反馈控制系统设计
第十章反馈控制系统设计
校正网络为：Gc (s)
1 3
(1 s 4.8) (1 s 14.4)
校正后的开环传递函数为
20(s 4.8) 1 Gc (s)GH (s) s(0.5s 1)(s 14.4) 1
6）校验：
已校正系统的相位裕量为43.8°
补偿不足的原因：相角增加10%偏少，一般增加5~10°。可重 新选α重复上述过程（回到第2步）。
校正后的开环传递函数为
校正前后哪些性能改变了？
College of Automatic Control E2ng0ine(g4,.C5U)IT 1
1）截止频率增大；
Gc (s)GH (s) s(0.5s 1)(s 16.6) 1 2）相角裕度增大；
校正后的bode曲线，
3）超调量减小；
10.2 串联校正网络
C在olle串ge o联f Au校tom正atic C和ont反rol E馈ngin校eeri正ng ,中CUIT，校正环节与被控对象在开环传递函
数中属串联关系。校正的目的都是要得到合适的开环传递函数
Gc(s)G(s)H(s)，校正环节特性直接影响校正效果和系统性能。
常用的校正装置其传递函数为：
R1 R2
(1 s) Gc (s) (1 s)
College of Automatic Control Engineering
超前校正网络频率特性
,，CUIT其中相角为：
相角有最大值：( )
tan1
tan1
tan1
1 ( )2
m
zp 1
m
tg1
2
1
sin1
1 1
10 log
设计步骤（续）： 4. 根据根轨迹相角条件确定校正网络的极点。
动态系统的反馈控制第四版课程设计
动态系统的反馈控制第四版课程设计1. 课程概述动态系统的反馈控制是控制理论中的重要分支。
本课程主要介绍了动态系统的建模与分析、反馈控制系统的设计与分析等内容。
课程的难点在于教授学生如何对具体问题进行建模与设计，并通过分析与实验验证来评估系统的性能。
该课程的第四版在前三版的基础上进行了更新与完善。
重点在于增加了实验模块，让学生通过实践掌握课程所学的内容。
2. 课程目标本课程旨在让学生能够：•了解动态系统的基本概念和特点，掌握建模方法；•掌握反馈控制系统的设计方法和常用算法；•理解控制系统的性能指标和评估方法；•通过实验验证课程所学的内容，并能对实验结果进行分析和解释。
3. 课程内容3.1 动态系统的建模•系统建模的概念和方法；•时域分析方法；•复频域分析方法；•系统的稳定性分析。
3.2 反馈控制系统的设计•控制器的设计方法；•基于PID算法的控制器设计；•主动干扰控制和自适应控制技术；•模糊控制和神经网络控制。
3.3 控制系统的性能评估和优化•控制系统的性能指标；•通过实验验证控制系统的性能指标；•优化控制系统的性能。
3.4 实验模块•控制系统仿真实验；•控制系统设计和实现实验。
4. 教学模式本课程采用理论讲授、实践实验、论文阅读等多种教学模式相结合。
4.1 理论讲授通过PPT、黑板和板书等教学方式，对动态系统的建模、反馈控制系统的设计、控制系统性能评估等内容进行讲解。
4.2 实践实验由教师设计、学生实践的实验模块，包括控制系统仿真实验和控制系统设计和实现实验。
学生在实验中将理论所学知识应用到实践中，通过指导和协助，进一步加深对控制系统的理解。
4.3 论文阅读要求学生阅读相关领域的论文，并撰写论文摘要。
通过阅读论文，学生将可以更深入地了解现实应用中的控制系统设计与分析方法。
5. 课程评估本课程采用多种方式进行评估，包括期末考试、实验报告、论文摘要等。
5.1 期末考试期末考试占总评分的50%，考查学生对控制系统理论知识的掌握程度。
反馈控制系统课程设计
反馈控制系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解反馈控制系统的基本概念，掌握其工作原理和数学模型；2. 使学生掌握反馈控制系统稳定性、准确性和鲁棒性的分析方法；3. 帮助学生了解反馈控制系统在实际工程中的应用。
