线性系统的校正方法

线性系统的校正方法1.系统的设计与校正问题2.常用校正装置及其特性3.串联校正、反馈校正、复合校正2023/1/121在实际过程中，既要理论指导，也要重视实践经验，往往还要配合许多局部和整体的实验。所谓校正，就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，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。工程实践中常用的校正方法：串联校正、反馈校正和复合校正。2023/1/122目前，工业技术界多习惯采用频率法，故通常通过近似公式进行两种指标的互换。6.1系统的设计与校正问题6.1.1控制系统的性能指标时域指标稳态：

稳态误差稳态误差系数

动态：超调量、调整时间等频域指标开环频率、闭环带宽、谐振峰值、谐振频率截止频率、

穿越频率、幅值裕度和相角裕度

2023/1/123二阶系统频域指标与时域指标的关系谐振频率带宽频率截止频率相位裕度(6-5)谐振峰值(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)超调量

调节时间

(6-7)(6-6)12345672023/1/124谐振峰值超调量调节时间(2)高阶系统频域指标与时域指标(6-8)(6-9)(6-10)1232023/1/125既能以所需精度跟踪输入信号，又能抑制噪声扰动信号。在控制系统实际运行中，输入信号一般是低频信号，而噪声信号是高频信号。6.1.2系统带宽的选择带宽频率是一项重要指标。如果输入信号的带宽为则选择要求2023/1/126图6-1系统带宽的选择噪声输入信号dB)(wL0´ø¿íwbw33-0wMw1wnw)(wjF)(wjR)(wjN)0(jF)0(707.0jF2023/1/127校正方式串联校正

反馈校正

校正装置校正装置前馈校正复合校正

2023/1/128前馈校正复合校正

(b)前馈校正（对扰动的补偿）(a)前馈校正（对给定值处理）2023/1/129(b)按输入补偿的复合控制在性能指标要求较高的控制系统中，常常兼用串联校正和反馈校正

2023/1/12106.1.4基本控制规律（1）比例（P）控制规律

（a）P控制器(b)PD控制器（2）比例-微分（PD）控制规律提高系统开环增益，减小系统稳态误差，但会降低系统的相对稳定性。PD控制规律中的微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。在串联校正时，可使系统增加一个的开环零点，使系统的相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改善。2023/1/1211_R(s)C(s)2023/1/12122023/1/1213具有积分（I）控制规律的控制器，称为I控制器。输出信号与其输入信号的积分成比例。为可调比例系数不宜采用单一的I控制器。

（3）积分（I）控制规律I控制器

在串联校正中，采用I控制器可以提高系统的型别（无差度），有利提高系统稳态性能，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生的相角滞后，于系统的稳定不利。2023/1/1214C(s)+-R(s)2023/1/1215具有积分比例-积分控制规律的控制器，称为PI控制器。

PI控制器输出信号同时与其输入信号及输入信号的积分成比例。为可调比例系数增加了位于原点开环极点，提高型别，减小稳态误差。增加了位于左半平面的开环零点，提高系统的阻尼程度，缓和PI极点对系统产生的不利影响。只要积分时间常数足够大，PI控制器对系统的不利影响可大为减小。（4）比例-积分（PI）控制规律为可调积分时间系数PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。2023/1/1216+-R(s)M(s)C(s)含PI控制器的I型系统方框图2023/1/12172023/1/12182023/1/1219（5）比例（PID）控制规律具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称为PID控制器。如果PID控制器2023/1/1220I积分发生在低频段，稳态性能(提高)D微分发生在高频段，动态性能(改善)增加一个极点，提高型别，稳态性能两个负实零点，动态性能比PI更具优越性123两个零点一个极点2023/1/12216.2常用校正装置及其特性无源校正网络超前校正有源校正网络1.无源超前校正滞后校正滞后超前校正2023/1/1222

