串联校正设计
串联超前校正课程设计
串联超前校正课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握串联超前校正的基本概念，理解其在控制系统中的应用和作用。
2. 学会运用数学公式和电路图表达串联超前校正环节，并分析其对系统性能的影响。
3. 掌握串联超前校正参数的设计方法，能够根据特定性能指标完成校正参数的计算。
技能目标：1. 培养学生运用仿真软件进行串联超前校正电路搭建和测试的能力。
2. 提高学生分析控制系统性能、提出改进方案并实施的能力。
3. 培养学生团队协作、沟通表达的能力，能够在小组讨论中分享观点和倾听他人意见。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对自动化控制技术的兴趣，培养其探究精神和创新意识。
2. 引导学生认识到科技进步对国家发展的重要性，树立正确的价值观。
3. 培养学生严谨、务实的科学态度，养成良好的学习习惯。
本课程针对高年级学生的认知水平和学习特点，注重理论知识与实践操作的相结合，培养学生的动手能力和创新能力。
通过本课程的学习，使学生能够更好地理解和应用串联超前校正技术，为后续专业课程打下坚实基础。
同时，注重培养学生的团队协作能力和沟通表达能力，提升其综合素质。
1. 理论知识：- 串联超前校正的基本原理及其在自动控制系统的应用。
- 串联超前校正的数学模型及传递函数推导。
- 串联超前校正对系统稳定性、快速性、平稳性等性能的影响。
- 校正参数的设计方法及步骤。
2. 实践操作：- 使用仿真软件（如MATLAB）搭建串联超前校正电路。
- 对搭建的校正电路进行仿真测试，分析校正效果。
- 根据性能指标要求，调整校正参数，优化系统性能。
3. 教学安排与进度：- 理论知识部分：共4课时，分两个阶段进行。
第一阶段（2课时）主要介绍串联超前校正的基本原理、数学模型及传递函数；第二阶段（2课时）讲解校正参数设计方法及性能分析。
- 实践操作部分：共4课时，与理论知识部分同步进行。
学生分小组进行仿真软件操作，教师指导并解答疑问。
4. 教材章节与内容：- 教材第五章：自动控制系统中的校正方法。
串联前馈校正课程设计
串联前馈校正课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握串联前馈校正的基本概念与原理。
2. 学生能够运用数学公式和电路图表达串联前馈校正的过程。
3. 学生能够解释串联前馈校正对系统性能的影响及其在实际应用中的重要性。
技能目标：1. 学生能够设计简单的串联前馈校正电路，并分析其校正效果。
2. 学生通过实际操作和模拟软件，培养解决实际工程问题的能力。
3. 学生能够利用所学知识，对现有系统进行性能优化分析与建议。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对自动控制学科的兴趣，激发学习热情和探究精神。
2. 学生通过小组合作，培养团队协作精神和沟通能力。
3. 学生通过学习，认识到科学技术在国家发展和社会进步中的重要作用，增强社会责任感和使命感。
课程性质分析：本课程属于自动控制原理部分，以理论与实践相结合的方式进行教学，旨在帮助学生建立完整的自动控制知识体系。
学生特点分析：考虑到学生年级特点，已经具备一定的电路基础和控制理论基础，但需进一步通过实践加深对理论知识的理解。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，强调学生的参与和动手能力，通过具体实例和实际操作，使学生能够真正理解和掌握串联前馈校正的相关知识。
在教学过程中，注重培养学生的创新能力和实际操作技能，为后续课程学习打下坚实基础。
二、教学内容1. 串联前馈校正的基本原理及其数学描述。
- 课本章节：第三章第三节- 内容：前馈控制的概念、串联前馈校正的原理、数学模型的建立。
2. 串联前馈校正电路的设计与分析。
