第6章 控制系统的校正与设计

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1、第六章自动控制系统的校正本章主要内容:1.控制系统校正的基本概念2.自动控制系统频率法校正3.串联校正装置的根轨迹法设计本章重点：1.超前、滞后校正的方法和流程2.按系统的期望频率特性进行校正的方法闭环控制系统的组成执行元件：受被控对象的功率要求和所需能源形式、工作条件限制。伺服电动机、液压/气动伺服马达等；测量元件：依赖于被控制量的形式。电位器、热电偶、测速发电机以及各类传感器等；给定元件及比较元件：取决于输入信号和反馈信号的形式电位计、旋转变压器、机械式差动装置等等；放大元件：由所要求的控制精度和驱动执行元件的要求进行配置，有些情形下甚至需要几个放

2、大器。电压放大器（或电流放大器）、功率放大器等等，放大元件的增益通常要求可调。各类控制元件：系统的性能指标、成本、尺寸、质量、环境适应性、易维护性系统示意图系统框图Remember恒温箱自动控制系统?控制系统不可变部分执行机构功率放大器检测装置可变部分放大器、校正装置迫使系统满足给定的性能(设计系统)控制系统的设计任务：根据被控对象及其控制要求，选择适当的控制器及控制规律设计一个满足给定性能指标的控制系统。校正(补偿)：通过改变系统结构，或在系统中增加附加装置或元件对已有的系统（固有部分）进行再设计使之满足性能要求。！控制系统的设计本质上是寻找合适的校

3、正装置(校正装置)主要内容：6.1控制系统校正的概念6.2基本控制规律分析6.3常用校正装置及其特性6.4采用频率法进行串联校正6.5采用根轨迹法进行串联校正6.6反馈校正及其参数确定6.7用MATLAB进行控制系统的校正6.1控制系统校正的概念控制系统——由为完成给定任务而设置的一系列元件组成，其中可分成被控对象与控制器两大部分。综合与校正问题：当将选定的控制器与被控对象组成控制系统后，如果不能全面满足设计要求的性能指标时，在已选定的系统不可变部分基础上，再增加些必要的元件，使重新组合起来的控制系统能够全面满足设计要求的性能指标。控制系统的校正元件：

4、使系统的控制性能满足设计要求的性能指标而有目的地增添的元件。控制系统校正的作用：使原系统在性能指标方面缺陷得到补偿。系统的校正方案：校正元件的形式及其在系统中的位置，以及它和系统不可变部分的联接方式。串联校正——校正元件与系统不可变部分串接，如图6-1所示，与分别为不可变部分及校正元件的传递函数。图6-1串联校正系统方框图反馈校正——从系统的某个元件输出取得反馈信号，构成反馈回路，并在反馈回路内设置传递函数为的校正元件的校正形式。图6-2反馈校正系统方框图反馈校正作用：能达到与串联校正同样的校正效果，还可减弱系统不可变部分的参数漂移对系统性能的影响。复

5、合控制校正——把前馈控制和反馈控制有机结合起来的校正方法。复合校正中的前馈装置：扰动补偿输入补偿按扰动补偿的复合控制系统如图6-3所示。图6-3按扰动补偿的复合控制系统按给定补偿的复合控制系统如图6-4所示。图6-4按给定补偿的复合控制系统控制系统的综合与校正问题和分析问题既有联系又有差异：分析问题——在已知控制系统的结构形式及其全部参数的基础上，求取系统的各项性能指标，以及这些性能指标与系统参数间的关系。综合与校正问题——在给定系统不可变部分基础上，按控制系统应有的性能指标，寻求全面满足性能指标的校正方案，并合理确定校正元件的参数。6.2.1比例（P

6、）控制规律P控制器——具有比例控制规律的控制器。图6-5为P控制器方框图。图6-5P控制器方框图6.2基本控制规律分析6.2.2比例加微分（PD）控制规律PD控制器——具有比例加微分控制规律的控制器。PD控制器的方框图如图6-6所示。图6-6PD控制器方框图图6-7所示为PD控制器对于匀速信号的响应过程中微分控制规律相对比例控制规律所具有的预见性。图6-7微分控制规律的预见性例6.1：设具有PD控制器的控制系统方框图如图6-8所示。试分析比例加微分控制规律对该系统性能的影响。图6-8控制系统方框图解：无PD控制器时，给定系统的特征方程为从特征方程看出，

7、该系统的阻尼比等于零。其输出信号具有不衰减的等幅振荡形式，系统处于临界稳定，即实际上的不稳定状态。加入PD控制器后，从图6-6求得给定系统的特征方程为这时的阻尼比，因此闭环系统是稳定的。这是因为PD控制器的加入提高了给定系统的阻尼程度，使特征方程s项系数由零提高到大于零的，而且给定系统的阻尼程度可通过PD控制器的参数及来调整。6.2.3积分（I）控制规律I控制器——具在积分控制规律的控制器。I控制器的方框图如图6-9所示。图6-9I控制器方框图或6.2.4比例加积分（PI）控制规律PI控制器——具有比例加积分控制规律的控制器。PI控制器的方框图如图6-

8、10所示。图6-10PI控制器的方框图PI控制器对单位阶跃信号的响应如图6-11所示。图6-1