线性系统校正学习教案

1、会计学1第一页，共108页。常用常用(chn yn)的性的性能指标：能指标： sthc时域指标时域指标： 调节时间%超调量pKvKaK静态误差系数开环频域指标开环频域指标： 相角裕度幅值裕度截止频率rMrb闭环频域指标闭环频域指标： 谐振峰值谐振频率带宽零频幅值比(0)M说明：说明：1.不同的控制系统(kn zh x tn)对动静态性能指标的要求应有不同的侧重。 2. 系统(xtng)带宽的选择既要考虑信号的通过能力，又要考虑抗干扰能力。 3.性能指标的提出性能指标的提出，应符合实际系统，应符合实际系统的需要与可能。的需要与可能。 第1页/共108页第二页，共108页。在控制系统(kn zh

2、x tn)的设计中，时域指标和频域指标之间可以通过近似公式进行互换。(1)二阶系统(xtng)频域指标与时域指标的关系： 谐振(xizhn)峰值 21(0.707)21rM谐振频率 212(0.707)rn带宽频率 22412244bn截止频率 42142cn第2页/共108页第三页，共108页。(2)高阶系统频域指标(zhbio)与时域指标(zhbio)的关系 谐振(xizhn)峰值 sin1rM超调量 )8 . 11 () 1(4 . 016. 0rrMM调节(tioji)时间 )8 . 11 () 1(5 . 2) 1(5 . 122rrrcsMMMKKt相角裕度 421 42arctg

3、超调量 21%100%e调节时间 3.57sc sntttg第3页/共108页第四页，共108页。在系统初步设计阶段，先选择一些元部件（如执行元件、测量元件、放大元件）构成控制器的基本部分，一般情况下，除了放大器的增益，其它(qt)参数不易调整。然而在大多数实际情况中，仅仅调整增益不能使系统满足给定的各项性能指标。因此，有必要在系统中引入适当的校正装置以改变系统的结构和参数，从而满足给定的各项性能指标要求。引入校正装置的作用，从频域来说，可以在不同频段上对原系统开环频率特性曲线的形状进行相应的修改，使校正后的系统满足稳态性能和瞬态性能的要求。第4页/共108页第五页，共108页。根据稳态误差的

4、要求，应取K100，设K=100，作出系统的开环频率特性曲线(qxin)1，系统是不稳定的。 从闭环谐振峰值Mr=1.25出发，可求得K=1，系统(xtng)不满足指标。要求系统在斜坡函数作用下，稳态误差ess0.01，且闭环谐振峰值 ,试选择K。 例例6-1 设控制系统的开环传递函数为： ) 10125. 0)(1()()(sssKsHsG1.25rM 可见，调整开环增益K无法同时满足系统稳态误差(wch)和谐振峰值的要求。解解： 0j131100K 01K 2r1.25rM 0若引入校正装置，使系统的开环幅相曲线如中的实线3所示，则可同时满足系统稳态误差和谐振峰值的要求。第5页/共108页

5、第六页，共108页。校正校正装置装置原有原有部分部分原有原有部分部分CR01( )G s02( )Gs( )cG s校正校正装置装置原有原有部分部分CR( )cG s0( )G s校正校正装置装置原有原有部分部分CR+( )cG s0( )G s校正校正装置装置原有原有部分部分原有原有部分部分CR+D01( )G s02( )Gs( )cG s串联串联(chunlin)校正校正 反馈反馈(fnku)校校正正 复合校正复合校正 按照校正装置在系统中的连接方式，控制系统校正方式可分为串联校正、反馈校正、复合校正三种。其中，复合校正又分为按输入补偿的复合校正和按扰动补偿的复合校正。 第6页/共108

6、页第七页，共108页。常用的方法(fngf)有根轨迹法和频域法： 根轨迹法：根轨迹设计方法通过在系统中增加适当的开环零、极点来修改系根轨迹法：根轨迹设计方法通过在系统中增加适当的开环零、极点来修改系统原有的闭环根轨迹形状，使校正后的根轨迹能够经过希望的闭环极点。所统原有的闭环根轨迹形状，使校正后的根轨迹能够经过希望的闭环极点。所需要增加的零、极点由校正装置实现。一般来说，当性能指标以时域量给出需要增加的零、极点由校正装置实现。一般来说，当性能指标以时域量给出时，例如给出超调量、调节时间、希望的闭环主导极点等，采用根轨迹法进时，例如给出超调量、调节时间、希望的闭环主导极点等，采用根轨迹法进行设计

7、更为行设计更为(n wi)(n wi)有效和方便。有效和方便。频域法：频域法：系统开环频率特性的低频段表征了闭环系统的稳态性能，中频段表征了闭环系统的动态性能，高频段表征了闭环系统的抗扰性能。在博德图上能方便地根据系统的开环频率特性和给定的频域指标确定校正装置的参数。如果系统校正时要求满足的性能指标属频域特征量，例如相位裕量、幅值裕量、谐振峰值和带宽等，则通常采用频域设计方法。第7页/共108页第八页，共108页。串联校正系统(xtng)的结构：串联校正一般包括超前校正、滞后校正、滞后超前三种校正方式，所采用的校正装置Gc(s)是不相同的。本节介绍常用的串联校正装置的电路形式、传递函数和频率特