- 课本章节：第三章第四节- 内容：串联前馈校正电路的设计方法、性能分析、参数调整。
3. 串联前馈校正在实际系统中的应用案例分析。
- 课本章节：第三章第五节- 内容：典型应用案例、系统性能优化、实际操作演示。
4. 实验教学与软件模拟。
- 课本章节：实验教程第四章- 内容：实验原理、实验步骤、软件模拟操作、实验结果分析。
教学大纲安排：第一周：学习串联前馈校正的基本原理及其数学描述。
串联校正系统设计
串联校正系统设计引言：串联校正系统（Cascade Control System）是一种常用的控制系统结构，通过将多个控制环路串联在一起，实现更高级别的控制和优化。
本文将介绍串联校正系统的设计原则和步骤。
一、设计原则：1. 目标一致性：各个控制环路的目标必须要一致，以确保系统能够整体协调运作。
2. 层次化：将系统分为多个层次，每个层次对应一个控制环路，上层环路控制下层环路的设定值，下层环路控制具体的执行。
3. 校正器选择：选择合适的校正器，使得系统的动态响应满足要求，同时保持稳定性。
二、设计步骤：1. 确定系统层次：根据实际需求和系统结构设计，确定系统的层次结构。
2. 确定各个环路：根据系统的层次结构，确定每个层次对应的控制环路，包括上层环路和下层环路。
3. 设定目标：对于每个环路，设定合适的目标，如温度、压力等。
4. 设定环路连接方式：根据系统的工作原理和目标要求，确定各个环路之间的连接方式，可采用级联、串联等方式。
5. 设计校正器：根据系统的特点和要求，选择合适的校正器，如PID控制器、模型预测控制器等。
6. 参数调整：对于每个环路的校正器参数进行调整，使得系统的动态响应满足要求，同时保持稳定性。
7. 系统测试：对整个系统进行测试，验证设计的可行性和有效性，并进行必要的调整和优化。
三、示例：以温度控制系统为例，设计一个串联校正系统。
系统包含三个环路，分别是室内温度环路、供水温度环路和供水流量环路。
1. 确定系统层次：系统的层次结构为：室内温度环路（上层环路）→供水温度环路（中层环路）→供水流量环路（下层环路）。
3. 设定目标：室内温度环路的目标设定为25摄氏度，供水温度环路的目标设定为60摄氏度，供水流量环路的目标设定为10L/min。
4. 设定环路连接方式：采用级联连接方式，上层环路控制下层环路的设定值。
5. 设计校正器：对于每个环路，选择合适的校正器。
如室内温度环路可以使用PID控制器，供水温度环路可以使用模型预测控制器。
基于matlab的串联超前校正器设计
基于matlab的串联超前校正器设计一、串联超前校正器介绍1. 串联超前校正器的基本概念串联超前校正器是指一种具有稳定性和可调整性的控制系统，其目的是使被控系统的输出信号能够完全满足设定的要求。
这种校正器具有调节响应时间和级联控制两种作用，因此它可以用于各种控制常见的系统，以提高控制精度和动态特性。
2. 串联超前校正器的原理串联超前校正器的原理是将调节器和级联控制器结合起来，进行串联调节。
具体来说，调节器将控制量转换成一系列等效现象，以便确定被控系统的调节目标状态，而级联控制器将控制量转换为一系列计算参数来调整被控系统的动态响应，以期获得最新的控制精度和动态特性。
二、MATLAB对串联超前校正器的设计1. MATLAB环境搭建使用MATLAB设计串联超前校正器的基本步骤为：利用串联调节器的原理，设计滤波器，确定控制量，设计一系列参数来调整动态响应，评估系统性能，以及采用MATLAB技术来实现设计的仿真。
2. 模型建立在MATLAB环境中，先建立设计的串联超前校正器模型。
模型建立的过程涉及到拟合模型、调整参数等，以便使控制系统的系统表现达到设定的要求。
3. 系统性能评估在MATLAB环境中，可以运用信号处理技术来评估设计的串联超前校正器的系统性能，同时对模型的性能进行验证。
具体的系统性能指标包括：稳定性、静态误差、动态误差和可调性等。
4. 模型仿真最后，利用MATLAB技术来对模型进行仿真。