技能目标：1. 培养学生运用数学工具分析和解决反馈控制系统中问题的能力；2. 培养学生设计简单反馈控制系统的能力，提高其动手实践能力；3. 提高学生利用现代信息技术查找资料、自主学习的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对待科学技术的正确态度，提高其创新意识和团队合作精神；2. 激发学生对自动化领域的兴趣，引导其关注我国自动化技术的发展；3. 培养学生具备良好的工程伦理素养，使其在未来的工作中能够遵循职业道德，为社会做出贡献。
课程性质分析：本课程为自动化专业核心课程，旨在帮助学生建立反馈控制系统的基本理论体系，为后续专业课程打下坚实基础。
学生特点分析：学生具备一定的数学基础和电路基础知识，对自动化领域有一定的了解，但缺乏实际工程经验。
教学要求：1. 注重理论联系实际，提高学生的实际应用能力；2. 鼓励学生积极参与课堂讨论，培养其独立思考能力；3. 结合现代教育技术，提高课堂教学效果。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 反馈控制系统基本概念：介绍反馈控制系统的定义、分类及基本组成部分，分析开环控制系统与闭环控制系统的区别与联系。
2. 反馈控制系统的数学模型：讲解线性系统、非线性系统及离散时间系统的数学模型，分析不同模型的适用场合。
3. 反馈控制系统的性能分析：探讨稳定性、准确性和鲁棒性等性能指标，介绍相应的分析方法。
4. 反馈控制器设计：介绍PID控制器、状态反馈控制器、观测器设计等常见控制器的设计方法，分析各自优缺点。
5. 反馈控制系统的应用：结合实际案例，讲解反馈控制系统在工业、交通、生物医学等领域的应用。
6. 反馈控制系统仿真与实验：介绍MATLAB/Simulink等仿真软件在反馈控制系统中的应用，组织学生进行相关实验，提高实际操作能力。
反馈控制系统设计
ωd = ωn 1−ξ2
β = arccosξ
j
ωn
β
−ξωn
ωd = ωn 1−ξ 2
0
C、动态性能指标调节分析
ωn 固定 ，ξ
则： ↑ （阻尼增强，闭环积分效应）
ωd
↓ （振荡变弱） ts ， ↓ （逼近变快，与 tr t不同步！） τ ，p σ% ↓ （逼近变好） δ ↑ （衰减变快） β ↓ （极点左移，稳定性增强）
= Z ⋅P
ωm
ω
1/T 10/aT
ϕ (ω )
90 45
ϕ (ω ) = tg −1aTω − tg −1Tω
ϕm
0
ωm
dϕ (ω ) =0 dω
率 1aT和1T 的几 何中心，此时 有最大超前相 角。
a −1 ϕm = tg 2 a
−1
ω m正好处在频
w
2、无源滞后网络（积分型） 、无源滞后网络（积分型）
0.1/T 1/T
L(ω) = 20lg 1+ b2T 2ω2 − 20lg 1+ T 2ω 2
1/bT 20lgb 10/bT
ω
20lgb
-20db 0
ϕ (ω )
-45 -90
ϕ
ϕ (ω ) = tg −1bTω − tg −1Tω
ω
3、无源滞后—超前网络 、无源滞后—
(1+ aTas)(1+ bTbs) Gc (s) = a >1, b <1 (1+Ta s)(1+Tbs)
0
∞
问题: 问题
Kp=? Kv=? Ka=?
B、稳态性能指标调节分析 由开环参数来调节闭环系统指标！
反馈前馈控制系统设计课题背景描述
反馈前馈控制系统设计课题背景描述背景描述：反馈前馈控制系统是一种常用的控制系统设计方案。
它通过将反馈和前馈两种控制方式结合起来，能够实现更加精确、稳定和灵活的控制效果，被广泛应用于各种机电设备、自动化生产线等领域。
在实际应用中，反馈前馈控制系统的设计需要考虑多方面因素，包括被控对象的特性、控制器的性能要求、信号采集和处理方式等。
因此，如何有效地设计反馈前馈控制系统成为了一个重要的课题。
本文将从以下几个方面进行详细介绍和分析：反馈前馈控制系统的基本原理、设计流程和具体实现方法，以及在实际应用中需要注意的问题和解决方案。
一、反馈前馈控制系统基本原理1. 反馈控制原理反馈控制是指通过测量被控对象输出信号，并与期望输出信号进行比较，得到误差信号后再通过调节输入信号来使误差趋近于零的一种闭环控制方式。
其基本思想是根据被测量物理量与期望值之间的误差来调整控制量，以达到控制目标。
