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1、第六章系统校正第1页，共43页，编辑于2022年，星期三一、系统的性能指标一、系统的性能指标1.1.1.1.时域性能指标时域性能指标时域性能指标时域性能指标3.3.3.3.综合性能指标综合性能指标综合性能指标综合性能指标 (系统性能的综合测度系统性能的综合测度系统性能的综合测度系统性能的综合测度)2.2.2.2.频域性能指标频域性能指标频域性能指标频域性能指标瞬态性能指标瞬态性能指标瞬态性能指标瞬态性能指标 稳态性能指标稳态性能指标稳态性能指标稳态性能指标 （稳态误差）（稳态误差）（稳态误差）（稳态误差）延迟时间延迟时间延迟时间延迟时间t td d ；上升时间上升时间上升时间上升时间t tr
2、r ；峰值时间峰值时间峰值时间峰值时间t tP P ；最大超调量最大超调量最大超调量最大超调量MMP P；调整时间调整时间调整时间调整时间t tS S(或过渡过程时间或过渡过程时间或过渡过程时间或过渡过程时间)相位裕度相位裕度相位裕度相位裕度 ；增益增益增益增益(或幅值或幅值或幅值或幅值)裕度裕度裕度裕度K Kg g；复现频率复现频率复现频率复现频率 mm及复现带宽及复现带宽及复现带宽及复现带宽0 0 0 0 mm ；谐振频率谐振频率谐振频率谐振频率 r r及谐振峰值及谐振峰值及谐振峰值及谐振峰值MMr r ；截止频率截止频率截止频率截止频率 b b及截止带宽及截止带宽及截止带宽及截止带宽(简
3、称带宽简称带宽简称带宽简称带宽)0)0)0)0 b b 。误差积分性能指标误差积分性能指标误差积分性能指标误差积分性能指标误差平方积分性能指标误差平方积分性能指标误差平方积分性能指标误差平方积分性能指标广义误差平方积分性能指标广义误差平方积分性能指标广义误差平方积分性能指标广义误差平方积分性能指标第2页，共43页，编辑于2022年，星期三1.1.校正的概念校正的概念二、系统的校正二、系统的校正放大放大放大放大执行执行执行执行被控对象被控对象被控对象被控对象测量测量测量测量KK（可调）（可调）（可调）（可调）惟有增益惟有增益惟有增益惟有增益KK可可可可调调调调KK ，稳态误差，稳态误差，稳态误差
4、，稳态误差，响应加快，但稳定性下降；，响应加快，但稳定性下降；，响应加快，但稳定性下降；，响应加快，但稳定性下降；仅靠增益调整一般难以同时满足所有的性能指标仅靠增益调整一般难以同时满足所有的性能指标仅靠增益调整一般难以同时满足所有的性能指标仅靠增益调整一般难以同时满足所有的性能指标第3页，共43页，编辑于2022年，星期三1.1.校正的概念校正的概念二、系统的校正二、系统的校正 原系统（原系统（原系统（原系统（P=0P=0）不稳定不稳定不稳定不稳定 减小减小减小减小K K稳定，但对稳态性能不利稳定，但对稳态性能不利稳定，但对稳态性能不利稳定，但对稳态性能不利 加入新环节（改变系统的频率特性曲线
5、）加入新环节（改变系统的频率特性曲线）加入新环节（改变系统的频率特性曲线）加入新环节（改变系统的频率特性曲线）稳定，但不改变稳态性能稳定，但不改变稳态性能稳定，但不改变稳态性能稳定，但不改变稳态性能第4页，共43页，编辑于2022年，星期三1.1.校正的概念校正的概念二、系统的校正二、系统的校正 原系统（原系统（P=0P=0）稳定，但相位裕度小，调整时间长稳定，但相位裕度小，调整时间长减小减小K K，不改变，不改变，不改变，不改变相位裕度相位裕度相位裕度相位裕度 加入新环节加入新环节加入新环节加入新环节产生正的相移，提高相位裕度产生正的相移，提高相位裕度产生正的相移，提高相位裕度产生正的相移，
