第七章控制系统综合校正PPT课件
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自控原理课件 第7章-自动控制系统控制器及其校正与设计
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32
33
比例控制器另一作用是调整系统的开环放大 倍数，加快系统的响应速度。 考虑图7.14所示带有比例控制器校正的控制系 统，系统的闭环传递函数为
34
可见，Kp 愈大，稳态精度愈高，系统的时间常 数τ＝T/(1+Kp )愈小，则系统响应速度愈快。 [例7.4]被控对象为一阶惯性的比例控制器控 制时SIMULINK仿真 如图7.15所示，一阶惯性环节为10/(5s+1) ，比例控制器增益为1时，系统输出为指数上升 形式。 如图7.16所示，被控对象不变，比例控制器 增益为10，系统输出仍为指数上升形式，输出与 输入不相等，仍为有差系统，但误差减小，且响 应速度加快，读者可计算验证。
67
由图7.36可见，校正前原系统是O型系统(无积 分器）是有静差系统。校正后系统成为I型系统(含 有一个积分器)，在阶跃输入下能实现无静差，改 善了系统的稳态性能。校正前原系统相位裕量＝ 88º ，校正后相位裕量＝65，相位裕量是减小的， 意味着系统的超调量将增加，降低了系统的稳定 性。总之，采用PI校正，能改善系统的稳态性能， 而动态性能可能受到一定的影响。
第7章 自动控制系统控制器及其 校正与设计
本章主要讲述自动控制系统中常用的控制器 及其校正。在对自动控制系统分析后，发现系统 不能满足性能指标的要求，需要对系统进行改进， 在原有的系统中，有目的地增添一些装置和元件， 人为地改变系统的结构和性能，使之满足所要求 的性能指标，这种方法就称为校正。常用的校正 方法有串联校正、反馈校正和顺馈补偿。同时， 本章还简要叙述常用的工程上的设计方法。
38
SIMULINK仿真结果如图7.20所示，输出波形 虽有振荡，但超调量减小，振荡次数减少，系统响 应得到了改善。 7．2．3 积分控制器(I)校正
热工控制系统课堂ppt第七章前馈反馈复合控制系统
第一节 前馈控制系统的组成
前两章讨论的串级、导前微分系统都是反馈控制，它是根据被 调参数的偏差值来控制的。
反馈控制的特点:
必须在被调量与给定值的偏差出现后，调节器才能对其进行调 节来补偿干扰对被调量的影响。
如果干扰已经发生，而被调参数还未变化时，调节器是不会动 作的。即反馈控制总是落后于干扰作用。因此称之为“不及时控 制”。
给水扰动是内扰，其他是外扰 。
三、给水自动控制系统的基本要求
根据上述给水控制系统对象动态特性的分析，给水控制系统应符 合以下基本要求：
首先，由于被控对象在给水量G 扰动下的水位阶跃反应曲线表
现为无自平衡能力，且有较大的迟延，因此必须采用带比例作用 调节器以保证系统的稳定性。
其次，由于对象在蒸汽量D 扰动下，水位阶跃反应曲线表现相互
工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量， 对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它仪器被调参数变化 的干扰采用反馈控制来克服。
以这种形式组成的系统称为前馈－－反馈复合控制系统。
前馈－－反馈复合控制系统既能发挥前馈调节控制及时的优点， 又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处，因此得到 广泛应用。
在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容 积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。
从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量（ 被调量）发生变化又要经过一定的时间。
可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的 影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控 制质量的进一步提高。