假设该网络信号源的阻抗很小，可以忽略不计，而输出负载的阻抗为无穷大，则其传递函数为时间常数分度系数注：采用无源超前网络进行串联校正时，整个系统的开环增益要下降因此需要提高放大器增益加以补偿倍此时的传递函数2023/1/1223Lc(ω)0dB0o1/aT1/T无源超前网络Gc(s)=1+aTs1+Tsa﹥1低频段：1(0dB)转折频率：1aT1T斜率：[+20][-20]ω=0ω=∞0o+90o0o-90o0o0oωm?20lga2023/1/1224dφc(ω)dω=0令ωm=1aT1T=1T得Lc(ωm)=10lgaφm=arcsina-1a+1Lc(ω)0dB0o1/aT1/Tωm20lga10lgaφmωm结论：2023/1/1225ωm20dB/decLc(ωm)=10lga=1T但a不能取得太大(为了保证较高的信噪比),a一般不超过20这种超前校正网络的最大相位超前角一般不大于2023/1/1226(b)最大超前角及最大超前角处幅值与分度系数的关系曲线dBoa2023/1/1227实际控制系统中广泛采用无源网络进行串联校正，但在放大器级间接入无源校正网络后，由于负载效应问题，有时难以实现希望的规律。此外，复杂网络的设计和调整也不方便。因此，需要采用有源校正装置。6.2.2有源校正网络2023/1/1228频率法对系统进行校正的基本思路是：通过所加校正装置，改变系统开环频率特性的形状，即要求校正后系统的开环频率特性具有如下特点：6.3串联校正6.3.2串联超前校正用频率法对系统进行超前校正的基本原理，是利用超前校正网络的相位超前特性。为此，要求校正网络最大的相位超前角出现在系统的截止频率处。中频段的幅频特性的斜率为-20dB/dec,并具有较宽的频带，这一要求是为了系统具有满意的动态性能；高频段要求幅值迅速衰减，以较少噪声的影响。低频段的增益满足稳态精度的要求；2023/1/1229用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤可归纳为：根据稳态误差的要求，确定开环增益K。根据所确定的开环增益K，画出未校正系统的波特图，关键是选择最大超前角频率等于要求的系统截止频率以保证系统的响应速度，并充分利用网络的相角超前特性。成立的条件是由上式可求出a，再由验证已校系统的相角裕度计算未校正系统的相角裕度根据截止频率的要求，计算超前网络参数a和T；求出Ｔ，判断是否满足要求，不满足进行第3步2023/1/1230例６-1.设一单位反馈系统的开环传递函数为若要求系统在单位斜波输入作用下，位置输出稳态误差,相位裕度，开环截止频率幅值裕度10dB。解：确定系统的开环增益K。时，待校正系统的开环传函绘制待校正系统伯特图，由该图可知待校正系统

当算出2023/1/12310dB10203040-10-20-30-400.1110100ω-6db2023/1/1232选择可求得：于是算得超前网络传函校正后的传函

校验，已校系统计算校正后系统的相角裕度幅值裕度也满足2023/1/12332）超前校正一般虽能较有效地改善动态性能，但未校正系统的相频特性在截止频率附近急剧下降时，若用单级超前校正网络去校正，收效不大。因为校正后系统的截至频率向高频段移动。在新的截止频率处，由于未校正系统的相角滞后量过大，因而用单级的超前校正网络难于获得较大的相位裕量。

基于上述分析，可知串联超前校正有如下特点：这种校正主要对未校正系统中频段进行校正，使校正后中频段幅值的斜率为-20dB/dec，使相角裕度增大，因而使动态过程的超调量下降。另外，截止频率增大，从而闭环带宽增大，响应速度加快。超前校正在有些情况下是无效的：