采用不同的输入信号，研究串联超前校正器的分级控制特征，以及系统性能的影响。
三、总结本文介绍了使用MATLAB设计串联超前校正器的步骤，包括模型建立、系统性能评估以及模型仿真。
MATLAB的使用可以简化串联超前校正器的设计过程，大大提高控制精度和动态特性，从而提高系统的可用性。
线性系统串联校正
线性系统串联校正一·实验目的1. 熟悉串联校正装置对线性系统稳定性和动态特性的影响。
2. 掌握串联校正装置的设计方法和参数调试技术。
二·实验要求1. 观测未校正系统的稳定性和动态特性。
2. 按动态特性要求设计串联校正装置。
3. 观测加串联校正装置后系统的稳定性和动态特性, 并观测校正装置参数改变对系统性能的影响。
4．对线性系统串联校正进行计算机仿真研究, 并对电路模拟与数字仿真结果进行比较研究。
三·实验原理①设计并连接一加串联校正后的二阶闭环系统的模拟电路, 可参阅本实验附录的图4.4.4, 利用实验箱上的U9、U14、U11.U15和U8单元连成②通过对该系统阶跃响应的观察, 来完成对其稳定性和动态特性的研究, 如何利用实验设备观测阶跃特性的具体操作方法, 可参阅“实验一”的实验步骤2。
四·实验所用仪器PC微机（含实验系统上位机软件）、ACT-I实验箱、USB2.0通讯线五·实验步骤和方法1. 观测未校正系统的稳定性和动态特性。
2. 按动态特性要求设计串联校正装置。
3．观测加串联校正装置后系统的稳定性和动态特性, 并观测校正装置参数改变对系统性能的影响。
4．对线性系统串联校正进行计算机仿真研究, 并对电路模拟与数字仿真结果进行比较研究。
具体步骤:1. 利用实验设备, 设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路, 完成该系统的稳定性和动态特性观测。
提示:①设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路, 可参阅本实验附录的图 4.1.1和图4.1.2, 利用实验箱上的U9、U11.U15和U8单元连成。
②通过对该系统阶跃响应的观察, 来完成对其稳定性和动态特性的研究, 如何利用实验设备观测阶跃特性的具体操作方法, 可参阅实验一的实验步骤2。
2．参阅本实验的附录, 按校正目标要求设计串联校正装置传递函数和模拟电路。
3. 利用实验设备, 设计并连接一加串联校正后的二阶闭环系统的模拟电路, 完成该系统的稳定性和动态特性观测。
串联超前校正的设计步骤
串联超前校正的设计步骤引言在工程领域中，为了确保系统的稳定性和性能，需要对系统进行校正。
其中一种常见的校正方法是串联超前校正。
本文将介绍串联超前校正的设计步骤，并详细讨论每个步骤的目标、方法和注意事项。
步骤一：系统分析和建模在进行任何形式的校正之前，首先需要对待校正系统进行全面的分析和建模。
该分析包括确定系统结构、参数和性能指标等。
目标：•理解待校正系统的结构和工作原理。
•理解各个组件之间的相互关系。
•确定待校正系统的参数和性能指标。
方法：1.收集有关待校正系统的技术规格说明书、原理图等资料。
2.绘制待校正系统的框图，标明各个组件之间的连接关系。
3.研究待校正系统中各个组件的功能和特性。
4.测试待校正系统以获取基本性能数据。
注意事项：•对于复杂的系统，可能需要使用计算机辅助设计（CAD）软件来绘制框图。
•在测试期间，确保使用准确和可靠的测试设备和方法。
步骤二：确定校正目标和要求在进行超前校正之前，需要明确校正的目标和要求。
这些目标和要求通常包括系统的稳定性、响应速度、抗干扰能力等。
目标：•确定校正的具体目标和要求。
•确定校正后系统应满足的性能指标。
方法：1.与系统设计人员和用户进行沟通，了解他们对系统性能的期望。
2.根据系统分析结果，确定校正目标和要求。
3.将校正目标和要求以清晰明确的方式记录下来。
注意事项：•在与设计人员和用户沟通时，需要充分理解他们的需求，并将其转化为具体的性能指标。
