控制工程基础(第三版)：第七章控制系统综合校正
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控制系统的校正及综合
成本和能耗。
2 、对参数变化比较敏感。
2019/11/6
第六章控制系统的校正与综合 6
(2) 反馈（并联）校正
校正装置与系统不可变部分或不可变部分中的一部分按 反馈方式连接称为反馈校正
Xr(s)
Xc(s)
校正装置
特点：1、可抑制系统参数波动及非线性因素的影响。 2 、设计复杂。
2019/11/6
第六章控制系统的校正与综合 7
? ?
1 1
?
1
?d
?1 j?
?1
?d
?2
?
? ? ?
2
0
log
1
?d
?
? 2 ? ?d? 1
??c ?
??
arctan
? ?1
?
arctan
? ?2
求导
? max ? ? 1 ?? 2，几何中点！
ωmax
? max
?
arcsin
?d ?d
? ?
1 1
? ? d不能太大，否则衰减十分严重，一般取 d ? 20。
控制系统的校正及综合
主要内容
? 控制系统校正的一般概念 ? 串联校正 ? 反馈校正 ? 前馈校正
2019/11/6
第六章控制系统的校正与综合 2
1、校正的一般过程
固有部分或不可变部分
校正装置（可变Biblioteka 分）为使系统达到某种动态及静态指标的要求，加入一些参数可 根据需要而改变的装置，该装置可改善系统性能，使系统得到校
正，称之为校正装置。 校正装置的选择及其参数整定的过程，称为自动控制系统的
校正 。就是通常所说的控制系统的综合问题。
2019/11/6
机械控制理论基础(第七章 机械工程控制系统的校正与设计)
-2
(1) (2)
(1)校正前 (2)校正后 转角频率： ω1=1/(αT) ω2=1/T
(1) (2)
10
-1
10
0
10
1
Frequency (rad/sec)
第七章 控制系统的校正与设计
§7-2 控制系统的串联校正
最大滞后量： φ =0 ω
ωm =
1 T α = ω1 ω 2
sin φ max =
第七章控制系统的校正与设计72控制系统的串联校正同时改善系统的瞬态响应和稳态精度1校正装置如所示无源网络第七章控制系统的校正与设计72控制系统的串联校正滞后超前校正直接发生在中频段相位裕量增加w左移稳定性提高但响应速度减慢稳态性能基本不若把校正后的幅频线上移20lg即开环增益增大倍则不仅可使稳态精度得到提高而且可同时提高稳定性和响应速度
R(s) (2)并联校正 并联校正 + 将校正环节并接在原系 统中 分类： 分类：反馈校正 顺馈校正 特点： 特点：一般不附放大器， R(s) 所用器件较少
－
G1(s)
+
－
G2(s)
C(s)
Gc(s)
图7-2反馈校正
Gc(s) + +
－
+
G(s)
C(s)
图7-3顺馈校正
第七章 控制系统的校正与设计
L (ω )
60
db
20 db / dec
20db/ dec
0.1
40
20
加大开环增益，不能满足动 态特性。必须进行校正。
ωc
1
40 db / dec
2
ω
' C
0 0.01
20
(1) (2)
(1)校正前 (2)校正后 转角频率： ω1=1/(αT) ω2=1/T
(1) (2)
10
-1
10
0
10
1
Frequency (rad/sec)
第七章 控制系统的校正与设计
§7-2 控制系统的串联校正
最大滞后量： φ =0 ω
ωm =
1 T α = ω1 ω 2
sin φ max =
第七章控制系统的校正与设计72控制系统的串联校正同时改善系统的瞬态响应和稳态精度1校正装置如所示无源网络第七章控制系统的校正与设计72控制系统的串联校正滞后超前校正直接发生在中频段相位裕量增加w左移稳定性提高但响应速度减慢稳态性能基本不若把校正后的幅频线上移20lg即开环增益增大倍则不仅可使稳态精度得到提高而且可同时提高稳定性和响应速度
R(s) (2)并联校正 并联校正 + 将校正环节并接在原系 统中 分类： 分类：反馈校正 顺馈校正 特点： 特点：一般不附放大器， R(s) 所用器件较少
