最新东南大学 自动化 自控原理实验六 串联校正研究
自动控制原理实验报告(控制系统串联校正)
自动控制原理实验报告（控制系统串联校正）自动控制原理实验报告学院机械工程及自动化学院专业方向机械工程及自动化班级16学号1学生姓名自动控制与测试教学实验中心实验三控制系统串联校正实验目的了解和掌握串联校正的分析和设计方法。
研究串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。
实验内容设计串联超前校正，并验证。
设计串联滞后校正，并验证。
实验原理系统结构如下图所示：图SEQ 图\* ARABIC 1 控制系统结构图图中GC图SEQ 图\* ARABIC 2 控制系统模拟电路图未加校正时Gc(s)=1加串联超前校正时G给定a=2.44，T=0.26,则GCs=0.63s+10.26s+1 QUOTE加串联滞后校正时G给定b=0.12，T=83.33，则G在实验中，选取，通过Simulink模拟器产生模拟信号与实验采集的实测数据进行对比，分析实验结果，验证自动控制理论。
实验设备HHMN-1型电子模拟机一台。
PC机一台。
数字式万用表一块。
实验步骤熟悉HHMN-1电子模拟机的使用方法。
将各运算放大器接成比例器，通电调零。
断开电源，按照系统结构图和传递函数计算电阻和电容的取值，并按照模拟线路图搭接线路，不用的运算放大器接成比例器。
将D/A1与系统输入端Ui连接，将A/D1与系统输出端Uo 连接（此处谨慎连接，不可接错）。
在Windows XP桌面用鼠标双击“自控原理实验”图标后进入实验软件系统，在项目中选择“实验三”。
分别完成不加校正，加入超前校正，加入滞后校正的实验。
观察实验结果，绘制实验结果图形。
用MATLAB绘制以上三种情况时系统的波特图，完成实验报告。
实验结果原系统原系统阶跃响应曲线如下图SEQ 图\* ARABIC 3原系统时域阶跃响应曲线其阶跃响应性能参数如下σTT44.0389%0.16955.5645表格1 原系统阶跃响应性能参数原系统Bode图如下图SEQ 图\* ARABIC 4原系统Bode图超前校正系统超前校正系统阶跃响应曲线如下图SEQ 图\* ARABIC 5超前校正系统时域阶跃响应曲线超前校正后，系统阶跃响应性能参数如下σTT22.1411%0.04761.9845表格2 超前校正系统阶跃响应曲线超前校正系统Bode图如下图SEQ 图\* ARABIC 6超前校正系统Bode图滞后校正系统滞后校正系统阶跃响应曲线如下图SEQ 图\* ARABIC 7滞后校正系统时域阶跃响应曲线滞后校正后，系统阶跃响应性能参数如下σTT20.6731%2.358014.5420表格3 滞后校正系统阶跃响应性能参数滞后校正后系统Bode图如下图SEQ 图\* ARABIC 8滞后校正系统Bode图截止频率和稳定裕度计算在命令窗口输入相关命令，在得到的图形中读出系统的相角裕度γ、截止频率ωc项目系统项目系统γ/°ω原系统281.88超前校正47.42.38滞后校正54.80.449结果分析超前校正实验结果分析首先从系统频率特性曲线Bode图可以看出，经过超前校正后的系统在校正点处的性能有所改善。
串联滞后校正实验报告
一、实验目的1. 理解串联滞后校正的基本原理和作用。
2. 掌握串联滞后校正装置的设计与搭建方法。
3. 通过实验验证串联滞后校正对系统性能的影响。
二、实验原理串联滞后校正是一种常见的控制方法，主要用于提高系统的相角裕度和降低系统的截止频率。
其原理是在系统的误差测量点之后和放大器之前加入一个滞后校正装置，使得校正后的系统具有更好的稳定性和动态性能。
串联滞后校正装置的传递函数为：H(s) = 1 / (1 + Ts)其中，T为校正装置的时间常数。
三、实验器材1. 实验台2. 控制器3. 被控对象4. 信号发生器5. 示波器6. 信号调理器7. 计算机及仿真软件四、实验步骤1. 搭建实验系统，将控制器、被控对象、信号发生器、示波器、信号调理器等设备连接好。
2. 设置信号发生器输出一个正弦信号，频率为1Hz，幅度为1V。
3. 将信号发生器的输出信号接入被控对象，被控对象的输出信号接入示波器进行观察。
4. 记录被控对象的输出信号，分析其稳定性和动态性能。
5. 在被控对象前加入串联滞后校正装置，调整时间常数T，观察被控对象的输出信号变化。
6. 记录校正后的被控对象输出信号，分析校正效果。
五、实验结果与分析1. 校正前，被控对象的输出信号存在较大波动，稳定性较差。
