线性系统的校正方法
线性系统校正方法-系统的设计与校正问题
γ 180 G(jωc ) 90 tg1
1 4ζ 4 2ζ 2 tg1
2ζ
2ζ 1 4ζ 4 2ζ 2
ωc ω n 1 4ζ 4 2ζ 2
系统的设计与校正问题
90
60
30
0
0 0.4 0.8
100
1.2 1.6 2.0
0 60
3 Mr
2 Mr
1
p
p
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
• 稳态特性－－反映了系统稳定后的精度，
• 动态特性－－反映了系统响应的快速性。
• 人们追求的是稳定性强，稳态精度高，动态响应快。
• 不同域中的性能指标的形式又各不相同：
• 1.时域指标：超调量σp、过渡过程时间t s、以及
•
峰值时间tp、上升时间tr等。
• 2.频域指标：（以对数频率特性为例）
• ① 开环：剪切频率ωc、相位裕量r及增益裕量 Kg等。
稳 由运动方程的系数 态 决定。
系统工作点处对应的 取决于系统低频段特
开环根轨迹增益K1越 性，型号数相同，低
大，ess越小。
频段幅值越大，ess越小
动 态
过渡过程时间： ts 最大超调量 ： σP （及tr、tP、td、振 荡次数u等）。
ts越短，σP越小， 动态特性越好。
主要取决于系统主导 主要取决于频率特性中
极点位置。
频段的特性。参数：
主要特性参数：
相位裕量：γ
阻尼比 ： ζ
无阻尼自然频率：ωn 主导极点距虚轴越近 ，系统振荡越厉害。
增益剪切频率：ωc γ越小，振荡越厉害，
ωc越大，响应速度越快
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线性系统的校正方法
k s(s1)
• 若量要 使4系00统，的试稳设态计速一度个误校差正系装数置K。v=12s-1，相位裕
解： (1) 根据稳态误差要求，确定开环增益K。
画出校正前系统的伯德图，求出相角裕量 0 和增益剪
切频率ωc0
k Kvls i0m sG 0(s)ls i0m ss(s1 )12
（=452）0，作出校正后的伯德图。求得：Kv=12s-1，
• K态g2=020+/1/19 dB，ωc从3.5 rad/s增加到4.6 rad/s。原系统的动
• 通过超前校正分析可知：
• （1）提高了控制系统的相对稳定性——使系统的稳定 裕量增加，超调量下降。
•
工业上常取α=10，此时校正装置可提供约550的超
。同时由于迟后校正在高频段的衰减作用，使增益
剪切频率移到较低的频率上，保证了系统的稳定性
。
• ② 响应速度变慢。
•
迟后校正装置使系统的频带变窄，导致动态响
应时间增大。
2020/1/19
• . 超前校正和迟后校正的区别与联系
超前校正
迟后校正
原 利用超前网络的相角超前特性，改善系统的 利用迟后网络的高频幅值衰减特性，改善
60
0 0 20o
• (2) 确定校正后系统的增益剪切频率c。在此频率上 ，开环传递函数的相位裕量应等于要求的相位裕量再 加迟上后(。50120)---补偿迟后校正网络本身在c处的相位
• 确定c。 • ，采原用系超统前在校其正增作益用剪不切明频显率，故c0处考的虑相采用角迟衰后减校得正很。快
范 围
超前校正则无此要求。 (2)要求有大的频宽和快的瞬态响应。 (3)高频干扰不是主要问题。
自动控制原理第六章线性系统的校正方法
对数幅频特性曲线如下图
16
10 3) 预选Gc(s)=τs+1，则 Gk ( s ) = (τs + 1) s ( s + 1)
′ 要求τ使系统满足 γ ′′ 和 ω c′ 的要求。 ′ 选择 ω c′=4.4dB/dec，求τ，则：
" L( wc ) = 20 lg 10 − 20 lg 4.4 − 20 lg 4.4 + 20 lg 4.4τ
1 / 2T 则 Gk ( s ) = s (Ts + 1)
其相频特性为： ϕ (ω ) = −90o − arctan Tω
1 = 63.5o γ (ωc ) = 180 + ϕ (ωc ) = 180 − 90 − arctan T ⋅ 2T
o o o
h=∞
21
