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1、第六章第六章 控制系统校控制系统校正正本讲稿第一页，共八十四页一、控制系统的组成一、控制系统的组成一、控制系统的组成一、控制系统的组成控制系统控制系统控制系统控制系统不可变部分不可变部分不可变部分不可变部分执行机构执行机构执行机构执行机构功率放大器功率放大器功率放大器功率放大器检测装置检测装置检测装置检测装置可变部分可变部分可变部分可变部分放大器放大器放大器放大器、校正装置校正装置校正装置校正装置使系统满足给定的性能使系统满足给定的性能使系统满足给定的性能使系统满足给定的性能(设计系统设计系统设计系统设计系统)6-1 6-1 线性系统校正的概念线性系统校正的概念线性系统校正的概念线性系统校正的
2、概念本讲稿第二页，共八十四页 根据被控对象及其控制要求，选择适当的控制器及根据被控对象及其控制要求，选择适当的控制器及根据被控对象及其控制要求，选择适当的控制器及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。控制规律设计一个满足给定性能指标的控制系统。控制规律设计一个满足给定性能指标的控制系统。控制规律设计一个满足给定性能指标的控制系统。校正校正校正校正(补偿补偿补偿补偿)：通过改变系统结构，或在系统中增加：通过改变系统结构，或在系统中增加附附附附加装置或元件加装置或元件加装置或元件加装置或元件对已有的系统（固有部分）进行再设计对已有的系统（固有部分）
3、进行再设计使之满足性能要求。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正装置控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置(校正装置校正装置校正装置校正装置)二、控制系统的设计任务二、控制系统的设计任务二、控制系统的设计任务二、控制系统的设计任务本讲稿第三页，共八十四页三、评价系统的性能指标三、评价系统的性能指标1.1.1.1.稳态精度指标稳态精度指标稳态精度指标稳态精度指标位置误差系数位置误差系数K KP ,速度误差系数速度误差系数Kv,速度误差系数速度误差系数Ka2.2.2.2.稳定性指标稳定性指标稳定性指标稳定性指标3.3.快速性指标快速性指标时域指标时域指标开环频域指标开环频域指标
4、闭环频域指标闭环频域指标闭环频域指标闭环频域指标时域指标时域指标时域指标时域指标开环频域指标开环频域指标开环频域指标开环频域指标闭环频域指标闭环频域指标本讲稿第四页，共八十四页四、校正方式四、校正方式四、校正方式四、校正方式1 1、串联校正、串联校正、串联校正、串联校正2 2、反馈校正、反馈校正、反馈校正、反馈校正3 3、串联反馈校正、串联反馈校正、串联反馈校正、串联反馈校正本讲稿第五页，共八十四页四、校正方式四、校正方式四、校正方式四、校正方式5 5、扰动补偿、扰动补偿、扰动补偿、扰动补偿4 4、前馈校正、前馈校正、前馈校正、前馈校正本讲稿第六页，共八十四页校正方式选择需要考虑的因素校正方式
5、选择需要考虑的因素校正方式选择需要考虑的因素校正方式选择需要考虑的因素 系统中信号的性质；技术方便程度；可供选择的元件；其系统中信号的性质；技术方便程度；可供选择的元件；其系统中信号的性质；技术方便程度；可供选择的元件；其系统中信号的性质；技术方便程度；可供选择的元件；其它性能要求（抗干扰性、环境适应性等）；经济性它性能要求（抗干扰性、环境适应性等）；经济性它性能要求（抗干扰性、环境适应性等）；经济性它性能要求（抗干扰性、环境适应性等）；经济性串联校正的特点串联校正的特点串联校正的特点串联校正的特点 设计较简单，容易对信号进行各种必要的变换，设计较简单，容易对信号进行各种必要的变换，设计较简单
6、，容易对信号进行各种必要的变换，设计较简单，容易对信号进行各种必要的变换，但需但需但需但需注意负载效应的影响。注意负载效应的影响。注意负载效应的影响。注意负载效应的影响。反馈校正的特点反馈校正的特点反馈校正的特点反馈校正的特点 可消除系统原有部分参数对系统性能的影响，可消除系统原有部分参数对系统性能的影响，可消除系统原有部分参数对系统性能的影响，可消除系统原有部分参数对系统性能的影响，元件数也元件数也元件数也元件数也往往较少。往往较少。往往较少。往往较少。复合控制复合控制复合控制复合控制 性能指标要求较高的系统。性能指标要求较高的系统。性能指标要求较高的系统。性能指标要求较高的系统。本讲稿第七