步骤三：设计串联超前校正器在完成系统分析、建模以及确定校正目标之后，可以开始设计串联超前校正器了。
串联超前校正器是一种用于改善系统响应速度和稳定性的控制器。
目标：•设计一个满足校正目标和要求的串联超前校正器。
•改善系统响应速度和稳定性。
方法：1.根据系统分析结果，选择合适的串联超前校正器类型。
2.根据校正目标和要求，设计串联超前校正器的传递函数。
3.使用数学工具（如MATLAB）进行仿真和优化。
4.根据仿真结果，进一步优化串联超前校正器的设计。
几种常用的串联校正装置及校正方法
⼏种常⽤的串联校正装置及校正⽅法⼏种常⽤的串联校正装置及校正⽅法⼀、相位超前校正装置1．电路2.传递函数3.频率特性⼆、校正原理⽤频率法对系统进⾏超前校正的基本原理，是利⽤超前校正⽹络的相位超前特性来增⼤系统的相位裕量，以达到改善系统瞬态响应的⽬的。
为此，要求校正⽹络最⼤的相位超前⾓出现在系统的截⽌频率（剪切频率）处。
由于RC组成的超前⽹络具有衰减特性，因此，应采⽤带放⼤器的⽆源⽹络电路，或采⽤运算放⼤器组成的有源⽹络。
⼀般要求校正后系统的开环频率特性具有如下特点：①低频段的增益充分⼤，满⾜稳态精度的要求；②中频段的幅频特性的斜率为-20dB/dec,并具有较宽的频带，这⼀要求是为了系统具有满意的动态性能；③⾼频段要求幅值迅速衰减，以较少噪声的影响。
三、校正⽅法⽅法多种，常采⽤试探法。
总体来说，试探法步骤可归纳为：1.根据稳态误差的要求，确定开环增益K。
2.根据所确定的开环增益K，画出未校正系统的博特图，量出(或计算)未校正系统的相位裕度。
若不满⾜要求，转第3步。
3.由给定的相位裕度值，计算超前校正装置应提供的相位超前量(适当增加⼀余量值)。
4.选择校正装置的最⼤超前⾓频率等于要求的系统截⽌频率，计算超前⽹络参数a和T；若有截⽌频率的要求，则依该频率计算超前⽹络参数a和T。
5.验证已校正系统的相位裕度；若不满⾜要求，再回转第3步。
例某单位反馈系统的开环传递函数如下设计⼀个超前校正装置，使校正后系统的静态速度误差系数Kv＝20s-1，相位裕度为γ≥50°。
解：根据对静态速度误差系数的要求，确定系统的开环增益K。
绘制未校正系统的伯特图，如图中的蓝线所⽰。
由该图可知未校正系统的相位裕度为γ＝17°根据相位裕度的要求确定超前校正⽹络的相位超前⾓由P133页，式(6-5)超前校正装置在w m处的幅值为在为校正系统的开环对数幅值为-6.2dB 对应的频率，这⼀频率就作为是校正后系统的截⽌频率。
串联校正系统设计
串联校正系统设计串联校正系统是一种通过对输入信号进行处理，使输出信号与期望值接近的自动控制系统。
它是由控制器、执行器和传感器组成的闭环控制系统。
控制器接收传感器采集到的实际值，并根据期望值和实际值的差异进行调节，以控制执行器的动作，从而实现对系统的校正。
1. 串联校正系统的目标串联校正系统的设计目标是实现对于被控对象的精确控制。
即使在外部环境变化或者被控对象参数变化的情况下，系统也能够快速响应并实现稳定的控制效果。
2. 串联校正系统的设计原则（1）稳定性原则：设计稳定的传感器和控制器，保障系统在外部环境变化时具有良好的稳定性。
（2）精度原则：保持系统的精度，要求传感器和控制器能够对于被控对象的参数进行准确测量和调节。
（3）快速响应原则：设计快速响应的控制器，使系统能够在外部环境变化时快速调整输出，实现对被控对象的快速校正。
（4）可靠性原则：确保系统具有良好的可靠性，降低控制系统发生故障的可能性。
1. 传感器的选择传感器是串联校正系统中的重要组成部分，它能够对被控对象的参数进行测量，并将实际值反馈给控制器。
传感器的选择应当根据被控对象的特性和要求来确定。
一般来说，需要考虑传感器的测量范围、测量精度、输出信号类型等因素。
2. 控制器的设计控制器是串联校正系统的核心部分，它根据传感器反馈的实际值和期望值之间的差异，调节执行器的动作，以实现对被控对象的校正。