∴由 ξ = 0.707 得性能指标为：
2
N R E
串联 校正 控制器 对象
已知被控对象数学模型 G p (s)，即根据生产要求而 得到的系统数学模型，称为 固有部分数学模型，在工程 实际中是不能改变的。
C
反馈 校正
根据固有数学模型和性能要求进行分析，若现有闭环情况 下没有满足的性能指标或部分没有满足要求的性能指标，则人 为的在固有数学模型基础上，另加一些环节，使系统全面满足 性能指标要求，这个方法或过程称为校正，也称为系统设计。 所附加的环节被称为控制器，其物理装置称为校正装置。 通常记为Gc(s)
2 2 典型二阶系统可表示为： ωn ωn Φ(s) = 2 Gk ( s) = 2 s ( s + 2ξω n ) s + 2ξω n s + ω n
ξ
19
2 ωn C ( jω ) Φ ( jω ) = = =1 2 2 R ( jω ) ( jω ) + 2ξωn ⋅ jω + ωn 2 ωn
第六章 线性系统的校正方法
L(ω)
60 40 20 0.01 0.24 0.1 0.27 1 2.7 10
L(ω)
-900
460
-1800
{
由 得 c ' =12rad / s,因 算 图 ω 而 得
γ = 900 arctg(0.1 c ' ) arctg(0.2ωc ' ) = 27.60 ω
说明未校正系统不稳定，此系统即为截止频率处 相角迅速减小的情况，不宜采用超前校正。
γ "= m + γ (ωc ")
若不满足要求，重选ω 增大， 若不满足要求，重选ωm=ωc”，使ωc”增大， 重复(3)(4) (3)(4)， 0， 重复(3)(4)，若算出 a >> 0，则超前校正已 无能为力，需另选它法。 无能为力，需另选它法。
例6-3.如下系统 要求ess≤0.1(在单位斜坡输入下 如下系统,要求 在单位斜坡输入下), 如下系统 要求 在单位斜坡输入下 开环截止频率ω ”≥4.4rad/s,相角裕度 开环截止频率ωc”≥4.4rad/s,相角裕度 γ”≥450,幅值裕度 幅值裕度h”≥10dB,试设计超前网络 试设计超前网络. 幅值裕度 试设计超前网络
要点：利用超前环节的相位超前特性,使交接频率 要点：利用超前环节的相位超前特性 使交接频率 1/aT 和 1/T 位于穿越频率的两旁，用 m 来补偿系统 位于穿越频率的两旁， 的相位裕量。 的相位裕量。 步骤： 步骤： (1)根据稳态误差要求，确定开环增益 K。 根据稳态误差要求， 。 根据稳态误差要求 (2)计算未校正系统的相角裕度。 计算未校正系统的相角裕度。 计算未校正系统的相角裕度 (3)根据 或设定试探 ωc”的要求，计算超前网络 根据(或设定试探 的要求， 根据 或设定试探) 的要求 的参数a和 。 的参数 和T。 ωc”的选定，一方面要根据系统响应速度来确定， 的选定， 的选定 一方面要根据系统响应速度来确定， 也要根据相角裕度等综合考虑。 也要根据相角裕度等综合考虑。
第六章线性系统的校正方法
第六章线性系统的校正方法第六章线性系统的校正方法一、教学目的与要求：通过对本章内容的讲述，要让学生懂得校正的目的，校正的基本方式。
掌握控制系统的基本控制规律，常用校正装置的特点与功能，串联超前、滞后、滞后- 超前校正的设计步骤。
关键是通过这些知识的学习，将前面几章的内容综合起来加以运用，本章知识是在实际应用中的指导思想。
二、授课主要内容：1．系统的设计与校正问题1）性能指标2）校正方式3）基本控制规律2．常用校正装置及其特性1）无源校正装置2）有源校正装置3．串联校正1）串联超前校正2）串联滞后校正3）串联滞后—超前校正（详细内容见讲稿）三、重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）（1）重点掌握的内容1）掌握用解析法设计一阶、二阶串联校正装置的方法。
2）掌握本书介绍的两大类利用Bode 图设计串级校正装置的频率域方法。
3）掌握本书中介绍的前馈校正装置（包括前置滤波器）的设计方法。
（2）一般掌握的内容1）掌握用解析法设计串联PID 控制器的方法。
2）掌握用解析法设计并联校正装置的方法。