2. 加入串联滞后校正装置后，被控对象的输出信号稳定性明显提高，动态性能得到改善。
3. 随着时间常数T的调整，被控对象的相角裕度和截止频率发生变化。
当T较小时，相角裕度较小，截止频率较高；当T较大时，相角裕度较大，截止频率较低。
4. 通过实验验证，串联滞后校正能够有效提高系统的稳定性和动态性能。
六、实验结论1. 串联滞后校正是一种有效的控制系统校正方法，能够提高系统的稳定性和动态性能。
2. 通过调整串联滞后校正装置的时间常数，可以实现对系统相角裕度和截止频率的调整。
3. 在实际应用中，应根据系统的具体要求选择合适的时间常数，以达到最佳的校正效果。
七、实验注意事项1. 在搭建实验系统时，注意设备的正确连接和调试。
自动控制原理实验报告-线性系统串联校正设计
实验五线性系统串联校正设计实验原理：（1）串联校正环节原理串联校正环节通过改变系统频率响应特性，进而改善系统的动态或静态性能。
大致可以分为（相位）超前校正、滞后校正和滞后-超前校正三类。
超前校正环节的传递函数如下Tαs+1α(Ts+1),α>1超前校正环节有位于实轴负半轴的一个极点和一个零点，零点较极点距虚轴较近，因此具有高通特性，对正频率响应的相角为正，因此称为“超前”。
这一特性对系统的穿越频率影响较小的同时，将增加穿越频率处的相移，因此提高了系统的相位裕量，可以使系统动态性能改善。
滞后校正环节的传递函数如下Tαs+1Ts+1,α<1滞后校正环节的极点较零点距虚轴较近，因此有低通特性，附加相角为负。
通过附加低通特性，滞后环节可降低系统的幅值穿越频率，进而提升系统的相位裕量。
在使系统动态响应变慢的同时提高系统的稳定性。
（2）基于Baud图的超前校正环节设计设计超前校正环节时，意图让系统获得最大的超前量，即超前网络的最大相位超前频率等于校正后网络的穿越频率，因此设计方法如下：①根据稳态误差要求确定开环增益。
②计算校正前系统的相位裕度γ。
③确定需要的相位超前量：φm=γ∗−γ+(5°~12°) ，γ∗为期望的校正后相位裕度。
④计算衰减因子：α−1α+1= sin φm。
此时可计算校正后幅值穿越频率为ωm=−10lgα。
⑤时间常数T =ω√α。
（3）校正环节的电路实现构建待校正系统，开环传递函数为：G(s)=20s(s+0.5)电路原理图如下：校正环节的电路原理图如下：可计算其中参数：分子时间常数=R1C1，分母时间常数=R2C2。
实验记录：1.电路搭建和调试在实验面包板上搭建前述电路，首先利用四个运算放大器构建原系统，将r(t)接入实验板AO+和AI0+，C(t)接入AI1+，运算放大器正输入全部接地，电源接入±15V，将OP1和OP2间独立引出方便修改。
基于另外两运算放大器搭建校正网络，将所有电容值选为1uF，所有电阻引出方便修改。
自动控制原理--按期望特性进行串联校正及其例题
2
c
l
2 1
10.4rad
/
s
试选取 2 10rad / s
3
c
2l l 1
70rad
/
s
试选取 3 143 rad / s
c.高频段：取高频段斜率为-60dB/dec。 d.过渡特性：
中低频段过渡特性斜率为-40dB/dec、转折频率为 0.4rad/s与10rad/s 。
中高频段过渡特性斜率为-40dB/dec、转折频率为 143rad/s与200rad/s 。
解：开环增益K=Kv ≥1000(1/s)，取K=1000(1/s)。
作未校正系统对数幅频特性渐近曲线，未校正系统 截止频率ωc=33.3rad/s，相位裕度γ=-11.2°。
20 lg 1000 0
c 0.9c
ωc=33.3rad/s
180 90 tan1 0.9c tan1 0.007c 11.2
校正装置特性 Gc ( j) G( j) / G0 ( j)
对于最小相位系统，由于对数幅频特性与对数相频特 性是一一对应的，则校正装置特性可以表示为期望的对数 渐进幅频特性与原系统的对数渐进幅频特性之差，即
Lc () L() L0 ()
关键问题：如何根据性能指标要求绘制期望特性。
期望特性的绘制步骤：利用三频段的概念
Gc (s)G0 (s)
s(2.5s
1000 (0.1s 1) 1)(0.007 s 1)(0.005 s
1)
静态速度误差系数 Kv=20(1/s) 相角裕度
180 tan1 0.1 40 90 tan1 2.5 40
tan1 0.007 40 tan1 0.005 40 49.6
6.6 按期望特性进行串联校正