－
G1(s)
+
－
G2(s)
C(s)
Gc(s)
图7-2反馈校正
Gc(s) + +
－
+
G(s)
C(s)
图7-3顺馈校正
第七章 控制系统的校正与设计
L (ω )
60
db
20 db / dec
20db/ dec
0.1
40
20
加大开环增益，不能满足动 态特性。必须进行校正。
ωc
1
40 db / dec
2
ω
' C
0 0.01
20
控制工程基础ppt课件第一章 控制工程基础概论
性理论。 1895年：A. Hurwitz提出赫尔维茨稳定性判据。
1932年：H. Nyquist提出乃奎斯特稳定性判据。 1945年：H. W. Bode提出反馈放大器的 一般设计方法
第一章 概论
1948年：N. Wiener发表《控制论》，标志经典 控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数 为基础，主要研究单输入—单输出（SISO）系 统的分析和控制问题；
第一章 概论
根据自动控制理论的内容和发展的不同阶 段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现 代控制理论”两大部分。
“经典控制理论”的内容是以传递 函数为基础，以频率法和根轨迹法作 为分析和综合系统基本方法，主要研 究单输入，单输出这类控制系统的分 析和设计问题。
第一章 概论 第一颗人造卫星（苏联，1957年）
机电工业是我国最重要的支柱产业之一 ，而传 统的机电产品正在向机电一体化（Mechatronics） 方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控 制自动化。
机电控制型产品技术含量高，附加值 大，在国内外市场上具有很强的竞争优势， 形成机电一体化产品发展的主流。当前国 内外机电结合型产品，诸如典型的工业机 器人，数控机床，自动导引车等都广泛地 应用了控制理论。
第一章 概论 勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）
第一章 概论 土卫六探测器（欧盟，2005年）
第一章 概论 坦普尔1号彗星深度撞击（美国，2005年）
第一章 概论
常娥一号（2007年，中国）
第一章 概论
导弹击中卫星（中国，2007年； 美国，2008年）
第一章 概论
“作为技术科学的控制论，对工程技术、
u2 放大器
ua 控制 电机
n
减 速 器
1932年：H. Nyquist提出乃奎斯特稳定性判据。 1945年：H. W. Bode提出反馈放大器的 一般设计方法
第一章 概论
1948年：N. Wiener发表《控制论》，标志经典 控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数 为基础，主要研究单输入—单输出（SISO）系 统的分析和控制问题；
第一章 概论
根据自动控制理论的内容和发展的不同阶 段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现 代控制理论”两大部分。
“经典控制理论”的内容是以传递 函数为基础，以频率法和根轨迹法作 为分析和综合系统基本方法，主要研 究单输入，单输出这类控制系统的分 析和设计问题。
第一章 概论 第一颗人造卫星（苏联，1957年）
机电工业是我国最重要的支柱产业之一 ，而传 统的机电产品正在向机电一体化（Mechatronics） 方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控 制自动化。
机电控制型产品技术含量高，附加值 大，在国内外市场上具有很强的竞争优势， 形成机电一体化产品发展的主流。当前国 内外机电结合型产品，诸如典型的工业机 器人，数控机床，自动导引车等都广泛地 应用了控制理论。
