自动控制原理-经典控制(第2版) 课件 06-控制系统的综合与校正

1第六章线性系统的校正第2章数学模型第3-5章根据系统模型分析系统的稳定性、动态和稳态性能第6章根据原性能与期望性能之间的差距，确定校正装置的结构、参数和连接方式三种理论分析方法：时域分析、根轨迹、频域分析2第六章线性系统的校正综合与校正的基本概念常用校正装置及其特性串联校正反馈校正PID控制器Matlab的应用(略)综合与校正的基本概念3为什么要进行系统校正？设计自动控制系统时：根据任务要求，选定控制对象；根据稳定性确定控制规律，设计控制器，选定控制元器件；受控系统不一定满足全部性能指标要求，则需要增加合适的元件，按一定方式连接到原系统中，使新的系统全面满足设计要求。原系统控制器控制对象校正系统原系统校正装置控制系统的校正元件或校正装置：为使控制系统的各项性能满足要求而有目的地增添的元件。综合与校正的基本概念4校正是否是必需的？若系统性能指标要求不高，通过调整控制器的参数即可使系统满足要求。对控制性能要求较高的系统，常需引入校正装置以充分改善系统性能。校正的理论分析方法如何选择？根据特定的性能指标来确定：以稳态误差、峰值时间、最大超调量、和过渡过程时间等时域性能指标给出性能要求，则常用根轨迹法等进行综合与校正；以相角裕度、幅值裕量、相对谐振峰值、谐振频率和系统带宽等频域性能指标给出性能要求，则用频率特性法进行综合与校正。综合与校正的基本概念5校正的本质是什么？通过改变闭环系统的零极点分布，以改善系统性能。实现校正的方式有哪些？按校正装置的连接方式，可将校正方式分为：串联校正、反馈校正、顺馈校正

串联校正6串联校正串联连接在前向通道中。具体接入位置视校正装置本身的物理特性和原系统的结构而定。体积小、重量轻、容量小的校正装置(电器装置居多)，常加在系统信号容量不大的地方，即比较靠近输入信号的前向通道中。体积、重量、容量较大的校正装置(如无源网络、机械、液压、气动装置等)，常串接在容量较大的部位，即比较靠近输出信号的前向通道中。串联校正的优缺点？设计简单，容易对信号进行变换由低能量向高能量部位传递信号，加上校正装置本身的能量损耗，必须进行能量补偿，因此常需要放大元件。(例如滤波器）R(s)C(s)

反馈校正7反馈校正：将校正装置反向连接在原系统前向通道的一个或几个环节上，构成局部反馈回路。反馈校正的优缺点？输入端信号取自于原系统的输出端或原系统前向通道中某个环节的输出端，由高能量向低能量部位传递信号，因此信号功率一般较大，不需要放大元件，结构比串联校正装置简单。可消除校正回路中元件参数的变化对系统性能的影响。因此若原系统在工作条件变化时参数变化较大时，采用反馈校正效果会更好些(例如测速发电机）。由于输入信号功率较大，装置的容量和体积相应较大。R(s)C(s)

顺馈校正8

顺馈校正将校正装置前向并联连接在原系统前向通道的一个或几个环节上。比串联校正多一个连接点，即需要一个信号取出点和一个信号加入点。R(s)C(s)

综合与校正的基本概念9如何选择校正方式？视具体情况而定。考虑的因素有：设计要求（原系统各方面性能与期望性能的差距）;校正成本（经济条件）;可行性（原系统的物理结构、各点功率的大小、信号是否便于取出和加入、可供选用的元件及其体积、重量等）等。综合考虑上述因素，选出最佳方案。对性能指标要求较高的系统，常兼用串联校正与反馈校正。校正的方式是否唯一？通过结构图变换，一种连接方式可等效地转换成另一种连接方式，因此校正方式具有非唯一性。频率法校正的基本思想10