（3）一般了解的内容1）了解校正的四大方式及其作用。
2）了解校正装置的RC 网络实现的物理构成。
3）了解解析法设计一般二次校正装置的思想。
4）了解频率域与时域指标间的互换公式。
四、主要外语词汇性能指标performance specification 校正方式compensation mode 基本控制规律basic control rule 串联校正series compensation 反馈校正feedbackcompensation 超前校正lead compensation 滞后校正lag compensation 超前-滞后校正lag-lead compensation 复合校正complex compensation五、辅助教学情况（见课件）六、复习思考题1. 什么是控制系统的校正？什么是串联校正方式？校正装置的选取原则是什么？2. 简述串联校正方式中调节器的设计方法并说明各设计方法的特点？3. 比例微分控制规律对改变系统的性能有什么作用？4. 比例积分控制规律对改变系统的性能有什么作用？5. Kc、Ti 及Td 改变后对系统控制质量的影响如何?6. 分析积分作用的强弱，对系统有何影响？7. 将PID 环节中的微分部分改为不完全微分形式，曲线形状如何？七、参考教材（资料）1．《自动控制理论与设计》曹柱中徐薇莉编上海交通大学出版社2．《自动控制原理》翁思义杨平编著中国电力出版社参考两书第六章有关内容。
自控第6章 线性系统的校正方法
第 六 章
线性系统的校正方法
本章主要内容
6-1 系统的设计与校正问题
6-2 常用校正装置及其特性
6-3 串联校正 6-4 反馈校正 6-5 复合校正
校正：是在系统中加入一些其 参数可以根据需要而改变的机构或 装置，使系统的整个特性发生变化，
Ta R1C1
Tb R2C2，
Tb Ta
T1 Tb 1 Ta T2
式中前一部分为相位滞后校正，后一部分为相位 超前校正。对应的波特图如图所示。由图看出不同频
段内呈现的滞后、超前作用。
波特图
Gc ( s )
(1 Ta s )(1 Tb s ) T (1 Ta s )(1 b s )
Phase (deg)
-135
-180 10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
Frequency (rad/sec)
设计无源超前校正网络步骤： 1)根据稳态误差要求，确定开环增益K。 2)利用已确定的开环增益，计算待校正 系统的相角裕度。 3)根据截止频率的要求，计算超前网络 参数a和T。 4)验算已校正系统的相角裕度。
求得
( c) 46
于是 ,由 (c) 曲线查得 c 2.7(rad / s) .由于指标要 求 c 2.3 ,故 c 值可在2.3~2.7范围内任取 .考虑到 c 取
1 1
说明系统不稳定。
Magnitude (dB)
Bode Diagram Gm = -6.02 dB (at 7.07 rad/sec) , Pm = -17.2 deg (at 9.77 rad/sec) 50 0 -50 -100 -150 -90
线性系统的校正方法《自动控制原理》
(1) 反向端输入的有源调节器
反向端输入有源调节器的电路如下图:
图中:
是输入阻容网络的等效阻抗,
是反馈阻容网络的等效
阻抗, 传递函数为:
用不同的阻容网络构成
﹑
就可得到不同的调节规律. 可见教材
P.233表6-2典型的有源调节器. (2) 同向端输入的有源调节器 同向端输入有源调节器的电路 如右图:
设
产生一个小偏差
, 则
变为
, 其相对增量为:
, 采用位置反馈后, 变化前的传递系数为
变化后的增量
, 其相对增量为:
2. 复合控制 工程实际中的系统往往受各种干扰的影响, 当控制系统对在 干扰影响的动静态性能提出很高要求时, 单纯用反馈控制一般难 以满足要求, 此时可考虑采用复合控制的手段. 下面简要介绍针 对干扰作用下的复合控制的方法和特点.
4
特性法设计系统, 都是通过闭环系统的开环特性进行的, 用对数
5
频率特性法设计系统, 就需通过闭环系统的开环对数频率特性进
6
行设计. 下面还是通过具体例子加以说明.