第一章 概论 勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）
第一章 概论 土卫六探测器（欧盟，2005年）
第一章 概论 坦普尔1号彗星深度撞击（美国，2005年）
第一章 概论
常娥一号（2007年，中国）
第一章 概论
导弹击中卫星（中国，2007年； 美国，2008年）
第一章 概论
“作为技术科学的控制论，对工程技术、
u2 放大器
ua 控制 电机
n
减 速 器
控制工程基础(总结)
输出：
xo
(t)
1 T
t
eT
,
t0
（3）一阶系统的单位速度响应
输入信号： xi (t) t
输出：
xo
(t
)
t
T
t
Te T
,
t0
系统对输入信号导数的响应等于系统对该 输入信号响应的导数。系统对输入信号积分 的响应等于系统对该输入信号响应的积分， 其积分常数由初始条件确定。
时间常数T反映了一阶惯性环节的固有特性， 其值越小，系统惯性越小，响应越快。
控制工程基础
课程总结
《控制工程基础》课程的基本内容
控制系统 工作 控制系统 的组成 原理 的分类
PID校正
控制系统的概念 分析
滞后校正
控制系统
校正
常用校 正方式
设计
对控制系统的基本要求
超前校正
滞后—— 超前校正
稳定性 准确性 快速性
时域分析法 频域分析法
一、控制系统的概念
1. 工作原理：
首先检测输出量的实际值，将突际值与给定值（输入 量）进行比较得出偏差值,再用偏差值产生控制调节信号 去消除偏差。
试判断系统的稳定性。
2．已知开环传递函数，求系统稳定时的某参数的取值。
设某闭环控制系统如图4所示，试确定k为何值时，该系统稳定？
Xi(s)
1
_ s 1
k s(s 4)
X0(s)
3．根据Nyquist图、Bode图直接判断。
五．方框图简化
基于方框图简化法则，试求取图所示方框图对应的传递函数。
Xi(s)
校正的实质就是改变系统零、极点数目和位置。
（二）常用校正方式 1.串联校正 2. 并联校正 3. 复合校正
自动控制原理--常用校正方式及基本控制规律
PID -- Proportional-Integral-Derivative 比例-积分-微分
P – 反映误差信号的瞬时值大小，改变快速性；
I – 反映误差信号的累计值，改变准确性；
D – 反映误差信号的变化趋势，改变平稳性。
(1) 比例(P)控制规律
R(s) E(s)
M(s)
Gc (s) K p m(t) K pe(t)
复合控制的基本原理：实质上，复合控制是一种按不 变性原理进行控制的方式。不变性原理是指在任何输入下， 均保证系统输出与作用在系统上的扰动完全无关，使系统 输出完全复现输入。
复合校正的基本思想：对提高稳态精度与改善动态性 能这两部分分别进行综合。根据动态性能要求综合反馈控 制部分，根据稳态精度要求综合顺控补偿部分，然后进行 校验和修改，直到获得满意的结果。这就是复合控制系统 综合校正的分离原则。
能。
13
(4) 比例-积分-微分(PID)控制规律
R(s)
E(s) B(s)
K
p
(1
Td
s
1 Ti s
)
M(s)
图 6-6 PID控制器
m(t)
K
pe(t)
Kp Ti
t
e( )d
0
K pTd
de(t) dt
Gc (s)
K p (1 Td s
1 Ti s
)
Kp Ti
(T1s
1)(T2s 1) s
图 6-34 按输入补偿的复合控制系统
实现输出完全复现输入(即Cr(s)=R(s))的全补偿条件
Gr
(s)
1 G0 (s)
➢按不变性原理求得的动态全补偿条件，往往难于实
现。通常，只能实现静态(稳态)全补偿或部分补偿。
[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。
控制系统的校正(PID)
PID控制器作为工业控制中的主导控制器结构，其 获得成功应用的关键在于，大多数过程可由低阶动 态环节（一阶或二阶惯性加纯滞后）近似逼近，而 针对此类过程,PID控制器代表了在不知道被控对象 数学模型的基础上一个实用而廉价的解。PID不需 要依赖于系统的传函。
12