7、页，共八十四页 PID(Proportional Integral Derivative)PID(Proportional Integral Derivative)PID(Proportional Integral Derivative)PID(Proportional Integral Derivative)控制：对偏差信控制：对偏差信控制：对偏差信控制：对偏差信号号号号e e e e(t)(t)(t)(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律
8、。律。律。律。比例控制（比例控制（比例控制（比例控制（P P）Proportional微分控制（微分控制（微分控制（微分控制（D D）积分控制（积分控制（积分控制（积分控制（I I）IntegralDerivative线性系统线性系统线性系统线性系统基本控制基本控制基本控制基本控制规律规律规律规律 P P P P、PIPIPIPI、PD PD PD PD 或或或或PID PID PID PID 控制控制控制控制 适用于数学模型已知及大多数数学模型难以确定的控制系统适用于数学模型已知及大多数数学模型难以确定的控制系统适用于数学模型已知及大多数数学模型难以确定的控制系统适用于数学模型已知及大多数数
9、学模型难以确定的控制系统或过程。或过程。或过程。或过程。PID PID PID PID 控制参数整定方便，结构灵活控制参数整定方便，结构灵活控制参数整定方便，结构灵活控制参数整定方便，结构灵活6-2 6-2 线性系统基本控制规律线性系统基本控制规律线性系统基本控制规律线性系统基本控制规律本讲稿第八页，共八十四页一、比例控制（一、比例控制（一、比例控制（一、比例控制（P P P P）比例控制器实质是一种增益可调的放大器比例控制器实质是一种增益可调的放大器比例控制器实质是一种增益可调的放大器比例控制器实质是一种增益可调的放大器本讲稿第九页，共八十四页对系统性能的影响正好相反。对系统性能的影响正好相
10、反。对系统性能的影响正好相反。对系统性能的影响正好相反。Kp1Kp1Kp1Kp1开环增益加大，稳态误差减小；幅值穿越频率增大，过渡过开环增益加大，稳态误差减小；幅值穿越频率增大，过渡过开环增益加大，稳态误差减小；幅值穿越频率增大，过渡过开环增益加大，稳态误差减小；幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短；系统稳定程度变差。程时间缩短；系统稳定程度变差。程时间缩短；系统稳定程度变差。程时间缩短；系统稳定程度变差。原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。Kp1Kp1Kp1Kp1本讲稿第十页，共
11、八十四页 微分控制具有预测特性。微分控制具有预测特性。微分控制具有预测特性。微分控制具有预测特性。T T T Td d d d 就是微分控制作用超前于比例控制作用效果的时间间隔。就是微分控制作用超前于比例控制作用效果的时间间隔。就是微分控制作用超前于比例控制作用效果的时间间隔。就是微分控制作用超前于比例控制作用效果的时间间隔。微分控制不可能预测任何尚未发生的作用。微分控制不可能预测任何尚未发生的作用。微分控制不可能预测任何尚未发生的作用。微分控制不可能预测任何尚未发生的作用。二、比例微分（二、比例微分（二、比例微分（二、比例微分（PDPDPDPD）控制）控制）控制）控制本讲稿第十一页，共八十四
12、页转折频率转折频率转折频率转折频率 1 1 1 1=1/T=1/T=1/T=1/Td d d d预先作用预先作用预先作用预先作用抑制阶跃响应的超调抑制阶跃响应的超调抑制阶跃响应的超调抑制阶跃响应的超调 缩短调节时间缩短调节时间缩短调节时间缩短调节时间 本讲稿第十二页，共八十四页相位裕量增加，稳定相位裕量增加，稳定相位裕量增加，稳定相位裕量增加，稳定 性提高；性提高；性提高；性提高；c c c c增大，快速性提高增大，快速性提高增大，快速性提高增大，快速性提高KpKpKpKp1 1 1 1时，系统的稳时，系统的稳时，系统的稳时，系统的稳 态性能没有变化。态性能没有变化。态性能没有变化。态性能没有
