机电控制工程基础-第2版课件第7章控制系统的校正设计

第七章控制系统的校正设计校正设计概述串联校正

并联校正PID校正概述基本概念：对已选定的系统附加一些具有某种典型环节的传递函数，称之为校正环节或校正装置，通过对校正环节参数的配置和系统增益的调整来有效地改善整个系统的控制性能，以达到所要求的性能指标。校正装置有无源和有源两种。常见的无源校正装置是RC网络，有源校正装置是以运算放大器为核心元件组成的校正网络。校正的方式串联校正：校正环节串接在控制系统前向通道上并联校正：校正环节并接在控制系统前向通道上反馈校正前馈校正串联校正反馈校正前馈校正串联校正与并联校正串联校正

为了减少功率损耗，串联校正环节一般安置在能量较低的前端部位上。串联校正串联校正相位滞后-超前校正相位滞后校正相位超前校正相位超前校正传递函数RC相位超前校正网络当s很小时，

，比例环节；当s较小时，

，比例微分环节；当s远大于1时，，不起校正作用。相位超前校正对数频率特性Bode图转角频率相位超前令，得最大超前相位角的频率：ωmax是转折频率ω1和ω2的几何中心相位超前校正Bode图求得最大超前相位角当α过小时，超前校正中的微分作用过弱；α值越大，相位超前越多，能够获得的相位裕度也越大；当α过大时，由于校正环节的增益下降，会引起原系统开环增益降低，因此需要提高放大器的增益来补偿超前网络带来的衰减。1）根据稳态性能指标要求，确定系统的开环增益K。2）根据确定的K值，绘制校正前系统的Bode图，求校正前系统的相位裕度γ1。3）根据期望的相位裕度γ2，计算校正网络的最大超前相位角φmax=γ2–γ1+Δφ，由于相位超前校正装置后会使剪切频率由校正前的ωc1右移到校正后的ωc2，从而造成原系统的相位滞后增加，为补偿这一影响需留出相位裕量，一般取Δφ=5°~10°。4）根据φmax，计算参数α。5）确定剪切频率ωc2。在校正前的开环Bode图上找出处的频率ωmax，此频率即为校正后系统的剪切频率ωc2。6）确定超前校正装置的转折频率ω1和ω2。7）绘制系统校正后系统的Bode图，并校验系统的性能指标。相位超前校正装置的设计方法解：，系统为Ⅰ型系统

（1）根据稳态误差要求，开环增益K为（2）绘制校正前系统的Bode图

单位反馈控制系统的开环传递函数为，若要使系统在单位斜坡输入下的稳态误差ess=0.05，相位裕度γ=50°，幅值裕度20lgKg≥10dB，试设计系统的校正装置。校正前系统相位裕度为γ1=18°，幅值裕度为∞，系统是稳定的。但因相位裕度小于50°，相对稳定性不满足要求。为了满足γ2=50°，将相位裕度从18°提高到50°，需要采用相位超前校正环节。

（3）确定校正装置提供的最大超前角相位角φmax。取Δφ=6°，则（4）确定系数α

（5）确定校正后剪切频率ωc2求得ωc2=9rad/s单位反馈控制系统的开环传递函数为，若要使系统在单位斜坡输入下的稳态误差ess=0.05，相位裕度γ=50°，幅值裕度20lgKg≥10dB，试设计系统的校正装置。（6）由于校正装置的转角频率确定校正装置的传递函数单位反馈控制系统的开环传递函数为，若要使系统在单位斜坡输入下的稳态误差ess=0.05，相位裕度γ=50°，幅值裕度20lgKg≥10dB，试设计系统的校正装置。（7）确定校正后系统的开环传递函数

闭环传递函数

校正前后系统的Bode图相位裕度从18°增加到50°，提高了系统的相对稳定性，满足系统的性能指标要求。

校正前后的单位阶跃响应曲线校正后系统的带宽增加，系统的响应速度得到了提高，瞬态响应得到了显著改善。相位超前校正（1）超前校正中的Δφ一般根据经验取5°~10°，是否与实际相符，必须验证，所以在校正装置初步确定后，要校验系统校正后的相位裕度是否满足要求。若不满足要求需要重新调整Δφ的数值，重新设计校正网络，再一次校验相位裕度，直至满足要求为止。（2）超前校正有一定的局限性，一般最大相位超前角φmax≤60°~70°，所以当原系统的相位裕度为负值，或在剪切频率附近相频特性曲线下滑剧烈的情况下，都不适合采用超前校正。从对数幅频特性曲线上看，超前校正适用于以-40dB/dec的斜率穿越0dB线，并且-40dB/dec斜率线有一定宽度的系统。相位滞后校正无源相位滞后校正网络传递函数当s很小时，