2. 前馈控制原理前馈控制是指在被控对象输入信号中加入一个预测信号，通过提前调节输入信号来消除误差，从而实现更加精确和稳定的控制效果。
其基本思想是在被测量物理量出现变化之前就对其进行预测，并通过预测结果来调整输入信号。
3. 反馈前馈控制原理反馈前馈控制是将反馈和前馈两种控制方式结合起来，通过同时考虑当前状态和未来趋势来实现更加精确、稳定和灵活的控制效果。
其基本思想是根据当前状态和未来趋势对被测量物理量进行预测，并通过反馈和前馈两种方式对输入信号进行调节，以达到最优的控制效果。
二、反馈前馈控制系统设计流程1. 系统建模系统建模是指将被控对象、传感器、执行器等各个部分组成一个完整的数学模型，以便于后续的仿真和分析。
在建模过程中需要考虑到系统的非线性特性、时变特性等因素，以保证模型的准确性和可靠性。
2. 控制器设计控制器设计是指根据系统模型和控制要求，设计出合适的控制算法和参数，以实现对被控对象的精确、稳定和灵活的控制。
在控制器设计过程中需要考虑到系统的动态响应特性、鲁棒性、抗干扰能力等因素。
基于PLC的前馈反馈控制系统设计
综合4 基于PLC的前馈反馈控制系统设计
一、控制描述
反馈控制是按照被控参数与给定值之差进行控制的，控制器必须在被控参数出现偏差后才能对它进行调节，补偿干扰对被控参数的影响。
前馈控制方法是一种开环控制，能对主干扰进行及时地补偿，而不会影响控制系统的动态品质。
前馈－反馈控制系统中的主要扰动由前馈部分进行补偿，这种扰动能测定，其它扰动由负反馈系统来消除，这样能使系统的动态误差大大减小。
本设计下水槽液位作为主回路的被控量，流量作为前馈信号，比值器作为补偿器。
通过本设计搞清楚反馈控制、前馈控制；前馈反馈与串级控制的概念。
二、设计任务
运用所学的过程控制理论知识，根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，进行下水槽液位前馈-反馈控制系统的原理设计、硬件系统设计、控制系统设计、上位监控系统设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。
设计的主要内容包括：
1. 控制器采用S7-200PLC；
2. 设计出系统的结构图、原理示意图、接线图等；
3. 设计出控制系统，包括控制器、PID控制算法及参数的选择；
4. 设计出系统方框图，描述各量的功能，并论述系统闭环控制原理；
5. 设计出上位监控系统，包括通讯、数据库、对象图形、数据显示、历史趋
势等；
6. 系统运行与调试，并加扰动，分析系统克服扰动的能力；
7. 主被控量稳态误差控制在3%以下；
8. 打印出系统的输出相应特性，并分析有关性能指标。
三、设计报告
课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。
1
2。
自动控制原理课程设计---单位负反馈系统设计校正
自动控制原理课程设计---单位负反馈系统设计校正
单位负反馈系统是自动控制原理课程设计中的重要内容，它是将输入信号与反馈信号进行比较、控制，从而达到调节系统性能的一种手段。
其目的是提高系统的稳定性和可靠性，缩小输入量的波动对输出量的影响，保持系统性能的稳定性和提高系统的控制性能，增强系统的鲁棒性。
系统的校正是保证其良好性能的前提，系统校正理论是所有反馈控制系统的基础之一，是实现系统自动控制的根本。
一、系统校正要点
1、调节器模式：调节器的类型是校正的核心，调节器的模式决定着反馈控制系统的性能。
常用的调节器有PI、PD、PID参数调节器，应根据实际情况灵活选择。
2、参数校正：选择调节器模式后，需要进行具体参数的校正，校正的过程一般有两种：经验法和数学模型法可以采用。
3、现场校正：现场校正过程主要是现场对参数进行实践调整，包括检查输入信号校正等，此类校正只能通过仪器进行，由于仪器的精度不同，校正效果也会有所不一样。
二、系统校正实施
1、系统检查：在校正实施前需要进行系统检查，检查项包括仪表精度以及反馈控制系统的结构与结构，检查后才能确定最佳的参数；
2、参数设置：在校正过程中，参数设置是提高反馈控制系统可用性的关键，特别是PID参数的调节，这要求改变参数时，要结合理论，灵活调整，以保证系统满足要求；