1）对闭环带宽有要求的情况。有时为了使系统得到较好的稳定裕度，可能会使截止频率变得很大，从而造成校正后的系统带宽过大，系统抗高频噪声的能力变差。对此，在校正装置设计时必须注意。2023/1/12342.无源滞后网络如果信号源的内部阻抗为零，负载阻抗为无穷大，则滞后网络的传递函数为时间常数分度系数图6-1４无源滞后网络2023/1/1235转折频率：1bT1T无源滞后网络Gc(s)=1+bTS1+TSb＜1低频段：1(0dB)斜率：[+20][-20]ω=0ω=∞0o+90o0o-90o0o0o1bT2023/1/1236图6-1４无源滞后网络特性-20dB/dec2023/1/1237采用无源滞后网络进行串联校正时，主要利用其高频幅值衰减的特性，以降低系统的开环截止频率，提高系统的相角裕度。滞后网络怎么能提高系统的相角裕度呢？2023/1/12382023/1/1239-20dB/dec在设计中力求避免最大滞后角发生在已校系统开环截止频率附近。选择滞后网络参数时，通常使网络的交接频率远小于一般取此时，滞后网络在处产生的相角滞后按下式确定将代入上式2023/1/1240用频率法对系统进行滞后校正的基本原理，是利用滞后校正网络的高频幅值衰减特性。为此，要求校正网络最大的相位超前角出现在系统的截止频率处。6.3.3串联滞后校正如果所研究的系统为单位反馈最小相位系统，则应用频率法设计串联滞后校正网络的步骤如下：2023/1/1241确定开环增益K稳态误差的要求画出未校正系统的波特图,并求满足性能指标吗？已校正系统的截止频率根据要求确定滞后网络参数b和T

验算已校正系统的相位裕度和幅值裕度

Y结束N2023/1/1242例6-2设控制系统如图6-18所示。若要求校正后的静态速度误差系数等于30/s，相角裕度40度，幅值裕度不小于10dB，截止频率不小于2.3rad/s，试设计串联校正装置。图6-18控制系统解：首先确定开环增益K未校正系统开环传递函数应取画出未校正系统的对数幅频渐近特性曲线，2023/1/1243由图可得*也可算出2023/1/1244说明未校正系统不稳定，且截止频率远大于要求值。在这种情况下，采用串联超前校正是无效的。可以证明，当仍不能满足性能指标，而且截止频率也向右移动。考虑到，本例题对系统截止频率值要求不大，故选用串联滞后校正，可以满足需要的性能指标。时因此2023/1/1245计算

-1802.71342023/1/1246由于指标要求故值可在范围内任取。考虑到取值较大时，已校正系统响应速度较快滞后网络时间常数T值较小，便于实现，故选取。在图6-24上查出计算滞后网络参数

b=0.09

bT=3.7s，则滞后网络的传递函数*也可计算。然后，再利用利用2023/1/12472023/1/1248验算指标(相角裕度和幅值裕度)

校正后的相位穿越频率幅值裕度满足要求2023/1/1249超前校正需要增加一个附加的放大器，以补偿超前校正网络对系统增益的衰减。串联超前校正和串联滞后校正方法的适用范围和特点超前校正是利用超前网络的相角超前特性对系统进行校正，而滞后校正则是利用滞后网络的幅值在高频衰减特性；用频率法进行超前校正，旨在提高开环对数幅频渐进线在截止频率处的斜率(-40dB/dec提高到-20dB/dec)，和相位裕度，并增大系统的频带宽度。频带的变宽意味着校正后的系统响应变快，调整时间缩短。对同一系统超前校正系统的频带宽度一般总大于滞后校正系统，因此，如果要求校正后的系统具有宽的频带和良好的瞬态响应，则采用超前校正。当噪声电平较高时，显然频带越宽的系统抗噪声干扰的能力也越差。对于这种情况，宜对系统采用滞后校正。2023/1/12503.无源滞后-超前网络图

无源滞后-超前网络传递函数为设则有式(6-32)表示为a是该方程的解2023/1/1251图6-15无源滞后-超前网络频率特性2023/1/1252求相角为零时的角频率