，不起校正作用；当s较小时，

，惯性环节；当s远大于1时，，比例环节。对数频率特性Bode图转角频率相位滞后令，得最大滞后相位角的频率：ωmax是转折频率ω1和ω2的几何中心相位滞后校正相位滞后校正求得最大滞后相位角系统在大于ω2=1/T的高频段增益衰减，保证在该频段内相位变化小。避免使最大滞后相位角发生在校正后系统的剪切频率ωc2附近，一般取

。实质上是一个低通滤波器，对低频信号基本无衰减作用，但能削弱高频噪声，β越大，抑制噪声能力越强。通常取β=10。Bode图1）根据稳态性能指标要求，确定系统的开环增益K。2）根据确定的K值，绘制校正前系统的Bode图，求出校正前系统的相位裕度γ1。3）确定校正后的剪切频率ωc2。根据期望的相位裕度γ2，在校正前的相频特性上找出相角为φ(ω)=-180°+γ2+Δφ处的ωc2，为了补偿滞后校正装置在ωc2处的相位滞后，式中取Δφ=5°~10°，ωc2即为校正后剪切频率。4）计算参数β。5）确定滞后校正装置的转折频率。6）绘制校正后系统的Bode图，并校验系统的性能指标。相位滞后校正装置的设计方法解：（1）根据稳态误差要求，开环增益K，故K=30。已知系统的开环传递函数为试设计校正装置，使系统满足速度误差系数Kv=30，相位裕度γ≥40°。（2）绘制校正前系统的Bode图ωc1=9.77rads,γ1=-17.2°，未校正的系统是不稳定的。在剪切频率附近相位变化比较大，故采用滞后校正比较合适。已知系统的开环传递函数为试设计校正装置，使系统满足速度误差系数Kv=30，相位裕度γ≥40°。（3）确定校正后剪切频率ωc2求得ωc2=2.6rad/s（4）计算系数β，求得β=10（5）滞后校正装置的转折频率

取有T=3.85，（6）校正装置的传递函数为校正后系统的开环传递函数校正前后系统的Bode图相位裕度为43°，大于期望值40°，设计满足系统要求。相位滞后校正（1）滞后校正中的Δφ一般根据经验取5°~10°，是否与实际相符，也必须验证，所以在校正网络初步确定后，要校验系统校正后的相位裕度是否满足要求。若不满足要求需要重新调整Δφ的数值，重新设计校正网络，再次校验相位裕度，直至满足要求为止。（2）滞后校正也有一定的局限性，如果对校正后的系统有快速性要求，而原系统的剪切频率ωc1较小时，由于校正后系统的剪切频率ωc2比ωc1小得多，故不易达到性能要求。相位滞后-超前校正相位超前校正可以提高系统的相对稳定性和响应的快速性，但对稳态性能改善不大。相位滞后校正可以提高系统的稳态性能，但使系统带宽减小。相位滞后-超前校正可以同时改善系统的动态性能和稳态性能。RC相位滞后-超前网络传递函数相位滞后-超前校正T1=R1C1，T2=R2C2，T1

T2=R1C1R2C2（取T2>T1），（取α>

1）。滞后-超前网络Bode图

采用频率响应法设计相位滞后-超前校正网络参数，实际上是设计超前装置和滞后装置两种方法的结合。滞后校正的作用是把剪切频率左移，从而减小系统在剪切频率处的相位滞后；超前校正的作用是在新的剪切频率处提供一个相位超前角，以增大系统的相位裕度，使其满足动态性能要求。相位滞后-超前校正装置的设计方法解：（1）系统为Ⅰ型系统，确定系统的开环增益

，得K=20。

（2）绘制校正前系统的Bode图设某电液伺服单位反馈系统的开环传递函数为试设计校正装置，使校正后系统的静态速度误差系数Kv=10，相位裕度γ≥50°，幅值裕度Kg(dB)≥10dB。剪切频率ωc1=2.43rad/s，相位裕度γ1=-28°，相位穿越频率ωg1=1.41rad/s，幅值裕度Kg(dB)=-10.5dB。系统不稳定。设某电液伺服单位反馈系统的开环传递函数为试设计校正装置，使校正后系统的静态速度误差系数Kv=10，相位裕度γ≥50°，幅值裕度Kg(dB)≥10dB。（3）确定校正后的剪切频率ωc校正前系统相位穿越频率ωg1≈1.5rad/s。选取ωg1作为校正后系统的剪切频率ωc2（4）确定滞后-超前校正装置将滞后部分第二个转折频率选在ωc2以下十倍频程处，即1/T2=ωc2/10=0.15rad/s，则T2=6.67s计算最大超前角相位角φmax，取α=10基于要求的相位裕度50°，故选α=10已满足要求。滞后部分的另一转角频率1/αT2=0.015，有αT2=66.7，则滞后校正网络的传递函数为过点(1.5rad/s，-13dB)作一条斜率为20dB/dec的直线，该线与零分贝线及-20dB的水平线的交点，即为超前校正部分的两个转折频率，分别为1/T1=0.7rad/s和α/T1=7rad/s，则超前校正网络的传递函数为设某电液伺服单位反馈系统的开环传递函数为试设计校正装置，使校正后系统的静态速度误差系数Kv=10，相位裕度γ≥50°，幅值裕度Kg(dB)≥10dB。

