第六章自动控制原理自动控制系统的校正

第6章第*页共116页6.1控制系统校正的基本概念6.2控制系统的基本控制规律6.3超前校正装置及其参数的确定6.4滞后校正装置及其参数的确定6.5滞后-超前校正装置及其参数的确定6.6反馈校正装置及其参数的确定第六章　自动控制系统的校正第6章第*页共116页前面介绍了分析控制系统的三种基本方法：时域分析法、根轨迹法和频域分析法。利用这些方法能够在系统结构和参数已经确定的情况下，计算或估算系统的性能指标：稳态性能指标和暂态性能指标。这类问题是系统的分析问题。系统分析：已知结构、参数→数学模型→动、静态性能分析→性能指标与参数的关系　概述第6章第*页共116页控制系统的校正：但在实际中常常提出相反的要求，系统的基本组成部分（被控对象、测量元件、功率放大元件、执行元件等），按照反馈控制原理可联成基本控制系统。但往往难以满足性能要求，需要在系统原有结构上加入新的附加环节，作为同时改善系统稳态性能和动态性能的手段。就是在被控对象已知，预先给定性能指标的前提下，要求 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 者选择控制器的结构和参数，使控制器和被控对象组成一个性能满足指标要求的系统。这也就是本章要解决的一个重要问题。第6章第*页共116页举一个例子说明校正的作用。上一章的例５-７：系统的开环传递函数为第6章第*页共116页38�第6章第*页共116页从伯德图可确定系统的稳定裕量希望系统的相角裕量　　　　，但保持开环增益K=10不变．　　在这种情况下，通过调整系统的增益，可以使　　　　，将对数幅频特性下向平移，使其在相角　　　　　处与　轴相交．这样做虽然相角裕量达到了要求，但稳态性能指标不能满足要求，因为开环增益Ｋ下降了．所以必须采用校正装置，对系统进行校正．第6章第*页共116页对于这个系统采用串联校正方式，目的是使其开环增益保持不变，而相角裕量增大。如果采用一个校正装置，其对数幅频特性和相频特性如图虚线所示．将其串联进去，幅频特性和相频特性在　附近发生改变。利用其相角超前的特点，使系统的相角裕量增大，达到校正系统，满足给定性能指标的目的．第6章第*页共116页性能指标是用于衡量系统具体性能（平稳性、快速性、准确性）的参数，主要分为稳态性能指标与动态性能指标两大类。系统的稳态性能与开环系统的型别v与开环传递系数K有关，常用静态误差系数衡量，误差系数越大（等效于K越大），稳态误差ess就越小。6.1控制系统校正的基本概念6.1.1控制系统的性能指标1、稳态性能指标第6章第*页共116页2、动态性能指标1）时域指标：最大超调量Mp（反映平稳性）、调节时间ts（反映快速性）。2）频域指标：（1）开环频域指标：稳定性指标：相位裕量、幅值裕量GM、中频段宽度；快速性指标：幅值穿越频率c。（2）闭环频域指标：Mr、ωr、ωb3）复域指标：常用闭环系统的主导极点所允许的最小阻尼比ζ（反映平稳性）与最小无阻尼自然振荡频率n（反映快速性）衡量。第6章第*页共116页校正分析方法:时域法、根轨迹法、频域法（也称频率法）。校正的实质:可以认为是在系统中引入新的环节，改变系统的传递函数（时域法），改变系统的零极点分布（根轨迹法），改变系统的开环波德图形状（频域法），使系统具有满意的性能指标。6.1.2校正的一般概念与基本方法一、校正的一般概念第6章第*页共116页二、校正的基本方式校正装置和未校正系统的前向通道的环节相串联，这种方式叫做串联校正。优点：结构较简单，通常将串联校正装置安置在前向通道信号功率较小的部位，放大环节之前，以降低成本和功耗。缺点：串联校正的主要问题是对参数变化的敏感性较强。1.串联校正第6章第*页共116页超前校正(或微分校正)，改善动态性能滞后校正（积分校正），改善稳态性能滞后-超前校正（积分-微分校正），改善动态与稳态性能。在串联校正中，根据校正装置对系统开环频率特性相位的影响，可分为超前校正、滞后校正和滞后—超前校正。第6章第*页共116页校正装置和前向通道的部分环节按反馈方式连接构成局部反馈回路，这种方式叫并联校正，也称反馈校正。位置：反馈校正的信号是从高功率点传向低功率点，一般不需附加放大器。实质：局部反馈，改善系统性能，抑制系统参数的波动，减低非线性因素对系统性能的影响。2.并联校正（反馈校正）第6章第*页共116页3.