第四节复合控制系统实例分析 ——三冲量给水控制系统
一、给水控制的任务
汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包 中的水位保持在一定范围内。具体要求有以下两个方面：
前两章讨论的串级、导前微分系统都是反馈控制，它是根据被 调参数的偏差值来控制的。
反馈控制的特点:
必须在被调量与给定值的偏差出现后，调节器才能对其进行调 节来补偿干扰对被调量的影响。
如果干扰已经发生，而被调参数还未变化时，调节器是不会动 作的。即反馈控制总是落后于干扰作用。因此称之为“不及时控 制”。
给水扰动是内扰，其他是外扰 。
三、给水自动控制系统的基本要求
根据上述给水控制系统对象动态特性的分析，给水控制系统应符 合以下基本要求：
首先，由于被控对象在给水量G 扰动下的水位阶跃反应曲线表
现为无自平衡能力，且有较大的迟延，因此必须采用带比例作用 调节器以保证系统的稳定性。
其次，由于对象在蒸汽量D 扰动下，水位阶跃反应曲线表现相互
工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量， 对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它仪器被调参数变化 的干扰采用反馈控制来克服。
以这种形式组成的系统称为前馈－－反馈复合控制系统。
前馈－－反馈复合控制系统既能发挥前馈调节控制及时的优点， 又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处，因此得到 广泛应用。
在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容 积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。
从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量（ 被调量）发生变化又要经过一定的时间。
可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的 影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控 制质量的进一步提高。
第四节复合控制系统实例分析 ——三冲量给水控制系统
一、给水控制的任务
汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包 中的水位保持在一定范围内。具体要求有以下两个方面：
控制工程基础控制系统的校正课件
加强自适应校正技术的 研究，提高系统在复杂 环境中的适应性和稳定
性。
推动控制工程与其他学 科的交叉融合，为控制 系统校正引入更多的创 新思路和技术手段。
THANKS
感谢您的观看
07
结论与展望
结论总结
控制系统校正的重要性
通过校正可以改善控制系统的性能，提高系统的稳定性和精度。
校正方法的应用
在实际工程中，应根据系统的具体要求和特点选择合适的校正方法 。
校正效果的评价
采用仿真和实验手段对校正后的系统进行评估，以验证校正方法的 有效性。
展望未来发展趋势
智能控制技术的发展
随着人工智能和机器学习技术的不断 进步，智能控制方法在控制系统校正
滞后校正应用
适用于具有较小滞后和高频噪声干扰的系统，如 电子放大器、测量仪器等。
超前-滞后校正
超前-滞后校正网络
01
将超前校正网络和滞后校正网络组合使用，实现系统全频段性
能优化。
超前-滞后校正特点
02
可以兼顾系统的稳定性和快速性，减小超调量和调节时间，提
高系统的动态性能和稳态精度。
超前-滞后校正应用
比例微分校正
比例微分校正可以改善系统的动态性能，提高系统的 快速性。同时，微分作用还可以减小系统调节时间， 使系统更快地达到稳态。
06
校正方法的选择与 实施
校正方法的选择原则
性能指标要求
根据系统性能指标要求，选择适合的校正方 法。
系统稳定性
考虑校正方法对系统稳定性的影响，选择能 够提高系统稳定性的校正方法。
性。
实例二：滞后校正的应用
滞后校正原理
通过增加相位滞后环节，降低系统高频段的增益，提高系统抗高 频干扰能力。
