于于S左半平面的开环零点。左半平面的开环零点。位于位于原点的极点原点的极点可以提高可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；而系统的稳态性能；而增加的负实数零点增加的负实数零点则用来减小则用来减小系统的阻尼程度，缓和系统的阻尼程度，缓和PI控制器极点对系统稳定性控制器极点对系统稳定性及动态过程产生的不利影响及动态过程产生的不利影响. 只

22、要只要积分时间常数积分时间常数Ti足够大，足够大，PI控制器对系统控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱。稳定性的不利影响可大为减弱。在控制工程实践中，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。控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正5. 5. 比例积分微分控制规律比例积分微分控制规律(PID)(PID) 0d ( )( )( )( )ddtpppiKe tm tK e te ttKTt)1()11 ()(2ssTsTTKssTKsGiiipip) 1)(1()(21sssTKsGip14iT自动控制原理自动控

23、制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 当当利用利用PID控制器进行串联校正时，除可使系控制器进行串联校正时，除可使系统的级别提高一级外，还将提供两个负实零点。统的级别提高一级外，还将提供两个负实零点。 与与PI控制器相比，控制器相比，PID控制器除了同样具有提控制器除了同样具有提高系统的稳态性能的优点外，还多提供一个负实高系统的稳态性能的优点外，还多提供一个负实零点。零点。从而在提高系统动态性能方面，具有更大从而在提高系统动态性能方面，具有更大的优越性。因此，在工业过程控制系统中，广泛的优越性。因此，在工业过程控制系统中，广泛使用使用PID控制器。控制器。 PID控制器各部分参数

24、的选择，在系统现场控制器各部分参数的选择，在系统现场调试中最后确定。调试中最后确定。 通常，应使通常，应使I部分发生在系统频率特性的低频部分发生在系统频率特性的低频段，以提高系统的稳态性能；而使段，以提高系统的稳态性能；而使D部分发生在部分发生在系统频率特性的中频段，以改善系统的动态性能系统频率特性的中频段，以改善系统的动态性能。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正6.2 6.2 串串 联联 校校 正正 在在串联校正中，根据校正元件对系统串联校正中，根据校正元件对系统性能的影响，又可分为性能的影响，又可分为 超超前校正前校正 滞滞后校正后校正 滞滞后后超前校正超

25、前校正自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正6.2.1 超前校正超前校正 超前校正超前校正(lead compensation)的基本原理是利的基本原理是利用超前校正网络的相角超前特性去增大系统的相用超前校正网络的相角超前特性去增大系统的相角裕度，以改善系统的暂态响应。角裕度，以改善系统的暂态响应。 RC超前网络，如图所示超前网络，如图所示:11)()()(1212121210CsRRRRCsRRRRsEsEsG) 1( 2121RRRCRT11)(TsTsKsGcc自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正显然显然超前校正装置对频率超前

26、校正装置对频率在两截止频率之间的输入在两截止频率之间的输入信号有明显的微分作用信号有明显的微分作用，在该频率范围内，输出信在该频率范围内，输出信号比输入信号相角超前，号比输入信号相角超前，反映在相频特性上就是具反映在相频特性上就是具有正相移。有正相移。这个正相移表这个正相移表明，网络在正弦信号作用明，网络在正弦信号作用下的稳态输出电压，在相下的稳态输出电压，在相位上超前于输入。这也就位上超前于输入。这也就是所谓超前网络名称的由是所谓超前网络名称的由来。来。Tm111arcsinm1lg10)(mcL自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 在在对数幅频特性中，截对数

27、幅频特性中，截止频率附近的斜率为止频率附近的斜率为40dB/dec，并且所占频率范，并且所占频率范围较宽，此围较宽，此系统的动态响应系统的动态响应振荡强烈，平稳性很差。对振荡强烈，平稳性很差。对照相频曲线可明显看出，在照相频曲线可明显看出，在范围内，对范围内，对线负穿越一次，线负穿越一次，故系统不稳定。故系统不稳定。 虚线虚线表示超前网络的对表示超前网络的对数频率特性。数频率特性。加入加入超前网络超前网络后会有增益损失，不利于稳后会有增益损失，不利于稳态精度，但可以通过提高开态精度，但可以通过提高开环增益给予补偿。环增益给予补偿。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的