13、变化。高频段增益上升，降低高频段增益上升，降低高频段增益上升，降低高频段增益上升，降低了系统抗干扰的能力；了系统抗干扰的能力；了系统抗干扰的能力；了系统抗干扰的能力；微分控制仅仅在系统的瞬态微分控制仅仅在系统的瞬态微分控制仅仅在系统的瞬态微分控制仅仅在系统的瞬态过程中起作用，一般不单独过程中起作用，一般不单独过程中起作用，一般不单独过程中起作用，一般不单独使用。使用。使用。使用。PD PD PD PD控制通过引入微分作控制通过引入微分作控制通过引入微分作控制通过引入微分作用改善了系统的动态性用改善了系统的动态性用改善了系统的动态性用改善了系统的动态性能能能能本讲稿第十三页，共八十四页三、比例积
14、分（三、比例积分（三、比例积分（三、比例积分（PIPIPIPI）控制）控制）控制）控制调节调节调节调节T T T Ti i i i 影响积分控制作用；影响积分控制作用；影响积分控制作用；影响积分控制作用；调节调节调节调节K K K Kp p p p既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。由于存在积分控制，由于存在积分控制，由于存在积分控制，由于存在积分控制，PIPIPIPI控制器具有记忆功能。控制器具有记忆功能。控制器具有记忆功能。控制器具有记忆功能。本讲稿第十四页，
15、共八十四页转折频率转折频率转折频率转折频率 1 1 1 1=1/=1/=1/=1/T T T Ti i一个积分环节一个积分环节一个积分环节一个积分环节 提高系统的稳态精度提高系统的稳态精度提高系统的稳态精度提高系统的稳态精度一个开环零点弥补积分环节对系统稳定性的不利影响一个开环零点弥补积分环节对系统稳定性的不利影响一个开环零点弥补积分环节对系统稳定性的不利影响一个开环零点弥补积分环节对系统稳定性的不利影响本讲稿第十五页，共八十四页KpKp1 1系统型次提系统型次提系统型次提系统型次提高，稳态性高，稳态性高，稳态性高，稳态性 能改善。能改善。能改善。能改善。相位裕量减相位裕量减相位裕量减相位裕量
16、减 小，稳定程度小，稳定程度小，稳定程度小，稳定程度变差。变差。变差。变差。本讲稿第十六页，共八十四页Kp 1Kp 1系统型次提高，系统型次提高，系统型次提高，系统型次提高，稳态性能改善；稳态性能改善；稳态性能改善；稳态性能改善；系统从不稳定变系统从不稳定变系统从不稳定变系统从不稳定变 为稳定；为稳定；为稳定；为稳定；c c减小，快速性减小，快速性减小，快速性减小，快速性 变差。变差。变差。变差。本讲稿第十七页，共八十四页通过引入积分控制作用以改善系统的稳态性能。通过引入积分控制作用以改善系统的稳态性能。通过引入积分控制作用以改善系统的稳态性能。通过引入积分控制作用以改善系统的稳态性能。通过比
17、例控制作用来调节积分作用所导致相角滞通过比例控制作用来调节积分作用所导致相角滞后对系统的稳定性所带来的不利影响。后对系统的稳定性所带来的不利影响。由于由于 ，导致引入，导致引入PIPI控控制器后，系统的相位滞后增加，因此，若要通过制器后，系统的相位滞后增加，因此，若要通过PIPI控制器改善系统的稳定性，必须有控制器改善系统的稳定性，必须有Kp 1，以降，以降低系统的幅值穿越频率。低系统的幅值穿越频率。本讲稿第十八页，共八十四页四、四、四、四、PIDPIDPIDPID控制控制控制控制 一个零极点一个零极点一个零极点一个零极点 提高稳态精度提高稳态精度提高稳态精度提高稳态精度两个负实部零点两个负实
18、部零点两个负实部零点两个负实部零点 提高动态性能提高动态性能提高动态性能提高动态性能本讲稿第十九页，共八十四页在低频段，在低频段，在低频段，在低频段，PIDPIDPIDPID控制器通过积分控制作用控制器通过积分控制作用控制器通过积分控制作用控制器通过积分控制作用,改善了系统的稳态性能；改善了系统的稳态性能；改善了系统的稳态性能；改善了系统的稳态性能；在中频段，在中频段，在中频段，在中频段，PIDPIDPIDPID控制器通过微分控制作用控制器通过微分控制作用控制器通过微分控制作用控制器通过微分控制作用,有效地提高了系统有效地提高了系统有效地提高了系统有效地提高了系统的动态性能。的动态性能。的动态
19、性能。的动态性能。BodeBodeBodeBode图分析：图分析：图分析：图分析：本讲稿第二十页，共八十四页 校正装置可以是电气的、机械的、气动的、液压的，或校正装置可以是电气的、机械的、气动的、液压的，或校正装置可以是电气的、机械的、气动的、液压的，或校正装置可以是电气的、机械的、气动的、液压的，或由其它形式的元件所组成。由其它形式的元件所组成。由其它形式的元件所组成。由其它形式的元件所组成。电气的校正装置有无源的和有源的两种。电气的校正装置有无源的和有源的两种。电气的校正装置有无源的和有源的两种。电气的校正装置有无源的和有源的两种。常见的无源校正装置为常见的无源校正装置为常见的无源校正装置