[工学]CH7_控制系统的性能分析和校正
![[工学]CH7_控制系统的性能分析和校正](https://img.taocdn.com/s3/m/1fce7311bd64783e09122ba1.png)
1、PD调节器
Gc s K p Kd s
L
20 lg K p
K
p
Kd Kp
s
1
K p Ts
1
20
0
1
T
相当于超前校正
90
0
2、PI调节器
L
Gc
s
K
p
1 Ti s
Ti K p s Ti s
1
20 1
在机电控制系统中，为了改进反馈控制系统的性 能，人们经常选择各种各样的校正装置，其中最简
单最通用的就是PID控制器。模拟PID控制器 大多数是液压的、气动的、电气的和电 子型的，或是由它们构成的组合型。由 于微处理器的大量应用，许多变成了数 字型的。
大多数PID控制器是现场调节的，某 些PID控制器还具有在线自动调节能力。
顺馈校正
Gr s
Xi s Es
-
补偿器放在 系统回路之外
Gs Xos
不影响特征方程，只补偿由于 输入造成的稳态误差。
干扰补偿
当干扰直接可测量时
Xi s Es
- Y s
Gn s
G1 s
N s G2 s
X o s
不影响特征方程，只补偿由于 干扰造成的稳态误差。
控制工程基础
第七章 控制系统的性能分析与校正
性能分析——一个系统，元部件 参数已定，研究它能达到什么指 标，能否满足所要求的各项性能 指标；
综合与校正——若系统不能全面 地满足所要求的性能指标，就要 考虑对原系统增加些必要的元件 或环节，使系统能够全面地满足 所要求的性能指标。
自动控制原理课件：线性系统的校正
1 s
U i (s) 1 ( R1 R2 )Cs 1 s
➢在整个频率范围内相位都
滞后，相位滞后校正。
滞后环节几乎不影响系统的高频相位；
但使系统的高频幅值衰减增大
19
01 滞后校正装置的频率特性：
20 lg Gc ( j )
1
m
j 1
Gc ( j )
线性系统的校正
CONTENTS
目
录
6.1
校正的基本概念
6.2
线性系统的基本控制规律
6.3
常用串联校正及特性
6.4
期望特性串联校正
6.5
MATLAB在线性控制系统校正
中的应用
6.1
校正的基本概念
为某种用途而设计的控制系统都必须满足一定的性能指标，如时域指标、
频域指标及广义的误差分析性能指标。
自动控制系统一般由控制器及被控对象组
m sin 1
1
1
1 sin m
1 sin m
11
03
小结
１．相位超前校正装置具有正的相角特性，利用这个特性，
可以使系统的相角裕量增大．
２．当 m 时，相角超前量最大．
３．最大超前角 m仅与 有关， 越小， m 越大．其关系可用
曲线表示．
13
02
3．选用相位超前校正装置．根据对相角裕量的要求，计算需
产生的最大相角超调量
0 40 15.52 5.52 30
4.
根据 m 确定 值
1 sin 30
0.333
1 sin 30
14
U i (s) 1 ( R1 R2 )Cs 1 s
➢在整个频率范围内相位都
滞后，相位滞后校正。
滞后环节几乎不影响系统的高频相位；
但使系统的高频幅值衰减增大
19
01 滞后校正装置的频率特性：
20 lg Gc ( j )
1
m
j 1
Gc ( j )
线性系统的校正
CONTENTS
目
录
6.1
校正的基本概念
6.2
线性系统的基本控制规律
6.3
常用串联校正及特性
6.4
期望特性串联校正
6.5
MATLAB在线性控制系统校正
中的应用
6.1
校正的基本概念
为某种用途而设计的控制系统都必须满足一定的性能指标，如时域指标、
频域指标及广义的误差分析性能指标。
自动控制系统一般由控制器及被控对象组
m sin 1
1
1
1 sin m
1 sin m
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03
小结
１．相位超前校正装置具有正的相角特性，利用这个特性，
可以使系统的相角裕量增大．
２．当 m 时，相角超前量最大．
３．最大超前角 m仅与 有关， 越小， m 越大．其关系可用
曲线表示．
13
02
3．选用相位超前校正装置．根据对相角裕量的要求，计算需
产生的最大相角超调量
0 40 15.52 5.52 30
4.
