第七章 控制系统综合与校正

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1、第七章控制系统综合与校正ZSTU浙江理工大学主要内容引言串联补偿串联超前补偿串联滞后补偿串联超前－滞后补偿ZSTU浙江理工大学§7.1引言系统分析是对现有控制系统的控制器和被控对象作定量的了解和分析，得出现有系统的稳定性、稳态特性和暂态性能指标。控制系统的设计：是根据工艺上对被控对象的参数及控制系统的任务和要求，确定控制系统的设计方案和结构，合理选择执行机构、功率放大器、检测元件等组成控制系统。经过安装调试和运行。若不满足要求，必须通过调整系统的参数或增加新的环节使性能得到改善。仅靠调整系统放大系数使系

2、统满足工程上的要求是困难的。在系统原有结构上增加新的环节是改善系统性能的主要手段。ZSTU浙江理工大学控制系统的补偿（或校正）：根据工程上对系统的要求，合理地确定校正装置的结构形式和参数的过程称为系统的校正。为改善系统性能所增加的环节称为校正装置。补偿的实质是在原有系统中增加合适的校正装置，引进新的零点、极点以改变原系统的系统Bode图的形状，使其满足系统性能指标要求。常见的补偿方式有：串联补偿、反馈补偿和复合补偿ZSTU浙江理工大学§7.2串联补偿常用于系统稳态特性已经满足，而暂态性能差（相角裕量过小

3、，超调量过大，调节时间过长）一般而言，当控制系统的开环增益增大到满足其静态性能所要求的数值时，系统有可能不稳定，或者即使能稳定，其动态性能一般也不会理想。在这种情况下，可在系统的前向通路中增加超前校正装置，以实现在开环增益不变的前题下，系统的动态性能亦能满足设计的要求。一、串联超前补偿ZSTU浙江理工大学1、超前补偿装置ZSTU浙江理工大学2、超前补偿网络的频率特性+20dB/dec“超前”是指在稳定的正弦信号作用下，可使其输出的正弦信号相位超前的意思最大超前角度ZSTU浙江理工大学已知截止频率要求，进

4、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，即以保证系统的响应速度，并充分利用网络的相角超前特性。显然，成立的条件是a验证已校系统的相角裕度和幅值裕度是否满足要求。若不满足条件，返回，一般使值增大。计算未校正系统的相位裕度根据截止频率的要求，计算超前网络参数a和T；ＴZSTU浙江理工大学例1：单位反馈系统的开环传递函数为：设计指标：（1）系统在单位斜坡输入作用下，稳态误差≤

5、0.1；（2）开环幅值穿越频率ωc≥4.4rad/s；（3）相位裕量γ≥45°；（4）幅值裕量Kg≥10dB；试设计无源校正装置，并给出电路。ZSTU浙江理工大学解：1、确定开环增益K；在单位斜坡输入时，对Ⅰ型系统来说，所以，K＝102、画出未校正系统伯德图，计算未校正系统相位裕量；由得ZSTU浙江理工大学3、根据截止频率的要求，计算超前网络参数a和T；aＴ4、验证已校系统的相角裕度和幅值裕度是否满足要求。若不满足条件，一般使值增大，返回3。ZSTU浙江理工大学串联超前补偿的特点：1、利用其相位超前特性

6、，可以增大系统的稳定裕度，提高动态响应的平稳性（Mr减小）和快速性（ts减小）;2、对提高系统稳态精度作用不大，系统抗干扰能力有所下降；3、一般用于稳态精度已基本满足要求，但动态性能差的系统；4、若在未补偿系统的截止频率附近，相位下降迅速时，导致超前网络的相角超前量不足以补偿到要求的数值，单个超前补偿网络可能无法达到要求。一般：采用两个超前网络串联，会使系统结构复杂，同时进一步降低了抗干扰能力。此时，可考虑采用串联滞后补偿或其它补偿装置。ZSTU浙江理工大学二、串联滞后补偿设计指标：稳态误差和相角裕度补

7、偿原理：利用滞后网络的高频衰减特性，使系统校正后截止频率下降，从而获得足够的相角裕度。因此，滞后补偿网络的最大滞后角应避免出现在系统截止频率附近。适用场合：对系统稳态精度要求较高，响应速度要求不高，而抗干扰性能要求较高的场合；若未校正系统有满意的动态特性，而稳态性能不满足要求，也可用串联滞后网络来提高稳态精度，同时保持其动态特性基本不变。ZSTU浙江理工大学1、滞后补偿装置ZSTU浙江理工大学2、滞后补偿网络的频率特性-20dB/dec滞后补偿网络相当于一低通滤波器：对低频信号不产生衰减，而对高频信号有

8、衰减作用。ZSTU浙江理工大学超前补偿与滞后补偿两种方法的比较：1、超前校正是利用了超前网络的相角超前特性；滞后校正是利用了滞后网络的高频幅值衰减特性；2、为了满足严格的稳态性能要求，在采用无源校正网络时，超前校正要求一定的附加增益，而滞后校正一般不需要附加增益；3、对于同一系统，采用超前校正系统的带宽大于采用滞后校正时的带宽。当输入端电平噪声较高时，一般不宜选用超前网络补偿。ZSTU浙江理工大学三、串联超前—滞后补偿单纯采用超前补偿或滞后