8、性，以帮助(bngzh)理解不同形式的校正装置在系统校正时所起的作用。第8页/共108页第九页，共108页。111( )11csaTsaTG saTssT1221RRaR1212R RTCRRU1U2R1R2C无源网络：1.电路(dinl)形式及数学模型传递函数：其中(qzhng)： 第9页/共108页第十页，共108页。0m0o9 0o1aTm1T20/dB dec10lga20lga( )LdB( ) ReIm011(1)2amm1a11a11(1)2a11sin1maa1mTa11()1cjaTGjajT2. 频率特性： 最大相角频率：最大超前角：第10页/共108页第十一页，共108页

9、。0j1bT1T1.电路(dinl)形式及数学模型U U1 1U U2 2R R1 1R R2 2C C其中(qzhng)： 212121()RbTRR CRR11( )11csbTsbTG sbTssT无源网络：传递函数：第11页/共108页第十二页，共108页。00o-90o1T1bT20/dB dec20lgb( )LdB( ) ReIm0b111)(jTjbTjGc2.频率特性： 第12页/共108页第十三页，共108页。其中(qzhng)： baabTTTT(1) (1)( )(1) (1)abcbaT sT sG sTT ss无源网络：11aTRC122bTR C112212baT

10、TRCR CRC且abTT1.电路(dinl)形式及数学模型传递函数：滞后网络滞后网络超前网络超前网络0j1aT1aT1aT1aT1U2U2R1R2C1C第13页/共108页第十四页，共108页。0()LdB20lgb20/dB dec1aT1aT1bTbT20/dB dec0o-90o90o() 2.频率特性： (1) (1)()(1) (1)abcbaj Tj TGjTjTj第14页/共108页第十五页，共108页。 在控制系统的实际应用中，由于采用无源网络进行校正时需要考虑负载效应问题，有时难以实现希望的控制规律，此外，复杂网络的设计与调整(tiozhng)也不方便。因此，采用由运算放大

11、器实现的有源校正装置更为普遍。 有源校正(jiozhng)网络有多种形式。下面的表中给出了几种有源校正(jiozhng)电路：第15页/共108页第十六页，共108页。有源校正网络 类型电路图传递函数对数幅频特性超前网络滞后网络滞后超前网络020/dB dec11T21T020lgGdB020/dB dec11T21T020lgG2120lgRRdBdB020/dBdec20/dBdec11T21T31T41T020 lg GL) 1)(1() 1)(1(41320sTsTsTsTG11120sTsTG11210sTsTG第16页/共108页第十七页，共108页。如果系统设计要求满足的性能指标

12、属频域特征量，则通常采用(ciyng)频域校正方法。在线性系统的校正设计中，常用的频域校正方法包括分析法和综合法。分析法又称试探法。在频域中，串联校正装置(zhungzh)的主要作用是改变系统开环频率特性曲线的形状，在频率特性曲线上用分析法设计校正装置(zhungzh)的基本思想是：根据控制系统设计指标要求，首先在超前校正、滞后校正、滞后超前校正中选择一种校正方式，然后按照各项指标计算所选择的校正网络的模型参数，最后依据确定的模型参数决定电路中各元件的值。分析法设计过程带有试探性。需要根据指标要求不断修正设计参数直到满足要求。 综合法又称期望特性法，首先根据规定的性能指标确定系统期望的开环频率

13、特性曲线形状，然后与系统原有的开环频率特性相比较，从而确定校正方式、校正装置的形式和参数。第17页/共108页第十八页，共108页。11T21T204060(1)()LdB01800() (1)(3 )1串联超前校正的作用(zuyng)和特点0c0010l ga2 01a T1T20lga(2 )602 040c(3 )(2 )m0超前校正超前校正(jiozhng)(jiozhng)的作用的作用：利用超前校正装置的足够大的正相角，补偿原系统过大的滞后相角，提高相角裕度，改善系统的动态特性。第18页/共108页第十九页，共108页。（1）校正装置提供正相角补偿，改善了系统的相对稳定性，使系统具有

14、(jyu)一定的稳定裕量。（4）超前校正提高了系统(xtng)幅频曲线在高频段的幅值，校正后的系统(xtng)抗高频干扰能力下降。超前校正(jiozhng)的特点：（2）从对数幅频曲线看，截止频率由校正前的 提高到校正后的 ，使校正后系统频带变宽，动态响应变快。0cc（3）为了充分利用超前校正装置的相角补偿作用，校正装置的转折频率 和 应分设在校正前截止频率 和校正后截止频率 的两边，最大相角频率 设在 处。0ccmc1aT1T第19页/共108页第二十页，共108页。（1）根据稳态误差的要求(yoqi)，确定原系统的开环增益K；2. 超前校正的设计(shj)步骤00h（2）利用已确定的开环增

15、益，计算未校正系统相角裕度 和幅值裕度 ；（4）令校正(jiozhng)后的截止频率 。应有020lg()20lg()10lgccmGjGja mc1cmTa解出 ，再由 求出T。c（6）验算校正后系统的性能指标。（7）确定超前校正网络的元件值。 （5）确定校正装置的传递函数11)(TsaTssGcmcac设计步骤是按照设计步骤是按照主要用于对截止主要用于对截止频率频率 没有具没有具体要求的情况。体要求的情况。 注意：注意：)105(0m（3）由给定的 计算需要产生的最大超前角： ，根据 ，可以计算出 的数值。1sin1sinmmaa第20页/共108页第二十一页，共108页。cmac如果对截