20、为常见的无源校正装置为RCRCRCRC网络，网络，网络，网络，应用这种校正装置时，必须应用这种校正装置时，必须应用这种校正装置时，必须应用这种校正装置时，必须注意它在系统中与前后级部件的阻抗匹配问题，或者增设隔离放大注意它在系统中与前后级部件的阻抗匹配问题，或者增设隔离放大注意它在系统中与前后级部件的阻抗匹配问题，或者增设隔离放大注意它在系统中与前后级部件的阻抗匹配问题，或者增设隔离放大器。器。器。器。有源校正装置通常是指由运算放大器和电阻、电容所组成的各有源校正装置通常是指由运算放大器和电阻、电容所组成的各有源校正装置通常是指由运算放大器和电阻、电容所组成的各有源校正装置通常是指由运算放大器
21、和电阻、电容所组成的各种调节器，种调节器，种调节器，种调节器，这类校正装置需要外加电源，但本身有增益，且输入阻这类校正装置需要外加电源，但本身有增益，且输入阻这类校正装置需要外加电源，但本身有增益，且输入阻这类校正装置需要外加电源，但本身有增益，且输入阻抗高，输出阻抗低，无需考虑阻抗匹配问题，参数调整也很方便。抗高，输出阻抗低，无需考虑阻抗匹配问题，参数调整也很方便。抗高，输出阻抗低，无需考虑阻抗匹配问题，参数调整也很方便。抗高，输出阻抗低，无需考虑阻抗匹配问题，参数调整也很方便。所以较多采用有源校正装置。所以较多采用有源校正装置。所以较多采用有源校正装置。所以较多采用有源校正装置。6-3 常
22、用校正装置及其特性常用校正装置及其特性本讲稿第二十一页，共八十四页校正装置校正装置校正装置校正装置无源校正无源校正无源校正无源校正装置装置装置装置有源校有源校有源校有源校正装置正装置正装置正装置无相移校正装置无相移校正装置无相移校正装置无相移校正装置相位超前校正装置相位超前校正装置相位超前校正装置相位超前校正装置相位滞后校正装置相位滞后校正装置相位滞后校正装置相位滞后校正装置相位滞后相位滞后相位滞后相位滞后超前校正装置超前校正装置超前校正装置超前校正装置无相移校正装置无相移校正装置无相移校正装置无相移校正装置相位超前校正装置相位超前校正装置相位超前校正装置相位超前校正装置相位滞后校正装置相位滞
23、后校正装置相位滞后校正装置相位滞后校正装置相位滞后相位滞后相位滞后相位滞后超前校正装置超前校正装置超前校正装置超前校正装置本讲稿第二十二页，共八十四页一、无相移校正装置（比例控制）一、无相移校正装置（比例控制）一、无相移校正装置（比例控制）一、无相移校正装置（比例控制）1 1、传递函数、传递函数、传递函数、传递函数2 2、实现形式、实现形式、实现形式、实现形式无源网络无源网络无源网络无源网络放大器放大器放大器放大器3 3、BodeBode图图图图本讲稿第二十三页，共八十四页二、相位超前校正装置二、相位超前校正装置二、相位超前校正装置二、相位超前校正装置传递函数：传递函数：传递函数：传递函数：相
24、频特性：相频特性：相频特性：相频特性：产生超前角产生超前角令令令令 ，可求得最大超前角，可求得最大超前角，可求得最大超前角，可求得最大超前角时的频率时的频率时的频率时的频率 为：为：为：为：即：即：即：即：可见可见可见可见 出现在转折频率出现在转折频率出现在转折频率出现在转折频率 和和和和 的的的的几何中心。几何中心。几何中心。几何中心。20202020dB/decdB/decdB/decdB/dec本讲稿第二十四页，共八十四页传递函数：传递函数：传递函数：传递函数：最大超前角：最大超前角：最大超前角：最大超前角：产生超前角产生超前角则：则：则：则：20202020dB/decdB/decdB
25、/decdB/dec如果需要较大的相位超前角，则要用两如果需要较大的相位超前角，则要用两如果需要较大的相位超前角，则要用两如果需要较大的相位超前角，则要用两个超前网络串联来实现。个超前网络串联来实现。个超前网络串联来实现。个超前网络串联来实现。但但但但 不能取得太大不能取得太大不能取得太大不能取得太大(为了保证较高为了保证较高为了保证较高为了保证较高的信噪比的信噪比的信噪比的信噪比),),),),一般不超过一般不超过一般不超过一般不超过20202020，这这这这种超前校正网络的最大相位超前角种超前校正网络的最大相位超前角种超前校正网络的最大相位超前角种超前校正网络的最大相位超前角一般不大于一般
