反馈控制系统设计

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1、自动控制原理主讲：谢红卫国防科技大学机电工程与自动化学院2008年4月~2008年7月第八章反馈控制系统设计（教材第10章）8-1控制系统指标、参数及其调节回顾8-2控制系统校正的概念8-3常用校正装置及其特性8-4用Bode图设计超前校正网络8-5用Bode图设计滞后校正网络8-6用根轨迹设计超前校正网络8-7用根轨迹设计滞后校正网络8-8PID控制器8-9控制系统的反馈校正与干扰补偿8-10控制系统设计综合实例第十七讲：系统校正与超前网络设计（8-1，8-2，8-3，8-4单元，4学时）8-1控制系统指标、参数及其调节回顾8-2控制系统校正的概念8-3常用校正装置及

2、其特性8-4用Bode图设计超前校正网络8-1控制系统指标、参数及其调节回顾1、时域动态性能指标及其调节A、动态性能指标（二阶欠阻尼闭环系统）上升时间峰值时间调节时间超调量注意:超调量只与有关！B、动态性能指标/模型参数（闭环系统）j0时间常数衰减系数阻尼振荡频率相角偏离阻尼系数本振频率固定，↑（阻尼增强，闭环积分效应）则：，↑（快速性变缓）↓（振荡变弱），↓（逼近变快，与，不同步！）↓（逼近变好）↑（衰减变快）↓（极点左移，稳定性增强）注意:超调量、相角只与有关！C、动态性能指标调节分析固定，↑则：，↓（快速性变快）↑（振荡变强），↓（逼近变快，与，同步！）↑（衰减变

3、快）注意:超调量、相角只与有关！设计原则：先根据对超调量的要求，决定，再由对响应速度的要求决定！C、动态性能指标调节分析相角裕度：（开环求参数，判定闭环性能，与阻尼同步增强）谐振峰值（,闭环指标）↑→↑（超调增大）谐振频率（,闭环指标）↑→，↓（速度变快）系统带宽（闭环指标）↑→，↓（速度变快）D、频域指标对动态性能指标的调节分析1、附加不可忽视的闭环零点(闭环微分效应),等效导致(↓)超调量增加，响应速度加快，零点越靠近原点，效应越显著。E、其它措施对动态性能指标的调节分析Y(s)R(s)Gu(s)+-H(s)KGc(s)2、附加不可忽视的闭环极点（闭环积分效应）,等

4、效导致（↑）超调量减少，响应速度变缓，零点越靠近原点，效应越显著。Y(s)R(s)Gu(s)+-H(s)KGc(s)3、附加开环零点（微分型调节）根轨迹左弯，有利于稳定性，主要用于改善过渡过程，提高相角裕度，产生闭环积分效应。Y(s)R(s)Gu(s)+-H(s)KGc(s)这些措施已经是校正措施了。接下来还会详细讨论。Y(s)R(s)Gu(s)+-H(s)KGc(s)4、附加开环极点（积分型调节）根轨迹右弯，不利于稳定性，基本不会采用。5、调节开环增益（比例调节）主要用于改善稳态精度；对过渡过程和稳定性的影响，由根轨迹决定。6、高阶系统的瞬态模式由闭环极点决定，越远离

5、虚轴，对过渡过程的影响越弱；7、各瞬态模式的强度由零、极点相对分布决定，主导极点影响最大，偶极子的影响可以对消、忽视。2、时域稳态性能指标及其调节A、稳态性能指标（闭环系统）误差系数与典型输入有关，总的原则是保证足够大的误差系数。取不同的Ⅰ型0型Ⅱ型A·1(t)A1+kAkAkA·t000∞∞∞At2/2A·1(t)A·tAt2/2kkk000∞∞∞问题:123Kp=?Kv=?Ka=?ν误差系数稳态误差B、稳态性能指标调节分析由开环参数来调节闭环系统指标！1、系统型数V，V↑→系统跟踪能力↑系统稳定性↓（积分调节，根轨右弯）2、开环增益系数K，（最便捷的调节手段）K↑

6、→系统稳态误差↓系统稳定性，动态响应受影响3、扰动补偿4、提高元件精度3、系统稳定性与指标、参数的调节A、S平面内衰减系数（负实部）δδ↑→系统稳定性↑B、开环增益系数KK对稳定性的调节作用，由根轨迹决定。C、频率域内提高相角裕度和幅值裕度，有利于稳定性。D、附加开环零点，有利于稳定性；附加开环极点，不利于稳定性。4、基于开环看闭环策略的指标、参数和方法相角裕度→由开环频率特性分析闭环相对稳定性幅值裕度→由开环频率特性分析闭环相对稳定性截止频率系统型数V→由开环参数分析闭环稳态误差和稳定性开环增益系数K→由开环参数分析闭环稳态误差和根轨迹（附加）开环零、极点→由开环参数

7、分析闭环根轨迹Nyquist判据→由开环频率特性分析闭环稳定性Nicolis图→由开环频率特性分析闭环频率特性8-2控制系统校正的概念1、为什么需要校正？设计出满足设计要求的控制系统，是前面学习系统描述和系统分析的落脚点！先回顾一下学过的例题。例4.4（比例调节）：已知单位负反馈系统的开环传递函数为设系统的输入为单位阶跃函数，试计算放大器增益KA=200时，系统输出响应的动态性能指标。当KA增大到1500，或减小到13.5时，系统的动态性能指标如何?可见，不能通过调整增益K，使闭环系统的调节时间和超调同步减小。参数调节的能力是有限的。优化