东南大学过程控制实验报告六
东南大学自动化学院实验报告课程名称：过程控制第六次实验实验名称：液位——流量串级控制实验院（系）：自动化专业：自动化姓名：学号：同组人员：实验时间：2017 年6 月 3 日评定成绩：审阅教师：目录一．实验目的 (3)二．实验内容 (3)三．实验步骤 (4)四．实验现象 (4)五．思考题 (7)一、实验目的1、了解串级控制系统参数整定方法；2、掌握串级控制系统的主要特点；3、了解液位、流量串级控制系统的应用实例。
二、实验内容1、基本概念及组成结构串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
2、串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。
根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：1）扰动作用于副回路；2）扰动作用于主过程；3）扰动同时作用于副回路和主过程。
分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。
串级控制的原理方框图如图1所示：图1 串级控制的原理方框图三 、实验步骤1、 掌握串级控制系统的设计方法，了解系统主、副回路组成以及对象扰动；2、 完成主参数的选择和主回路的设计；3、 副参数的选择和副回路的设计；4、 控制系统控制参数的选择；5、 串级控制系统主、副调节器控制规律的选择；6、 串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定；7、 掌握串级控制系统参数整定方法，即按照逐步逼近法，对主、副调节器的参数进行整定； 8、 熟悉掌握串级控制系统中主、副调节器的参数设置和主、副回路的手动、自动的切换方法；9、 记录历史曲线与液位——流量曲线，并与单回路控制系统进行动静态特性分析比较。
东南大学 自动化 自控原理实验六 串联校正研究
东南大学自动化自控原理实验六串联校正研究自控原理实验六：串联校正研究一、引言自控原理实验六主要研究串联校正的原理和实验方法。
串联校正是一种常用的校正方法，通过串联校正可以提高系统的稳定性和动态性能。
本实验将通过实验验证串联校正的效果，并探讨校正参数的选择对系统性能的影响。
二、实验目的1. 了解串联校正的原理和方法；2. 验证串联校正对系统的稳定性和动态性能的影响；3. 掌握校正参数的选择方法。
三、实验原理1. 串联校正的概念串联校正是指在控制系统中，将一个或多个校正环节串联在被控对象之前，以改善系统的性能。
串联校正可以通过调整校正环节的参数来实现。
2. 串联校正的方法串联校正的方法主要有两种：比例校正和积分校正。
比例校正是指在被控对象之前串联一个比例环节，通过调整比例环节的增益来改善系统的性能。
积分校正是指在被控对象之前串联一个积分环节，通过调整积分环节的增益来改善系统的性能。
3. 校正参数的选择校正参数的选择对系统的性能有重要影响。
一般来说，比例校正的增益越大，系统的响应速度越快，但也容易引起超调和震荡；积分校正的增益越大，系统的稳态误差越小，但也容易引起超调和震荡。
因此，在选择校正参数时需要综合考虑系统的稳态误差和动态性能。
四、实验步骤1. 搭建实验装置根据实验要求搭建自控原理实验六的实验装置，包括被控对象、比例环节、积分环节和控制器。
2. 进行比例校正实验（1）将比例环节的增益设为一个较小的值，如1；（2）记录系统的响应曲线，包括超调量、调节时间等参数；（3）根据实验结果，调整比例环节的增益，观察系统的响应变化。
3. 进行积分校正实验（1）将比例环节的增益设为一个较小的值，如1；（2）将积分环节的增益设为一个较小的值，如0.1；（3）记录系统的响应曲线，包括超调量、调节时间等参数；（4）根据实验结果，调整积分环节的增益，观察系统的响应变化。
4. 比较比例校正和积分校正的效果根据实验结果，比较比例校正和积分校正对系统性能的影响，包括稳态误差、超调量、调节时间等参数。
自控实验报告控制系统串联校正
自动控制原理实验报告（III）一、实验名称：控制系统串联校正二、实验目的1. 了解和掌握串联校正的分析和设计方法。
2. 研究串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。
三、实验内容1. 设计串联超前校正，并验证。
2. 设计串联滞后校正，并验证。