6、提高相位裕度第5页，共43页，编辑于2022年，星期三1.1.校正的概念校正的概念二、系统的校正二、系统的校正校正（补偿）：校正（补偿）：在系统中增加新的环节，以改善系在系统中增加新的环节，以改善系在系统中增加新的环节，以改善系在系统中增加新的环节，以改善系统的性能统的性能统的性能统的性能在提高某些性能指标的同时，能保证其它性能指标在提高某些性能指标的同时，能保证其它性能指标满足要求；满足要求；第6页，共43页，编辑于2022年，星期三2.2.校正的分类校正的分类二、系统的校正二、系统的校正串联校正串联校正串联校正串联校正：增益调整；增益调整；增益调整；增益调整；相位超前；相位超前；相位超前；
7、相位超前；相位滞后；相位滞后；相位滞后；相位滞后；相位超前相位超前相位超前相位超前滞后滞后滞后滞后校正装置第7页，共43页，编辑于2022年，星期三校正装置反馈校正反馈校正反馈校正反馈校正顺馈校正顺馈校正顺馈校正顺馈校正复合控制复合控制复合控制复合控制第8页，共43页，编辑于2022年，星期三1.1.相位超前校正相位超前校正使某频段的相位增加使某频段的相位增加三、串联校正三、串联校正dBdB 9090180180dBdB 9090180180270270不稳定不稳定不稳定不稳定稳定，相位裕度不够稳定，相位裕度不够稳定，相位裕度不够稳定，相位裕度不够第9页，共43页，编辑于2022年，星期三1.
8、1.相位超前校正相位超前校正传递函数传递函数：频率特性频率特性频率特性频率特性：Gc(j)=(j)=arctgT-arctg T 0 第10页，共43页，编辑于2022年，星期三第11页，共43页，编辑于2022年，星期三1.1.相位超前校正相位超前校正BodeBodeBodeBode图图图图：由：由：由：由：最大相移处的频率最大相移处的频率最大相移处的频率最大相移处的频率显然显然显然显然（位于两个转折频率的对数中点，即（位于两个转折频率的对数中点，即（位于两个转折频率的对数中点，即（位于两个转折频率的对数中点，即BodeBodeBodeBode图上的几何中点）图上的几何中点）图上的几何中点）
9、图上的几何中点）最大相移：最大相移：最大相移：最大相移：第12页，共43页，编辑于2022年，星期三第13页，共43页，编辑于2022年，星期三第14页，共43页，编辑于2022年，星期三用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤：用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤：根据稳态误差的要求，确定开环增益根据稳态误差的要求，确定开环增益根据稳态误差的要求，确定开环增益根据稳态误差的要求，确定开环增益K。确定开环增益确定开环增益K后，画出未校正系统的波德图，计后，画出未校正系统的波德图，计算未校正系统的相角裕度。算未校正系统的相角裕度。由给定的相位裕量值由给定的相位裕量值由给定的相位裕量值由给定的
10、相位裕量值 计算超前校正装置提供的相位超计算超前校正装置提供的相位超计算超前校正装置提供的相位超计算超前校正装置提供的相位超前量前量前量前量是用于补偿因超前校正装置的引入，使系统截止频率增是用于补偿因超前校正装置的引入，使系统截止频率增大而增加的相角大而增加的相角滞后量滞后量。第15页，共43页，编辑于2022年，星期三算出a的值。按根据所确定的最大相位超前角根据所确定的最大相位超前角计算校正后系统的开环截止频率计算校正后系统的开环截止频率由未校正系统的对数幅频特性曲线，求得其幅值为由未校正系统的对数幅频特性曲线，求得其幅值为-10lg1/a10lg1/a处的频率，该频率就是校正后系统的开环处
11、的频率，该频率就是校正后系统的开环截止截止频率频率,即即而而第16页，共43页，编辑于2022年，星期三确定校正网络的转折频率确定校正网络的转折频率验算相位裕度是否满足要求？如果不满足，则需增验算相位裕度是否满足要求？如果不满足，则需增大大 值，从第值，从第步开始重新进行计算。步开始重新进行计算。画出校正后系统的波德图并验算画出校正后系统的波德图并验算第17页，共43页，编辑于2022年，星期三确定开环增益K稳态误差的要求画出未校正系统的波德图,并求求未校正系统幅值为-10lg1/a处的频率满足要求？结束YN第18页，共43页，编辑于2022年，星期三相位超前校正设计举例相位超前校正设计举例稳