0.1-20dB/dec-40dB/dec-60dB/dec

-20dB/dec-40dB/dec

频率法校正的基本思想11

低频段由开环传递函数包含的积分环节的个数（型别）和开环增益K决定，二者与稳态性能直接相关。

-20dB/dec

-20vdB/dec

频率法校正的基本思想12

反映系统的相对稳定性。对最小相位系统也反映了系统的稳定性。由相角裕度和剪切频率与动态性能指标之间的关系知，也反映系统的动态性能。开环对数幅频特性中频段的斜率和宽度，决定了最小相位系统的相角裕度。同时，低频段和高频段的斜率等都对系统的相角裕度有影响。低频段和高频段的斜率对相角裕度的影响是怎样的？

0.1-20dB/dec-40dB/dec-60dB/dec

-20dB/dec-40dB/dec

频率法校正的基本思想13

显然，斜率负的越大，相角裕度越小，稳定性越差。

频率法校正的基本思想14

-20dB/dec

-20dB/dec

-40dB/dec

频率法校正的基本思想15

-20dB/dec

-40dB/dec

-20dB/dec

-60dB/dec频率法校正的基本思想16

0.1-20-40-60

-20-40

频率法校正的基本思想17结论：三频段理论中频段高频段低频段对应性能希望形状

系统抗高频干扰的能力开环增益K系统型别v

陡，高缓，宽低，陡频段三频段分析结果给出了调整系统结构以改善系统性能的原则和方向。常用校正装置及其特性18(1)(无源)超前校正网络(2)(无源)滞后校正网络(3)(无源)滞后-超前校正网络(4)有源校正网络无源和有源？无需能（电）源的器件称为无源器件，无需加电源即可在有信号时工作，如电阻类、电感类和电容类元件。需要能（电）源的器件称为有源器件，如三极管、晶闸管、集成运算放大器等。超前校正网络19无源超前校正网络

uruc+-C

超前校正网络20

无源超前校正网络的性质

超前校正网络21无源超前校正网络的频率特性

Re0Im

超前校正网络22无源超前网络的频率特性

超前校正网络23无源超前网络的频率特性Bode图：

20dB/dec

滞后校正网络24无源滞后校正网络

uruc+-C

滞后校正网络25无源滞后校正网络的频率特性

Re0Im

滞后校正网络26

无源滞后网络的频率特性

滞后校正网络27Bode图如图

-20dB/dec

无源滞后校正网络的频率特性

滞后-超前校正网络28

无源滞后-超前网络

滞后超前

uruc+-

滞后-超前校正网络29

无源滞后-超前网络的频率特性

-20dB/dec

20dB/dec

有源校正网络30

uruc+-+--+

有源校正网络31PID调节器比例（P）调节器比例积分(PI)调节器比例微分(PD)调节器积分（I）调节器滤波（惯性）串联校正32串联超前校正串联滞后校正串联滞后-超前校正期望频率特性法校正示例串联校正：校正后频率特性由校正装置的频率特性与原系统的频率特性的叠加。适宜用频率法。串联超前校正33

-40dB/dec

-20dB/dec-60dB/dec

20dB/dec

叠加串联超前校正34

叠加到哪个位置？将最大超前相角叠加到原剪切频率处。此时，幅值会怎样变？

-40dB/dec

-20dB/dec-60dB/dec串联超前校正-例135

4020

1001011000

1001011000-20dB/dec-60dB/dec-40dB/dec

60

串联超前校正-例1续36【续】(1)相角裕度

≥45o

4020

1001011000

1001011000-20dB/dec-60dB/dec-40dB/dec

60串联超前校正-例1续37

4020

1001011000

1001011000-20dB/dec-60dB/dec-40dB/dec

60串联超前校正-例1续38

-20

4020

1001011000

1001011000-20-60-40

60-40串联超前校正–总结39

串联超前校正的步骤串联超前校正–总结40串联超前校正对系统的影响？提高系统的相角裕度;减小对数幅频特性在剪切频率上的负斜率,提高了系统的稳定性;增大了剪切频率，提高了系统的频带宽度,可提高系统的响应速度。幅值补偿后不影响系统的稳态性能。