28、校正 由于超前网络对数幅频特性在由于超前网络对数幅频特性在1/T至至1/T之间之间具有正斜率，所以原系统中频段的斜率由具有正斜率，所以原系统中频段的斜率由40dB/dec变成了变成了20dB/dec，增加平稳性；还是，增加平稳性；还是由于这个正斜率，使系统的截止频率增大到由于这个正斜率，使系统的截止频率增大到 ，系统的频带有所展宽，对快速性亦有利。由于超前系统的频带有所展宽，对快速性亦有利。由于超前网络具有正相移，使截止频率附近的相位明显上移，网络具有正相移，使截止频率附近的相位明显上移，因而系统由原来的不稳定变为稳定，且具有较大的因而系统由原来的不稳定变为稳定，且具有较大的稳定裕度。稳定裕度

29、。 总的来说，给系统串入超前校正网络，可以有总的来说，给系统串入超前校正网络，可以有效地改善原系统的平稳性和稳定性，并对快速性也效地改善原系统的平稳性和稳定性，并对快速性也将产生有利的影响，但是超前校正很难使原系统的将产生有利的影响，但是超前校正很难使原系统的低频段特性得到改进。低频段特性得到改进。2c自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正1. 基于根轨迹法的超前校正基于根轨迹法的超前校正 当当系统的性能指标为时域指标时系统的性能指标为时域指标时，用根轨迹，用根轨迹法设计校正装置比较方便。法设计校正装置比较方便。 应用根轨迹法设计校正装置的基本思路是：应用根轨迹法

30、设计校正装置的基本思路是：认为经校正后的闭环控制系统具有一对主导共轭认为经校正后的闭环控制系统具有一对主导共轭复数极点，系统的暂态响应主要由这一对主导极复数极点，系统的暂态响应主要由这一对主导极点的位置所决定。点的位置所决定。 当调整未校正系统的增益不能满足性能指标当调整未校正系统的增益不能满足性能指标的要求时，可以引入适当的校正装置，利用其零、的要求时，可以引入适当的校正装置，利用其零、极点改变原有系统轨迹的形状，使校正后系统的极点改变原有系统轨迹的形状，使校正后系统的根轨迹通过期望主导极点，或使系统的实际主导根轨迹通过期望主导极点，或使系统的实际主导极点与期望主导极点接近。极点与期望主导极

31、点接近。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正基于根轨迹的串联超前校正装置的一般步骤基于根轨迹的串联超前校正装置的一般步骤 (1) 根据给定的性能指标求出相应的一对期望闭环根据给定的性能指标求出相应的一对期望闭环主导极点。主导极点。 (2) 绘制未校正系统的根轨迹图。如根轨迹不通过绘制未校正系统的根轨迹图。如根轨迹不通过期望的闭环主导极点，则表明通过调整增益不能期望的闭环主导极点，则表明通过调整增益不能满足性能指标的要求，需加校正装置。满足性能指标的要求，需加校正装置。 (3) 如未校正系统的根轨迹位于期望闭环主导极点如未校正系统的根轨迹位于期望闭环主导极点的右侧

32、，则可引入串联超前校正，使根轨迹向左的右侧，则可引入串联超前校正，使根轨迹向左移动。加入校正装置后，应使期望闭环主导极点移动。加入校正装置后，应使期望闭环主导极点sd位于根轨迹上，即由根轨迹方程的相角条件，位于根轨迹上，即由根轨迹方程的相角条件，有下式成立有下式成立自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正0arg()arg()(21)cddG sG sk0arg()(21)arg()cddG skG s 在在sd处的相角处的相角 所对应的所对应的 (或称校正环或称校正环节的零、极点位置节的零、极点位置)不是唯一的，通常需要根据未不是唯一的，通常需要根据未校正系统的零