12、态性能指标：稳态性能指标：稳态性能指标：稳态性能指标：单位恒速输入时的稳态误差单位恒速输入时的稳态误差单位恒速输入时的稳态误差单位恒速输入时的稳态误差e essss0.050.050.050.05；频域性能指标频域性能指标频域性能指标频域性能指标：相位裕度：相位裕度：相位裕度：相位裕度 50505050，增益裕度，增益裕度，增益裕度，增益裕度20202020lgKlgKg g10dB10dB。性能要求性能要求性能要求性能要求：要求的开环增益要求的开环增益要求的开环增益要求的开环增益：未加校正时的频率特性未加校正时的频率特性未加校正时的频率特性未加校正时的频率特性：系统稳定，且系统稳定，且系统稳
13、定，且系统稳定，且增益裕度增益裕度增益裕度增益裕度10dB10dB，但，但，但，但相位裕度相位裕度相位裕度相位裕度 50505050，不满足性能要，不满足性能要，不满足性能要，不满足性能要求。求。求。求。第19页，共43页，编辑于2022年，星期三相位超前校正设计举例相位超前校正设计举例需增加的相位超前量需增加的相位超前量需增加的相位超前量需增加的相位超前量：mm505017175538 38 由：由：由：由：得到对应的得到对应的得到对应的得到对应的值约为值约为值约为值约为0.240.240.240.24 以校正环节在以校正环节在以校正环节在以校正环节在 m m m m点作为校正后的幅点作为校
14、正后的幅点作为校正后的幅点作为校正后的幅值穿越频率值穿越频率值穿越频率值穿越频率:加入校正环节后，新的剪切频率应为加入校正环节后，新的剪切频率应为加入校正环节后，新的剪切频率应为加入校正环节后，新的剪切频率应为 c c9s9s-1-1 故有：故有：故有：故有：T=0.23 sT=0.23 s；TT0.055 s 0.055 s 第20页，共43页，编辑于2022年，星期三相位超前校正设计举例相位超前校正设计举例校正环节的频率特性校正环节的频率特性校正环节的频率特性校正环节的频率特性：原开环增益应调整为原开环增益应调整为原开环增益应调整为原开环增益应调整为：校正后系统的开环传递函数校正后系统的开
15、环传递函数校正后系统的开环传递函数校正后系统的开环传递函数：增大相位裕度，增大带宽，加增大相位裕度，增大带宽，加增大相位裕度，增大带宽，加增大相位裕度，增大带宽，加快响应速度快响应速度快响应速度快响应速度第21页，共43页，编辑于2022年，星期三基于上述分析，可知串联超前校正有如下特点：基于上述分析，可知串联超前校正有如下特点：这种校正主要对未校正系统中频段进行校正，使校正后这种校正主要对未校正系统中频段进行校正，使校正后中频段幅值的斜率为中频段幅值的斜率为-20dB/dec，且有足够大的相位裕，且有足够大的相位裕量。量。超前校正会使系统瞬态响应的速度变快。由例超前校正会使系统瞬态响应的速度
16、变快。由例6-1知，知，校正后系统的截止频率由未校正前的校正后系统的截止频率由未校正前的6.3增大到增大到9。这表明。这表明校正后，系统的频带变宽，瞬态响应速度变快；但系统抗校正后，系统的频带变宽，瞬态响应速度变快；但系统抗高频噪声的能力变差。对此，在校正装置设计时必须注意。高频噪声的能力变差。对此，在校正装置设计时必须注意。超前校正一般虽能较有效地改善动态性能，但未校正系统超前校正一般虽能较有效地改善动态性能，但未校正系统的相频特性在截止频率附近急剧下降时，若用单级超前校正的相频特性在截止频率附近急剧下降时，若用单级超前校正网络去校正，收效不大。网络去校正，收效不大。第22页，共43页，编辑