串联反馈校正是前两种校正方式的组合，兼有这两种校正方式的优点。第6章第*页共116页前馈校正的信号取自闭环外的系统输入信号，由输入直接去校正系统，是一种开环补偿的方式，分为按给定量顺馈补偿与按扰动量前馈补偿两种方法。4.复合校正第6章第*页共116页按给定量顺馈补偿主要用于随动系统，使系统完全无误差地跟踪输入信号；按扰动量前馈用于消除干扰对稳态性能的影响，几乎可抑制所有可测量的扰动。复合校正适用于既要求稳态误差小，同时又要求暂态响应平稳快速的系统中第6章第*页共116页6.1.3控制系统的校正方法控制系统的校正实质上就是根据系统性能指标的要求和系统的原有部分，求出校正装置的结构及其参数，目前对输出反馈系统来说有两种校正方法：分析法和希望特性法。第6章第*页共116页①分析法：基本思想：针对系统的性能指标要求和系统的原有部分开环传递函数G0(s)进行分析，首先看一看是否需要校正，如需要则根据经验确定校正方式，预选一个校正装置Gc(s)，然后检验性能指标是否满足要求，如不满足，则需要改变校正装置的参数或校正方式，直到校正后的系统满足性能指标为止。因此，分析法实质上是一种试探法，如果设计人员具有一定的实践经验，不需要多次试探就可以设计出较高性能的控制系统。步骤：选择一种校正装置，分析是否满足要求→再选择→再分析。第6章第*页共116页基本思想：根据性能指标要求确定希望的开环特性曲线，然后将希望特性和系统原有部分的特性进行比较，从而确定校正方式和校正装置Gc(s)的参数。这种方法直观，但有时求出的校正装置的传递函数Gc(s)比较复杂，不便于物理实现。步骤：确定期望频率特性-已有频率特性=校正装置频率特性只适用于最小相位系统。②期望法（串联校正）第6章第*页共116页具体分析方法：1.频率法：为图解法，在伯德图上校正居多增加新环节以改变频率特性曲线形状，使之具有合适的低、中、高频段，以获得满意的动、静态性能。2.根轨迹法加入适当的校正装置即引入附加的开环零、极点，从而改变原来的根轨迹，使校正后的系统根轨迹有期望的闭环主导极点。或附加开环零、极点使期望的闭环主导极点对应的开环放大倍数增大。3.计算机辅助设计、仿真第6章第*页共116页根据负反馈理论所构成的典型控制系统的结构图如下图所示，其特点是根据偏差e（t）来产生控制作用。偏差是控制器Gc(s)的输入，而控制器Gc(s)常常采用比例、积分、微分等基本控制规律，或者这些规律的组合，其作用是对偏差信号整形，产生合适的控制信号，实现对被控对象的有效控制。6.2控制系统的基本控制规律6.2.1基本控制规律第6章第*页共116页KP为比例系数，P控制器实质上是一个可调的比例放大器。在串联校正中：Kp↑，ess↓，稳态精度↑但Kp过大，导致系统的相对稳定性↓→不稳定在控制系统的校正设计中，很少单独采用比例控制规律。一、比例控制（P调节器）第6章第*页共116页具有微分控制作用的控制器称为微分控制器，其传递函数为：Gc(s)=ds输入偏差与输出控制信号的关系为：微分规律作用下输出信号与输入偏差的变化率成正比，因此微分调节器能够根据偏差的变化趋势去产生相应的控制作用。从频率法的角度分析可知，由于微分环节具有高通滤波作用，微分调节器只在偏差的变化过程中才起作用，当偏差恒定或变化缓慢时将失去作用，调节器无输出。二、微分控制（D调节器）第6章第*页共116页微分校正常常是用来提高系统的动态性能，但对稳态精度不起作用。同时，微分调节器有放大输入端高频干扰信号的缺点。所以单一的微分调节器绝对不能单独使用，必须与其他基本控制规律组合。 第6章第*页共116页具有积分作用的控制器称为积分控制器，其传递函数为：从时域分析已知，采用积分控制器相当于给系统增加了一个开环积分环节，系统的型别提高，跟踪输入信号的能力更强。从物理意义上解释，积分控制器的输出是偏差的累加，当偏差为0后，积分调节器就提供一个恒定的输出以驱动后面的执行机构。由于积分控制器只能逐渐跟踪输入信号，会影响系统响应的快速性；同时，型别的提高使系统的相位滞后增加，积分控制器的加入往往会降低系统的稳定性。因此，单纯的积分控制器将降低系统的动态性能。三、积分控制（I调节器）第6章第*页共116页由于单独采用P、D、I调节器一般均不能使系统具有满意的性能，常常使三种基本调节方式结合，组成新的控制器（调节器）。第6章第*页共116页6.2.2比例微分控制（PD控制器）式中：Kp=R2/R1为比例系数，KD=R2C为微分系数。