《线性系统校正》PPT课件.ppt

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1、第6章 线性系统的校正,6.1 引言,在已知一个自动控制系统的结构形式及其全部参数的基础上，研究其稳定性条件，以及在典型输入信号作用下，系统的稳态性能、瞬态性能与系统结构、参数和输入信号之间的关系问题，称为系统分析问题。在实际工程中，往往提出另外一个问题，即根据希望的稳态和瞬态性能指标，研究如何建立满足性能要求的控制系统，这称为系统设计问题（也称为系统综合问题）。在控制理论课程中，控制系统的设计问题主要是指校正装置的设计。,6.1.1 控制系统的设计,（1）分析被控对象的工作原理，明确控制目标，制定控制方案；,（6）设计校正装置。为了使设计的控制系统满足给定的性能指标，有必要在系统中引入一些附

2、加装置，改变整个系统的性能，从而满足给定的各项性能指标要求。这些附加装置称为校正装置或补偿器。设计附加校正装置的过程就称为控制系统的校正。,（2）选择执行元件（型式、特性和参数）；,（3）选择测量元件（类型、特性和参数）；,（4）选择放大元件（前置放大，功率放大），要求放大器增益可调；,（5）由初步选定的测量元件、放大元件和执行元件等作为控制装置的基本组成元件，与被控对象一起，构成自动控制系统；,6.1.2 性能指标,常用的性能指标：,1.不同的控制系统对动静态性能指标的要求应有不同的侧重。,2.系统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，应符合实际系统的需

3、要与可能。,在控制系统的设计中，时域指标和频域指标之间可以通过近似公式进行互换。,(1)二阶系统频域指标与时域指标的关系：,谐振峰值,谐振频率,带宽频率,截止频率,(2)高阶系统频域指标与时域指标的关系,谐振峰值,超调量,调节时间,相角裕度,超调量,调节时间,校正的作用,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

4、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。,根据稳态误差的要求，应取K100，设K=100，作出系统的开环频率特性曲线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，系统不满足指标。,可见，调整开环增益K无法同时满足系统稳态误差和谐振峰值的要求。,解：,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。,校正方式,串联校正,反馈校正,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

5、补偿的复合校正和按扰动补偿的复合校正。,校正装置的设计方法,常用的方法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更为有效和方便。,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

6、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。,6.2 常用的串联校正装置及其特性,串联校正系统的结构：,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、传递函数和频率特性，以帮助理解不同形式的校正装置在系统校正时所起的作用。,6.2.1 超前校正网络,无源网络：,1.电路形式及数学模型,传递函数：,其中：,2.频率特性：,最大相角频率：,最大超前角：,6.2.2 滞后校正网络,1.电路形式及数学模型,其中：,无源网络：,传递函数：,2.频率特性：,6.2.3 滞后

7、-超前校正网络,其中：,无源网络：,且,1.电路形式及数学模型,传递函数：,滞后网络,超前网络,2.频率特性：,6.2.4 有源校正网络,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也不方便。因此，采用由运算放大器实现的有源校正装置更为普遍。,有源校正网络有多种形式。下面的表中给出了几种有源校正电路：,有源校正网络,6.3 串联校正：频域分析法,如果系统设计要求满足的性能指标属频域特征量，则通常采用频域校正方法。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

8、置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。,6.3.1 串联超前校正,1串联超前校正的作用和特点,超前校正的作用：,利用超前校正装置的足够大

9、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。,（1）校正装置提供正相角补偿，改善了系统的相对稳定性，使系统具有一定的稳定裕量。,（4）超前校正提高了系统幅频曲线在高频段的幅值，校正后的系统抗高频干扰能力下降。,超前校正的特点：,（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。,（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。,（1）根据稳态误差的要求，确定原系统的开环增益K；,2.超前校正的设计步骤,（2）利用已确定的开环增益

10、，计算未校正系统相角裕度 和幅值裕度；,（4）令校正后的截止频率。应有,解出，再由 求出T。,（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,（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。,如果对截止频率 有明确要求，设计步骤可按照,只需要将上述设计步骤中的（3）（4）改为：,（3）令校正装置的最大超前相角频率 等于希望的截止频率；,例6-2 设一单位负反馈系统的开环传递函数为,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。,（4）计算。由，求得（5）计算T。由，求得。再由，求得（6）写出校正