33、、极点位置和校正装置易于实现等校正系统的零、极点位置和校正装置易于实现等因素来具体确定因素来具体确定 。(4) 校验。重新绘制加入校正装置后的根轨迹图，检校验。重新绘制加入校正装置后的根轨迹图，检验是否满足性能指标的要求。若还不能满足要求，验是否满足性能指标的要求。若还不能满足要求，则应重新确定校正装置的零、极点位置。则应重新确定校正装置的零、极点位置。)(sGc)(argdcsG)(sGc自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 例例6-1 设有一个设有一个I型系统，其原有部分的开型系统，其原有部分的开环传递函数为环传递函数为 要求校正后系统的性能指标要求校正后系

34、统的性能指标 (2%误差带误差带)。试设计串联校正装置。试设计串联校正装置。)4)(1()(0sssKsGsts4%,16%自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正(2) 绘制未校正系统的根轨绘制未校正系统的根轨迹如图所示。再在图中标迹如图所示。再在图中标出期望闭环主导极点出期望闭环主导极点sd。可见，可见，sd不在根轨迹上。不在根轨迹上。(3) 由图可见，根轨迹位于由图可见，根轨迹位于期望闭环主导极点的右侧，期望闭环主导极点的右侧，可考虑引入串联超前可考虑引入串联超前校正。校正。sts4%,16%2, 5 . 0n2j11j1.73dnns 解：解：(1) 自动控

35、制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正0arg( )(21)arg( )(21)( 1209030 )60cddG skG sk 从图中还可以看出，开环极点之一位于期望闭环主导从图中还可以看出，开环极点之一位于期望闭环主导极点垂线下的负实轴上若今校正装置的零点置于靠近极点垂线下的负实轴上若今校正装置的零点置于靠近它的左面，如选它的左面，如选 ，则有利于确保，则有利于确保sd的主导作的主导作用用(后面还将验证后面还将验证)。2 . 1cz)()()(cccpszssG60)arg()arg()(argcccpszssG2 . 1cz95. 4cp95. 42 . 1)(s

36、ssGc自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 引入引入串联超前校正后，系统的开环传递函数变为串联超前校正后，系统的开环传递函数变为根轨迹根轨迹如图所如图所示。示。)95. 4)(4)(1()2 . 1()()(0sssssKsGsGc1j1.731j1.73 11j1.7341j1.734.9529.651j1.73 1.2K 1j1.73ds 自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正校正后，系统的闭环传递函数为校正后，系统的闭环传递函数为29.65(1.2)( )(1)(4)(4.95)29.65(1.2)29.65(1.2)(1j

37、1.73)(1j1.73)(1.35)(6.65)sss sssssssss 11j1.73p 21j1.73p 35. 13p65. 64p2 . 11z35. 13p偶极子偶极子自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正2. 基于频率法的超前校正基于频率法的超前校正 (1) 根据系统稳态性能要求确定系统开环增益值根据系统稳态性能要求确定系统开环增益值K。(2) 利用已确定的利用已确定的K值，画出未校正系统的伯德图，值，画出未校正系统的伯德图，并求得未校正系统的相位裕量。并求得未校正系统的相位裕量。(3) 由给定的相位裕量由给定的相位裕量 ，计算由超前校正装置产生，

38、计算由超前校正装置产生的相位超前量的相位超前量 ，即，即 式中的式中的 是用于补偿因超前校正装置的引入，使是用于补偿因超前校正装置的引入，使系统剪切频率增大而增加的相位滞后量。系统剪切频率增大而增加的相位滞后量。 的值的值通常是这样估计得：如果未校正系统的开环对数通常是这样估计得：如果未校正系统的开环对数幅频渐近线在剪切频率处的斜率为幅频渐近线在剪切频率处的斜率为 ，一，一般取般取 ；如果该处的斜率为；如果该处的斜率为 ，则取则取 。基于频率法的串联超前校正装置的一般步骤基于频率法的串联超前校正装置的一般步骤1mdB/dec40105dB/dec602012自动控制原理自动控制原理第第6 6章