在控制器的设计中，需要考虑控制算法的选择、控制器的响应速度、系统的稳定性等因素。
4. 串联校正系统的整体设计在进行串联校正系统的设计时，需要考虑传感器、控制器和执行器之间的匹配关系，确保它们能够协同工作，实现对被控对象的精确控制。
同时还需要考虑系统的稳定性、可靠性和安全性等方面。
五、串联校正系统的应用案例下面以某汽车制造厂生产线上的串联校正系统为例，介绍串联校正系统的具体应用。
某汽车制造厂生产线上的串联校正系统主要用于对汽车轮胎的气压进行校正。
传感器通过对轮胎气压进行测量，将实际值反馈给控制器。
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2、绘制在确定K值下的开环伯德图，计算其
相角裕度γ0
3、由要求的相角裕度γ，计算所需的超前相
角 0 0 5 ~ 20
4、计算校正网络系数
m0
1 1 ssii n nm m
串联校正设计
考虑到校正装置影 响剪切频率的位置 而留出的裕量
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
5、确定校正后系统的剪切频率ωc
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
串联相位超前校正设计举例
设一具有单位反馈的控制系统，其开 环传递函数为
4K Go(s) s(s2)
要求设计串联超前校正装置，使系统
具有静态速度误差系数Kv等于20s-1， 相角裕度γ不小于50°的性能指标。
串联校正设计
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
20lg20 20dB
1 8 (0 c) 5.3 2 50
串联校正设计
自动控制理论
未校正系统bode图
第六章 线性系统的校正
校正系统bode图
增益裕度： +∞ 相角裕度：18°
串联校正设计
增益裕度： +∞ 相角裕度：52.6°
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
未校正系统和校正系统的bode图
ωc0=6.2
ωc=9.1
K v 5 s 1 4 0c 0 .4 s 1
串联校正设计
自动控制理论
L(ω)
30dB
-20dB /dec
第六章 线性系统的校正
20dB 20lg5
10dB
0 0.1
-10dB
ω1=0.69 1
-20dB -10lg(1/α)
-30dB
ωc0
2 ωc=3.8
10
-40dB /dec
ω2=21.9 ω
第六章 线性系统的校正
串联相位滞后校正设计
设一具有单位反馈系统的开环传递函数为：
Go(s)s(s1)K (0.5s1)
要求设计串联滞后校正装置，使系统满足下 列性能指标：
K v 5 s 1 4 0c 0 .4 s 1
串联校正设计
自动控制理论
未校正系统bode图
第六章 线性系统的校正
串联校正设计
自动控制理论
§6-5
第六章 线性系统的校正
串联校正的设计
一、串联相位超前校正
利用相角超前特性来增大系统 的相角裕度，设计时应使最大的超 前相位角尽可能出现在校正后系统 的剪切频率处。
串联校正设计
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
设计串联相位超前校正装置的步骤：
1、根据稳态性能指标确定系统的开环增益K
L(ω)
-20dB /dec
(2,x)
(ω2，20lg(1/α))
0
-10lg(1/α)
1
(ω1，0)
ωc
2
ω1ωc0
ωm
ω2
ω
100
-40dB/dec
串联校正设计
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
解：（1）根据误差等稳态指标的要求，确定系 统的开环增益K
K vls i0sm o G (s)ls i0s m s (s 4 K 2)2K20 K＝10
相角裕度增大
γ γ0
串联校正设计
