Ⅰ型三阶系统系统的四阶参考模型

摘要参考模型法校正是频率法校正中经常使用的一种校正方法。

它基于参考模型来修正固有特性从而求得校正装置。

因此作图简单，校正方便，没有繁杂的计算。

常用的参考模型按照系统阶数划分为二阶参考模型，四阶参考模型等。

本文基于Ⅰ型三阶系统的四阶参考模型法设计及仿真研究。

研究典型Ⅰ型3阶系统动静态性能特性并完成设计，以达到使该系统满足工程实际性能指标要求。

运用经典控制理论中频域理论方法，分析给定的典型系统基本特性，按照实际的工艺指标运用四阶参考模型设计满足要求的闭环系统方案，用MATLAB/SIMULINK对设计系统进行仿真验证。

【关键词】：Ⅰ型三阶系统四阶参考模型仿真。

AbstractReference correction is frequency model, a correction method is frequently used in the calibration. It is based on reference model to revise the inherent characteristics of calibration device is obtained. So drawing simple, easy to correction, no complex calculation. Commonly used reference model according to the system order is divided into two order reference model, fourth order reference model, etc. Based on the fourth-order Ⅰthird-order system reference model method of design and simulation research. Research on typical Ⅰtype 3 order system dynamic and static performance characteristics and complete the design, to make the system meet the requirements of practical engineering performance index. By using the theory of classical control theory of intermediate frequency domain method, analysis the basic features typical of a given system, according to the actual technical index using the fourth order reference model design meet the requirements of the closed loop system solutions, using MATLAB/SIMULINK for simulation design system.【Keyword】：Ⅰtype three order system Fourth order reference model The simulation。

第一章绪论第一节课题研究的背景自动控制技术广泛的应用于现代的各行各业，一个国家自动化水平的高低，直接反映了到这个国家的科技水平的高低。

从最早的机械转速、位置控制，到后来的温度、压力控制以及现在的人工智能，模糊控制，神经网络，遗传算法。

比如智能手机领域的手机语音助手，现在热潮的智能家居，以及将来越来越多的可能威胁人类的智能机器人。

自动控制技术已经越来越成为人们生活中不可或缺甚至扮演着越来越重要的角色。

在实际工程中，控制系统的参数一般的事先给出了，在预先的系统经分析后发现不能满足预先设定的性能和指标，就需要对预定系统进行校正以满足现实中的要求。

第二节课题研究的意义经典控制理论中一般采用根轨迹校正和频域法校正。

在工程实际中一般采用频域法校正，本文基于频域法校正中的四阶参考模型校正，也叫按期望特性进行校正。

方法简单，易于计算，往往用经验公式进行运算，具有很强的实际意义。

第三节论文的结构论文首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构第二章对系统校正的概念、指标、类型进行简要的介绍第三章对系统进行校正设计第四章对系统进行仿真模拟最后总结、致谢。

第二章 系统校正概述第一节 系统校正的概念控制系统包括被控对象，检测装置、放大元件、执行机构、当被控对象给定后，就可以按照被控对象的工作条件对执行元件的形式，特性和参数进行选定。

这些初步选定的元件及被控对象构成了系统中的不可变部分。

控制系统校正的目的是将校正装置与系统的固有部分经过合适的连接，构成新的系统结构，使其完成控制系统的任务要求。

第二节 系统校正基础一、控制系统的性能指标实际工程中，系统指标事先给出，当系统的固有部分不能满足系统的性能指标时，需要根据被控对象的控制要求选择适当的校正装置，来满足要求。

一般来说，性能指标不应该比实际任务的性能指标高，实际系统的各种性能指标受到组成元件的固有误差，非线性特性及其他各种物理条件的限制。

(一) 时域性能指标时域性能指标分为动态性能指标和稳态性能指标。

动态性能指标主要有上升时间r t 、峰值时间p t 、调节时间s t 、超调量% ；稳态性能指标由稳态误差ss e 描述，分为：静态位置误差系数P K 、静态速度误差系数v K 、静态加速度误差系数a K 。