第6章第*页共116页由伯德图可以看到，随着频率的增大，比例微分（PD）控制器的输出幅值增大、相位超前。第6章第*页共116页利用微分控制反映信号的变化率（即变化趋势）的“预报”作用，在偏差信号变化前给出校正信号，防止系统过大地偏离期望值和出现剧烈振荡的倾向，有效地增强系统的相对稳定性，而比例部分则保证了在偏差恒定时的控制作用。可见，比例—微分控制同时具有比例控制和微分控制的优点，可以根据偏差的实际大小与变化趋势给出恰当的控制作用。PD调节器主要用于在基本不影响系统稳态精度的前提下提高系统的相对稳定性，改善系统的动态性能。第6章第*页共116页例：设比例微分控制系统如图所示，试分析PD控制器对系统性能的影响解：在未加PD之前，系统的特征方程为：系统处于临界稳定状态在加PD之后，系统的特征方程为：第6章第*页共116页6.2.3比例积分控制传递函数：其中：KP=R2/R1为比例系数；KI=R2C为积分系数。第6章第*页共116页第6章第*页共116页比例—积分调节器相当于积分调节器与PD调节器的串联，兼具二者的优点。利用积分部分提高系统的无差度，改善系统的稳态性能；并利用PD调节器改善动态性能，以抵消积分部分对动态的不利影响。比例—积分调节器主要用于在基本保证闭环系统稳定性的前提下改善系统的稳态性能。第6章第*页共116页6.2.4比例、积分、微分控制（PID控制）传递函数：第6章第*页共116页第6章第*页共116页比例—积分—微分控制器相当于提供了一个积分环节与两个一阶微分环节，使系统型号提高一级，还提供了两个负实数零点。积分环节改善稳态性能，两个一阶微分环节大大改善动态性能。和PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统的稳定性的优点外，还多提供了一个零点，从而在提高系统动态性能方面，还具有更大的优越性。采用比例—积分—微分控制器能全面改善系统性能。当τd、Ti取适当数值时，控制器传递函数具有两个实数零点时，传递函数可以化为：第6章第*页共116页6.3超前校正装置及其参数的确定前面我们学习了K、PD、PI和PID控制在校正系统中的作用，从滤波器的观点看，PD校正装置相当于一个高通滤波器，而PI校正装置相当于一个低通滤波器，PID校正装置是由其参量决定的带通滤波器。由于高通滤波器在高于某一频率范围时给系统一个正相移，所以又常称为相位超前校正装置。而低通滤波器引入了负相移，所以也常称为相位滞后校正装置。下面对由无源网络构成的校正装置加以说明。无源校正网络通常是由一些阻容元件组成的，根据网络特性，可分为：相位超前、相位滞后、相位滞后-超前校正网络第6章第*页共116页从伯德图来看，为满足控制系统的稳态精度的要求，往往需要增加系统的开环传递系数，这样就增大了幅值穿越频率。由于系统的相频特性一般呈随频率增加而滞后增加的趋势，所以其相位裕量会相应地减小，易导致系统不稳定。如果在系统中加入一个相位超前的校正装置，使之在穿越频率处具有较大的相位超前角，以增加系统的相位裕量。这样既能使开环传递系数足够大，又能保证系统的稳定性。这就是超前校正的基本概念。6.3.1相位超前校正装置及其特性第6章第*页共116页1无源超前校正装置电路：第6章第*页共116页超前校正装置伯德图的特点：1）转折频率之间渐近线斜率为20dB/dec，起微分作用；2）()在整个频率范围内都>0º，具有相位超前作用；3）()有最大值m。采用放大器补偿无源超前校正装置的衰减系数第6章第*页共116页图中的m为校正装置出现最大超前相角的频率，它位于两个转折频率的几何中点，m为最大超前相角。m仅与α有关，α越小，所提供的m就越大。微分作用越强，而通过网络后信号幅度衰减也越严重，同时高频段对数幅值也越大，对抗干扰性能不利。为保持较高的信噪比，一般α取值范围为0.05≤α＜1。第6章第*页共116页下图给出了和之间的关系，当相位超前大于60°时，值衰减很快，说明网络增益衰减很快第6章第*页共116页2、串联超前校正装置对被校正系统性能的影响1）中频段将抬高校正后系统的对数幅频特性，使幅值穿越频率右移变大，通频带变宽，从而提高系统响应的快速性。2）同时将高频段抬高，使系统抗干扰能力降低。3）校正装置的正相移使校正后系统的相位增大，为了使校正装置更有效地提高系统的相对稳定性，通常应取m在系统校正后的幅值穿越频率’c处。