串联迟后-超前校正,PID校正
滞后校正、滞后超前校正以及PID简介
第六章 第三讲
6.3.3串联滞后校正的综合
Ti
20
0
-90。
11 Td Td
20
如果将滞后校正装置的零极点zi和pi设置为一对靠近 坐标原点的偶极子，即: Ti 1,β 1,α 1,Ti Td。
滞后超前网络的传递函数可改写为
Gc(s)≈βTTiiss 1（ αTds 1）
（βαTd Ti
)
1 Tis
计算此时的幅穿频率：
20lgK 20(lg5 lg1) 40(lg10 lg5) 60(lgωco lg10)
解上式可得：ωco 3 50K 11.45 rad / s
校正前的相角裕度γ（o ωco）：（o co） 25.28。
-20
ωco
-40
-60
5
1012
11.45
-20
-90 -180
校正前系统开环 校正后系统开环 滞后校正装置
-40
ω
-60
ω
在原系统的开环频率特性上寻找满足暂态指标 要求且具有下列相角裕度的频率点ωc。
γγ（o ωc） （i ωc）
γγ（o ωc） （i ωc）
γ（o ωc）:校正前系统在ωc处所对应的相角裕量；
γ:指标所要求的相角裕度; （i ωc）:滞后校正在ωc处造成的相角滞后量。
0.024
0.27
2.7 5
串联滞后超前校正
6－4 串联迟后－超前校正一、迟后－超前校正网络串联迟后－超前校正，可以通过单独的迟后网络和超前网络来实现，如图6－12（a ）。
也可以通过相位迟后－超前网络来实现，如图6－12（b ）所示。
图6－12（b ）所示网络传递函数为1)()1)(1()(212211*********++++++=s C R C R C R s C C R R s C R s C R s G c 11112211++++=s aT s T s a T s T （6－9） 式中 111T C R = ；222T C R =21212211aT aT C R C R C R +=++， （1>a ） 式中迟后校正部分为)1()1(22++s aT s T ；超前校正部分为)1()1(11++s aT s T 。
其对数频率特性曲线如图6－13所示。
由图可见，在频率ω由零增加到1ω的频段内，该网络呈现积分性质，具有迟后相角。
也就是说，在0～1ω频段里，相角迟后－超前网络具有单独的迟后校正特性；而在1ω～∞频段内，呈现微分性质，具有超前相角。
所以它将起单独的超前校正作用。
不难计算，对应相角等于零处的频率1ω为 2111T T =ω （6－10）二、串联迟后－超前校正应用串联迟后－超前校正设计，实际上是综合地应用串联迟后校正与串联超前校正的设计方法。
当未校正系统不稳定，且校正后系统对响应速度、相角裕量和稳态精度的要求均较高时，以采用串联迟后－超前校正为宜。
利用迟后－超前网络的超前部分来增大系统的相角裕量，同时利用迟后部分来改善系统的稳态性能或动态性能。
下面举例说明串联迟后－超前校正设计的一般步骤。
【例6－4】 设单位反馈系统，其开环传递函数为)15.0)(1()(++=s s s K s G 要求：（1）开环放大系数110-=s K ；（2）相角裕量︒=50γ；（3）幅值裕量dB h 10=；试确定串联迟后－超前校正网络的传递函数)(s G c 。
自动控制原理--滞后超前校正与PID校正
G s 1 T1s 1 aT2s
1 T1s 1 T2s
°
其中：
E1
1,a 1且.a 1 °
C1
R1
°
R2
E2
C2
°
Phase (deg); Magnitude (dB)
To: Y(1)
Bode Diagrams
From: U(1) 0
-5
-10
-15
-20 50
0
-50
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
10-4
10-3
10-2
应 50o 处的g 0.082 rad s，相应幅频特性为Lg 45.5db
据此，由20log KP Lg 45db 求得：KP 0.0053 。
为减少对相角裕量校正效果影响，PI控制器转折 频率 1 KI KP 选择远离g 处，取1 g 10 0.0082 rad s 求得：KI 0.000044 。于是，PI控制器传递函数
• PID调节器是一种有源校正网络，它获得了 广泛的应用，其整定方法要有所了解。
系统校正的设计方法
分析法
综合法
分析法：
选择一种校正装置
设计装置的参数
校验
综合法： 设计希望特性曲线 校验
确定校正装置的参数
期望特性综合设计方法：