26、不大于一般不大于一般不大于 。二、相位超前校正装置二、相位超前校正装置二、相位超前校正装置二、相位超前校正装置本讲稿第二十五页，共八十四页传递函数：传递函数：传递函数：传递函数：产生超前角产生超前角在在在在 处有：处有：处有：处有：20202020dB/decdB/decdB/decdB/dec幅频特性：幅频特性：幅频特性：幅频特性：二、相位超前校正装置二、相位超前校正装置二、相位超前校正装置二、相位超前校正装置本讲稿第二十六页，共八十四页无源超前校正网络：无源超前校正网络：无源超前校正网络：无源超前校正网络：传递函数：传递函数：传递函数：传递函数：R1C CR2由于由于由于由于 ，使系统放大
27、倍数减小，所以采用此网络时，使系统放大倍数减小，所以采用此网络时，使系统放大倍数减小，所以采用此网络时，使系统放大倍数减小，所以采用此网络时，往往需要串联一个比例系数为往往需要串联一个比例系数为往往需要串联一个比例系数为往往需要串联一个比例系数为 的放大器。的放大器。的放大器。的放大器。本讲稿第二十七页，共八十四页有源超前校正网络：有源超前校正网络：有源超前校正网络：有源超前校正网络：传递函数：传递函数：传递函数：传递函数：_+本讲稿第二十八页，共八十四页三、相位滞后校正装置三、相位滞后校正装置三、相位滞后校正装置三、相位滞后校正装置传递函数：传递函数：传递函数：传递函数：产生滞后角产生滞后角
28、最大滞后角时的频率最大滞后角时的频率最大滞后角时的频率最大滞后角时的频率 为：为：为：为：即：即：即：即：可见可见可见可见 出现在转折频率出现在转折频率出现在转折频率出现在转折频率 和和和和 的的的的几何中心。几何中心。几何中心。几何中心。-20-20-20-20dB/decdB/decdB/decdB/dec最大滞后角：最大滞后角：最大滞后角：最大滞后角：则：则：则：则：本讲稿第二十九页，共八十四页三、相位滞后校正装置三、相位滞后校正装置三、相位滞后校正装置三、相位滞后校正装置传递函数：传递函数：传递函数：传递函数：产生滞后角产生滞后角滞后校正装置具有低通滤波器的特性，滞后校正装置具有低通滤
29、波器的特性，滞后校正装置具有低通滤波器的特性，滞后校正装置具有低通滤波器的特性，它降低了中频段和高频段的开环增益，它降低了中频段和高频段的开环增益，它降低了中频段和高频段的开环增益，它降低了中频段和高频段的开环增益，但低频段增益不受影响。但低频段增益不受影响。但低频段增益不受影响。但低频段增益不受影响。-20-20-20-20dB/decdB/decdB/decdB/dec 进行串联滞后校正时，进行串联滞后校正时，进行串联滞后校正时，进行串联滞后校正时，主要利用主要利用主要利用主要利用 其高其高其高其高频幅值衰减的特性，频幅值衰减的特性，频幅值衰减的特性，频幅值衰减的特性，以降低系以降低系以降
30、低系以降低系 统的开环统的开环统的开环统的开环剪切频率，剪切频率，剪切频率，剪切频率，提高系统的相提高系统的相提高系统的相提高系统的相 角裕度。角裕度。角裕度。角裕度。本讲稿第三十页，共八十四页三、相位滞后校正装置三、相位滞后校正装置三、相位滞后校正装置三、相位滞后校正装置传递函数：传递函数：传递函数：传递函数：产生滞后角产生滞后角-20-20-20-20dB/decdB/decdB/decdB/dec对系统进行校正时，应对系统进行校正时，应对系统进行校正时，应对系统进行校正时，应避免最大滞后避免最大滞后避免最大滞后避免最大滞后角角角角 出现在校正后的开环幅值穿越出现在校正后的开环幅值穿越出现
31、在校正后的开环幅值穿越出现在校正后的开环幅值穿越频率频率频率频率 附近，附近，附近，附近，以防对暂态性能产生以防对暂态性能产生以防对暂态性能产生以防对暂态性能产生不良影响。不良影响。不良影响。不良影响。对系统相角稳定裕量影响不大。对系统相角稳定裕量影响不大。对系统相角稳定裕量影响不大。对系统相角稳定裕量影响不大。一般取一般取一般取一般取 ，当，当，当，当 时时时时本讲稿第三十一页，共八十四页无源滞后校正网络：无源滞后校正网络：无源滞后校正网络：无源滞后校正网络：R1CR2_+R2CR1有源滞后校正网络：有源滞后校正网络：有源滞后校正网络：有源滞后校正网络：本讲稿第三十二页，共八十四页四、滞后四