16、止频率如果对截止频率 有明确要求，设计步骤可按照有明确要求，设计步骤可按照只需要(xyo)将上述设计步骤中的（3）（4）改为：m020lg()20lg()10lgccmGjGja aaaTcm11T（4）令未校正系统在 处的幅值确定 的值；再由确定 。cm（3）令校正装置的最大超前相角频率 等于希望的截止频率 ；第21页/共108页第二十二页，共108页。例例6-2 设一单位设一单位(dnwi)负反馈系统的开环传递函数负反馈系统的开环传递函数为为 )2(4)(0ssKsG解：解： 要求系统的稳态误差系数 ，相角裕度 ，幅值裕度 ，试确定串联超前校正装置。 120sKv5010hdb （1）根据

17、稳态指标要求确定增益K。因为所以取K=10。该系统的开环增益为20。（2）绘出未校正系统的对数幅频特性和对数相频特性曲线,计算未校正系统的性能指标。由未校正的对数幅频渐近线可知求出 需要补偿的相角小于60，采用超前校正可以达到要求。202)(lim00KssGKsv)2lg20(lg20)2lg(lg400csradc/3 . 601700h（3）确定需要的最大超前角。由3851750)105(0m第22页/共108页第二十三页，共108页。（4）计算 。 由 ，求得 （5）计算T。 由 ，求得 。再由 ，求得 （6）写出校正装置的传递函数为两个转折频率分别为：校正后的开环传递函数（7）验算校

18、正后系统的性能指标。1sin1sinmma=a2 . 4adbajGc2 . 6lg10)(lg200sradc/9cmaT1054. 01aTm1054. 01227. 011)(ssTsaTssGc14.4aT118.5T) 1054. 0)(15 . 0() 1227. 0(20)()(0sssssGsGc120sKv5 .50dBhlg209/crad s第23页/共108页第二十四页，共108页。6.3400G2200G120020()LdB() 1009001800cG G20400cG G4018.54.4cGcG9第24页/共108页第二十五页，共108页。例例6-3 设一单位

19、设一单位(dnwi)负反馈系统的开环传递函负反馈系统的开环传递函数为数为 0( )(1)KG ss s解：解： 要求系统在单位斜坡输入信号作用下的稳态误差 ，开环截止频率 ，相角裕度 ，幅值裕度 ，试确定串联超前校正装置。 0.1sse 4510hdbsradc/3 . 4（1）首先根据稳态误差的要求，确定K。由 求得K=10。 1/0.1sseK（2）画出校正前的对数幅频渐近线，由渐近线可求出 sradc/16. 30001809017.6carctg（3）确定最大超前相角频率 。 取msradcm/4 . 4 （4）计算超前校正网络的参数。令020lg()20lg()10lgccmGjGj

20、a 004.420lg()40lg40lg5.753.16cccGjdB 由渐近线可知 求得 。并且76. 3a117. 076. 34 . 411aTm第25页/共108页第二十六页，共108页。1117. 0144. 011)(ssTsaTssGc）（）（1117. 0) 1(144. 010)()(0sssssGsGc（5）超前校正(jiozhng)装置的传递函数（6）检验校正(jiozhng)后的性能指标。校正(jiozhng)后系统的开环传递函数为mcasradc/3 . 44554.48dBhlg20校正后的开环对数幅频特性渐近曲线如图。由于在校正过程中，首先确定了校正后的截止频率

21、，然后按照 的顺序计算出校正网络的最大补偿相角，因此，不一定能够保证最终获得的相角裕量满足要求，需要进行校验。 经过计算可得第26页/共108页第二十七页，共108页。 1020()LdB01202040cG G040G02.278.55Gc03.16c4.4c第27页/共108页第二十八页，共108页。0cm 当系统要求响应快、超调量小时，可采用串联超前校正。但是，串联超前校正受以下(yxi)两种情况的限制：（2）对系统抗高频干扰要求比较高时，一般也不宜采用串联超前校正。因为若未校正系统不稳定，为了得到要求的相角裕量，需要超前网络提供(tgng)很大的超前相角。这样，超前网络的 值必须选得很

22、大，从而造成已校正系统 过大，使系统抗高频噪声的能力下降，甚至使系统失控。3超前校正(jiozhng)的使用条件（1）超前校正网络提供的最大相位超前角 一般不应大于60。在截止频率 附近相角迅速减小的系统，一般不宜采用串联超前校正。（因为随着截止频率的增大，未校正系统的相角迅速减小，在 处需要补偿的相角会很大，超前校正变得无效。）cac第28页/共108页第二十九页，共108页。1串联滞后校正(jiozhng)的作用和特点串联滞后校正的串联滞后校正的作用：作用：利用滞后校正装利用滞后校正装置的高频幅值衰置的高频幅值衰减特性，使已校减特性，使已校正系统的截止频正系统的截止频率下降，从而使率下降，