第6章第*页共116页从根轨迹的角度看，由于校正装置的传递函数为开环零点较开环极点更接近原点，使原系统的根轨迹向左偏移，有利于改善系统的动态性能。零极点的分布如图所示，相当于给系统增加了一个开环零点与开环极点。而且第6章第*页共116页3.有源超前校正装置若采用有源超前校正装置时加上一个反相器，则无源网络与有源网络就具有相同的传递函数，同时也具有相同的性能。第6章第*页共116页1、一般步骤(1)根据稳态精度要求确定系统型号与开环放大系数。(2)由已经满足稳态精度的开环放大系数绘制未校正系统的对数频率特性，并确定未校正系统的开环频域指标：相位裕量与穿越频率等。(3) 确定校正网络的值a如果事先对校正后的’c提出了要求，则根据下式：6.3.2系统超前校正的分析法设计可直接确定α值。第6章第*页共116页b如果事先对校正后的’c无要求，则根据给定的相位裕量γ’，估计需要超前校正装置提供的附加相位超前量mm=γ’-γ+△式中γ为校正之前的相位裕量，根据要求的附加相角超前量，查图或计算求出校正装置的值。第6章第*页共116页(4)确定校正后的幅值穿越频率’c使校正装置的最大移相角m出现在校正后的幅值穿越频率的位置上。校正装置在m处的幅值(正值)，并确定未校正系统波德图曲线上幅值为(负值)处的频率，此频率即为校正后系统的幅值穿越频率’c=m。使校正之后的对数幅值为：L（’c）=LC（’c）+Lo（’c）=0第6章第*页共116页（5）确定超前校正装置的转折频率即由可得：(6)画出校正后系统波德图，验算相位裕量，如不满足要求，可增大△从步骤（3）重新计算，直到满足要求。(7)校验校正后的性能指标，直到全部满足，最后用网络实现校正装置，计算校正装置参数。第6章第*页共116页1、串联相位超前校正实例[例6-1]一个I型单位反馈系统未校正前的开环传递函数如下，要求设计串联校正装置，使系统跟踪单位斜坡信号的稳态误差ess≤0.1，相位裕量γ’≥45°。解：（1）首先根据稳态性能的要求确定开环传递系数K=10，并求出未校正系统的伯德图曲线Lo（）。第6章第*页共116页第6章第*页共116页由图可以计算出校正前穿越频率。由关系不满足设计要求，由于校正前系统已经有一定的相角裕量，因此可以考虑引入串联超前校正装置以满足相位裕量的要求。第6章第*页共116页（2）求校正装置的参数由于所需相角超前量为m=45-17.6+9.6=37，据此查表或直接计算求出校正装置的参数（3）确定校正后的幅值穿越频率’c’c=m=4.47rad/s第6章第*页共116页（4）确定校正网络的两个转折频率分别为校正装置的传递函数为第6章第*页共116页(5)经超前校正后，系统开环传递函数为γ=180+[-90+arctan(0.45×4.47)-arctan4.47-arctan(0.11×4.47)]=50>45°，符合要求。将校正装置的对数频率特性绘制在同一波德图上，并与原系统的对数频率特性代数相加，即得到校正后系统开环对数幅频特性曲线和相频特性曲线。第6章第*页共116页第6章第*页共116页比较校正前后系统的性能，有:1）超前校正装置的正斜率段抬高了系统的开环对数幅频特性的中频段，使穿越频率由-40dB/dec变为-20dB/dec，并利用超前校正装置提供的最大相角超前量m使系统的相位裕量由17.6°增加到50°，改善了系统的稳定裕量，使系统响应的最大超调量减小，系统平稳性改善。2）系统的幅值穿越频率c由3.16rad/s右移到4.47rad/s，系统带宽增加，快速性改善。3）采用放大器补偿无源超前校正装置的衰减系数后，不改变系统的稳态精度。4）高频段对数幅值上升，抗干扰性能有所下降。总的来说，系统串联超前校正装置后，在保证稳态性能的前提下，改善了动态性能。第6章第*页共116页（6）确定校正装置的元件参数可以选用图示的无源超前校正装置实现。由于已经求得T=0.45s，=0.25，代入下式有预选电容C=1μF，则可求出R1=T/C=450kΩR2=R1/（1-）=150kΩ放大器补偿放大系数为1/=4倍。第6章第*页共116页第6章第*页共116页小结：通过前面的分析可知，超前校正具有如下的优点:(1)超前校正装置可以抬高系统中频段，并提供超前相角增加系统的相位裕量，改善系统的稳定性。(2)使系统的幅值穿越频率右移，改善响应的快速性。(3)超前校正装置所要求的时间常数是容易满足的。