(6-34)的频段，的频段，当校正网络具有相位滞后特性校正网络具有相位超前特性。2023/1/1253串联滞后-超前校正，实质上综合应用了滞后和超前校正各自的特点，即利用校正装置的超前部分来增大系统的相位裕度，以改善其动态性能；利用它的滞后部分来改善系统的静态性能，两者分工明确，相辅相成。6.3.4串联滞后-超前校正这种校正方法兼有滞后校正和超前校正的优点，即已校正系统响应速度快，超调量小，抑制高频噪声的性能也较好。当未校正系统不稳定，且对校正后的系统的动态和静态性能(响应速度、相位裕度和稳态误差)均有较高要求时，显然，仅采用上述超前校正或滞后校正，均难以达到预期的校正效果。此时宜采用串联滞后-超前校正。2023/1/12546.3.5串联综合法校正-40dB/dec2-20dB/dec3c低频区高频区中频区0-40dB/dec-2-1-2型相应的开环传递函数为综合校正法将性能指标转化为系统的开环频率特性2023/1/1255其相频特性：因而由记为中频段宽度，则0°-90°-180°dB-40-20dB/decH20lg-40图6－18期望特性2023/1/12566.3.6串联工程设计方法先选定串联校正装置的形式按最佳性能的要求，选择控制装置的参数。常用三阶最佳设计法和最小设计法三阶最佳设计一般取从而期望特性为利用来确定控制器的形式及参数2023/1/12571)若待校正系统传递函数为为得到期望特性，可选择PI控制器因此校正后的系统为得到期望特性，选择如下参数2023/1/1258例6-8设单位反馈待校正系统的开环传递函数为试用工程设计方法确定串联校正装置。解：采用三段工程最佳设计法，由前面的第一种情况可知，故可选PI控制器作为串联校正装置其中参数确定为得到PI控制器为2023/1/12592)若待校正系统传递函数为为得到期望特性，可选择PI控制器因此校正后的系统为得到期望特性，选择如下参数则将简化为2023/1/12603)若待校正系统传递函数为为得到期望特性，可选择PI控制器令因此校正后的系统为得到期望特性，选择如下参数2023/1/12616-4反馈校正反馈校正原理若对系统主要动态范围内则有反馈校正的基本原理：用反馈校正装置包围待校正系统中对动态性能改善有重大妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路，在局部反馈的幅值远大于1的条件下，局部反馈回路的特性主要取决于反馈校正装置，而与被包围部分无关；适当选择反馈校正装置的形式和参数，可以使已校正系统的性能满足给定指标的要求。2023/1/1262若有这表明反馈校正特性与未校正系统的特性是一样的。为此，适当选择反馈校正装置的结构和参数可以达到使校正后的系统具有所期望的频率特性。反馈校正的特点：（1）削弱反馈回路内的非线性的影响。（2）减少系统的时间常数。（3）降低系统对参数变化的灵敏度。（4）抑制系统噪声2023/1/1263如采用位置反馈增益变化前：变化后的增量：当时，R1C则相对增量为：相对增量：2023/1/1264反馈校正的设计方法：期望特性法、分析法运用反馈校正设计时，应当注意内反馈回路的稳定问题。若内回路不稳定，力图用外回路使得整个系统稳定，往往使得系统设计变得复杂。工程中，一般将内回路设计成稳定的。2023/1/12651.按干扰补偿的复合校正.

如果加于系统的干扰是能测量的,同时干扰对系统的影响是明确的,则可按干扰补偿的办法办法提高稳态精度。G2(s)Gn(s)G1(s)C(s)R(s)E(s)N(s)-+6-5复合校正2023/1/1266在扰动作用下的输出为:完全消除扰动对系统输出的影响。增加补偿装置，使系统的稳态输出不受扰动的影响，也就是系统在扰动作用下的稳态误差为0。因此，该补偿条件成为对扰动