3、系统性能：在系统校正完成后，对系统性能进行检查，要求系统要满足设定的所有参数，结果必须与预期的结果保持一致，否则可以继续微调参数设置，以更好的满足需要。
总之，系统校正是自动控制原理中重要的一环，它既涉及到调整调节器参数，也涉及到系统调试等过程，必须根据实际情况，灵活选择，层层检查，从而实现反馈控制系统的良好性能。
反馈控制系统实例
反馈控制系统实例1. 引言反馈控制系统是指通过从系统输出中获取信息，将其与期望的参考信号进行比较，并据此调整系统的输入，以使系统输出尽可能地接近期望信号。
本文将介绍一个反馈控制系统的实例，包括系统的结构、控制器的设计和实际应用。
2. 系统结构反馈控制系统由三个基本组件组成：传感器、控制器和执行器。
传感器用于测量系统的输出，并将其转换为电信号。
控制器根据传感器的反馈信息和期望的参考信号，计算出一个控制信号。
执行器将控制信号转换为系统的输入，从而实现对系统的控制。
例如，考虑一个温度控制系统，其中需要将房间的温度控制在一个设定的目标温度范围内。
系统的结构如下所示：传感器 -> 控制器 -> 执行器传感器测量房间的温度，并将其转换为电信号。
控制器根据传感器反馈的温度信息和设定的目标温度，计算出一个控制信号。
执行器将控制信号转换为加热或制冷设备的输入，从而控制房间的温度。
3. 控制器设计控制器的设计是反馈控制系统的关键部分。
在温度控制系统中，一个常用的控制器类型是比例积分（PI）控制器。
PI控制器根据系统的偏差信号和偏差信号积分的结果，计算出一个控制信号。
具体地，PI控制器的输出可以通过以下公式计算得到：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t) dt其中，u(t)表示控制信号，Kp和Ki分别是比例系数和积分系数，e(t)是系统的偏差信号。
比例系数决定了控制信号对偏差信号的响应速度，而积分系数可以消除系统的稳态误差。
在温度控制系统中，偏差信号可以通过计算实际温度与设定温度之差得到。
根据偏差信号和PI控制器的参数，可以计算出一个控制信号，进而控制加热或制冷设备的输入，使得房间的温度接近设定温度。
4. 实际应用反馈控制系统在现实生活中有广泛的应用。
除了温度控制系统，它还可以应用于机械控制、电力系统、自动驾驶等领域。
以自动驾驶汽车为例，反馈控制系统可以通过传感器测量汽车的位置、速度和方向，并根据期望的路径和速度计算出一个控制信号。
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8-2 控制系统校正的概念
1、为什么需要校正？ 设计出满足设计要求的控制系统，是前面学 习系统描述和系统分析的落脚点！ 先回顾一下学过的例题。
例4.4（比例调节）：已知单位负反馈系统 的开环传递函数为
5K A G(s) s ( s 34.5)
设系统的输入为单位阶跃函数，试计算 放大器增益KA=200时，系统输出响应的动 态性能指标。当 KA 增大到 1500 ，或减小 到 13.5时，系统的动态性能指标如何?
3、 附加开环零点（微分型调节） 根轨迹左弯，有利于稳定性，主要用于改善过渡 过程，提高相角裕度，产生闭环积分效应。
R(s) +
-
K
Gc(s)
Gu(s)
Y(s)
H(s)
Gc ( s) 1 Ts 1
4、 附加开环极点（积分型调节） 根轨迹右弯，不利于稳定性，基本不会采用。
这些措施已经是校正措施了。接下来还会详 细讨论。
5、调节开环增益（比例调节） 主要用于改善稳态精度；对过渡过程和 稳定性的影响，由根轨迹决定。 6、 高阶系统的瞬态模式由闭环极点决定， 越远离虚轴，对过渡过程的影响越弱； 7、 各瞬态模式的强度由零、极点相对分布 决定，主导极点影响最大，偶极子的影 响可以对消、忽视。
2、时域稳态性能指标及其调节 A、稳态性能指标（闭环系统） 误差系数与典型输入有关，总的原则是保证 足够大的误差系数。
稳态误差取不 同的误差系数At2/2 A· 1(t) A· t At2/2
ν
A· 1(t) A 1+ k
A· t
0型
∞
A k
∞
k
0
k
0
Ⅰ型
Ⅱ型
0 0
1 2 3
∞
A k
∞
∞
0
k
0
∞
问题:
Kp=? Kv=? Ka=?