第6章第*页共116页 其缺点是: (1)由于带宽加宽，高频段对数幅值上升，为抑制高频噪声，对放大器或电路的其它组成部分提出了更高要求； (2)常常需要补偿放大系数； (3)若被校正系统的()在c附近过小或有急速下降的趋势，如图所示。则由于c的右移，将导致被校正系统的γ急剧下降，使得校正装置所需提供的超前角大于65°，则校正装置难于物理实现。（4）由于串联超前校正会抬高系统的高频段影响抗干扰性能，以及使c右移导致系统相位滞后加大，客观上限制了系统开环放大系数的增加。由以上分析可知，串联超前校正一般用于系统稳态性能已满足要求，但动态性能较差的系统。第6章第*页共116页例6-1设单位反馈系统的开环传递函数为对系统进行串联校正，满足开环增益　　　　及２．从伯德图可确定未校正系统的作未校正系统的伯德图:第6章第*页共116页ω=120lgKωCωC-180°-90°21.58dB第6章第*页共116页３．选用相位超前校正装置．根据对相角裕量的要求，计算需产生的最大相角超调量　　由于采用超前校正，校正后的剪切频率将增大，在新的剪切频率处，　　　　将更接近　　　．考虑到这个因素，取一个附加的相角超调量是　　．这样求得的最大相角为　　．４．根据　　确定　值第6章第*页共116页第6章第*页共116页ωc2ωc1第6章第*页共116页６．据此确定超前校正装置的转折频率于是超前校正装置的传递函数为７．为抵消超前校正装置衰减所需的放大倍数第6章第*页共116页经过超前校正后系统的开环传递函数为８．作校正后系统的伯德图，并求相角裕量　　需要指出的是，能够满足性能指标的校正方案不是唯一的。校正装置的参数不是统一的，可能各人做出的结果不一样．同时，校正是一个反复试探的过程。若校正后仍不满足指标，则需重新选取校正装置参数，直到满足指标为止．　满足要求第6章第*页共116页ωC2ωC1γ0γc第6章第*页共116页一般来说，当一个反馈控制系统的动态性能已经满足时,若单纯提高放大系数去提高其稳态精度，则会导致幅值穿越频率右移，影响动态性能。为了既改善稳态性能又不致影响其动态性能，对系统的开环对数频率特性来说，就要求在低频段抬高，以提高其放大系数，而中频段则基本不上升，以使幅值穿越频率保持原值，原相位基本不变，此时就可以采用滞后校正。6.4.1相位滞后校正装置及其特性第6章第*页共116页1、无源滞后校正装置第6章第*页共116页滞后校正装置伯德图的特点：1）转折频率之间渐近线斜率为-20dB/dec，起积分作用；2）()在整个频率范围内都<0，具有相位滞后作用；3）()有滞后最大值m；它位于两个转折频率的几何中点。第6章第*页共116页§６－３　迟后校正4）它实际上是一个低通滤波器，对低频信号没有衰减作用，但能削弱高频噪音的作用（一般噪音都是高频的）。　值越大，抑制噪音的能力越强。通常选，太大，不容易实现。　　迟后校正装置的最大迟后角　位于　　和　的几何中心　　处。第6章第*页共116页2、串联滞后校正装置对被校正系统性能的影响1)系统的中频段与高频段被压缩，校正后的幅值穿越频率’c左移、减小。2)由于系统相位在频率较低时相位滞后相对较小，故相位裕量增大，改善了系统的相对稳定性。3)高频段的衰减使系统的抗高频扰动能力增强。4)频带宽度变窄，快速性将受影响。为了避免对系统的相位裕量产生不良影响，应尽量使m远离校正后系统新的幅值穿越频率’c，一般’c远大于第二个转折频率2，即有第6章第*页共116页从根轨迹的角度看，由于校正装置的传递函数为：近原点，对输入有明显的积分作用。如果T值较大，相当于系统提供了一对靠近原点的开环偶极子，有利于改善系统的稳态性能。零极点的分布如图所示，相当于给系统增加了一个开环零点与开环极点。而且开环极点较开环零点更接第6章第*页共116页实际上如果T特别大,则近似认为有：此为理想PI调节器，能够在对系统动态性能影响不大的前提下，改善稳态性能。故PI校正又称滞后校正（积分校正）。第6章第*页共116页2、有源滞后校正装置第6章第*页共116页6.4.2串联滞后校正装置的分析法设计1.按稳态性能的要求确定系统的型别与开环放大系数；2.按确定的开环放大倍数绘制未校正系统的对数频率特性，并求开环频域指标：剪切频率与相位裕量等；3.确定校正后的剪切频率’c原系统在’c处的相位裕量应为γ0=γ’+△，其中γ’是要求的相角裕度，而△=5°～15°是为了补偿滞后校正装置引起的相角滞后。