32、、滞后四、滞后四、滞后超前校正装置超前校正装置超前校正装置超前校正装置传递函数：传递函数：传递函数：传递函数：相角先滞后再超前相角先滞后再超前-20-20-20-20相角过零时的频率为相角过零时的频率为相角过零时的频率为相角过零时的频率为其中其中其中其中且且且且滞后滞后滞后滞后超前校正装置相当于一个滞后超前校正装置相当于一个滞后超前校正装置相当于一个滞后超前校正装置相当于一个滞后校正装置与一个超前校正装置串联。校正装置与一个超前校正装置串联。校正装置与一个超前校正装置串联。校正装置与一个超前校正装置串联。当当当当 时，校正装置具有滞后时，校正装置具有滞后时，校正装置具有滞后时，校正装置具有滞后
33、的相角特性，的相角特性，的相角特性，的相角特性，当当当当 时，校正时，校正时，校正时，校正装置具有超前的相角特性。装置具有超前的相角特性。装置具有超前的相角特性。装置具有超前的相角特性。+20+20+20+20本讲稿第三十三页，共八十四页无源滞后无源滞后无源滞后无源滞后-超前校正网络：超前校正网络：超前校正网络：超前校正网络：有源滞后有源滞后有源滞后有源滞后-超前校正网络：超前校正网络：超前校正网络：超前校正网络：本讲稿第三十四页，共八十四页一、设计方法一、设计方法一、设计方法一、设计方法控制系统设计的内涵：控制系统设计的内涵：控制系统设计的内涵：控制系统设计的内涵：根据系统性能指标要求确定控
34、制器的结构形根据系统性能指标要求确定控制器的结构形根据系统性能指标要求确定控制器的结构形根据系统性能指标要求确定控制器的结构形式和参数，并实现之。式和参数，并实现之。式和参数，并实现之。式和参数，并实现之。1 1、根轨迹设计方法、根轨迹设计方法、根轨迹设计方法、根轨迹设计方法系统系统系统系统性能性能性能性能指标指标指标指标闭环主闭环主闭环主闭环主导极点导极点导极点导极点位置位置位置位置系统参系统参系统参系统参数根轨数根轨数根轨数根轨迹迹迹迹加入校加入校加入校加入校正装置正装置正装置正装置主要问题：主要问题：主要问题：主要问题：1 1、设计何种控制规律、设计何种控制规律、设计何种控制规律、设计何
35、种控制规律 2 2、过程复杂、过程复杂、过程复杂、过程复杂6-4 6-4 校正装置设计的方法和依据校正装置设计的方法和依据校正装置设计的方法和依据校正装置设计的方法和依据本讲稿第三十五页，共八十四页2 2、频率特性设计方法、频率特性设计方法、频率特性设计方法、频率特性设计方法系统系统系统系统性能性能性能性能指标指标指标指标期望的期望的期望的期望的频率特频率特频率特频率特性性性性系统固系统固系统固系统固有部分有部分有部分有部分频率特频率特频率特频率特性性性性加入校加入校加入校加入校正装置正装置正装置正装置系统固系统固系统固系统固有部分有部分有部分有部分传递函传递函传递函传递函数数数数优点：优点：
36、优点：优点：1 1、开环频率特性图容易绘制、开环频率特性图容易绘制、开环频率特性图容易绘制、开环频率特性图容易绘制简便简便简便简便2 2、系统结构参数与系统性能关系清晰、系统结构参数与系统性能关系清晰、系统结构参数与系统性能关系清晰、系统结构参数与系统性能关系清晰直观直观直观直观本讲稿第三十六页，共八十四页二、设计依据和一般步骤二、设计依据和一般步骤二、设计依据和一般步骤二、设计依据和一般步骤（1 1）绘制固有部分的开环伯德图）绘制固有部分的开环伯德图）绘制固有部分的开环伯德图）绘制固有部分的开环伯德图（2 2）列出控制系统需要满足的性能指标）列出控制系统需要满足的性能指标）列出控制系统需要满
37、足的性能指标）列出控制系统需要满足的性能指标（3 3）校正后的开环伯德图（期望开环频率特性）校正后的开环伯德图（期望开环频率特性）校正后的开环伯德图（期望开环频率特性）校正后的开环伯德图（期望开环频率特性）（4 4）求出校正装置的伯德图）求出校正装置的伯德图）求出校正装置的伯德图）求出校正装置的伯德图（5 5）求出校正装置的传递函数）求出校正装置的传递函数）求出校正装置的传递函数）求出校正装置的传递函数（6 6）确定校正装置的结构和参数）确定校正装置的结构和参数）确定校正装置的结构和参数）确定校正装置的结构和参数本讲稿第三十七页，共八十四页三、频域性能指标的确定三、频域性能指标的确定三、频域性
38、能指标的确定三、频域性能指标的确定1 1 1 1、控制系统的暂态性能指标、控制系统的暂态性能指标、控制系统的暂态性能指标、控制系统的暂态性能指标(1)(1)(1)(1)以系统的单位阶跃响应为基础而提出的性能指标以系统的单位阶跃响应为基础而提出的性能指标以系统的单位阶跃响应为基础而提出的性能指标以系统的单位阶跃响应为基础而提出的性能指标 最大超调量最大超调量最大超调量最大超调量M M M Mp p p p、调节时间、调节时间、调节时间、调节时间t t t ts s s s(2)(2)(2)(2)以系统闭环频率特性为基础而提出的性能指标以系统闭环频率特性为基础而提出的性能指标以系统闭环频率特性为基