23、从而使系统获得足够的系统获得足够的相角裕度。另外相角裕度。另外，滞后校正有利，滞后校正有利于提高低频于提高低频(dpn)段的增益段的增益，减小稳态误差，减小稳态误差。0c60)1 (00() )1(220)(L406020c)3()3(bT1T1)2()2(第29页/共108页第三十页，共108页。滞后校正具有如下特点： （1）利用校正装置的高频幅值衰减特性改善了系统的相对稳定性，使系统具有一定的稳定裕量，对校正装置相角滞后特性的影响忽略不计。c0c（2）从对数幅频曲线看，校正后的截止频率 比校正前的 提前，因此，系统的快速性降低，提高了系统的相对稳定性。（3）为了保证校正装置的滞后相角不影响

24、系统的相位裕量，其最大滞后相角应避免出现在校正后的截止频率 附近。为了做到这一点，校正网络的两个转折频率 和 均应设置在远离截止频率的低频段。cT1bT1（4）校正后系统的幅频特性曲线在高频段衰减大，可以提高系统抗高频干扰能力。第30页/共108页第三十一页，共108页。K（1）根据稳态误差的要求，确定原系统的开环增益 。K00h（2）利用已确定的开环增益 ，画出未校正系统的伯德图，计算未校正系统的相角裕量 和幅值裕量 。)125(180)()(0jG（3）若相角裕量和幅值裕量不满足指标，则根据指标要求的相角裕量 ，在未校正系统的对数相频曲线上确定相角满足下式的点：c选择该点对应的频率 作为校

25、正后的截止频率 。2滞后校正(jiozhng)的设计步骤c020lg()cGj020lg()20lg0cGjb（4）计算未校正幅频曲线在 处的分贝值 并且令b，可求出 的值。11)(TsbTssGc（6）确定校正装置的传递函数（8）确定(qudng)超前校正网络的元件值。（7）验算校正(jiozhng)后系统的性能指标。bT1c10.1cbTT（5）为减小校正装置相角滞后特性的影响，滞后网络的转折频率可求出 。（对应零点）应低于 110倍频程，一般取 第31页/共108页第三十二页，共108页。解：解： 例：例：设一单位负反馈系统的开环传递函数为： 0( )(1)(0.51)KG ss ss要

26、求校正后系统的稳态误差系数 ，相角裕度 ，幅值裕度 ，试设计串联校正装置。 4010hdb15 sKv（1）确定开环增益K。根据稳态精度(jn d)的要求5)(lim0KssGKsv（2）作出未校正系统的开环对数幅频特性和相频特性曲线。由曲线可以求出 ， ，说明系统是不稳定的。由于需要补偿的超前相角大于60，超前校正不适用，可采用串联滞后校正方法。sradc/1 . 20200（3）确定校正(jiozhng)后的截止频率。根据0()1805 12180405 12cGj （）（）0()1804010130cGj 0.5/crad s取 时，求得第32页/共108页第三十三页，共108页。sra

27、dc/5 . 0020lg()20cGjdB020lg()20lg0cGjb20lg20b1 . 0b（4）确定参数b。 时， ，令 即 ，解得 。sradbTc/05. 01 . 01（5）确定参数T。取滞后校正网络的转折频率求得滞后网络的另一个转折频率 ， 。sradT/005. 01sT200（6）串联(chunlin)滞后校正网络的传递函数120012011)(ssTsbTssGc（7）检验(jinyn)校正后的性能指标。校正后系统的开环传递函数为 校正后系统的性能指标为) 1200)(15 . 0)(1() 120(5)()(0ssssssGsGcdbhsradc11lg2044/5

28、 . 0第33页/共108页第三十四页，共108页。( ) ( )LdB0G204060204000.010.0050.050.10.51200.010.1109001800G0cG GcG0cGG4020406002044cG第34页/共108页第三十五页，共108页。 当要求稳态精度高，抗高频干扰能力强，对快速性要求不高时，可采用串联滞后(zh hu)校正。但在下面的情况下，不宜使用滞后(zh hu)校正：3滞后(zh hu)校正的使用条件（2 2）如果采用滞后）如果采用滞后(zh hu)(zh hu)校正，使得校正，使得T T值太大，难以值太大，难以实现。实现。 （1 1）要求系统动态响

29、应快，采用滞后校正有可能不满足）要求系统动态响应快，采用滞后校正有可能不满足。（若要使滞后校正网络产生足够的高频幅值衰减，要求b 很小，但是滞后网络的零点1/bT不能太靠近 否则滞后网络所引入的滞后相角的影响就不能忽略，因此只能将滞后网络的极点1/T安置在足够小的频率值上，致使T很大而难以实现。）第35页/共108页第三十六页，共108页。1串联滞后-超前校正的作用(zuyng)及特点 如果需要(xyo)同时改善系统的动态性能和稳态性能，则需要(xyo)采用滞后超前校正。滞后超前校正的基本原理是利用校正网络的超前部分增大系统的相角裕量，利用滞后部分来改善系统的稳态精度。) 1)(1() 1)(