四、实验原理1. 系统结构如图3-1图3-1其中Gc(s) 为校正环节，可放置在系统模型中来实现，也可使用模拟电路的方式由模拟机来实现。
2. 系统模拟电路如图3-2图3-2各电阻电容取值R3=2MΩ R4=510KΩ R5=2MΩC1=0.47μF C2=0.47μF3. 未加校正时Gcs=14. 加串联超前校正时Gcs=aTs+1Ts+1 (a >1)给定 a = 2.44 , T = 0.26 , 则 Gcs=0.63s+10.26s+15. 加串联滞后校正时Gcs=bTs+1Ts+1（0<b<1）给定b = 0.12 , T = 83.33, 则Gcs=10s+183.33s+1五、数据记录未加校正超前校正滞后校正ts实测值/s 5.90 2.3515.24 ts理论值/s 5.41 1.9215.14γ/°25.546.855.7ωc/rad∙s-1 2.11 2.430.48（1）未加校正（2）超前校正（3）滞后校正3. 系统波特图（1）未加校正环节系统开环传递函数Gs=4s2+s（2）串联超前校正系统开环传递函数Gs=2.52s+40.26s3+1.26s2+s（3）串联滞后校正系统开环传递函数Gs=40s+483.33s3 + 84.33s2+s六、数据分析1、无论是串入何种校正环节，或者是否串入校正环节，系统最终都会进入稳态，即三个系统都是稳定系统。
2、超前校正：系统比未加校正时调节时间短，即系统快速性变好了，而且超调量也减小了。
从频率角度来看，戒指频率减小，相位稳定域度增大，系统稳定性变好。
3、滞后校正：系统比未加校正时调节时间长，即系统快速性变差了，但是超调量减小了很多，甚至比加串联超前校正时的超调还小。
自动控制系统—— 第6章-3 频率法串联校正
为使校正后的系统 L"(c") 0dB
应使 L'(c") Lc (m ) 0
即 Lc (m ) 6dB
Lc (m) 10lg a
a 100.6 4
15
再根据 m T 1 a 得 T 1 1 0.114 m a 4.4 4
超前校正网络传函为(补偿增益衰减，放大4倍)
4Gc (s)
自控原理
第6章 线性系统校正
6.3 频率法串联校正
1
6.3 频率法串联校正 6.3.1 频率响应法校正设计 6.3.2 串联超前校正 6.3.3 串联滞后校正
2
6.3 频率法串联校正
系统设计要求以频域指标，如稳态误差、开 环截止频率、相角裕度等给出时，可采用频域校 正设计方法
6.3.1 频率响应法校正设计
5
6.3.2 串联超前校正
一般采用PD控制器
L() dB
或超前网络进行串联 10lg a
超前校正
0
20dB/dec
aG( j) 1 jaT 1 jT
1 T
() (度)
90º
m
1
T
20 lg a (dB)
相位超前校正对系统性
能的影响
0º
(m)
m
1）校正后系统截止频率上升，通频带变宽，提高了 系统的快动作性。
-80
-1
0
1
2
10
10
10
10
Frequency (rad/sec)
待校正系统 c' 3.1 相位裕度 180 90 arctgc' 17.9
13
40
[20]
Bode Diagram
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东南大学自动化自控原理实验六串联校
正研究
东南大学自动化学院
实验报告课程名称：自动控制实验
实验名称：实验六串联校正研究
院（系）：自动化专业：自动化
姓名：吕阳学号： 080111
实验室：实验组别：
同组人员：实验时间：2013年 12 月 20 日评定成绩：审阅教师：
一、实验目的：
（1） 熟悉串联校正的作用和结构
（2） 掌握用Bode 图设计校正网络
（3） 在时域验证各种网络参数的校正效果
二、预习与回答：
（1） 写出原系统和四种校正网络的传递函数，并画出它们的Bode 图，请预先
得出各种校正后的阶跃响应结论，从精度、稳定性、响应时间说明五种
校正网络的大致关系。
答：G 1（s ）=
12.01+s G 2（s ）= 1
41+s G 3（s ）=0.110.001 1.01
s s ++ G 4（s ）=s
s 12.0+ 原系统Bode 图如下：
G（1）Bode图如下：
由G1（s）的Bode图可知，该校正能够将系统的截止频率减小，并且相位滞后，则会使系统的相角裕度小于0，从而使系统的响应时间变长，稳定性变差，并且低频段的斜率为0，系统稳态性能差，误差大。
G（1）接入系统时，系统Bode图如下：