在波特图上找出符合这一相位裕量的频率，作为校正后系统的开环对数幅频特性的幅值穿越频率’c。一般步骤：第6章第*页共116页4.确定滞后网络的值在波德图上确定未校正系统在’c处的对数幅值LO（’c）=20lg=-20lg1/>0由此可以查表或直接计算求出的值。5.确定滞后校正网络的转折频率6.校验校正后系统的相位裕量和其余性能指标。如不满足要求，可增大△从步骤（3）重新计算，直到满足要求。7.校验性能指标，直到满足全部性能指标，最后用电网络实现校正装置，计算校正装置参数。 第6章第*页共116页1.校正实例[例6-2]已知单位负反馈系统的开环传递函数如下，试设计串联校正装置，使系统满足性能指标：K≥10，γ’≥35º，’c≥0.5rad/s，L’g≥8dB。解：(1)求出校正前的开环频域指标：首先绘制K=10时的未校正系统的伯德图曲线Lo()。低频段过点Lo(1)=20lgK=20dB，且中频段穿越斜率为-40dB/dec，可见开环对数频率特性不满足稳定性的要求。第6章第*页共116页1第6章第*页共116页若采用超前校正，则需要校正装置提供的相位超前量为m=γ’-γ+△=35°-(-20.7)°+15°=70.7°可见校正装置所需提供的相角超前量过大，对抗干扰有不利影响，且物理实现较为困难。同时由于采用超前校正幅值穿越频率会右移，从原系统的相频特性可见，系统在原c处相位急速下降，需要校正装置提供的相角超前量可能更大，因此不宜采用超前校正。未校正系统的相角裕度：系统不稳定第6章第*页共116页(2)确定校正后的幅值穿越频率’c选择未校正系统伯德图上相角裕度为γ0=γ’+△=35°+15°=50°时的频率作为校正后的幅值穿越频率’c，根据下式确定γ=180+[-90-arctan’c-arctan（’c×0.25）]50°但直接求解此正切函数是比较困难的，根据题意可将’c=0.5rad/s代入上式，求得γ（’c=0.5）=56.3°50°故选定’c=0.5rad/s。第6章第*页共116页（3）确定滞后网络的值未校正系统在’c处的对数幅值Lo（’c）=20lg=-20lg1/（4）确定滞后校正装置的转折频率那么T=1/2=5s，则1=1/T=0.01rad/s。βT=100滞后校正装置的传递函数为第6章第*页共116页1第6章第*页共116页第6章第*页共116页(6)校验校正后系统的相角稳定裕度:γ=35.7°>35°由波德图可见，L’h≥10dB。校正满足要求。（5）将校正装置的对数频率特性绘制在同一波德图上,并与原系统的对数频率特性代数相加,即得出校正后系统开环对数幅频特性曲线和相频特性曲线。校正后系统的开环传递函数为第6章第*页共116页比较校正前后系统的性能，有：1）滞后校正装置的负斜率段压缩了系统的开环对数幅频特性的中频段，使穿越频率由-40dB/dec变为-20dB/dec，系统的幅值穿越频率c由3.16rad/s左移到0.5rad/s，利用系统本身的相频特性使系统稳定，并具有35.7°的相位裕量。2）不影响系统的低频段，不改变系统的稳态精度。3）高频段对数幅值下降，抗干扰性能有所提高总的来说，系统串联滞后校正装置后，在保证稳态性能的前提下，改善了动态性能。第6章第*页共116页小结：通过前面的分析可知,滞后校正具有如下的优点:(1)滞后校正装置实质上是一种低通滤波器。由于滞后校正的衰减作用，压缩系统的中频段，使幅值穿越频率左移到较低的频率上，使中频段穿越斜率为-20dB/dec，从而满足相位裕量γ的要求。(2)能够在保持系统动态性能不变的的前提下，通过提高系统开环放大系数来提高稳态精度。(3)压缩系统的高频段，对抑制高频噪声有利。其缺点是:(1)幅值穿越频率左移，使系统的频带宽减小,影响系统响应的快速性。(2)滞后校正装置所要求的时间常数有一定的限制，过大则难于物理实现。第6章第*页共116页采用滞后校正装置可从二个角度去考虑：1.用于动态性能已满足，但稳态性能较差的系统。2.用于需要提高系统的相角裕量γ，改善稳定性，但又无法采用超前校正的系统。校正前校正后校正前校正后校正装置1/T()L()0-90-180校正前校正后校正前校正后校正装置校正装置()L()1/(βT)C-90-180001/(βT)[-20][-40][-20][-40]1/T第6章第*页共116页§６－３　迟后校正例6-5-2设单位反馈系统的开环传递函数为：要求设计串联迟后校正装置第6章第*页共116页系统不稳定第6章第*页共116页计算未校正系统相频特性中对应于相角裕度为：选ωc2为校正后系统的剪切频率第6章第*页共116页第6章第*页共116页滞后校正网络的传递函数为：校正后系统的开环传递函数为满足要求。