自动控制系统设计与校正

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1、第五章自动控制系统设计与校正内容介绍：概念、基本控制规律、频域校正方法。5.1系统校正概述前面几章对已知结构和参数的系统通过所建立的数学模型，可利用时域响应、频域响应等方法，进行动态和静态分析。本章讨论系统的设计和综合问题（校正）就是根据系统性能指标确定系统的结构和系统匹配。系统的性能指标包括稳态指标和动态指标：稳态指标主要包括:稳态精度，用等误差系数表征。动态指标：可用时域指标表示或用频域指标表示。时域指标通常用阶次响应的特征量如等表示.开环频域指标通常用表示。闭环频域指标常用等表示。系统校正定义：在初步设计的系统中，加入一些参数可调的机构和装置（即校正装置），使系统的

2、整个特性发生变化，从而满足系统的各项指标。一、校正方式可分为：串联校正、反馈校正、前馈校正、复合校正。串联校正：将校正装置串联在系统前向通路中的校正方式。反馈校正：将校正装置放在局部反馈通路中的校正方式。前馈校正：前馈校正装置连接在系统给定量之后及主反馈作用点之前的前向通道上。复合校正：既有串联、又有反馈、又有前馈校正的方式。校正方式的选取：根据信号的性质、技术实现的方便性、可供选取的元件、经济性条件及设计者的经验而定。校正装置串联校正反馈校正前馈校正复合校正一般，直流控制系统中多采用串联校正。交流控制系统中多采用反馈校正。需要强调的是：校正方案具有非统一性。二、线性系统

3、校正方法：根轨迹校正法（不讲）频域校正法（希望特性法）主要介绍频域校正法。频域校正法：通过引入校正环节，改变频率特性曲线形状，使系统校正后频率特性在低频段、中频段、高频段的特性符合要求。使低频段增量尽可能大，满足稳态精度要求。（）。中频段对数幅频渐近线斜率为使（响应速度）适当。高频段：迅速衰减，减少噪声影响（抗扰性能）。希望特性法：先将希望的性能化为希望的开环幅频特性（称为希望特性），根据希望的特性与原有特性（未校正系统）对数幅频之差确定校正装置的方法（利用渐近线）。并由：有：三、校正装置（线性系统的基本控制器）：一般由P、I、D控制器或电网络组成。1.P、I、D控制器（

4、串联前向通路中）①比例P控制：将比例控制作为校正装置串在前向通路中其作用：使开环增益提高，稳态误差减小，且使原系统对数幅频特性高度上升。相位裕度减小，降低相对稳定性。可见：单独引入比例控制不能使系统性能全面提高。②积分控制：可调引入积分控制相当引入一积分环节，型别提高，从而可消除或减小稳态误差，提高稳态性能。但积分控制器致系统相对稳定性较差，甚至不稳定。通常采用比例+积分控制（PI）。③比例+积分控制（PI）串联前向通路中，低频段下降，亦型别提高，稳态性能得到改善，对相位裕度有影响，但不大，可认为不相对稳定性影响不大，动态性能基本不变。④比例+微分控制（PD）串联在前向通

5、路中，使系统的相位超前，相对稳定性变好（变大）幅频特性中，高频段增益加大，使增大，导致变大，响应速度快。⑤比例加积分加微分控制（PID）均为可调参数。设（低频数PI起作用）低频数：PI作用，使稳态性能改善高频数：PD作用，使增加，快速性加强。用RC网络一、超前校正装置其中：5.2校正装置及其特性相频特性总为正相位，称网络超前。串在前向通路中使系统的开环增益减小，为，产生衰减。串联一放大器Bd图为：有：亦在处网络发生最大超前角为转折频率几何中心代入有或令：一般：可由确定，常取超前校正：可利用其超前角作用，使加大，改善动态性能。注意：若校正装置采用形式，则分析见书。二、滞后校

6、正装置相位呈负相位特性，称滞后网络。且在高频幅值衰减明显为。滞后校正：利用高频衰减作用使静态性能改善。注意：若校正装置采用形式，则分析见书。三、滞后—超前网络其中设则有为滞后—超前网络转折频率：滞后—超前校正：利用超前，滞后校正的优点，使系统动、静态性能均改善。5.3频域串联校正利用Bd图校正时，多采用相角裕度较方便，用奈氏图校正时，采用和比较方便。校正思路：利用频域校正，是希望通过校正使系统变成或接近希望特性，即使低频段尽可能大，以满足稳态精度中频段对数幅频特性斜率为并且具较大带宽，以具备适当的，高频段迅速衰减以减少噪声影响。一、串联超前校正：原理：利用超前网络的相位超

7、前作用（正相位）使校正后系统的剪切频率和相位裕度满足要求，从而改善动态性能,稳态性能则通过选择已校正系统的开环增益保证。作法：将超前网络的转折频率选在待校正系统剪切频率两边，使最大超前角发生在附近。若原系统频率特性为浅黑线，引入超前校正装置，如图（8）校验校正后系统是否满足性能指标要求。若不满足，可以增加，再重新设计校正装置。注意：超前串联校正通常不能用于不稳定系统以及附近相位迅速衰减系统。例1.设一单位反馈系统的开环传递函数为试设计超前校正装置，使校正后系统的静态速度误差系数,相位裕度，增益裕量解：根据对静态速度误差系数的