30、1)(sTsTsTsTsGbabac（ 滞后超前网络的传递函数：1 / ab 设计滞后超前校正装置，实际上是前面介绍的超前校正和滞后校正设计方法的综合。选择超前网络的参数 等于滞后网络的参数 的倒数，并且令 ，则就可以将超前网络和滞后网络组合在一起，构成滞后超前校正网络。ab第36页/共108页第三十七页，共108页。（1）根据稳态误差的要求，确定(qudng)开环增益K ；2. 滞后-超前校正的设计(shj)步骤00h（2）绘制未校正系统的对数频率特性曲线，求出开环截止频率 、相角裕度 、幅值裕度 ；0c（3）在未校正系统对数频率特性曲线上，选择一频率作为校正后的截止频率 ，使 ，要求的相角

31、裕度将由校正网络的超前部分补偿； 0()180cGj c1sin1sinmm（4）计算需要补偿的相角 ，并由 确定 值；5m（5）选择校正网络滞后部分的零点 ；10.1caT（6）校正网络在 处的分贝值为c1lg()20lg20(lglg)cccbGjT20=令020lg()20lg20lg0cbcGjT可求出 ；bT()L1aT1aT1bTbT20lg20lg20lgbcTc第37页/共108页第三十八页，共108页。（8）验算(yn sun)校正后系统的性能指标。（9）确定滞后(zh hu)-超前校正网络的元件值。 （7）确定校正装置的传递函数 ；( )cG s0180()5mcGj 若设

32、计指标对 提出了明确要求，可以对（3）（4）两步作相应调整，即按照要求确定 ，需要补偿的相角由下式计算： cc说明说明(shumng)： 当滞后-超前网络1)(1)1( )(1)(1)abcabT sT sG sT sT s（滞后部分和超前部分可单独设计。为了方便，先设计超前部分，再设计滞后部分。 第38页/共108页第三十九页，共108页。例例6-5 单位单位(dnwi)负反馈系统的开环传递函数为：负反馈系统的开环传递函数为： 解：解： 要求校正后系统的稳态误差系数 ，相角裕度 ，幅值裕度 ，试设计串联滞后-超前校正装置。 110vKs5010hdb)2)(1()(0sssKsG（1）求增益

33、K。根据对静态速度误差系数(xsh)的要求，可得因此， ，即开环增益等于10。 0( )/2 10limvsKsG sK20K（2）画出未校正的开环对数频率特性曲线。由幅频渐近线可计算出 说明(shumng)系统不稳定。如果用超前校正，需要补偿的超前相角至少83；如果用滞后校正，截止频率会大大提前。必须采用滞后超前校正。sradc/7 . 20330 （3）确定校正后的截止频率。当 时， 。设计指标未对调节时间作要求，可以取 。180)(0Gsrad /5 . 1sradc/5 . 1第39页/共108页第四十页，共108页。（4）计算 。需要补偿的相角 ，所以 555 m1055sin155

34、sin1sin1sin1mm（5）计算 。选择校正网络滞后部分的零点 求得 。aTsradTcaa/15. 01 . 01sTa67. 6（6）计算 。由未校正的幅频渐近线可求得 代入公式 ，求得 。 bTdBjGccc132lg402lg60)(lg2000020lg()20lg20lg0cbcGjTsTb49. 1（7）校正(jiozhng)装置的传递函数) 1149. 0)(17 .66() 149. 1)(167. 6() 1)(1() 1)(1)(sssssTsTsTsTsGbabac（8）计算检验校正(jiozhng)后的指标11.12455020lg1610cvhdbKs 第40

35、页/共108页第四十一页，共108页。() 402000.010.11102040600G6000.010.1110cG901800GocGG02.7c0.0150.150.676.7cG402020400cG G1 . 5c第41页/共108页第四十二页，共108页。一般来说，当性能指标以时域指标给出时，采用根轨迹法进行设计更为(n wi)有效和方便。依据给定的时域指标确定希望的主导极点。基于根轨迹的串联校正方法是通过引入适当的开环零、极点来修改系统原有的闭环根轨迹形状，使校正后的根轨迹能够经过希望的闭环主导极点。所需要增加的零、极点由校正装置实现。 第42页/共108页第四十三页，共108

36、页。设未校正(jiozhng)系统的开环传递函数为 *101()( )( )( )()miiniiKszG sG s H ssp系统(xtng)的开环增益 *11()()miiniizKKp11( )111cccsszaTsaTG saaaTsspsT取超前校正网络的传递函数为 第43页/共108页第四十四页，共108页。校正(jiozhng)后的开环传递函数为 *101()()( )( )()()mciicnciiszszG s G saKspsp11*11111micinciiszszaKspsp111111()()(21)mnciiiicszszspksp设希望的闭环复数主导极点为 ，

37、应满足根轨迹方程： 1,2s1s（幅值方程（幅值方程(fngchng)）（相角（相角(xin jio)方程）方程）第44页/共108页第四十五页，共108页。超前网络(wnglu)应满足的幅值条件为 111*101111( )nicimciispszaMspG sKsz超前网络(wnglu)应产生的相角为 1011(21)( )ccszkG ssp011111( )()()mniiiiG sszsp式中 由幅值方程(fngchng)和相角方程(fngchng)求得：第45页/共108页第四十六页，共108页。1sinsinccszz1sin()sinccspp1111sin()sinccccc