此时滞后网络的滞后角度为：Ε取15°是正确的。第6章第*页共116页§６－３　迟后校正现将设计迟后校正装置的步骤归纳如下：１．根据给定的稳态性能指标确定系统的开环增益．２．绘制未校正系统的伯德图，并求出其相角裕量．３．确定新的剪切频率　　，令在　　处未校正系统的相角满足　　　　　　　　　　　　．其中　为给定的相角裕量，　　　　　是考虑迟后校正的相角迟后附加的量．４．确定　．求出　　处未校正系统的对数幅值　　　，并令　可求出第6章第*页共116页§６－３　迟后校正５．确定迟后校正装置的两个转折频率，通常选则６．画出校正后系统的伯德图，校验其相角裕量７．必要时校验其它性能指标。若不能满足，可视情况重选　或　，再进行设计。如仍不能满足，可改用迟后-超前校正等．第6章第*页共116页校正方法小结一．根据校正装置在系统中的位置划分，校正方式有串联校正和反馈校正；根据校正装置的特性划分，有超前校正和迟后校正．二．超前校正装置具有相位超前特性。用来补偿原系统过大的相角迟后，增大系统的相角裕量和带宽，从而提高系统的相对稳定性和响应速度。　　因为超前校正实质上是微分校正，它具有高通滤波特性，因而使系统对高频噪声更加敏感．这是超前校正的缺点。第6章第*页共116页　　如果未校正系统具有比较满意的稳态性能，而相角裕量和响应速度不够时，采用超前校正，但应注意，只有在未校正系统中频段的相频特性随着　增加而缓慢减小，且高频噪音对系统影响不大时，采用超前校正才是有效的。三．迟后校正装置具有相位迟后特性。利用迟后装置的积分特性，可以提高系统的开环增益．因此迟后校正常用来改善系统的稳态性能，同时基本保持原来的暂态指标。　　§６－４　校正方法小结第6章第*页共116页§６－４　校正方法小结　　迟后校正装置具有低通滤波特性，能抑制高频噪音的影响。这是迟后校正的特点。利用它的高频衰减特性，使系统的剪切频率减小，以达到提高系统的相角裕量，改善系统暂态性能的目的。但这时，系统带宽减小，响应速度变慢．因此，采用迟后校正提高系统的相对稳定性只适用于系统对响应速度要求不高，且降低剪切频率可得到足够的相角裕度的情形．四．如果原系统在稳态性能和暂态性能两方面有待改善时，可利用迟后—超前校正装置．利用校正装置的迟后部分改善系统的稳态精度，利用超前部分提高系统的相角裕度和带宽。　　进行迟后—超前校正的一般步骤是，先设计超前部分以满足暂态指标，再设计迟后部分以满足稳态指标，或者反之．第6章第*页共116页第七节反馈和前馈复合控制1、负反馈的功能（1）比例负反馈可以减弱为其包围环节的惯性，从而将扩展该环节的带宽；（2）负反馈可以减弱参数变化对系统性能的影响；（3）负反馈可以消除系统不可变部分中不希望有的特性；（4）负反馈可以消弱非线性影响；（5）负反馈矫正的系统低速平稳性比串联校正的好。一、负反馈校正第6章第*页共116页校正后整个闭环系统的开环频率特性为2.反馈校正对系统性能的影响局部闭环的传递函数为：局部闭环的频率特性为G2(jω)H(j)：局部闭环的开环频率特性Go(j)：校前的开环频率特性第6章第*页共116页①当|G2(j)H(j)|<<1时，则有局部闭环的频率特性与被包围部分G2(j)的特性相同，与H(j)无关，校正装置不起作用。②当|G2(j)H(j)|>>1时，则有即局部闭环的频率特性为H(j)的倒数。校正装置起主要作用。第6章第*页共116页反馈（并联）校正的本质：以反馈通道传递函数的倒数特性代替原系统G2(s)中不希望的特性，抑制被包围环节中参数变化与各种干扰给系统带来的不利影响，以期达到改善控制性能的目的。因此，适当地选择校正装置的形式和参数，可以改变校正后系统的频率特性，使系统满足所要求的性能指标。第6章第*页共116页注意：①局部闭环的稳定性问题：如果局部闭环不稳定，虽然整个系统仍可能稳定，但这种系统往往性能不理想，或无法进行开环系统的调试。②局部反馈对稳态性能的影响：反馈信号与输出信号成正比的反馈（通常称为硬反馈）将降低系统的放大倍数，此时必须通过提高放大环节的放大倍数得到补偿。在控制系统中，为不影响稳态误差，一般可采用反馈信号和输出信号的微分成正比的反馈(通常称为软反馈或微分反馈)。