时域指标直观但是进行校正装置设计使比较困难，实际中通常采用频域法进行设计。

（二）频域性能指标频域性能指标分为开环频域指标和闭环频域指标。

常用的开环频域指标有：截至频率c w 、幅值裕量g K 、相角裕量γ 。

常用的闭环频域指标有：谐振峰值r M 、谐振频率r w 、带宽频率b w 。

（三）典型二阶系统频域指标和时域指标的关系谐振峰值0.707r M ξ=<<谐振频率0.707r w w ξ=<<带宽频率b w w =截止频率c w w =相角裕量r =超调量100%%e σ=调节时间 3.55%s nt w ξ=∆= (四) 高阶系统开环频域与时域指标的关系谐振峰值001,35901 1.8sin r r M M γγ≈≤≤≤≤， 超调量10.160.41sin σγ⎛⎫=+-⎪⎝⎭ 或()%0.160.41r M σ=+- ，(1M 1.80)r ≤≤调节时间0s cK t w π=()()202 1.51 2.51,(1 1.8)r r r K M M M =+-+-≤≤第三节 控制系统校正的方式根据校正装置在系统中不同位置，校正结构的不同形式可以分为串联校正、联校正、前馈校正等方式，按照校正装置设计方法的同可以分为频域法校正、轨迹校正、时域校正等方法。

根据校正装置特性不同可以分为超前校正、滞后校正、滞后-超前校正和PID 控制方法等。

串联校正装置(s)c G 一般在测量点之后和放大器之前，校正装置的功率较小，设计及实现都比较简单，是最常用的校正方式。

如图1-1所示，1(s)G 、2(s)G 、(s)H 为系统固有部分的传递函数，(s)c G 为校正装置传递函数。

校正前系统的闭环传递函数为1212(s)(s)(s)1(s)(s)(s)G G G G H Φ=+校正后系统的闭环传递函数1212(s)G (s)G (s)(s)1(s)G (s)(s)(s)c c G G G H Φ=+串联校正后系统的零极点发生变化，只要选着合适的校正装置的参数，就可以使校正后的系统满足期望的性能指标，但是，这种方法对参数的变化比较敏感。

图1-1第四节控制系统的基本控制规律了解控制系统的基本规律对选择什么样的校正装置和方法非常必要，一般的控制规律分为比例环节、积分环节、微分环节及其组合比例-微分、比例-积分、比例-积分-微分等控制规律。

一、比例控制规律具有比例控制规律的控制器称为比例控制器，简称P控制器，如图1-2所示。

P控制器是一个具有可调增益的放大器，比例元件改变信号的增益而对相位没有影响，在串联校正中，比例控制可以提高控制器的放大系数K提高系统p开环增益，减小系统稳态误差，提高稳态精度，但是，开环增益的增大会降低系统的动态稳定性，甚至有可能使闭环系统不稳定。

在控制系统中，仅仅有比例环节很难兼顾系统的稳态精度和动态性能，因此在工程实际中，很少单独只用比例控制器，往往和其他控制器一起使用。

图1-2 比例控制器比例环节的物理模型图1-310f R G R =-二、比例-微分控制规律具有比例-微分控制规律的的控制器，称为PD 控制器。

其输出信号(t)m 和输入信号(t)e 的关系为(t)(t)(t)K p p Dde m K e dtτ=+其中p K 为比例系数，D τ 为时间常数，p K 与D τ 都是可调的参数，PD 控制器如图1-4所示图1-4比例-微分控制器中的微分控制作用，能反映输入信号的变化趋势，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但是，微分控制系统对系统的噪声非常敏感，存在放大噪声，降低系统抗干扰能力的不利因素，因此微分环节在任何情况下，都不宜与被控对象串联单独使用。

通常，微分控制规律和比例控制规律或比例-积分控制规律结合组成PD 或PID 控制规律。

三、积分控制规律具有积分控制规律的控制器，称为I 控制器。

其输出信号(t)m 和输入信号(t)e 的关系为1(t)K (t)dt (t)ttp Im e e dt τ==⎰⎰其中p K 为可调比例系数。

1I pK τ=为积分控制器的积分时间常数。

积分控制器可以提高系统的误差都度和稳定性能，但是积分控制器使系统增加一个位于原点的开环极点，信号产生090 的相位滞后，不利于系统稳定。

因此，很少单独用积分环节进行校正。

积分控制器如图1-5图1-5积分环节的物理模型图1-62101(s)G C R S=-四、比例-积分控制规律具有比例-积分控制规律的控制器，称为PI 控制器。

其输出信号(t)m 和输入信号(t)e 的关系为(t)K (t)(t)dttpP IK m e e τ=+⎰其中p K 为可调比例系数。

i τ 为可调积分时间常数。

PI 控制器如图1-7所示。

图1-7比例-积分控制器相当于同时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。

位于原点的开环极点可以提高系统的性别，以消除或减小系统的稳态误差；增加的负实数零点则可以提高系统阻尼程度，缓和开环极点对系统稳定性产生的不利影响。