自动控制原理 李冰 徐秋景 曾凡菊 第9章 系统的设计与校正

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1、第9章系统的设计与校正12021/10/1第9章系统的设计与校正29.1概述本章内容9.2超前校正9.3滞后校正9.4滞后-超前校正9.5PID控制规则9.6Matlab在系统设计与校正中的应用引言对于一个控制系统来说，如果它的各个元件及其参数已经给定，就要分析它能否满足所要求的各项性能指标，我们一般把解决这类问题的过程称为系统的分析。在实际工程控制问题中，还有另一类问题需要考虑，即事先确定系统要满足的性能指标，要求设计一个系统并选择适当的参数来满足性能指标的要求，或者对原有系统增加某些必要的元件或环节，使其性能指标得到进一步的改善。这类问题我们称为系统的设计与校正。2021/10

2、/1第9章系统的设计与校正39.1概述9.1.1综合与校正的基本原则2021/10/1第9章系统的设计与校正4图9-1自动控制系统的典型伯德图9.1概述三个频段的特征可以判断系统的性能：（1）低频段：低频段通常是指对数幅频特性的渐近线在第一个转折频率左边的频段，这一段的特性完全由开环增益和积分环节决定。由低频部分的斜率和直线位置可求出系统的型别和开环放大系数，因此，低频段主要反映系统的稳态性能，要有足够高的放大系数，有时也要求系统型别。也可以说，系统的稳态性能指标取决于开环对数幅频特性的低频部分。2021/10/1第9章系统的设计与校正59.1概述（2）中频段：中频段是指在对数幅频

3、特性在剪切频率附近的频段，剪切频率ωc属于其中，这一频段集中反映了闭环系统的动态性能。在相角裕量γ一定的情况下，ωc的大小决定了系统响应速度的大小，即快速性。验表明，为了使闭环系统稳定，并具有足够的相角裕量，开环对数幅频特性最好以-20dB/dec的斜率穿过0dB线，并能保持足够的长度。如果以-40dB/dec穿过0dB线，则闭环系统可能不稳定，即使稳定，相角裕量往往也较小，如果以-60dB/dec或更大的斜率穿过0dB线，则系统肯定不稳定。2021/10/1第9章系统的设计与校正69.1概述（3）高频段：比剪切频率ωc出许多倍的频率范围称为高频段，是由小时间常数的环节构成的，由于

4、其转折频率均远离剪切频率ωc，所以对系统的动态性能影响不大。高频段主要反映系统对输入端高频信号的抑制能力，高频段的分贝值越低，说明系统对高频信号的衰减作用越大，即系统的抗高频干扰越强，因此一般要求其有比较负的斜率，幅值衰减得快一些。2021/10/1第9章系统的设计与校正79.1概述用频率特性法进行校正设计时，通常采用两种方法：分析法和综合法。（1）分析法分析法也称试探法，首先要分析原系统的稳态和动态性能，同时考虑系统性能指标的要求，选择校正装置形式，然后确定校正装置参数，最后校验。如果不满足要求，则重新选择参数，如果多次选择参数仍不满足要求，则要考虑更换校正装置的形式。分析法比较

5、直观，物理上易于实现，但是要求设计者有一定的工程设计经验。2021/10/1第9章系统的设计与校正89.1概述（2）综合法综合法也称为期望特性法，它根据系统性能指标的要求，确定系统期望的对数幅频特性，再与原系统进行比较，确定校正方式、装置和参数。综合法具有广泛的理论意义，但是希望的校正装置传递函数可能很复杂，从而在物理上难以准确实现。注：无论是分析法还是综合法，一般都仅适用于最小相位系统。2021/10/1第9章系统的设计与校正99.1概述9.1.2校正方式1、串联校正串联校正装置一般连接在系统误差测量点之后和放大器之前，串接于系统前向通道之中。2021/10/1第9章系统的设计与

6、校正109.1概述2、反馈校正反馈校正装置连接在系统局部反馈通道之中。2021/10/1第9章系统的设计与校正119.1概述3、复合校正按输入补偿的复合控制形式，前馈校正装置接在系统参考输入之后及主反馈作用点之前的前向通道上，这种校正装置的作用相当于对给定信号进行整形或滤波后，再送入反馈系统，因此又可称为前置滤波器；2021/10/1第9章系统的设计与校正12按输入补偿的复合控制9.1概述按扰动补偿的复合控制形式，前馈校正装置接在系统可测扰动作用点与误差测量点之间，对扰动信号进行直接或间接测量，并经变换后接入系统，形成一条附加的对扰动影响进行补偿的通道。2021/10/1第9章系统

7、的设计与校正13按扰动补偿的复合校正9.1概述在控制系统设计与校正之中，较常用的校正方式为串联校正和反馈校正两种。串联校正设计比反馈校正设计要简单些，也比较容易对信号进行各种必要形式的变换。串联校正方法中:根据补偿环节的相位及其变化情况，又可分为超前校正、滞后校正、滞后-超前校正三种；根据运算规律，串联校正又包括比例（P）控制、积分（I）控制、微分（D）控制等其本控制规律以及这些基本控制规律的组合。2021/10/1第9章系统的设计与校正149.2超前校正9.2.1超