7
6-3 串联校正
例1 设单位负反馈系统的开环传递函数为:
若要求系统的速度误差系数KV =20, 相角裕量
,幅
值裕量
, 试设计串联超前校正装置.
解: (1)确定系统的开环放大倍数.并画开环对数幅频特性曲线
2.串联超前校正
分析当K=20时, 原系统是否满足动态要求.
由于超前网络的放大倍数为
态误差系数降低, 故需再串接一放大倍数为
由上计算可知, 原系统当K=20时, 闭环虽稳定, 但相角裕量仅为 18度, 将会有较大的超调, 不满足相角裕量大于等于50度的动态 要求, 可采用串联超前网络给以校正. 设计网络参数超前网络的传递函数为:
线性系统的校正方法
-5
-10
20 lg b
m
1 T b
-15
-20 -1 10
10
0
0
1 T
10
1
1 bT
10
2
1 b m arcsin 1 b
-10 -20 -30 -40 -50 -60 -1 10
0 1 2
m
10
m
10
10
3.滞后－超前网络
C1 R1
网络的传函:
(1 R1C1s)(1 R2C2 s) Gc ( s) (1 R1C1s)(1 R2C2 s) R1C2 s
如果输入信号的带宽为 则系统带宽频率
0 ~ M
b (5 ~ 10)M
dB 0 0.707 ( j 0) 3
( j 0)
L()
( j)
3
带宽
b
输入 信号
R( j) N ( j)
噪声
0
M
1
n
图6-1 系统带宽的选择
三、校正方式(按照校正装置在系统中的连接 方式)
m
1 T
φm
滞后网络对数坐标图
二、有源校正网络
实际控制系统中无源校正网络被广泛采 用，但由于负载效应问题和复杂网络设计与 调整困难问题，有时采用有源校正网络对系 统进行校正，把无源网络接在运算放大器的 反馈通路中，就构成有源校正网络。
超前 滞后
滞后－超前网络的零、极点分布
1 1 T 1 T 1
1 bT2
1 T2
0
j
超前
滞后
{
{
二、有源校正装置
Z1 Z2
A
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第6章线性系统的校正方法（12学时）【主要讲授内容】6.1系统的设计与校正问题6.2常用校正装置及其特性6.3串联校正6.4反馈校正6.5复合校正6.6控制系统的校正设计【重点与难点】1、重点：串联滞后一超前校正网络的设计及复合校正方法。
2、难点：反馈校正方法及应用。
【教学要求】1、了解基本控制规律；2、掌握超前校正装置、滞后校正装置、超前-滞后校正装置及其特性；3、掌握运用频率法进行串联校正的过程；4、了解运用根轨迹法进行串联校正的过程；5、掌握反馈校正方法及应用；6、掌握运用MATLAB进行控制系统的校正的方法。
【实施方法】课堂讲授，PPT及上机实验配合6.1系统的设计与校正问题控制系统是由为完成给定任务而设置的一系列元件组成，其中可分成被控对象与控制器两大部分。
设计控制系统的目的，在于将构成控制器的各元件和被控对象适当地组合起来，使之能完成对控制系统提出的给定任务。
通常，这种给定任务通过性能指标来表达。
当将上面选定的控制器与被控对象组成控制系统后，如果不能全面满足设计要求的性能指标时，在已选定的系统不可变部分基础上，还需要再增加些必要的元件，使重新组合起来的控制系统能够全面满足设计要求的性能指标。
这就是控制系统设计中的综合与校正问题。
在校正与设计控制系统过程中，对控制精度及稳定性能都要求较高的控制系统来说，为使系统能全面满足性能指标，只能在原已选定的不可变部分基础上，引入其它元件来校正控制系统的特性。
这些能使系统的控制性能满足设计要求的性能指标而有目的地增添的元件，称为控制系统的校正元件。
校正元件的形式及其在系统中的位置，以及它和系统不可变部分的联接方式，称为系统的校正方案。
在控制系统中，经常应用的基本上有两种校正方案，即串联校正与反馈校正。
如果校正元件与系统不可变部分串接起来，如图6-1所示，则称这种形式的校正为串联校正。
如果从系统的某个元件输出取得反馈信号，构成反馈回路，并在反馈回路内设置传递函数为G。
(§)的校正元件，见图6-2,则称这种校正形式为反馈校正。