11、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）验算校正后系统的性能指标。,例6-3 设一单位负反馈系统的开环传递函数为,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。,（1）首先根据稳态误差的要求，确定K。由 求得K=10。,（2）画出校正前的对数幅频渐近线，由渐近线可求出,（5）超前校正装置的传递函数,（6）检验校正后的性能指标。校正后系统的开环传递函数为,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，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

12、相角裕量满足要求，需要进行校验。经过计算可得,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，需要超前网络提供很大的超前相角。这样，超前网络的 值必须选得很大，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

13、角会很大，超前校正变得无效。）,6.3.2 串联滞后校正,1串联滞后校正的作用和特点,串联滞后校正的作用：利用滞后校正装置的高频幅值衰减特性，使已校正系统的截止频率下降，从而使系统获得足够的相角裕度。另外，滞后校正有利于提高低频段的增益，减小稳态误差。,（1）根据稳态误差的要求，确定原系统的开环增益。,（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。,2滞后校正的设计步骤,（6）确定校正装置的传递函数,（8）确定超前校正网络的元件值。,（7）验算校正后系统的性能指标。,解：,（1）确定开环增益K。根据稳态精度的要求,（2）作出未校正系统的开环对数幅频特

14、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。,（3）确定校正后的截止频率。根据,取 时，求得,（4）确定参数b。时，令 即，解得。,（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，。,（6）串联滞后校正网络的传递函数,（7）检验校正后的性能指标。校正后系统的开环传递函数为 校正后系统的性能指标为,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，可采用串联滞后校正。但在下面的情况下，不宜使用滞后校正：,3滞后校正的使用条件,（2）如果采用滞后校正，使得T值太大，难以实现。,（1）要求

15、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。）,6.3.3 串联滞后-超前校正,1串联滞后-超前校正的作用及特点,如果需要同时改善系统的动态性能和稳态性能，则需要采用滞后超前校正。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。,滞后超前网络的传递函数：,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。

16、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。,（1）根据稳态误差的要求，确定开环增益K；,2.滞后-超前校正的设计步骤,（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；,（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，要求的相角裕度将由校正网络的超前部分补偿；,（4）计算需要补偿的相角，并由 确定 值；,（5）选择校正网络滞后部分的零点；,（6）校正网络在 处的分贝值为,令,可求出；,（8）验算校正后系统的性能指标。,（9）确定滞后-超前校正网络的元件值。,（7）确

17、定校正装置的传递函数；,若设计指标对 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：,说明：,当滞后-超前网络,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。,例6-5 单位负反馈系统的开环传递函数为：,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。,（1）求增益K。根据对静态速度误差系数的要求，可得因此，即开环增益等于10。,（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。

18、必须采用滞后超前校正。,（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。,（4）计算。需要补偿的相角，所以,（5）计算。选择校正网络滞后部分的零点 求得。,（6）计算。由未校正的幅频渐近线可求得 代入公式，求得。,（7）校正装置的传递函数,（8）计算检验校正后的指标,6.4 串联校正：根轨迹分析法,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

19、。,6.4.1 串联超前校正,设未校正系统的开环传递函数为,系统的开环增益,取超前校正网络的传递函数为,校正后的开环传递函数为,设希望的闭环复数主导极点为，应满足根轨迹方程：,（幅值方程）,（相角方程）,超前网络应满足的幅值条件为,超前网络应产生的相角为,式中,由幅值方程和相角方程求得：,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。,可求出,式中,和 分别是决定主导极点位置的无阻尼自然频率和阻尼比。,最后可确定超前校正网络的参数,由图可求得：,（1）根据瞬态性能指标，确定希望的闭环主导极点。根据稳态性

20、能指标，确定原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，用根轨迹法设计串联超前校正装置的步骤如下：,例6-6 单位负反馈系统的开环传递函数为,试设计串联超前校正装置，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Kv4.5 s-1。,解：,取,由设计要求，确定闭环主导极点：,求得,即,求出,校正后的开环传递函数为,闭环极点为：,与闭环零点比较靠近，对瞬态性能影响不大，可保

21、证 为主导极点。,6.4.2 串联滞后校正,设未校正系统的开环传递函数为,设未校正系统的根轨迹上，希望的复数闭环主导极点为,取滞后校正网络的传递函数为,将 和 看作一对偶极子，有,可见，校正后 处的根轨迹不会明显变化。,原系统的根轨迹增益 可增加 倍，所以，校正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。,用根轨迹法设计串联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；,（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。,