38、cpszszaMzspspsincostgMczcp1s01csp1cszj根据稳态指标确定根轨迹增益 后， 和 均为已知的，设计超前网络就是根据 和 确定参数a 和T。计算a 和T的方法有多种,这里介绍一种图解法。 *KMM可求出第46页/共108页第四十七页，共108页。sinsincnzsin()sin()cnp式中 arccos 和 分别是决定主导极点位置的无阻尼自然频率和阻尼比。 n最后可确定(qudng)超前校正网络的参数 1cTpccpaz由图可求得： 第47页/共108页第四十八页，共108页。（1）根据瞬态性能指标，确定希望的闭环主导(zhdo)极点。根据稳态性能指标，确定原

39、系统的开环增益和根轨迹增益；（2）画未校正系统的根轨迹图，若希望的主导(zhdo)极点位置在未校正系统根轨迹的左侧，则应进行超前校正；（3）计算 M 和 ；（4）求出超前网络的参数a 和T，得到校正网络的传递函数；（5）检验校正后的性能指标。综上所述，用根轨迹(guj)法设计串联超前校正装置的步骤如下：第48页/共108页第四十九页，共108页。例例6-6 6-6 单位单位(dnwi)(dnwi)负反馈系统的开环传递函数为负反馈系统的开环传递函数为 *0( )(2)KG ss s试设计(shj)串联超前校正装置，使校正后系统的阻尼比=0.5，无阻尼自然频率n=4rad/s，速度误差系数Kv4.

40、5 s-1。 解：解： 21,2122 3nnsjj 5vK 取 *210vKK11*22 322 3221.38610jjs sMK 11(21)(2)1801209030kss 由设计要求，确定闭环主导(zhdo)极点：第49页/共108页第五十页，共108页。sinsin300.962cos1.386cos30tgM43.88arccos6018018043.886076.12sinsin43.884 0.69342.85sinsin76.120.971cnzsin()sin(3043.88 )4 0.9645.33sin()sin(76.1230 )0.72cnp2.85cz 5.33

41、cp 1 5.330.19T 5.33/2.851.87a 求得即求出1.87(2.85)( )5.33cccszsG sasps第50页/共108页第五十一页，共108页。校正(jiozhng)后的开环传递函数为 018.7(2.85)( )( )(2)(5.33)csG s G ss ss1s20j2 3j1s2.855.333sj02 3j42s闭环极点(jdin)为： 1,222 3sj 33.33s 3s 与闭环零点比较靠近，对瞬态性能影响不大，可保证 为主导极点。 1,2s第51页/共108页第五十二页，共108页。设未校正(jiozhng)系统的开环传递函数为 *101()( )

42、( )( )()miiniiKszG sG s H ssp11( )111cccsszbTsbTG sbbbTsspsT设未校正系统的根轨迹上，希望的复数闭环主导极点为 1s取滞后(zh hu)校正网络的传递函数为 第52页/共108页第五十三页，共108页。将 和 看作一对偶极子，有 czcp111( )cccszG sbbsp1( )0cG s*1110111()( )( )()miicniibKszG s G ssp可见，校正后 处的根轨迹不会明显变化。 1s*1110111()( )( )1()miicniibKszG s G ssp原系统的根轨迹(guj)增益 可增加 倍，所以，校正

43、后系统的开环增益也增加 倍，可使稳态误差减小相应的倍数。 1/b1/b*K第53页/共108页第五十四页，共108页。用根轨迹法设计串联(chunlin)滞后校正装置的步骤如下 （1）绘制未校正系统的根轨迹图，根据瞬态性能指标，在根轨迹上确定(qudng)希望的闭环主导极点的位置，利用幅值条件计算闭环主导极点处的根轨迹增益 和开环增益 ；( )ccccszG sKsp（4）绘制校正后的根轨迹图，找到希望的闭环主导极点，再根据幅值条件，确定校正网络的增益 。 cK（5）检验(jinyn)校正后的性能指标。*KK（2）根据稳态指标要求，确定校正后的开环增益 ，计算需要增加的增益 ， 。 1K1/b

44、1/bK K（3）选择校正网络的零点 和极点 (原则上是使零极点靠近原点，例如可取 )。取校正网络0.01cp 1/czbT 1/cpT 第54页/共108页第五十五页，共108页。例例6-7 6-7 单位单位(dnwi)(dnwi)负反馈系统的开环传递函数为负反馈系统的开环传递函数为 01.06( )(1)(2)G ss ss要求校正后 ，并且原闭环主导极点的位置无明显改变，试设计串联滞后校正装置。 15vKs解解 （1）绘制(huzh)未校正系统的根轨迹 0.53K 时，闭环主导极点 1,20.330.58sj 0.50.67/nrad s（2）根据设计要求 15vKs即要求(yoqi)校

45、正后的开环增益 15K 1/0.53/50.1bK K第55页/共108页第五十六页，共108页。（3）取校正网络 1/0.01cpT 1/0.1czbT (0.1)( )0.01cccccszKsG sKsps（4）校正(jiozhng)后的开环传递函数 01.06(0.1)( )( )( )(0.01)(1)(2)ccKsG sG s G ss sss绘制校正(jiozhng)后的根轨迹。 保持 ， 0.5校正后的闭环主导极点 1,20.280.51sj 由幅值条件(tiojin)： 0.280.51(0.01)(1)(2)1.060.980.1csjs sssKs0.925cK 第56页