根据 m 确定 值
1 sin 30
0.333
1 sin 30
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机械控制工程基础7
c 20 lg K 20 lg 2 20 lg 20 lg 2 c 2
2
3 T2 h 2 T3
故 K , 2 c
2 显然，知道了h和 c 、 2 的值，伯德图就可 以完全确定了。 当 T3 是系统固有时间常数时，如果给定了中 频宽h后, 则 c 随K的增大而增大。从附录B h 1 可知，当选择
1 s
o s
K j s2
θ o s U s
K2 sTm s 1 Kf K2 2 1 K js sTm s 1 Tf s 1 s TmT f s 2 Tm K 2 K j K f T f s 1
m f
K 2 T f s 1
K1 s H s T1 s 1
i s
U s
K1
K2 Tm s 1
Kcs
s
1 s
o s
则对应串联校正
K2 K2 θ o s sTm s 1 1 K2 Kc K2 U s 1 1 K c s s 1 K K Tm s 1 sTm s 1 2 c 1 Tm s 1 K2 1 K2 Kc 1 s Tm s 1 Tm s 1 1 K2 Kc
控制工程基础
（第七章）
清华大学
第七章
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7
控制系统的性能分析与校正
系统的性能指标 系统的校正概述 串联校正 反馈校正 用频域法对控制系统进行设计与校正 典型机电反馈控制系统综合校正举例 确定PID参数的其它方法
第七章
控制系统的性能分析与校正
一、时域性能指标 评价控制系统优劣的性能指标，一般是根据 系统在典型输入下输出响应的某些特点统一规定 的。 常用的时域（阶跃响应、斜坡响应）指标 有： 最大超调量或最大百分比超调量 M p ； 调整时间 t s ； 峰值时间 t p ； 上升时间 t r ；
2
3 T2 h 2 T3
故 K , 2 c
2 显然，知道了h和 c 、 2 的值，伯德图就可 以完全确定了。 当 T3 是系统固有时间常数时，如果给定了中 频宽h后, 则 c 随K的增大而增大。从附录B h 1 可知，当选择
1 s
o s
K j s2
θ o s U s
K2 sTm s 1 Kf K2 2 1 K js sTm s 1 Tf s 1 s TmT f s 2 Tm K 2 K j K f T f s 1
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K2 Tm s 1
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则对应串联校正
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控制工程基础
（第七章）
清华大学
第七章
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7
控制系统的性能分析与校正
系统的性能指标 系统的校正概述 串联校正 反馈校正 用频域法对控制系统进行设计与校正 典型机电反馈控制系统综合校正举例 确定PID参数的其它方法
第七章
控制系统的性能分析与校正
一、时域性能指标 评价控制系统优劣的性能指标，一般是根据 系统在典型输入下输出响应的某些特点统一规定 的。 常用的时域（阶跃响应、斜坡响应）指标 有： 最大超调量或最大百分比超调量 M p ； 调整时间 t s ； 峰值时间 t p ； 上升时间 t r ；
第七章 控制系统的性能分析与校正
反馈的功能：
1、比例负反馈可以减弱为其包围环节的惯性，从 而将扩展该环节的带宽。
2、负反馈可以减弱参数变化对控制性能的影响。 3、负反馈可以消除系统不可变部分中不希望有的
特性。
X i(s)
n1
n2
控制器 校正
对象1
对象2
校正
校正
X 0(s)
反馈串联的联结形式
一、利用反馈校正改变局部结构和参数
❖ 1、比例反馈包围积分环节
1. 设火炮指挥系统如图所示，其开环传递函数
系统最大输出速度为2转/min ，输出位置的容许误差小于2/秒。 (1) 确定满足上述指标的最小k值，计算该k值下的相位裕度和幅值裕度。 (2) 前向通路中串联超前校正网络Gc (s)=(1+0.4s)/(1+0.08s)，试计算相位裕度。