22、（5）检验校正后的性能指标。,（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，。,（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,例6-7 单位负反馈系统的开环传递函数为,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。,解,（1）绘制未校正系统的根轨迹,时，闭环主导极点,（2）根据设计要求,即要求校正后的开环增益,（3）取校正网络,（4）校正后的开环传递函数,绘制校正后的根轨迹。,保持，,校正后的闭环主导极点,由幅值条件：,（5）检验校正后的性能指标。校正后的开环传递函数,靠近闭环零点，,离虚轴较远,是主导极点。,

23、校正后。,6.4.3 串联滞后超前校正,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，使得系统瞬态和稳态性能同时得到改进。,滞后超前校正网络的传递函数为,利用根轨迹法设计滞后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。,（2）计算需要由校正网络的超前部分补偿的相角；,（3）若能将 选择得足够大，使，则滞后部分满足,这时，根据根轨迹的幅值条件和相角条件，有,可确定 和。,（5）确定校正装置的传递函数,绘制校正后的根轨迹图，检验校正后的性能指标。,例6-8 单位负反馈系统的开环传递函数为,要求校

24、正后的闭环主导极点处,试设计适当的串联校正装置。,解,分析未校正系统的指标：,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，希望的闭环主导极点为。,校正后的开环传递函数,（3）由幅值条件,求得,（4）取，则有,由图列写方程：,解得,进一步求得,所以校正网络,（5）校正后的开环传递函数为,系统能够满足性能指标要求。,6.5 串联校正：频域综合法,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。,校正后

25、的开环频率特性,串联校正系统：,1.根据性能指标要求，确定系统希望的开环对数幅频特性；,校正步骤：,绘制希望的开环频率特性,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。,1.希望开环频率特性的参数与性能指标的关系：,中频宽H：,所以选：,或,另外：,（1）根据对系统稳态精度的要求，确定开环积分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、中频区宽度要求，确定截止频率及中频

26、区上下限角频率，绘制希望特性曲线的中频段，保证中频段的斜率为-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.典型形式的希望对数幅频特性的确定,6.5.2 频域综合法设计串联校正装置,串联综合法校正的设计步骤如下：,（4）验证系统校正后的性能指标；,（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

27、特性；,（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；,（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；,例6-10 单位负反馈系统的开环传递函数为,试用综合法设计串联校正装置，使系统满足,解,（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：希望特性仍为I型系统，低频段斜率为，与 的低频段重合。,（2）绘希望特性曲线：,中频段及衔接频段：将 及 转换为相应的频域指标,且应有,经过 处，作斜率为 的直线，交 于 处，取，。,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。,高频段及衔

28、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。,希望特性的参数为：,（3）在博得图上求出曲线，写出串联校正装置传递函数,，,（4）验算性能指标。校正后系统开环传递函数,校正后的指标：,6.6 串联校正：PID控制器的工程设计方法,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。常规PID控制器是由比例（P）、积分（I）、微分（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

29、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PID控制器的工程设计方法。,6.6.1 PID 控制规律,具有比例控制规律的控制器，称为P控制器。,在串联校正中，加大控制器增益，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。,（1）P控制器,（2）PD控制器,具有比例-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，产生有效的早期修正信号，可以增加系统的

30、阻尼程度，从而改善系统的稳定性。,在串联校正中，PD控制器增加了一个开环零点，使系统的相角裕度提高，有助于改善系统的动态性能。,PD控制器的作用相当于超前校正网络,（3）PI控制器,具有比例-积分控制规律的控制器，称为PI控制器。,在串联校正中，PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点和一个位于s左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，改善系统的稳态性能；而增加的开环零点则用来提高系统的阻尼程度。在控制工程实践中，PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。,PI控制器的作用相当于滞后校正网络,（4）PID控制器,具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称为PID控制器。

31、,PID控制器的作用相当于滞后超前校正网络。,PID控制器除可使系统的型别提高一级外，还为系统提供了两个负实零点。与PI控制器相比，除了同样具有提高系统稳态性能的优点外，还多提供了一个负实零点，在提高系统的动态性能方面具有更大的优越性。,6.6.2 PID串联校正的工程设计方法,典型型,典型型,（闭环二阶系统）,（闭环三阶系统）,校正装置一般选择：P控制器,PI控制器,PID控制器,工程设计法是在综合法的基础上，将希望特性进一步规范化和简单化。对于一般二阶以上系统，模型参数与性能指标之间的关系难以确定，工程上往往规定一些典型系统（例如典型型、典型型），这些系统的参数与性能指标之间有确定的关系。