不宜采用串联超前校正的情况？串联滞后校正41

哪种校正装置可以将剪切频率变小？

-40

-20-60

-20

叠加

-40

-20-60串联滞后校正42

20lgb

滞后相角

串联滞后校正例143

1010.1100

1010.1100-60

4020-20-405

串联滞后校正例1续44

串联滞后校正例1续45

1010.1100

1010.1100

402050.030.030.3-60-20-40-20-40

串联滞后校正–总结46

串联滞后校正的步骤串联滞后校正–总结47串联滞后校正对系统的影响？减小剪切频率，增加相角裕度，提高相对稳定性；幅值衰减作用使得幅值裕度变好，因此在保持系统相对稳定性不变的情况下可以提高开环放大系数，从而间接改善稳态性能；降低了剪切频率，系统宽带变小，响应速度变差；提高了系统抗干扰的能力。

不宜采用串联滞后校正的情况？串联滞后-超前校正48超前校正和滞后校正的优缺点？串联超前校正：提高相角裕度，剪切频率变大，快速性变好，高频段右移，抗干扰（高频噪声）能力降低。串联滞后校正：降低剪切频率以提高系统的相角裕度，间接提高开环放大系数，改善稳态性能。高频段左移，抗干扰（高频噪声）能力提高。牺牲了快速性。有时单独采用串联超前校正或串联滞后校正无法奏效，则可综合两种方法。串联滞后-超前校正例149

4020

1010.1

1010.1-20

2-60-40串联滞后-超前校正50串联滞后-超前校正的思想？滞后校正主要用来校正开环频率的低频区特性，超前校正主要用于改变中频区特性的形状和参数。串联滞后-超前校正的注意事项？在确定超前校正装置时，要考虑到滞后装置加入对系统动态性能的影响，参数选择应留有裕量；在确定滞后校正装置时，尽量不影响由超前装置校正好了的系统的动态指标。串联滞后-超前校正例1续51

串联滞后-超前校正例1续52

串联滞后-超前校正例1续53

串联滞后-超前校正法1步骤54

串联滞后-超前校正例1总结55

串联滞后-超前校正例1续56

仍为负，但剪切频率增大

4020

1010.1

1010.1-20

2-60-40

串联滞后-超前校正例1续57

4020

1010.1-202-60-40串联滞后-超前校正例258

4020

1010.1100

1010.1100-20

2-60-40串联滞后-超前校正例2续59

串联滞后-超前校正例2续60采用滞后-超前校正。若沿用原超前校正和滞后校正设计思路是否可行？上例中，剪切频率的要求是一个范围。此例，若沿用原超前校正设计思路，无法精确控制剪切频率在10左右。改进思路：用超前校正将期望剪切频率处的相角配置到期望相角裕度(需要一定的补偿量以弥补滞后校正带来的负相角)；用滞后校正将期望剪切频率处的幅值变为0。

串联滞后-超前校正例2续61(1)

决定超前校正部分。【续】

4020

1010.1100

1010.1100-20

2-60-20-40

串联滞后-超前校正例2续62(2)

决定滞后校正部分。【续】

串联滞后-超前校正例2续63

【续】

4020

1010.1100

1010.1100-20

2-60-20-40-40

串联滞后-超前校正总结64

可行性？期望频率特性法校正65期望频率特性法的校正思想？将性能指标要求转化为期望的对数幅频特性，再与原系统的频率特性进行比较，从而得出校正装置的形式和参数。期望频率特性法的优缺点？该方法简单、直观，可适合任何形式的校正装置。由于只有最小相位系统的对数幅频特性和对数相频特性之间有确定的关系，故期望频率特性法仅适合于最小相位系统的校正。期望频率特性法校正66期望频率特性法的求解思路？

R(s)C(s)