G（2）Bode图如下：
由G2（s）的Bode图可知，该校正环节造成高频衰减，使截止频率减小，从而条件时间变长；又由于该滞后环节被安排在低频段，远离截止频率，因此可以使得相角裕度为正值，从而系统稳定。
传递函数为0型，因此对阶跃信号的跟踪有一定误差。
G（2）接入系统时，系统Bode图如下：
G（3）Bode图如下：
由G3（s）的Bode图可知，该校正环节为超前校正，它会增大开环截止频率和系统带宽，其超前相位又能补偿原系统中的元件造成的相位滞后，最大超前角频率在开环截止频率附近，是系统相角裕度增大，从而改善了系统的瞬态性能，调节之间变短。
相对稳定性增大。
但对阶跃的跟踪仍然存在误差。
G（3）接入系统时，系统Bode图如下：
G（4）Bode图如下：
由G4（s）的Bode图可知，PID控制中低频段主要是滞后环节起作用，提高系统的无差度阶次，减少稳态误差；中高频段主要是超前环节起作用，增大截止频率和相角裕度，提高响应速度。
G（4）接入系统时，系统Bode图如下：
（2） 若只考虑减少系统的过渡时间，你认为用超前校正还是用滞后校正好？
答：超前校正能够将原开环系统的频率特性上调一定的高度，从而增大截止频率，因此用超前好。
（3） 请用简单的代数表达式说明用Bode 图设计校正网络的方法
答：1.根据系统对稳态误差的要求确定校正增益Kc ，并画出未校正的伯德图
2.求出为校正系统的相角裕度γ’,若γ-γ’<0，或γ-γ’>65°，则不应采用超前校正
3.根绝瞬态指标选择截止频率，计算校正环节时间常数T 和αT
其中C(s)= 11'++Ts Ts c K αα,T=α
c w 1
4.若不能采用超前校正，则根据相角裕度重新选择截止频率，该频率处有）︒︒++︒-=∠12~5(180)(γc jw KcP ，算出未校正系统该处的幅值，由此求出β，得到 C(s)= 1
1'++Ts Ts c K β，T=10/c w 三、实验原理：
（1）本校正采用串联校正方式，即在原被控对象串接一个校正网络，使控制系统满足性能指标。
由于控制系统是利用期望值与实际输出值的误差进行调节的，所以，常常用“串联校正”调节方法，串联校正在结构上是将调节器Gc(S)串接在给定与反馈相比误差之后的支路上，见下图。
工程上，校正设计不局限这种结构形式，有局部反馈、前馈等。
若单从稳定性考虑，将校正网络放置在反馈回路上也很常见。
（2）本实验取三阶原系统作为被控对象，分别加上二个滞后、一个超前、一个超前-滞后四种串联校正网络，这四个网络的参数均是利用Bode 图定性设计
的，用阶跃响应检验四种校正效果。
由此证明Bode 图和系统性能的关系，从而使同学会设计校正网络。
四、实验设备：
THBDC-1实验平台
THBDC-1虚拟示波器
五、实验线路：（见后图）
六、实验步骤：
（1）不接校正网络，即Gc(S)=1，如总图。
观察并记录阶跃响应曲线，用Bode 图解释；
答：系统振荡并趋于稳定。
（2）接人参数不正确的滞后校正网络，如图4-2。
观察并记录阶跃响应曲线，用Bode图解释；
答：由Bode图可知，该校正能够将系统的截止频率减小，并且相位滞后，则会使系统的相角裕度小于0，从而使系统的响应时间变长，稳定性变差，并且低频段的斜率为0，系统稳态性能差，误差大。
阶跃响应曲线不稳定。
（3）接人滞后校正网络，如图4-3。
观察并记录阶跃响应曲线，用Bode图解释；
答：由Bode图可知，该校正环节造成高频衰减，使截止频率减小，从而条件时间变长；又由于该滞后环节被安排在低频段，远离截止频率，因此可以使得相角裕度为正值，从而系统稳定。
传递函数为0型，因此对阶跃信号的跟踪有一定误差。
（4）接人超前校正网络，如图4-4。
观察并记录阶跃响应曲线，用Bode图解释；
答：由G3（s）的Bode图可知，该校正环节为超前校正，它会增大开环截止频率和系统带宽，其超前相位又能补偿原系统中的元件造成的相位滞后，最大超前角频率在开环截止频率附近，是系统相角裕度增大，从而改善了系统的瞬态性能，调节之间变短。
相对稳定性增大。
但对阶跃的跟踪仍然存在误差。
（5）接人混合校正网络，如图4-5，此传递函数就是工程上常见的比例-积分-微分校正网络，即PID调节器。
观察并记录阶跃响应曲线，用Bode图
解释；
答：由G4（s）的Bode图可知，PID控制中低频段主要是滞后环节起作用，提高系统的型，减少稳态误差；中高频段主要是超前环节起作用，增大截止频率和相角裕度，提高响应速度。
误差很小。