39、章 控制系统的校正控制系统的校正(4) 根据确定的根据确定的 ，按照下式计算出相应的值，按照下式计算出相应的值 ，即，即(5) 计算校正装置在计算校正装置在 处的幅值处的幅值 。在未校正。在未校正系统的对数幅频特性图上找出幅值为系统的对数幅频特性图上找出幅值为 处的处的频率，这个频率既是频率，这个频率既是 的的 ，也是校正后系，也是校正后系统的开环剪切频率统的开环剪切频率 。 根据确定的根据确定的 值，求得超前校正装置转折频率值，求得超前校正装置转折频率 (6) 引入一增益等于引入一增益等于 的放大器，或将现有放大器的放大器，或将现有放大器的增益增加的增益增加 倍。倍。(7) 画出校正后系统的

40、伯德图，并验算相位裕量是否画出校正后系统的伯德图，并验算相位裕量是否满足要求？如果不满足，则需要增大值，从步骤满足要求？如果不满足，则需要增大值，从步骤(3)开始重新进行设计。开始重新进行设计。 mmmsin1sin1mlg10)(sGcmcccT1cT11lg101自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正例例6-2 设一单位反馈控制系统的开环传递函设一单位反馈控制系统的开环传递函数为数为 试设计一超前校正装置，使校正后系统的静试设计一超前校正装置，使校正后系统的静态速度误差系数态速度误差系数 ，相位裕量，相位裕量 ，增益裕量增益裕量 。 )2()(0ssKsG1s

41、20vK50dB10lg20gK自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 解：解：(1) 首先调整开环首先调整开环增益值，使系统满足预增益值，使系统满足预定的稳态性能指标定的稳态性能指标 可知可知 (2) 画出未校正系统的画出未校正系统的伯德图，如图中虚线所伯德图，如图中虚线所示，由图中可以确定，示，由图中可以确定，校正前系统的相位裕校正前系统的相位裕量量 。 20)2(lim)(lim000sssKssGKssv40K171自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 (3) 根据相位裕量的要求，确定超前校正装置的相根据相位裕量的要求，确定

42、超前校正装置的相位超前角：位超前角： (4) 计算出相应的计算出相应的 值，即值，即 (5) 超前校正装置在超前校正装置在 处的幅值为处的幅值为 。据此，在图上找出未校正系统开环幅值为据此，在图上找出未校正系统开环幅值为 所所对应的频率对应的频率 ，这个频率就是校正后系，这个频率就是校正后系统的剪切频率统的剪切频率 。38517501m24. 038sin138sin1mdB2 . 6)24. 01lg(10dB2 . 61s9mc自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 于是求得超前校正装置的转折频率为于是求得超前校正装置的转折频率为 因此可以确定超前校正装置为因

43、此可以确定超前校正装置为 为了补偿因引入校正装置而造成的衰减，将系统为了补偿因引入校正装置而造成的衰减，将系统增益增加增益增加 倍。这样，由超前装置和补倍。这样，由超前装置和补偿放大器组成的校正装置的传递函数为偿放大器组成的校正装置的传递函数为 4 .181 41. 41ccTT，ssss054. 01)227. 01 (24. 04 .1841. 417. 424. 01sssssGc054. 01227. 014 .1841. 417. 4)(自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正 校正后系统的开环传递函数为校正后系统的开环传递函数为 校正后系统的伯德图如图中

44、实线所示。由图可以校正后系统的伯德图如图中实线所示。由图可以看出，校正后的系统的相位裕量和增益裕量分别看出，校正后的系统的相位裕量和增益裕量分别为为 和和 。幅值穿越频率从。幅值穿越频率从6.3增加到增加到9说说明系统的响应速度增快了，动态响应性能也得到明系统的响应速度增快了，动态响应性能也得到了改善。校正后系统既能满足稳态性能要求，又了改善。校正后系统既能满足稳态性能要求，又能满足相对稳定性的要求。能满足相对稳定性的要求。 )054. 01)(5 . 01 ()227. 01 (20)()(0sssssGsGc50dB自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正6.2