5.2 基本PID控制算法
比例(P)控制 积分(I)控制 比例积分(PI)控制 微分(D)控制 比例微分(PD)控制 比例积分微分(PID)控制 基本PID控制算法小结
微分作用总是阻止被控参数的任何变化。
适当地加入微分控制，可有效抑制振荡、提高系统的 动态性能。
实际中的微分控制由比例作用和近似微分作用组成。
20
5.2.5 比例微分(PD)控制
比例微分作用是比例作用和微分作用的综合
r(t)
+
e(t)
K (1Ts)
p
d
-
u(t) KCes y(t)
16
5.2.2 积分(I)控制
积分作用：
u(t ) 1
t
e( )d
Ti 0
传递函数为 U (s) 1 E(s) Tis
定义： T为i “积分时间常数”。
优缺点
前向通道上提高控制系统的型别，改善系统的稳态精度。
积分作用在控制中会造成过调现象，乃至引起被控参数 的振荡。因为u(t)的大小及方向，只决定于偏差e(t)的大 小及方向，而不考虑其变化速度的大小及方向。
就是Td。
22
例：如下图所示，当Td为0和不为0时系统的阶跃响应有何区 别？
r(t)
+
e(t)
K (1Ts)
p
d
-
u(t ) K 1P e s y(t ) 1JsTP2s
12
5.2 基本PID控制算法
比例(P)控制 积分(I)控制 比例积分(PI)控制 微分(D)控制 比例微分(PD)控制 比例积分微分(PID)控制 基本PID控制算法小结
微分作用总是阻止被控参数的任何变化。
适当地加入微分控制，可有效抑制振荡、提高系统的 动态性能。
实际中的微分控制由比例作用和近似微分作用组成。
20
5.2.5 比例微分(PD)控制
比例微分作用是比例作用和微分作用的综合
r(t)
+
e(t)
K (1Ts)
p
d
-
u(t) KCes y(t)
16
5.2.2 积分(I)控制
积分作用：
u(t ) 1
t
e( )d
Ti 0
传递函数为 U (s) 1 E(s) Tis
定义： T为i “积分时间常数”。
优缺点
前向通道上提高控制系统的型别，改善系统的稳态精度。
积分作用在控制中会造成过调现象，乃至引起被控参数 的振荡。因为u(t)的大小及方向，只决定于偏差e(t)的大 小及方向，而不考虑其变化速度的大小及方向。
就是Td。
22
例：如下图所示，当Td为0和不为0时系统的阶跃响应有何区 别？
r(t)
+
e(t)
K (1Ts)
p
d
-
u(t ) K 1P e s y(t ) 1JsTP2s
[工学]CH7_控制系统的性能分析和校正_OK
![[工学]CH7_控制系统的性能分析和校正_OK](https://img.taocdn.com/s3/m/79ade6bc852458fb760b566e.png)
3、希望对数频率特性的高频段
前面已经说明，无论是典型二阶最 优模型还是典型高阶最优模型，高于
的幅频特c 性都呈现
-40dB/dec。但是，系统中各个部件可能 还存在一些小时间常数，致使高频段 呈现出-60dB/dec~-100dB/dec的形状。
32
L
5 40
20
0 2 c
高频区
3 4 6
小
24
4、微分反馈包围振荡环节
K
-
T 2s2 2Ts 1
Gs
K K1s
Gs
T 2s2 2Ts 1
1
T
2
s2
KK1s
2Ts
1
T
K
2s2 2T KK1 s 1
结果仍为振荡环节，
T
2s2
K
2 ' Ts
1
但阻尼比却显著增大。 从而可改善小阻尼环节
的不利影响。
25
二、利用反馈校正取代局部结构
20 1
0
Ti K p
0 90
相当于滞后校正
19
3、PID调节器
Gc
s
K
p
Kd
s
1 Ti s
Ti Kd s2 Ti K ps 1 T1s 1T2s 1
L
Ti s
Ti s
20 1
1 20
0
T1
T2
相当于滞后-超前校正
90
0
90
20
反馈校正
反馈校正在控制系统中得到 广泛应用，常见的有被控量的速 度、加速度反馈、执行机构的输 出及其速度的反馈；以及复杂系 统的中间变量反馈等。
Es
--
N s