第6章第*页共116页二、反馈与给定输入前馈复合控制图6-7-1示出了增加按给定输入前馈控制的反馈控制系统框图。在此，除了原有的反馈控制外，给定的参考输入R(s)还通过前馈(补偿)装置Fr(s)对系统输出C(s)进行开环控制。对于线性系统可以应用叠加原理:图6-7-1增加输入前馈控制第6章第*页共116页或者：使输出响应完全复现给定参考输入，于是系统的暂态和稳态误差都是零.第6章第*页共116页二、反馈与扰动前馈复合控制图6-7-2所示为增加了按扰动前馈控制的反馈控制系统框图。除了原有的反馈控制外，还引入了扰动N(s)的前馈（补偿）控制。前馈控制装置的传递函数是Fn(s)。假设参考输入R(s)为零，则：图6-7-2增加扰动前馈控制第6章第*页共116页或者：或者：可使输出响应C(s)完全不受扰动N(s)的影响，于是系统受扰动后的暂态和稳态误差都是零第6章第*页共116页以上结论仅在理想条件下成立，实际是做不到的:(1)以上所述结论，无论是输出响应完全复现输入或是完全不受扰动影响，都是根据传递函数零、极点对消能够完全实现的基础上得到的，由于控制器和对象都是包含惯性的装置，故G1(s)和G2(s)的分母多项式的s阶数比分子多项式的s阶数为高。要求选择前馈装置的传递函数是它们的倒数，即Fr(s)或Fn(s)的分子s多项式的阶数应高于其分母s多项式的阶数，这就要求前馈装置是一个理想的(甚至是高阶的)微分环节。第6章第*页共116页前已述及，理想的微分环节实际不存在，所以完全实现传递函数的零、极点对消在实际上也是做不到的。盲日相信零、极点对消理论，有可能导致脱离实际的困境。这一点不但在对待复合控制时需注意，对于其他的校正方案(特别是串联校正)也是如此，使用零、极点对消方法去校正系统的特性时务须谨慎。第6章第*页共116页(2)从图6-7-1及图6-7-2可见，前馈信号加入系统的作用点愈向后移，即愈靠近输出端，G1(s)或G2(s)的分母s多项式的阶数愈低，则Fr(s)或Fn(s)愈易于实现。但这势必使前馈装置的功率等级迅速增加。通常功率愈大的装置惯性也愈大，实现微分也愈困难。而且大功率信号的叠加在技术上及经济上都存在障碍。(3)不能保证G1(s)、G2(s)、Fr(s)及Fn(s)中的元件参量及性能都不发生变化，随着时间的推移，补偿愈难准确。第6章第*页共116页所以，对复合控制应有正确的认识，使用得当，对减小稳态误差能有较明显的作用，但对暂态误差所起作用有限。顺便指出，复合控制系统如设计得成功，其系统的稳定性与前馈控制不存在时的反馈控制系统一样，式(6-7-1)和式(6-7-2)表明，加入前馈控制后并不影响系统传递函数的极点。第6章第*页共116页⒈在控制系统中，采用增加附加环节来改善系统品质指标的方法，叫做系统的校正。校正装置的引入，常常是解决静态指标和动态指标互相矛盾的有效方法。根据校正装置在系统中的位置不同，校正分为串联校正和并联校正两大类。⒉串联校正分为超前（微分）校正，滞后（积分）校正和滞后-超前（积分-微分）校正等三种。串联校正装置既可用无源网络来实现，又可用运算放大器组成的有源网络来实现。前者称为无源校正网络，后者称为有源校正网络。本章小结第6章第*页共116页⒊超前校正的优点是引进一个较大的正相角，从而提高了相角裕度。超前校正会使截止频率增大，可提高系统的快速性，但随之产生相角余量稍有下降的缺点。设计时应扬长避短，以获得最好的效果。超前校正的主要缺点使高频噪声干扰严重，使系统抗干扰能力下降，设计时务必注意。⒋滞后校正的优点是中、高频幅值衰减，使截止频率下降，从而获得足够的相角裕度。缺点是相角滞后的性质，它可能对新的截止频率处的相角余量有不良影响。为了把这种不良影响减至最小，常要求滞后网络的第一个转折频率应足够小。但可能会使时间常数大到难以实现的程度。第6章第*页共116页⒌滞后-超前校正兼有滞后校正和超前校正的优点，它可利用超前部分来增大系统的相角裕度，同时利用滞后部分来改善系统的稳态性能。因此，当要求校正后系统的稳态和动态性能都较高时，应考虑采用滞后-超前校正。⒍并联校正的本质是在某个频率区间内，以反馈通道传递函数的倒数特性来代替原系统中的不希望的特性以改善控制系统的性能，同时还可以减弱反馈所包围部分特性参数变化对系统性能的影响。反馈校正效果明显，优点较多。在电气传动系统中得到广泛应用。