1、先满足精度要求，并画出原系统Bode图； 2、根据Bode定理，系统有较大的相位裕量，幅频特性在剪切频
G( j)
1
j2T( jT 1)
63.5
0.707
二阶最佳指标:
L() -20dB/dB
1/2T
()
p % 4.3%
180°
ts (6 ~ 8)T
1/T
串联超前校正和滞后校正的不同之处
串联超前校正和滞后校正的不同之处在控制系统中，超前校正和滞后校正是两种常见的校正方法。
它们都是为了提高系统的稳定性和性能而采取的措施。
然而，它们的实现方式和效果却有很大的不同。
本文将从理论和实践两个方面，分别探讨串联超前校正和滞后校正的不同之处。
一、理论分析1. 超前校正超前校正是指在控制系统中，通过提前控制信号的相位，使得系统的相位裕度增加，从而提高系统的稳定性和响应速度。
具体来说，超前校正是通过在控制信号中加入一个比例项和一个积分项，来提高系统的相位裕度。
这样，系统就能更快地响应外部干扰和变化，从而提高系统的性能。
2. 滞后校正滞后校正是指在控制系统中，通过延迟控制信号的相位，使得系统的相位裕度减小，从而提高系统的稳定性和抗干扰能力。
具体来说，滞后校正是通过在控制信号中加入一个比例项和一个微分项，来减小系统的相位裕度。
这样，系统就能更好地抵抗外部干扰和变化，从而提高系统的性能。
二、实践应用1. 超前校正超前校正在实践中的应用非常广泛。
例如，在电力系统中，超前校正可以用来提高电力系统的稳定性和响应速度。
在机械控制系统中，超前校正可以用来提高机械系统的精度和响应速度。
在化工生产中，超前校正可以用来提高化工生产的稳定性和生产效率。
2. 滞后校正滞后校正在实践中的应用也非常广泛。
例如，在飞行控制系统中，滞后校正可以用来提高飞行器的稳定性和抗干扰能力。
在汽车控制系统中，滞后校正可以用来提高汽车的稳定性和安全性。
在医疗设备中，滞后校正可以用来提高医疗设备的精度和稳定性。
总之，串联超前校正和滞后校正是两种常见的校正方法，它们都是为了提高系统的稳定性和性能而采取的措施。
然而，它们的实现方式和效果却有很大的不同。
在实践中，我们需要根据具体的应用场景和需求，选择合适的校正方法，以达到最佳的控制效果。
串联迟后-超前校正,PID校正
§5.9.4
串联PID校正（2） 举例3
§5.9.4
频率法串联校正小结（1）
频率法串联校正小结
(1) 频率法串联校正适用的范围 — 单位反馈的最小相角系统
L( )
最小相角系统
G( s)
单位反馈系统
( s )
非单位反馈系统：
非最小相角系统： 需将L()曲线和()曲线同时绘出， 在考虑稳定性的基础上进行校正
④ 作图设计 A B C D E F
⑤
G( s) Gc ( s) G0 ( s)
c 验算 是否满足要求
Gc ( s)
§5.9.3
串联迟后 - 超前校正（4） 举例1
§5.9.4
(1) PID电路特性
串联PID校正（1）
§5.9.3 串联PID校正
K I (T1 s 1)(T2 s 1) s KI Gc ( s ) K P K D s s K D s2 K P s K I s KD 2 KP KI ( s s1) KI KI s K (T s 1)(T2 s 1) Gc ( s ) I 1 s Gc ( s )
自动控制原理
自动控制原理
本次课程作业(28)
5 — 41, 42, 45(用坐标纸) 5 — 43, 44, 46(选作)
自动控制原理
（第 28 讲）
§5. 线性系统的频域分析与校正
§5.1 §5.2 §5.3 §5.4 §5.5 §5.6 §5.7 §5.8 §5.9 频率特性的基本概念 幅相频率特性（Nyquist图） 对数频率特性（Bode图） 频域稳定判据 稳定裕度 利用开环频率特性分析系统的性能 闭环频率特性曲线的绘制 利用闭环频率特性分析系统的性能 频率法串联校正
串联超前校正装置的课程设计
目录一、绪论 (1)二、原系统分析 (1)2.1原系统的单位阶跃响应曲线 (1)2.2原系统的Bode图 (2)2.3原系统的Nyquist曲线 (4)2.4原系统根轨迹 (5)三、校正装置设计 (6)3.1校正装置参数的确定 (6)3.2校正装置的波特图 (7)四、校正后系统的分析 (8)4.1校正后系统的单位阶跃响应曲线 (8)4.2校正后系统的波特图 (9)4.3校正后系统的Nyquist曲线 (10)4.4校正后系统的根轨迹 (11)五、总结 (13)六、参考文献 (13)一、绪论在系统中，往往需要加入一些校正装置来增加系统的灵活性，使系统发生变化，从而满足给定的各项性能指标。