图6-2反馈校正系统方框图应用串联校正或(和)反馈校正，合理选择校正元件的传递函数G c(§)，可以改变控制系统的开环传递函数以及其性能指标。
一般来说，系统的校正与设计问题，通常简化为合理选择串联或(和)反馈校正元件的问题。
究竟是选择串联校正还是反馈校正，主要取决于信号性质、系统各点功率的大小，可供采用的元件、设计者的经验以及经济条件等。
在控制工程实践中，解决系统的校正与设计问题时，采用的设计方法一般依据性能指标而定。
在利用试探法综合与校正控制系统时，对一个设计者来说，灵活的设计技巧和丰富的设计经验都将起着很重要的作用。
串联校正和反馈校正，是控制系统工程中两种常用的校正方法，在一定程度上可以使已校正系统满足给定的性能指标要求。
把前馈控制和反馈控制有机结合起来的校正方法就是复合控制校正。
在系统的反馈控制回路中加入前馈通路，组成一个前馈控制和反馈控制相组合的系统，选择得当的系统参数，这样的系统称之为复合控制系统，相应的控制方式称为复合控制。
把复合控制的思想用于系统设计，就是所谓复合校正。
复合校正中的前馈装置是按不变性原理进行设计的，可分为按扰动补偿和按输入补偿两种方式。
控制系统的校正与设计问题，是在已知下列条件的基础上进行的，即(1)已知控制系统不可变部分的特性与参数；(2)已知对控制系统提出的全部性能指标。
根据第一个条件初步确定一个切实可行的校正方案，并在此基础上根据第二个条件利用本章介绍的理论与方法确定校正元件的参数。
控制系统的综合与校正问题和分析问题既有联系又有差异。
基本控制规律分析控制系统中的控制器，常常采用比例、微分、积分等基本控制规律，或采用这基本控制规律的某些组合，如比例加微分、比例加积分、比例加积分加微分等复合控制规律，以实现对被控对象的有效控制。
6.1.1比例(P)控制规律具有比例控制规律的控制器称为P控制器地反应其输入信号£(t)，即m(t)= K s (t) p控制器的方框图如图6-3所示。
r (t)+c £(t) m(t)--- --------►K P-------- ►c (t)图6-3 P控制器方框图P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。
6.1.2比例加微分(PD)控制规律具有比例加微分控制规律的控制器称为PD控制器。
PD控制器的输出信号m(t)既成比例地反应输入信号£(t),又成比例地反应输入信号£(t)的导数，即m(t) = K s (t) + K T d s (t)p p dtPD控制器的方框图如图6-4所示。
P控制器的输出信号m(t)成比例(6-1)(6-2)微分控制规律可提高系统的稳定性。
PD 控制器还具有提高控制系统阻尼程 度的作用。
6.1.3 积分(/)控制规律具在积分控制规律的控制器称为控制器。
I 控制器的输出信号m(t)成比例地 反应输入信号£(t)的积分，即m (t ) = K I t s (t ) dt或者说，输出信号m(t)的变化速率与输入信号g(t)成正比，即dm (t ) ——=K S (t ) dt i I 控制器的方框图如图6-5所示。
I 控制器可以提高系统的型别，以消除或减弱稳 态误差，从而使控制系统的稳态性能得到改善。
图6-5 I 控制器的方框图6.1.4 比例加积分(PI )控制规律具有比例加积分控制规律的控制器，称为PI 控制器，其输出信号m(t)同时 成比例地反应输入信号£(t)和它的积分，即K > 、，m (t )= K s (t ) + f 1t s (t ) dtp T o(6-5)l PI 控制器的方框图如图6-6所示。
(6-3)(6-4)图6-4 PD 控制器方框图图6-6 PI 控制器的方框图PI 控制器对单位阶跃信号的响应如图6-7所示。
在控制系统中，比例加积分控制 规律主要用于保证闭环系统稳定基础上改变系统的型别，以改善控制系统的稳态 性能。
6.1.5 比例加积分加微分(PID )控制规律比例加积分加微分控制规律是一种由比例、积分、微分基本控制规律组合而 成的复合控制规律。