39、础而提出的性能指标以系统闭环频率特性为基础而提出的性能指标 谐振峰值谐振峰值谐振峰值谐振峰值M M M Mr r r r、谐振频率、谐振频率、谐振频率、谐振频率r r r r、带宽、带宽、带宽、带宽b b b b(3)(3)(3)(3)以系统开环频率特性为基础而提出的性能指标以系统开环频率特性为基础而提出的性能指标以系统开环频率特性为基础而提出的性能指标以系统开环频率特性为基础而提出的性能指标系统开环伯德图的剪切频率系统开环伯德图的剪切频率系统开环伯德图的剪切频率系统开环伯德图的剪切频率c c c c系统的增益裕度系统的增益裕度系统的增益裕度系统的增益裕度GMGMGMGM、相角裕度、相角裕度、
40、相角裕度、相角裕度 三组性能指标不是各自独立三组性能指标不是各自独立三组性能指标不是各自独立三组性能指标不是各自独立,可以混合使用可以混合使用可以混合使用可以混合使用,但不能互相矛盾但不能互相矛盾但不能互相矛盾但不能互相矛盾!本讲稿第三十八页，共八十四页2 2 2 2、控制系统的带宽频率的确定、控制系统的带宽频率的确定、控制系统的带宽频率的确定、控制系统的带宽频率的确定（1 1 1 1）信号复现能力和噪声干扰）信号复现能力和噪声干扰）信号复现能力和噪声干扰）信号复现能力和噪声干扰确定方法：确定方法：确定方法：确定方法：有用信号带宽有用信号带宽有用信号带宽有用信号带宽干扰信号带宽干扰信号带宽干扰
41、信号带宽干扰信号带宽需注意问题：需注意问题：需注意问题：需注意问题：s s s s和和和和n n n n靠得比较近时难以确定靠得比较近时难以确定靠得比较近时难以确定靠得比较近时难以确定（2 2 2 2）机械谐振频率的限制）机械谐振频率的限制）机械谐振频率的限制）机械谐振频率的限制考虑的主要问题：考虑的主要问题：考虑的主要问题：考虑的主要问题：尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。尽可能无失真地复现有用信号，减少干扰。考虑的主要问题：考虑的主要问题：考虑的主要问题：考虑的主要问题：避免激起机械振荡，甚至共振。避免激起机械
42、振荡，甚至共振。避免激起机械振荡，甚至共振。避免激起机械振荡，甚至共振。确定方法：确定方法：确定方法：确定方法：需注意问题：需注意问题：需注意问题：需注意问题：b b b b和和和和m m m m靠得比较近会降低相对稳定性靠得比较近会降低相对稳定性靠得比较近会降低相对稳定性靠得比较近会降低相对稳定性 开环伯德图的剪切频率开环伯德图的剪切频率开环伯德图的剪切频率开环伯德图的剪切频率c c c c和和和和m m m m距离尽可能远些距离尽可能远些距离尽可能远些距离尽可能远些本讲稿第三十九页，共八十四页（3 3）系统的数学模型）系统的数学模型）系统的数学模型）系统的数学模型将系统固有部分的数学模型在
43、一定条件下予以简化，用较为简将系统固有部分的数学模型在一定条件下予以简化，用较为简将系统固有部分的数学模型在一定条件下予以简化，用较为简将系统固有部分的数学模型在一定条件下予以简化，用较为简单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。单的低阶数学模型去近似和代替原系统模型。要求：选定的要求：选定的要求：选定的要求：选定的c c c c应在近似的数学模型的适用带宽内。应在近似的数学模型的适用带宽内。应在近似的数学模型的适用带宽内。应在近似的数学模型的适用带宽内。几种常见的近似和适用条件几种常见的近似和适用条件几种常见的近
44、似和适用条件几种常见的近似和适用条件本讲稿第四十页，共八十四页四、频率特性设计方法四、频率特性设计方法四、频率特性设计方法四、频率特性设计方法频率特性图可以频率特性图可以频率特性图可以频率特性图可以清楚表明系统改变性能指标的方向。清楚表明系统改变性能指标的方向。清楚表明系统改变性能指标的方向。清楚表明系统改变性能指标的方向。频域设计通常通过频域设计通常通过频域设计通常通过频域设计通常通过BodeBodeBodeBode图进行图进行图进行图进行处理起来十分简单。处理起来十分简单。处理起来十分简单。处理起来十分简单。（当采用串联校正时，使得校正后系统的（当采用串联校正时，使得校正后系统的（当采用串