45、.2 滞后校正滞后校正 串联串联滞后校正滞后校正(lag compensation)的的作用主作用主要有两条要有两条: 其一其一是提高系统低频响应的增益，减少系统的稳是提高系统低频响应的增益，减少系统的稳态误差，同时基本保证系统的暂态性能不变；态误差，同时基本保证系统的暂态性能不变； 其二是滞后其二是滞后校正装置的低通滤波器校正装置的低通滤波器(low-pass filter)的特性，将使系统高频响应的增益衰减，降的特性，将使系统高频响应的增益衰减，降低系统的截止频率，提高系统的相角稳定裕度，低系统的截止频率，提高系统的相角稳定裕度，以改善系统的稳定性和某些暂态性能。以改善系统的稳定性和某些暂

46、态性能。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正11)()()(22212CsRRRRCsRsEsEsGio) 1( 2212RRRCRT11)(TsTssG负相移负相移, ,在相位上滞后于在相位上滞后于输入，故称滞后网络。输入，故称滞后网络。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正Tm111arcsinm滞后校正网络实际相当于低滞后校正网络实际相当于低通滤波器，它对低频信号基通滤波器，它对低频信号基本没有衰减作用，但能抑制本没有衰减作用，但能抑制高频噪声，高频噪声，值越大，抵制值越大，抵制噪声的能力越强。通常选用噪声的能力越强。通常选用

47、=10=10较为合适。较为合适。主要是利用其高频幅值衰减特性，以降低系统的开环主要是利用其高频幅值衰减特性，以降低系统的开环截止频率，提高系统的相角裕度。截止频率，提高系统的相角裕度。但注意避免使最大但注意避免使最大滞后相角发生在校正后系统的开环对数频率特性的截滞后相角发生在校正后系统的开环对数频率特性的截止频率止频率c处，以免对系统暂态响应产生不良影响，在处，以免对系统暂态响应产生不良影响，在选择滞后参数时，通常取选择滞后参数时，通常取 1/T=c /4c /10。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正原系统的对数频率特性原系统的对数频率特性在中在中频段截止频率

48、频段截止频率c1c1附近为附近为60dB/dec60dB/dec的斜率线，故系的斜率线，故系统动态响应的平稳性很差。统动态响应的平稳性很差。再对照对数相频再对照对数相频曲线可知，曲线可知，系统接近于临界稳定。系统接近于临界稳定。虚线表示串联滞后校正环节的虚线表示串联滞后校正环节的对数频率特性。对数频率特性。一般将校正环一般将校正环节的转折频率节的转折频率1/T1/T及及1/T1/T均均设置在远离设置在远离c1c1，且斜率为，且斜率为20dB/dec20dB/dec的低频段，以减的低频段，以减小负相移对系统稳定性的影响。小负相移对系统稳定性的影响。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统

49、的校正控制系统的校正从相频曲线来看，滞后校正虽从相频曲线来看，滞后校正虽然带来负相移，但是处于频率然带来负相移，但是处于频率较低的部分，对系统的稳定裕较低的部分，对系统的稳定裕度不会有很大影响。度不会有很大影响。校正后的对数频率特性，校正后的对数频率特性，由由于滞后特性负斜率的作用，于滞后特性负斜率的作用，显著减小了系统的频宽，在显著减小了系统的频宽，在新的截止频率新的截止频率cc 2 2附近具有附近具有-20dB/dec-20dB/dec的斜率，故滞的斜率，故滞后校正是以对快速性的限制后校正是以对快速性的限制换取了系统的稳定性。换取了系统的稳定性。另外，串入滞后校正并没有改变原系统最低频段的

50、特性，故对系另外，串入滞后校正并没有改变原系统最低频段的特性，故对系统的稳定精度不起破坏作用；相反，往往还允许适当提高开环增统的稳定精度不起破坏作用；相反，往往还允许适当提高开环增益，进一步改善系统的稳态性能。益，进一步改善系统的稳态性能。自动控制原理自动控制原理第第6 6章章 控制系统的校正控制系统的校正1. 基于根轨迹法基于根轨迹法的滞后校正的滞后校正 串联滞后校正用于改善系统的稳态性能，而串联滞后校正用于改善系统的稳态性能，而且还可以基本保持系统原来的动态性能。当系统且还可以基本保持系统原来的动态性能。当系统有较为满意的动态响应，但稳态性能有待提高时，有较为满意的动态响应，但稳态性能有待