按照校正装置的特性不同，可分为PID 校正、超前校正、滞后校正和滞后-超前校正。
我们在这里讨论串联超前校正。
在直流控制系统中，由于传递直流电压信号，适于采用串联校正。
串联超前校正的基本原理：利用超前网络的相角超前特性。
只要正确的将超前网络的交接频率1/aT 和1/T 选择在带校正系统截止频率的两旁，并适当选取参数a 和T ，就可以校正系统的截止频率和相角裕度满足性能指标的要求，从而改善系统的动态性能。
串联超前校正的优点：保证低频段满足稳态误差，改善中频段，使截止频率增大，相角裕度变大，动态性能提高，高频段提高使其抗噪声干扰能力降低。
有些情况下采用串联超前校正是无效的，它受到以下两个因素的限制： 1.闭环宽带要求。
若待校正系统不稳定的话，为了得到规定的相角裕度，需要超前网络提供很大的相角超前量。
这样的话，超前网络的a 值必须选取的很大，从而造成已校正系统带宽过大，使得通过系统的高频噪声电平很高，很可能使系统失控。
2.在截至频率附近相角迅速减小的待校正系统，一般不宜采用串联超前校J 卜。
因为随着截止频率的增大，待校正系统相角迅速减小，使已校正系统的相角裕度改善不大，很难得到足够的相角超前量，在一般情况下，产生这种相角迅速减小的原因是，在待校正系统的截止频率附近，或有交接频率彼此靠近的惯性环节；或由两个交接频率彼此相等的惯性环节；或有一个震荡环节。
自动控制原理02常用串联校正装置及其特性
串联超前校正装置
R1
U A R2
C
（3）串联超前校正装置的有源网络实现
i1 i3
R3
i2
R0 R1 R3 R2 R3 R1 R2 R3 _ Cs 1 U U o ( s) R1 R2 R1 R2 i i 0 Uo U i ( s) R0 R3Cs 1 图6-10 有源超前网络
PI控制器--工程设计常用
1/T
_
( )
Ui
R0
Uo
图6-16 PI控制器
0 -450 -900
U o (s) Ts 1 传递函数： K U i ( s) Ts
R1 K R0
图6-17 PI控制器频率特性
说明：PI控制器给系统增加了一个积分 环节，改善了系统的稳态性能
T R1C
，R1、R2远远大于R3、R4， 式（6-31）可转化为（6-27）。
Tb
R4C2
6.2.3
串联滞后超前校正装置
C0
R1
PID控制器--工程设计常用
传递函数：
1 U o (s) C1s 1 U i (s) R0 C0 s 1 R0 C0 s R1 R1 ( R1C1s 1)(R0C0 s 1) R0 R1C1s
对数频率特性
L ( )
0 1/T
m
1/bT
20lgb
特点： 用其高频幅值衰减特
-20dB/dec
( )
0 -900
m
性，降低系统的开环
截止频率，提高系统 的相位裕度。
图6-13 串联滞后校正频率特性
6.2.2
自动控制原理课程设计--串联超前—滞后校正装置
目录一、设计目的-------------------------------------------------------------1二、设计要求-------------------------------------------------------------1三、实现过程-------------------------------------------------------------33.1系统概述-------------------------------------------------------- 33.1.1设计原理------------------------------------------------- 33.1.2设计步骤------------------------------------------------- 43.2设计与分析----------------------------------------------------- 53.2.1校正前参数确定--------------------------------------- 53.2.2确定校正网络的传递函数--------------------------- 53.2.3 理论系统校正后系统的传递函数和BODE 图-- 73.2.4系统软件仿真------------------------------------------ 8四、总结------------------------------------------------------------------15五、参考文献-------------------------------------------------------------16自动控制原理课程设计报告一、设计目的（1）掌握控制系统设计与校正的步骤和方法。