B、稳态性能指标调节分析 由开环参数来调节闭环系统指标！
1、系统型数V， V ↑→ 系统跟踪能力↑ 系统稳定性↓ （积分调节，根轨右弯） 2、开环增益系数K， （最便捷的调节手段） K ↑→ 系统稳态误差↓ 系统稳定性，动态响应受影响 3、扰动补偿 4、提高元件精度
注意: 超调量 、相角只与 有关！
C、动态性能指标调节分析
固定 ， n ↑
则：
tr ， t p ↓ （快速性变快） d ↑ （振荡变强） ts ， tp ↓ （逼近变快，与 t， r 同步！） ↑ （衰减变快）
注意: 超调量 、相角只与 有关！
设计原则：先根据对超调量的要求，决定 ，再由对 响应速度的要求决定n！
第十七讲：系统校正与超前网络设计
（8-1， 8-2 ，8-3， 8-4单元，4学时）
8-1 控制系统指标、参数及其调节回顾 8-2 控制系统校正的概念 8-3 常用校正装置及其特性 8-4 用Bode图设计超前校正网络
8-1 控制系统指标、参数及其调节回顾 1、时域动态性能指标及其调节
A、动态性能指标（二阶欠阻尼闭环系统）
3、系统稳定性与指标、参数的调节
A、S平面内 衰减系数（负实部）δ δ ↑→系统稳定性 ↑ B、开环增益系数K K对稳定性的调节作用，由根轨迹决定。 C、频率域内 提高相角裕度和幅值裕度，有利于稳定性。 D、附加开环零点，有利于稳定性；附加开环极 点，不利于稳定性。
4、基于开环看闭环策略的指标、参数和方法
R(s) +
-
K
Gu(s) H(s)
Gc(s)
Y(s)
Gc ( s) 1 Ts 1
2、 附加不可忽视的闭环极点（闭环积分效应）, 等效导致（ ↑ ）超调量减少，响应速度 变缓，零点越靠近原点，效应越显著。
R(s) +
-
K
Gc(s) H(s)
Gc (s) Ts 1
Gu(s)
Y(s)
相角裕度 →由开环频率特性分析闭环相对稳定性 幅值裕度 K g→由开环频率特性分析闭环相对稳定性 截止频率 c 系统型数V→由开环参数分析闭环稳态误差和稳定性 开环增益系数K →由开环参数分析闭环稳态误差和根轨 迹 （附加）开环零、极点→由开环参数分析闭环根轨迹 Nyquist判据→由开环频率特性分析闭环稳定性 Nicolis图→由开环频率特性分析闭环频率特性
1 n 1 n
d n 1 2
arccos
j
n
n
d n 1 2
0
C、动态性能指标调节分析
n 固定 ，
则： ↑ （阻尼增强，闭环积分效应）
d ts ， %
tr ， t p ↑ （快速性变缓）
↓ （振荡变弱） ↓ （逼近变快，与 tr ，t不同步！） p ↓ （逼近变好） ↑ （衰减变快） ↓ （极点左移，稳定性增强）
（速度变快） （ 闭环指标）
（速度变快）
b ↑ → tr， t↓ p
E、其它措施对动态性能指标的调节分析
R(s) +
-
K
Gu(s) H(s)
Gc(s)
Y(s)
Gc (s) Ts 1
1、 附加不可忽视的闭环零点(闭环微分效应), 等效导致( ↓)超调量增加，响应速度 加快，零点越靠近原点，效应越显著。
第八章 反馈控制系统设计
（教材第10章）
8-1 控制系统指标、参数及其调节回顾 8-2 控制系统校正的概念 8-3 常用校正装置及其特性 8-4 用Bode图设计超前校正网络 8-5 用Bode图设计滞后校正网络 8-6 用根轨迹设计超前校正网络 8-7 用根轨迹设计滞后校正网络 8-8 PID控制器 8-9 控制系统的反馈校正与干扰补偿 8-10 控制系统设计综合实例
上升时间 tr
峰值时间 t p 调节时间 ts 超调量 % 注意:超调量只与 有关！
tr
d tp d n 1 2
% e
3~ 4 ts n
/ 1 2
100%
B、动态性能指标/模型参数（闭环系统）
时间常数 衰减系数 阻尼振荡频率 d 相角偏离 阻尼系数 本振频率 n
D、频域指标对动态性能指标的调节分析
相角裕度 ： 谐振峰值 M p 谐振频率 p 系统带宽b
100（开环求参数，判定闭环性
能，与阻尼同步增强） （ 0.707, 闭环指标） （超调增大） （ 0.707 , 闭环指标）
M p↑ → % ↑
p↑ → t， r t↓ p