G(s)
k
s(0.2s1)0 (.5s1)
反馈校正、顺馈校正和干扰补偿。
X i(s) ＋ E
－
校正 串联
放在相加点之后
此处往往是一个 小功率点
＋ 控制器
－
N
X 0(s)
对象
校正 反馈
可以放在 任意位置
7-3 串联校正
一、串联校正（解决稳定性 和快速性的问题，中频段）
Gc(s)
X 0(s) X i(s)
R2 R1 R2
令
R1C S 1
和被包围环节G1(s)全然无关，达到了以1/ Hc(s)取代G1(s)的效果 反馈校正的这种作用，在系统设计和高度中，常被用来改选不希望有的某些 环节，以及消除非线性、变参量的影响和抑止干扰。
例：设其开环传递函数
G(s)
k
s(0.2s1)0 (.5s1)
第七章自动控制原理
采样定理给出了选择采样周期T的依据。
7.2.2 信号复现及零阶保持器
▪ 信号复现 将数字信号转换复原成连续信号的过程称信号复现。该装置称 为保持器或复现滤波器。
▪ 零阶保持器 零阶保持器是最简单也是工程中使用最广泛的保持器。零
阶保持器的输入输出特性可用下图描述。
e*(t)
eh(t)
e*(t) 零阶保持器 eh(t)
n0
n0
采样信号的拉氏变换
E * (s) L[e* (t)] e(nT )e nTS
n0
例 e(t)=eat,试写出e*(t)表达式。
解：e (t ) e anT (t nT ) n0
物理意义：可看成是单位理想脉冲串T (t) 被输入信号e(t)进行
调制的过程，如下图所示
在图中，T(t)为载波信号；e(t)为调制信号； e*(t)为
n0
z z 1
两端对z求导数，得
(n)z n1
n0
1 (z 1)2
两边同乘(-Tz)，得单位斜坡信号的z变换
nT z n
Tz
,( z 1)
n0
(z 1)2
(5) 指数函数 e(t)=e-at(a为实常数〕，则
E( Z ) e anT z n n0
1 e aT z 1 e 2aT z 2 e 3aT z 3 (*)
(s ) s o s
1/ Ts Fs ()
o TS
t
s om s
3. 采样定理（香农定理）
如果采样器的输入信号最高角频率为ωmax， 则只有当采样频率ωs≥2ωmax,才可能从采样信号
中无失真地恢复出连续信号。
s 2 max
其中
s
:
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
M
r
—— 相对谐振峰值，M r
Amax
A0
，当 A(0) 1
时，M r 与 A m a x 在数值上相同；
M —— 复现频率，当频率超过 M ，输出就
不能“复现”输入，所以，0～M 表
示复现低频正弦输入信号的带宽，
称为复现带宽，或称为工作带宽；
b —— 闭环截止频率，频率 0～ b 的
范围称为系统的闭环带宽。
令 R 1 C 11, R 2C 22
G cs ( (T 1 1 s s 1 1 ) )( (T 2 2 s s 1 1 ) )(12 T 1 T 2 ， T 112 T 2 )
滞后-超前校正网络的频率特性
G c s ( ( T 1 1 s s 1 1 ) ) ( ( T 2 2 s s 1 1 ) )(12 T 1 T 2 ， T 1 1 2 T 2 )
解: 当 xi t 时1，t 误差的拉氏变换为
Es1G 1sXiss1K
有 IlimE(s)lim1 1
s 0
s 0sK K
从使 I 减小的角度看，K 值选得越大越好。
2．误差平方积分性能指标 若给系统以单位阶跃输入后，其输出过程
有振荡时，系统的综合性能指标可取为
I e2 tdt 0
7.2 系统的校正概述 校正的分类：
比例调节器 (P 调节)
在比例控制器中，调节规律是：控制器的输出信
号与偏差成比例。其方程如下：
u KPe 式中 K P 称为比例增益。
其传递函数表示为
Gc(s) KP
从减小偏差的角度出发，我们应该增
加 K P ;但另一方面，增加 K P 通常导致系统
的稳定性下降。因此在设计时必须合理地优
化K P 。
GcsTTss11(1)
滞后校正网络的作用
以牺牲快速性(带宽减小)来换取稳定性； 允许适当提高开环增益，以改善稳态精度。
滞后-超前校正
滞后-超前校正网络
其传递函数为
Gc s