32、通常将希望的开环传递函数规范为：,常用的工程设计方法有三阶最佳设计法和最小Mr 设计法。,1.三阶最佳设计方法,取希望的开环传递函数为典型型,（1）若待校正系统,则可选择PI控制器,以能取得最大相角裕量，并有尽可能快的响应速度为目标，来选择希望特性的参数，取,（2）待校正系统,则可选择PID控制器,校正后的系统,待校正系统为其它情况时，在一定条件下可以近似作为以上两种情况处理。,PI控制器参数,校正后的系统,2.最小 设计方法,希望的开环传递函数形式,这时，希望特性参数的选择是使闭环系统具有 最小值。,参数选择公式一般为,选择控制器形式、计算控制器参数的方法与三阶最佳设计方法相同。,例6-11

33、 设单位负反馈未校正系统的开环传递函数为,试用工程设计方法确定串联PID控制器,解：,（1）分析未校正系统的性能,未校正系统为过阻尼二阶系统，,由于未校正系统为型系统，在斜坡输入信号作用下必然存在稳态误差。因此，可考虑采用工程设计法，将系统校正为型系统。,（2）采用三阶最佳设计方法,本例属于三阶最佳设计方法中的第一种情况,可选PI控制器作为串联校正装置，,校正后的开环传递函数,选PI控制器作为串联校正装置,（3）采用最小 设计方法,校正后的开环传递函数,6.7 反馈校正,改善控制系统的性能，除了采用串联校正方案外，反馈校正也是广泛采用的校正方式之一。,6.7.1 反馈校正的作用,反馈校正的基本

34、原理是：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。适当选择校正装置的形式和参数，可使局部反馈回路的等效传递函数性能比被包围环节的性能大为改善。,1.利用反馈校正取代局部结构,如果在对系统动态性能起主要影响的频率范围内，有,则,2利用反馈校正改变局部结构和参数,（1）比例反馈包围积分环节,积分环节经局部反馈成为惯性环节，意味着降低了系统的型别，这样虽然会使系统跟随一些典型输入信号时的稳态精度降低，但有可能改变原系统存在的结构不稳定。,（2）比例反馈包围惯性环节,可见，该反馈校正可以等效为串联超前校正，实现起来更简单。,（3）微分反馈包围惯性环节,

35、仍为一惯性环节，时间常数增大，但增益不受影响。利用局部反馈可以使原系统中各环节的时间常数拉开距离，从而改善系统的相对稳定性。,校正后仍为惯性环节，但减小了时间常数和增益。,（4）微分反馈包围振荡环节,从上面的几种情况可以总结出：反馈校正环节是比例系数，校正结果是改变被包围环节传递函数分母多项式的常数项；反馈校正环节是s的一次项，校正结果是改变被包围环节传递函数分母多项式的s项系数；依次类推，其作用是改变系统开环极点分布。,校正后仍为振荡环节，但等效阻尼比可显著增大，系统超调量减小。,该反馈校正可等效为串联滞后校正。,6.7.2 反馈校正的频域综合法,未校正系统的开环传递函数为,校正后系统的开环

36、传递函数为,设计的基本思想：,获得近似的。由于 是已知的，因此可以求得反馈校正装置。,在系统主要的校正频率范围内，使，就有,由希望的频率特性确定。因此可由,在 的频率范围内，有；,频域综合法反馈校正设计步骤如下：,（3）按照 绘制曲线，确定传递函数；,（4）检验局部反馈回路的稳定性，并检查希望的开环截止频率附近，的程度是否满足要求；,（6）检验校正后系统的性能指标；,（7）考虑 的物理实现,（1）按稳态性能指标要求，确定开环增益，然后绘制未校正系统的开环对数幅频特性曲线；,（2）根据给定性能指标要求，绘制希望的开环对数幅频特性曲线,（5）由 求出；,解（1）,未校正系统开环传递函数为,例6-1