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③ 确定
* m * 0 (c ) 6
迟后校正 1 sin m a , a 1 sin m
保持低频段 效果： 降低中频段 压低高频段
满足稳态精度 ess c , 损失快速性，改善均匀性 抗高频干扰能力提高
自动控制原理
（第 28 讲）
§5.9 频率法串联校正
§5.9.1 §5.9.2 §5.9.3 §5.9.4 串联超前校正 串联迟后校正 串联迟后－超前校正 串联PID校正
§5.9.3
§5.9.4
频率法串联校正小结（2）
（2）串联校正方法的比较
校正方法 ① 超前校正
校正网络特点 幅值增加 相角超前
幅值衰减 相角迟后 幅值衰减 相角超前
应用场合
* c0 c * 0 * c 0 c * 0
效果
c , 高频段 c , 高频段
c ~, 高频段 ~
② 迟后校正
③ 迟后超前
迟后超前 均不奏效
线性系统的频域分析与校正
第五章小结
自动控制原理课程的任务与体系结构
自动控制原理
本次课程作业(28)
5 — 41, 42, 45(用坐标纸) 5 — 43, 44, 46(选作)
串联迟后 - 超前校正（1）
§5.9.3 串联迟后-超前校正
(1) 迟后-超前网络特性 (Ta s 1)(Tb s 1) Gc ( s ) TaTb s 2 (Ta Tb Tab ) s 1
T1T2 TaTb T1 T2 Ta Tb Tab
T1 Ta T1 Ta Tb T2 a 1
课程回顾：串联校正
§5.9.1 串联超前校正
实质：利用超前网络相角超前特性提高系统的相角裕度 * * , 适用： c 0 c 0
保持低频段 效果： 改善中频段 抬高高频段 满足稳态精度 ess c , 动态性能提高 抗高频干扰能力降低
§5.9.2 串联迟后校正
实质：利用迟后网络幅值衰减特性挖掘系统自身的相角储备 * * 适用： c 0 c , 0
§5.9.4
串联PID校正（2） 举例3
§5.9.4
频率法串联校正小结（1）
频率法串联校正小结
(1) 频率法串联校正适用的范围 — 单位反馈的最小相角系统
L( )
最小相角系统
G( s)
单位反L()曲线和()曲线同时绘出， 在考虑稳定性的基础上进行校正
④ 作图设计 A B C D E F
⑤
G( s) Gc ( s) G0 ( s)
c 验算 是否满足要求
Gc ( s)
§5.9.3
串联迟后 - 超前校正（4） 举例1
§5.9.4
(1) PID电路特性
串联PID校正（1）
§5.9.3 串联PID校正
K I (T1 s 1)(T2 s 1) s KI Gc ( s ) K P K D s s K D s2 K P s K I s KD 2 KP KI ( s s1) KI KI s K (T s 1)(T2 s 1) Gc ( s ) I 1 s Gc ( s )
自动控制原理
自动控制原理
本次课程作业(28)
5 — 41, 42, 45(用坐标纸) 5 — 43, 44, 46(选作)
自动控制原理
（第 28 讲）
§5. 线性系统的频域分析与校正
§5.1 §5.2 §5.3 §5.4 §5.5 §5.6 §5.7 §5.8 §5.9 频率特性的基本概念 幅相频率特性（Nyquist图） 对数频率特性（Bode图） 频域稳定判据 稳定裕度 利用开环频率特性分析系统的性能 闭环频率特性曲线的绘制 利用闭环频率特性分析系统的性能 频率法串联校正
1 1 (s ) (s ) Ta Tb Gc ( s ) 1 a (s ) (s ) aTa Tb
迟后部分 超前部分
(a 1)
迟后-超前网络特点： 幅值衰减，相角超前
§5.9.3
串联迟后 - 超前校正（3）
(2) 迟后-超前校正 实质 — 综合利用迟后网络幅值衰减、超前网络相角超前 的特性，改造开环频率特性，提高系统性能
Ta R1C1 Tb R2C 2 Tab R1C 2
(Ta s 1) (Tb s 1) Gc ( s ) (aTa s 1) Tb ( s 1) a
aTa T1 Ta Tb T2
Tb a
§5.9.3
串联迟后 - 超前校正（2）
(1)迟后-超前网络特性