Xo s Xis
R2
1 C2s
R
1
1 C1
s
R1
1 C1s
R2
1 C2s
( R1C1s 1)( R2C 2s 1)
( R1C1s 1)( R2C 2s 1) R1C 2s
；
p
ห้องสมุดไป่ตู้
调整时间 t s ；
峰值时间 t p ；
上升时间 t r ；
开环频域指标
c —— 开环剪切频率 (rad/s) ；
—— 相位裕量(°)；
K g —— 幅值裕量；
K p —— 静态位置误差系数；
K v —— 静态速度误差系数； K a —— 静态加速度误差系数。
闭环频域指标
r —— 谐振角频率；
其传递函数表示为：
Gc (s)
KP
KI s
KDs
K (1s 1)( 2s 1)
s
由于在PID控制器中，可供选择的参数有 K P 、K I
由于微分控制器的相位始终是超前的， 同时为了避免微分引起高频噪声增加而通 常在分母增加一阶环节，因此超前校正通 常也认为是近似的微分校正。
PID 调节器
比例、积分、微分控制器各有其优缺点，对于性能 要求很高的系统，单独使用以上任何一种控制器达不到 预想效果，可组合使用。PID调节器的方程如下：
uKPeKI 0edtKDd det
串联校正、反馈校正、顺馈校正和干扰补偿
7.3 串联校正
超前校正
超前校正网络
其传递函数为
Gcs
Xo s X i s
R2
R2
R1
1 Cs
R1
1 Cs
R 2 R1C s 1
R1 R2
R2 R1 R2
R1C s
1
令 R1CT,
R2 1
R1R2
GcsTTss11(1)
超前校正网络的频率特性
PID 调节器
在机电控制系统中，最简单最通用的校正装置是 比例-积分-微分校正装置，简称为PID校正装置或PID 控制器。这里 P 代表比例，I 代表积分，D 代表微分。
PID控制具有以下优点：
(1) 原理简单，使用方便。 (2) 适应性强，可以广泛应用于机电控制系统，
同时也可用于化工、热工、冶金、炼油、 造纸、建材等各种生产部门。 (3) 鲁棒性（Robust）强，即其控制品质对环 境和模型参数的变化不太敏感。
控制工程基础
(第七章）
2010年
7 控制系统的综合校正
7.1 系统的性能指标 7.2 系统的校正概述 7.3 串联校正 7.4 反馈校正 7.5 用频域法对系统进行设计与校正 7.6 机电反馈控制系统综合校正举例 7.7 确定PID参数的其它方法
7.1系统的性能指标
常用的时域指标有：
最大超调量 M
GcsTTss11(1)
超前校正网络的作用
增强稳定性； 提高快速性(带宽增加)； 不能改善稳态精度。
滞后校正
C
滞后校正网络
其传递函数为
Gcs
X o s X i s
R2
1 Cs
R1
R2
1 Cs
R2C s 1
R1 R2 R2
R2C s
1
令
R2CT,
R1R21
R2
GcsTTss11(1)
滞后校正网络的频率特性
u
KD
de dt
式中 K
称为微分增益。
D
其传递函数表示为：Gc(s) KDs
微分调节器对被调量的变化趋势进行 调节，及时避免出现大的偏差。
一般情况下，直接对检测信号进行微分操作会引 入很大的冲击，造成某些器件工作不正常。另外，对 于噪声干扰信号，由于其突变性，直接微分将引起很 大的输出，即直接微分会造成对于线路的噪声过于敏 感。故而对于性能要求较高的系统，往往使用检测信 号速率的装置来避免对信号的直接微分。
综合性能指标(误差准则) 1. 误差积分性能指标
误差：e t x o rt x o t x it x o t
在无超调的情况下，误差 e t 总是单调
的，因此，系统的综合性能指标可取为
I
0
e
t
dt
因为 Es etestdt 0
所以 Ilimetestdtlim Es
s 0 0
s 0
例1
设单位反馈的一阶惯性系统方框图如下 图所示，试确定能使 I 值最小的 K 值。
积分调节器(I 调节)
在积分控制器中，调节规律是：偏差 经过积分控
制器的积分作用得到控制器的输出信号 。其方程如下：
t
u K I edt
0
式中 K
称为积分增益。
I
其传递函数表示为：G j
(s)
KI s
积分控制器的显著特点是无差调节。
微分调节器(D 调节)
在微分控制器中，调节规律是：偏差经过微分控制 器的微分作用得到控制器的输出信号，即控制器的输出 与偏差的变化速率成正比。其方程如下：