46、/共108页第五十七页，共108页。（5）检验(jinyn)校正后的性能指标。校正后的开环传递函数 0.98(0.1)( )(0.01)(1)(2)sG ss sss30.137s 靠近闭环零点， 42.31s 离虚轴较远 1,20.280.51sj 是主导极点。 14.9vKs校正后 。 第57页/共108页第五十八页，共108页。滞后超前校正是利用校正装置的超前部分改善系统的瞬态性能，而利用滞后部分改善系统的稳态性能，使得(sh de)系统瞬态和稳态性能同时得到改进。 滞后(zh hu)超前校正网络的传递函数为1)(1)( ),1(1)(1)abccabbaT sT sG sKTTTT s

47、s（利用根轨迹法设计滞后利用根轨迹法设计滞后超前校正网络的步骤：超前校正网络的步骤： （1）根据给定的瞬态性能指标，确定希望的复数闭环主导极点 ；根据稳态性能指标，确定 。 cK1 , 2s（2）计算需要由校正网络的超前部分补偿的相角 ； 第58页/共108页第五十九页，共108页。（3）若能将 选择得足够大，使 ，则滞后部分满足 aT1anT11111aasTsT11101aasTsT这时，根据根轨迹(guj)的幅值条件和相角条件，有10111( )1bcbsTK G ssT111bbsTsT可确定 和 。 bT第59页/共108页第六十页，共108页。（4）选择 aT，使得滞后部分满足 1

48、1111aasTsT111031aasTsT （5）确定校正装置的传递函数 ,绘制(huzh)校正后的根轨迹图，检验校正后的性能指标。 第60页/共108页第六十一页，共108页。例例6-8 6-8 单位单位(dnwi)(dnwi)负反馈系统的开环传递函数为负反馈系统的开环传递函数为 04( )(0.5)G ss s要求校正(jiozhng)后的闭环主导极点处 0.55/nrad s150vKs试设计(shj)适当的串联校正装置。 解解 分析未校正系统的指标： 1 20.251.98sj ，0.1252/nrad s18vKs均不满足要求。这时，应考虑采用滞后超前校正。 （1）根据指标要求，希

49、望的闭环主导极点为 。 1 22.54.33sj ，校正后的开环传递函数 01)(1)4( )( )( )(0.5)(1)(1)abccbaT sT sG sG s G sKTs sT ss（04lim( )500.5cvsKKsG s6.25cK 第61页/共108页第六十二页，共108页。（2）计算要补偿的相角 01114( )235(0.5)G ss s 所以，校正网络超前部分需要提供的补偿角 55（3）由幅值条件(tiojin)1114.775bbsTsT11155bbsTsT求得11011111114( )1(0.5)bbccbbssTTK G sKs sssTT第62页/共108页

50、第六十三页，共108页。5cos(55)4.77cos24.8910.5bT 5bT 2bT 10（4）取 ，则有 10aT 1112.54.330.11.07112.54.330.01aasjTjsT1110.931aasTsT由图列写方程(fngchng)： 解得进一步求得 所以(suy)校正网络 0.1)(0.5)( )6.25(0.01)(5)cssG sss（第63页/共108页第六十四页，共108页。（5）校正(jiozhng)后的开环传递函数为 0250.1)(0.5)( )( )(0.5)(0.01)(5)cssG s G ss sss（系统能够(nnggu)满足性能指标要求。

51、 第64页/共108页第六十五页，共108页。综合法又称希望特性法。其基本思想是：从闭环系统性能与开环频率特性密切相关这一概念(ginin)出发，根据规定的性能指标要求，首先确定系统希望的开环频率特性曲线形状，然后与系统原有开环频率特性曲线相比较，从而确定校正装置的传递函数形式和参数。0()()()cG jGjGj校正后的开环频率特性-RC( )cG s0( )G s串联校正(jiozhng)系统：2 0 l g () G j1. 根据性能指标要求，确定系统希望的开环对数幅频特性 ；02 0 lg()2 0 lg()2 0 lg()cGjGjGj装置的对数幅频特性曲线 ，可求得其传递函数。 2

52、. 根据 ，确定串联校正2 0 lg()cGj校正步骤校正步骤：第65页/共108页第六十六页，共108页。()LdB12c3452040204060800中频段中频段低频段低频段高频段高频段低中频段的衔接段低中频段的衔接段中高频段的衔接段中高频段的衔接段根据三频段特性分析，对于一个最小相位系统，开环幅频特性的低频段反映了闭环系统的稳态精度；高频段反映了系统的抗高频干扰的能力；中频段则反映了系统的瞬态性能。绘制希望(xwng)的开环幅频特性，关键是如何根据瞬态指标绘制开环幅频特性的中频段。第66页/共108页第六十七页，共108页。1. 希望希望(xwng)开环频率特性的参数与性能指标的关系：