37、2 系统结构如图,绘制 曲线。,（2）绘制希望的开环对数幅频特性,中频段：将超调量和调节时间转换为相应的频域指标，并且取,使得,过 作-20dB/dec斜率直线，为使校正装置简单，取,低频段：型系统，与 的低频段重合。过 作斜率为-40dB/dec 的直线与低频段相交，交于。,高频段：当，取 与 一致。,绘制希望特性曲线。希望的开环传递函数为,（4）检验局部反馈回路的稳定性和开环截止频率附近的特性,（3）求。由图,求得，为使其简单，取,（5）求反馈校正装置的传递函数。,可得,（6）验算校正后的性能指标,满足设计要求。,6.8 复合校正,6.8.1 复合校正的概念,问题：在控制系统主反馈回路内部

38、进行串联校正或者局部反馈校正，存在两方面的问题：第一，为了减小或消除在典型输入信号作用下的稳态误差，需要增加开环传递函数中积分环节的个数或提高系统的开环增益，但是同时会降低系统的相对稳定性，甚至造成系统的不稳定；第二，控制系统中存在的低频强扰动，其频率与给定输入信号的频率接近，若系统对输入信号跟踪快，则对扰动的抑制能力就差，反之若对扰动不敏感，则跟踪输入信号的能力就差。也就是说，系统在动态、静态指标之间、抗扰能力和跟踪能力之间存在矛盾。,复合校正的作用：在主反馈回路之外，增加前馈或顺馈校正通路，分别形成按输入补偿的复合控制系统或按扰动补偿的复合控制系统。按输入补偿的复合控制可解决动静态指标之间

39、的矛盾，按扰动补偿的复合控制可解决抗扰和跟踪之间的矛盾。,6.8.2 按扰动补偿的复合控制系统,目的：通过适当选择，使低频扰动 对输出 的影响被全部消除，即由扰动引起的误差得到全补偿。,对扰动全补偿的条件：,即,实现全补偿的条件：（1）要求扰动信号 可测量；（2）要求 物理上可实现。,按扰动补偿的复合系统的设计：按照对给定输入的瞬态和稳态响应性能要求设计反馈系统，而利用Gd(s)来补偿扰动对系统的影响。可解决系统抗扰性能和跟踪性能之间的矛盾。,例6-13 控制系统如图所示，试确定误差全补偿的条件。,解：,令,，可得全补偿条件为：,由结构图,近似补偿（在一定频段内实现全补偿）：,稳态补偿（当扰动

40、量为阶跃信号时，引起的稳态误差为零）：,6.8.3 按输入补偿的复合控制系统,目的：通过适当选择，对输入信号作用下的误差 进行全补偿或部分补偿。,（1）误差全补偿的条件：,按输入补偿的复合系统的设计：按照动态性能指标设计闭环系统，通过适当选择，对输入信号作用下的误差进行全补偿或部分补偿，提高稳态精度。可解决系统动态、静态指标之间的矛盾。,在讨论部分补偿条件之前，先讨论系统的闭环传递函数的系数与系统型别的关系。对于上面给出的闭环结构（不考虑前馈补偿）：,（2）部分补偿的条件：,所谓部分补偿，是指当输入 为某种典型信号时，通过前馈补偿，使。即不增加反馈回路中的积分环节数，不改变开环增益，通过设计，

41、使系统等效为要求的型别。,（1）若，在阶跃输入信号下，系统等价为型系统。,（2）若，在斜坡输入信号下，系统等价为型系统。,（3）若，在加速度输入信号下，系统等价为 型系统。,在系统稳定的前提下：,考虑带有前馈补偿的闭环系统：,若希望将系统校正为型，应有：,所以,若取,若希望将系统校正为型，应有,求得：,说明：不论对输入信号作用下的误差进行全补偿还是部分补偿，都有可能是物理上难以实现的，这时只能近似实现。,控制系统如图所示，选择前馈校正方案及其参数，使系统成为型或型系统。,例6-14,解：,校正前系统为I 型。若使系统成为型，可取,若使系统成为型，可取,6.9 延迟系统的校正,6.9.1.用帕德（Pade）展开法处理 环节,当延迟时间较小时，可以用帕德（Pade）展开法处理延迟环节,帕德一阶近似式为,帕德二阶近似式为,将延迟环节用有理传递函数的形式近似。,6.9.2 史密斯（Smith）预估补偿方案,史密斯预估补偿方案原理,是史密斯预估补偿器，,应满足如下关系,经过等效变换,可得史密斯预估补偿控制系统的闭环传递函数为,闭环特征方程为,可见，史密斯预估补偿器的作用就是将延迟环节移到闭环之外，从闭环特征方程中消除延迟环节，使得系统的稳定性得到改善。,