PID 控制器的运动方程为K …_d £ (t)m (t ) = K £ (t ) + p )t £ (t ) dt + K T —— P T o P d (6-6)i 其PID 控制器的传递函数由式(6-6)求得为M (s ) 〃八 1、——=K (1+ ——+T s ) £ (s ) P Ts (6-7)iPID 控制器的方框图如图6-8所示。
R (s )+c £ (s) … 1 、 M (s )---- ►(X) ---- ► K (1 + Ts +T s ) ------图6-8 PID 控制器的方框图PID 控制器的传递函数可改写成M (s ) _ K T T s 2 + Ts +1£ (s )丁i当4T /T.<1时，上式还可写成K (T s + 1)(T s +1) ~Tp―i 式中 26.2 常用校正装置及其特性采用无源网络构成的校正装置，其传递函数最简单的形式是:s — ZG (s ) = -- cc s — pc相位超前校正装置的传递函数将是:R + R 1 2在s 平面上，相位超前网络传递函数的零点与极点位于负实轴上，如图6-10 所示。
图6-9所示的相位超前校正装置的频率特性为：/3T +1叫⑼"j a^Ti图6-10相位超前网络的零、极点分布 6.2.1超前校正装置 式中: Gc (s ) s — Z ----- c- s — p cRC1s + 1 T / T s + 1、------- 二 a ( ---- )（6-9）C其伯德图如图6-11所示。
超前校正网络是一个高通滤波器，而噪声的一个重要特点是其频率要高于控 制信号的频率，a 值过小对抑制系统噪声不利。
6.2.1 滞后校正装置。
相位滞后校正装置的传递函数为:s — z c- s — pc 式中R + R ,--------- 2 > 1 R 2在s 平面上，相位滞后网络传递函数的零点与极点位于负实轴上，如图6-13 所示。
T s + 1P T s +1 （6-10）图6-12相位滞后RC 网络在采用无源相位滞后校正装置时，对系统稳态的开环增益没有影响，但在暂态过程中，将减小系统的开环增益。
图6-12所示的相位滞后校正装置的频率特性为油T +1c J一泌 3 a1（6-11）其伯德图如图6-14所示。
相位滞后校正网络实际是一低通滤波器。
采用相位滞后校正装置改善系统的暂态性能时，主要是利用其高频幅值衰减特性。
6.2.2滞后一超前校正装置相位滞后一超前校正装置的传递函数为(T s + 1)(T s +1)G (s) = 1 2c T T S2 + (T +T +T )S + 11 2 1 2 12T = R C . ▼R2 C2；T12= R1c 2（6-12）式中图6-13相位滞后网络的零、极点分布q图6-15相位滞后一超前RC网络图6-16相位滞后一超前网络零、极点分布6.3串联校正在频域中设计校正装置实质是一种配置系统滤波特性的方法，设计依据的指标是频域参量，频率特性法设计校正装置主要是通过伯德图进行的，设计需根据给定的性能指标大致确定所期望的系统开环对数幅频特性（即伯德曲线），特性低频段的增益满足稳态误差的要求，特性中频段的斜率（即剪切率）为-20dB/dec,并且具有所要求的剪切频率但「特性的高频段尽可能迅速衰减，以抑制噪声的不良影响。
6.3.1超前校正超前校正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角裕度，以改善系统的暂态响应。
用频率特性法设计串联超前校正装置的步骤大致如下：（1）根据给定的系统稳态性能指标，确定系统的开环增益K；（2）绘制在确定的K值下系统的伯德图，并计算其相角裕度丫0 ；（3）根据给定的相角裕度丫，计算所需要的相角超前量Q①=丫—丫+£（4）令超前校正装置的最大超前角3m =Q，并按下式计算网络的系数a值1—sin^a = ----- f2+ sin^m如^ m大于60°，则应考虑采用有源校正装置或两级网络；（5）将校正网络在甲m处的增益定为10l gG"），同时确定未校正系统伯德曲线上增益为-10l gG。
）处的频率即为校正后系统的剪切频率3 =3m；（6）确定超前校正装置的交接频率1 — 1 .-3 = — = 3 t a 3 = =3 / V。
1T m， 2 aT m（7）画出校正后系统的伯德图，验算系统的相角稳定裕度。