（5）滞后-超前校正网络的传递函数将相位滞后和超前网络的传递函数组合在一起，得到滞后-超前校正网络的传递函数校正后系统的开环传递函数设某电液伺服单位反馈系统的开环传递函数为试设计校正装置，使校正后系统的静态速度误差系数Kv=10，相位裕度γ≥50°，幅值裕度Kg(dB)≥10dB。校正前后系统的Bode图校正后系统的相位裕度约为50°，相角穿越频率ωg=4rad/s，幅值裕度为16dB，静态速度误差系数为10，均满足设计要求。并联校正——反馈校正具有局部反馈校正的系统未校正系统的开环传递函数频率特性局部反馈回路的闭环频率特性校正后系统开环频率特性反馈校正若内环稳定（1）当时，则有在Bode图上，当则有反馈校正（2）当时，则有

在Bode图上，当则有

即若内环稳定二阶系统最优模型单位反馈系统的开环传递函数闭环传递函数——无阻尼固有频率——阻尼比取ξ=0.707为最佳阻尼比时，最大超调量Mp=4.3%，调节时间ts=6T。此时转折频率1/T=2ωc。要保证ξ=0.707并不容易，常取0.5≤ξ≤0.8。二阶系统最优模型的Bode图三阶系统最优模型单位反馈系统的开环传递函数最大超调量确定ω2、ω3三阶系统最优模型的Bode图1）按稳态误差要求，画出未校正系统的对数幅频特L0(ω)。2）根据要求的动态性能指标绘制期望的对数幅频特性L(ω)。3）确定局部反馈回路的开环频率特性。4）校验局部反馈回路的稳定性，最后由局部反馈回路的开环频率特性求得反馈校正装置的频率特性和传递函数。局部反馈校正装置设计步骤反馈校正的注意问题（1）局部反馈对稳态性能的影响反馈信号与输出信号成正比的反馈（通常称为比例反馈）将降低系统的放大倍数。此时必须通过提高放大环节的放大倍数得到补偿。在控制系统中，有时也可采用反馈信号和输出信号微分成正比的反馈（通常称为微分反馈）。（2）局部闭环的稳定性问题局部反馈构成的局部闭环系统也有稳定性的问题。在进行反馈校正装置设计时，必须校验局部闭环的稳定性。为保证局部闭环不仅稳定，而且具有一定的稳定裕量，一般局部闭环系统的开环放大系数不能太大。另外，反馈校正装置所包围的环节不应超过两个。前馈校正控制系统传递函数系统输出xo(t)对给定输入xi(t)为v型误差的条件前馈校正系统结构图小功率随动系统，试设计前馈校正Gc(s)，使系统输出xo(t)对给定输入xi(t)具有II型精度。解：校正前系统的闭环传递函数为I型系统，不符合精度要求，故在系统外串联校正环节Gc(s)，则系统总传递函数校正环节传递函数PID校正

PID校正——负反馈闭环控制，是由运算放大器组成的器件，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制校正。PID校正器通常与被控对象串联连接，作为串联校正环节。KP——比例系数KI——积分系数KD——微分系数PID控制规律(1)比例微分(PD)控制器控制器输出信号传递函数微分时间常数PD控制相当于系统引入一个开环零点或一阶微分环节。相对稳定性和快速性都得到了提高，但会使系统高频段增益上升，抗干扰能力减弱。PID控制规律控制器输出信号传递函数积分时间常数(2)比例积分(PI)控制器引入PI控制器可以提高系统的型次，减小或消除稳态误差，改善稳态性能。但产生相位滞后（相当于滞后校正），相位裕度有所减小，稳定性变差，剪切频率ωc减小，快速性变差，系统的动态性能下降。PID控制规律传递函数(3)PID控制器PID控制规律比例环节（P）当引入KP>1的比例控制后，可以提高系统的开环增益，使系统的稳态误差减小。同时，由于提高了剪切频率，因而提高了系统的快速性。但系统校正后相位裕度减小了，因而降低了系统的相对稳定性。可见，单靠引入比例控制来校正系统，不能全面提高系统的性能。积分环节（I）以提高系统的型次，从而可以消除或减小稳态误差，提高系统的稳态性能。微分环节（D）可反映误差信号的变化趋势（变化速率），并能在误差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时