期望频率特性法校正67期望频率特性通常是怎样的？

-40-20-40

期望频率特性法的求解68

-40-20-40

期望频率特性法的求解69

ReIm

期望频率特性法的求解70

-40-20-40

期望频率特性法的求解71期望频率特性法的求解步骤？

期望频率特性法校正例172

1010.1100-604020-202450-40

期望频率特性法校正例1续73

1010.1100-604020-20

50-40

454期望频率特性法校正例1续74

2-1-2型由原系统决定由原系统决定如何连接如何设计

1010.1100-604020-20-40

45504-40

0.75期望频率特性法校正例1续75

1010.1100-604020-20-40

45504-40

0.75

期望频率特性法校正例276

【解】1、绘制系统对数幅频特性。2、绘制期望频率特性。为保持稳态性能，低频段应和原系统重合。

1010.1100-604020-40402.5如何连接期望频率特性法校正例2续77

1010.1100-604020-40402.5如何连接期望频率特性法校正例2续78

1010.1100-604020-40402.5期望频率特性法分析79

1010.1100-604020-40402.5

1010.1100-604020-20-40

45504-20-40

0.75期望频率特性法分析80

1010.1100-604020-40402.5校正斜率+40期望频率特性法分析81

1010.1100-604020-2050-40

期望频率特性法分析82

1010.1100-604020-2050-40

期望频率特性法分析83

串联校正例184最小相位系统加入串联校正前、后的开环对数幅频特性如图曲线I、II所示，画出串联校正装置的对数幅频特性；并写出串联校正装置的传递函数。

1010.1100-2020-405240600.753060-40-60III8串联校正例2法185

1.4120

1010.1-2020-40

1010.1

9.34串联校正例2续法1频率法校正86

串联校正例2续法2时域设计方法87

串联校正例388

串联超前网络选择哪种校正装置？

1010.1100-204020-4050-4025

1010.1100

串联校正例3续法189

串联校正例3续法290

是否总可行？

串联校正例3续法2的讨论91

串联校正例3续法392

1001011000-204020-402526.45串联校正例3续法393

1001011000-204020-402526.45162串联校正例494

选择哪种校正装置？

1010.1-2020-40

1010.1

-6024串联校正例4续95

串联校正例4续96

串联校正例4续97

10.10.0110-2020-40

10.10.0110

-60

-20-40

串联校正例4续98

1010.1-2020-40

1010.1

-6024

串联校正例4续99

10.0110-2020-6024

-20-400.01440.1串联校正例4续100

10.0110-2020-6024-200.1-400.0144串联校正例5101

难以判断。选择哪种校正装置？

1010.1-2020-40

1010.1

-60串联校正例5续102

补偿量取100时不行(校正后=370左右)

串联校正例5续103

串联校正例5增加性能要求104

1010.1-2020-40

1010.1

-60

串联校正例5增加性能要求105

1010.1-2020-60-205-400.5串联校正例5增加性能要求106

1010.1-2020-40-60-205-400.250.5-40反馈校正107为何采用反馈校正？除了与串联校正一样，可改善系统的性能以外，还可抑制反馈环内不利因素对系统的影响。采用局部反馈校正的系统，校正装置反向连接在一些环节上，会形成局部反馈回路（内回路）。为保证局部回环的稳定性，被包围的环节不宜过多，一般为2个。R(s)C(s)

E(s)

反馈校正的设计思路108

R(s)C(s)

E(s)

反馈校正的设计思路109

反馈校正示例110

R(s)C(s)

1010.1100-2020-404060-602.78反馈校正示例111

1010.1100-2020-404060-600.0180100

1.116.70.009

2.78反馈校正示例112

1010.1100-2020-404060-600.0180100

1.116.70.009

2.78

反馈校正示例113

1010.1100-2020-404060-600.0180100

1.116.70.009

2.78

PID控制114为何在工业上广泛采用PID控制?被控对象数学模型未知时仍能实现有效设计。PID控制的组成？由比例(P)、积分(I)、微分(D)三种控制作用组合。PID控制-P115

输入信号PID控制器被控对象输出信号测量变送元件

PID控制-P例1116

考察图示系统在比例控制作用下单位阶跃输入的稳态误差。

PID