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
未校正系统和校正系统的闭环频率特性比较
-3dB
带宽增加
ωb0 ωb
串联校正设计
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
未校正系统和校正系统的单位阶跃响应比较
超调量减少
调节时间缩短
串联校正设计
自动控制理论
串联超前校正适应的系统 1.系统稳定 2.稳态误差满意 3.瞬态响应不满意
Go(s)s(s40 2)＝ s(0.2 5s0 1)
（2）画出伯德图，计算未校正系统
Go（j )的相角裕量
c 0 6 .3 s 1 2 0 1 8 (c 0 0 ) 1 .5 7 6
串联校正设计
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
（3）由要求的相角裕度γ，计算所需的超前 相角
第六章 线性系统的校正
串联超前校正不适应的系统
1.要求提供的相角裕度太大 2.未校正系统相角在所需剪切频率 处急剧减小
串联校正设计
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
校正装置设计问题
设一具有单位反馈系统的开环传递函数为：
Go(s)s(s1)K (0.5s1)
要求设计校正装置，使系统满足下列性能指 标：
串联校正设计
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
（6）确定超前网络的交接频率1、2
2 1 m 4 .3 s 1 , 1 1 m 1.9 9 s 1 6
（7）画出校正后的伯德图，验算相角稳定 裕度
为补偿超前网络衰减的开环增益，放大倍 数需再提高1/α倍。
G (s)G o(s)G c(s)s(0.2 5s 01)((s1 s4..9 3 6 1)1)
0 0 5 1 0 .5 7 7 6 .5 6 4 0
（4）计算校正网络系数
1 1 ssii n nm m＝ 1 1 ssii4 4 n n0 00.2 1 7
（5）确定校正后系统的剪切频率
1l0 g 1 1l0 g 1 0 .21 6 7 .6d 3B 5
c 9 .3 s 1 m c 9 .3 s 1
自动控制理论
L(ω)
第六章 线性系统的校正
50dB
40dB
30dB
20dB 20lg5 10dB
0 ω1=0.00.0091 -10dB
-20dB -20lgβ -30dB
-20dB /dec
20lgβ
-20dB /dec
未校正系统伯德
图曲线上增益为
10lgα对应的频 率为ωc。
则有ωm＝ ωc
串联校正设计
自动控制理论
6、确定校正装置的交接频率
第六章 线性系统的校正
11m 2 1 m
7、画出校正后的伯德图，验算相角稳定裕 度是否达到要求，不满足则增大ε从第3步 重新计算
8、验算其它性能指标，不满足要求重新 设计
串联校正设计
串联校正设计
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
未校正系统和校正系统的闭环频率特性比较
带宽增加 响应速度提高 但有时会造成抗噪能力下降
-3dB
ωb0
ωb
串联校正设计
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
单位阶跃响应比较
未校正系统
串联相角超前校正系统
串联校正设计
虽然稳定 但动态性能差
自动控制理论
二、串联相位滞后校正
-60dB /dec
-40dB
-50dB
-60dB
串联校正设计
自动控制理论
第六章 线性系统的校正
未校正系统、校正系统和校正装置的bode图
1.要求提供的相 角裕度太大
ωc0=1.8
ωc=3.5
2.未校正系统相 角在所需剪切频 率处急剧减小
不适合采用串联
相位超前校正
γ0＝-13°
φ=69.7°
γபைடு நூலகம்25.5°