53、开环频率特性的参数与性能指标的关系：希望的开环对数幅频曲希望的开环对数幅频曲线中频段的形状一般为线中频段的形状一般为： ( )L2c3H204040中频宽H：3232lglglg,HH 可以证明：使 最小的“最佳频比”为rM322112ccHHH3211crrcrrMMMM或所以所以(suy)选：选：322211ccHHH或或3211rrccrrMMMM11sin1rHMH另外(ln wi)：11rrMHM第67页/共108页第六十八页，共108页。（1）根据对系统稳态精度的要求，确定开环积分(jfn)环节个数和开环增益，绘制希望特性曲线的低频段；（2）根据动态响应速度、超调量、稳定裕量、中频

54、区宽度要求，确定截止频率及中频区上下限角频率，绘制希望特性曲线的中频段，保证(bozhng)中频段的斜率为-20；（3）绘制希望特性低、中频段之间的衔接频段，其斜率(xil)一般为-40； （4）根据系统对幅值裕量和抗高频噪声的要求，绘制希望特性曲线的高频段； （5）绘制希望特性中、高频段之间的衔接频段，其斜率一般取-40； （6）对求出的希望特性进行性能指标验算，并对特性曲线的转折频率作必要的调整 2. 2. 典型形式的希望对数幅频特性的确定典型形式的希望对数幅频特性的确定第68页/共108页第六十九页，共108页。串联综合法校正的设计(shj)步骤如下： （4）验证系统(xtng)校正后的

55、性能指标； （5）考虑串联校正装置的物理实现。 （1）根据稳态性能指标要求，绘制满足稳态指标的待校正系统的开环对数幅频特性 ； 00( )20lg()LGj（2）根据稳态和动态指标，绘制希望的开环对数幅频特性曲线 ，其低频段与 低频段重合； ) ( ) ( lg20) (0j Gj GLc0() L（3）由 确定串联校正装置的对数幅频特性，求出校正装置的传递函数； )()()(lg20)(0LLjGLcc第69页/共108页第七十页，共108页。例例6-10 6-10 单位单位(dnwi)(dnwi)负反馈系统的开环传递函数为负反馈系统的开环传递函数为 )02. 01)(12. 01 ()(0

56、sssKsG试用(shyng)综合法设计串联校正装置，使系统满足 170vKs1st%40% 解解 70Ksradc/240（1）取 ，画未校正系统的开环对数幅频特性曲线。未校正系统的截止频率 。低频段：低频段：希望特性仍为I型系统，低频段斜率为 ，与 的低频段重合。decdB/200lg20G（2）绘希望(xwng)特性曲线：中频段及衔接频段：中频段及衔接频段：将 及 转换为相应的频域指标%st6 . 1rMsradc/13第70页/共108页第七十一页，共108页。且应有 srad /88. 42srad /13.213srad /42srad /453经过 处，作斜率为 的直线，交 于

57、处，取 ， 。sradc/13decdB/200lg20Gsrad /45在中频段与过 的横轴垂线的交点上，作斜率为 的直线，交希望特性的低频段于 处。42decdB/40srad /75. 01高频段及衔接频段：高频段及衔接频段：在 的横轴垂线与中频段的交点上，作斜率为 的直线，与未校正系统的 交于 处； 时，使希望特性的高频段与未校正系统相同。 453decdB/400lg20Gsrad /5044希望(xwng)特性的参数为：4245350413c25.11H第71页/共108页第七十二页，共108页。0020lg20lg20lgccGG GG（3）在博得图上求出曲线 ，写出串联校正装置

58、传递函数)022. 01)(33. 11 ()12. 01)(25. 01 ()(sssssGc)022. 01)(02. 01)(33. 11 ()25. 01 (70)(ssssssG，（4）验算(yn sun)性能指标。校正后系统开环传递函数sradc/136 .454 . 1rM%32% sts73. 0校正(jiozhng)后的指标：第72页/共108页第七十三页，共108页。1410100()LdB20402060123440400GcG0cG G20200第73页/共108页第七十四页，共108页。在工程实际应用中，大多数工业控制系统采用PID控制器或者各类改进的PID控制器。常

59、规PID控制器是由比例（P）、积分（I）、微分(wi fn)（D）三种基本控制规律组合成的。大多数PID控制器的参数是在工业现场进行整定，人们已经总结出很多不同形式的参数整定规则。尤其是，当被控对象的数学模型未知或模型不准确时，无法采用分析法和综合法设计校正装置，这时使用PID控制器进行校正是有效的。由于PID控制器的广泛使用，已经形成了大量的商业产品供选择。本节介绍(jisho)PID控制器的工程设计方法。第74页/共108页第七十五页，共108页。6.6.1 PID 控制控制(kngzh)规律规律具有(jyu)比例控制规律的控制器，称为P控制器。在串联校正(jiozhng)中，加大控制器增

60、益，可以提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度；但系统开环增益的增加，降低了系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。)()(teKtup（1 1）P P控制器控制器( )( )/( )cpG sU sE sK第75页/共108页第七十六页，共108页。（2 2）PDPD控制器控制器具有(jyu)比例-微分控制规律的控制器，称为PD控制器。PD控制器中的微分控制规律，能反应输入信号的变化趋势，产生有效的早期(zoq)修正信号，可以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。dttdeTKteKtudpp)()()(在串联校正中，PD控制器增加了一个开环零点，使系统的相