45、联校正时，使得校正后系统的（当采用串联校正时，使得校正后系统的BodeBodeBodeBode图即为原有系统图即为原有系统图即为原有系统图即为原有系统BodeBodeBodeBode图和校正装置的图和校正装置的图和校正装置的图和校正装置的BodeBodeBodeBode图直接相加）图直接相加）图直接相加）图直接相加）对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气动对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气动对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气动对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气动元件，通常可以通过元件，通常可以通过元件，通常可以通过元件，通常可以通过频
46、率响应实验频率响应实验频率响应实验频率响应实验来获得其来获得其来获得其来获得其BodeBodeBodeBode图。图。图。图。在涉及到在涉及到在涉及到在涉及到高频噪声高频噪声高频噪声高频噪声时，频域法设计比其他方法更为方便。时，频域法设计比其他方法更为方便。时，频域法设计比其他方法更为方便。时，频域法设计比其他方法更为方便。本讲稿第四十一页，共八十四页低频段低频段低频段低频段 稳态性能稳态性能稳态性能稳态性能中频段中频段中频段中频段 动态性能动态性能动态性能动态性能高频段高频段高频段高频段 抗干扰抗干扰抗干扰抗干扰三频段三频段本讲稿第四十二页，共八十四页一个设计合理的系统的三频段一个设计合理的
47、系统的三频段中频段的斜率以中频段的斜率以20dB/dec20dB/dec20dB/dec20dB/dec为宜；为宜；为宜；为宜；低频段和高频段可以有更小的斜率低频段和高频段可以有更小的斜率 低频段斜率小，提高稳态性能；低频段斜率小，提高稳态性能；低频段斜率小，提高稳态性能；低频段斜率小，提高稳态性能；高频段斜率小，排除干扰。高频段斜率小，排除干扰。高频段斜率小，排除干扰。高频段斜率小，排除干扰。但中频段必须有足够的频带宽度，以保证系统的相位但中频段必须有足够的频带宽度，以保证系统的相位但中频段必须有足够的频带宽度，以保证系统的相位但中频段必须有足够的频带宽度，以保证系统的相位裕量。裕量。裕量。
48、裕量。c c c c的大小取决于系统的快速性要求。的大小取决于系统的快速性要求。的大小取决于系统的快速性要求。的大小取决于系统的快速性要求。c c大快速性好，但抗扰能力下降。大快速性好，但抗扰能力下降。本讲稿第四十三页，共八十四页六、校正装置的实现问题六、校正装置的实现问题六、校正装置的实现问题六、校正装置的实现问题、什么是实现问题、什么是实现问题、什么是实现问题、什么是实现问题传递函数传递函数传递函数传递函数实际电路或物理系统实际电路或物理系统实际电路或物理系统实际电路或物理系统、实现问题需要考虑的因素、实现问题需要考虑的因素、实现问题需要考虑的因素、实现问题需要考虑的因素技术因素技术因素技
49、术因素技术因素（实现的简便性、可靠性、稳定性、（实现的简便性、可靠性、稳定性、（实现的简便性、可靠性、稳定性、（实现的简便性、可靠性、稳定性、可维护性、体积大小、功耗等）可维护性、体积大小、功耗等）可维护性、体积大小、功耗等）可维护性、体积大小、功耗等）经济因素经济因素经济因素经济因素（实现成本、运行成本、维护成本）（实现成本、运行成本、维护成本）（实现成本、运行成本、维护成本）（实现成本、运行成本、维护成本）、实现问题存在的困难、实现问题存在的困难、实现问题存在的困难、实现问题存在的困难微分校正装置难以实现，且抗干扰能力差微分校正装置难以实现，且抗干扰能力差微分校正装置难以实现，且抗干扰能力
50、差微分校正装置难以实现，且抗干扰能力差七、非线性因素和干扰问题七、非线性因素和干扰问题七、非线性因素和干扰问题七、非线性因素和干扰问题本讲稿第四十四页，共八十四页6-5 串联校正的设计串联校正的设计基本思路：基本思路：基本思路：基本思路：通过校正装置的引入改变开环频率特性的形通过校正装置的引入改变开环频率特性的形通过校正装置的引入改变开环频率特性的形通过校正装置的引入改变开环频率特性的形状，使校正后系统的开环频率特性具有如下特点：状，使校正后系统的开环频率特性具有如下特点：状，使校正后系统的开环频率特性具有如下特点：状，使校正后系统的开环频率特性具有如下特点：低频低频段的增益满足稳态精度的要求