17、于2022年，星期三无源滞后网络10-1100101102-20-15-10-5010-1100101102-60-50-40-30-20-100-20dB/dec2.2.相位滞后校正相位滞后校正使某频段的相位滞后使某频段的相位滞后第23页，共43页，编辑于2022年，星期三串联滞后校正串联滞后校正(基于频率响应法基于频率响应法基于频率响应法基于频率响应法)滞后校正是利用它的负斜率段使被校正系统高频段的幅值衰滞后校正是利用它的负斜率段使被校正系统高频段的幅值衰减，剪切频率左移，从而获得充分的相位裕度。减，剪切频率左移，从而获得充分的相位裕度。相位滞后校正用于系统响应速度要求不高而抗噪声性能要相
18、位滞后校正用于系统响应速度要求不高而抗噪声性能要求较高的情况。求较高的情况。如果未校正系统具有满意的动态性能，而其稳态性能指标不能如果未校正系统具有满意的动态性能，而其稳态性能指标不能满足要求时，往往还允许适当提高系统的开环增益，进一步改满足要求时，往往还允许适当提高系统的开环增益，进一步改善系统的稳态性能善系统的稳态性能第24页，共43页，编辑于2022年，星期三dBdB 9090180180dBdB 9090180180第25页，共43页，编辑于2022年，星期三 滞后校正虽然能改善系统的静态精度，但它滞后校正虽然能改善系统的静态精度，但它促使系统的频带变窄，瞬态响应速度变慢。促使系统的频
19、带变窄，瞬态响应速度变慢。如果要求校正后的系统既有快速的瞬态响应，如果要求校正后的系统既有快速的瞬态响应，又有高的静态精度，则应采用滞后又有高的静态精度，则应采用滞后-超前校正。超前校正。第26页，共43页，编辑于2022年，星期三3.3.相位滞后相位滞后-超前校正超前校正第27页，共43页，编辑于2022年，星期三第28页，共43页，编辑于2022年，星期三实际控制系统中广泛采用无源网络进行串联校正，但在放大器级间实际控制系统中广泛采用无源网络进行串联校正，但在放大器级间实际控制系统中广泛采用无源网络进行串联校正，但在放大器级间实际控制系统中广泛采用无源网络进行串联校正，但在放大器级间接入无
20、源校正网络后，由于负载效应问题，有时难以实现希望的规接入无源校正网络后，由于负载效应问题，有时难以实现希望的规接入无源校正网络后，由于负载效应问题，有时难以实现希望的规接入无源校正网络后，由于负载效应问题，有时难以实现希望的规律。此外，复杂网络的设计和调整也不方便。因此，需要采用有源律。此外，复杂网络的设计和调整也不方便。因此，需要采用有源律。此外，复杂网络的设计和调整也不方便。因此，需要采用有源律。此外，复杂网络的设计和调整也不方便。因此，需要采用有源校正装置。校正装置。校正装置。校正装置。有源校正环节一般是由运算放大器和电阻、电容组成的反馈网络联有源校正环节一般是由运算放大器和电阻、电容组
21、成的反馈网络联有源校正环节一般是由运算放大器和电阻、电容组成的反馈网络联有源校正环节一般是由运算放大器和电阻、电容组成的反馈网络联接而成，常被称为调节器。接而成，常被称为调节器。接而成，常被称为调节器。接而成，常被称为调节器。PIDPID调节器是应用最为广泛的一种调节器，已形成典型结构，参数整调节器是应用最为广泛的一种调节器，已形成典型结构，参数整调节器是应用最为广泛的一种调节器，已形成典型结构，参数整调节器是应用最为广泛的一种调节器，已形成典型结构，参数整定方便，结构灵活（定方便，结构灵活（定方便，结构灵活（定方便，结构灵活（P P、PDPD、PIPI、PIDPID）四、四、四、四、PIDP
22、ID校正（有源校正网络）校正（有源校正网络）校正（有源校正网络）校正（有源校正网络）第29页，共43页，编辑于2022年，星期三 基本控制规律基本控制规律基本控制规律基本控制规律（1）比例（）比例（P）控制规律）控制规律P控制器提高系统开环增益，减小系统稳态误差，但会降低系统提高系统开环增益，减小系统稳态误差，但会降低系统的相对稳定性。的相对稳定性。第30页，共43页，编辑于2022年，星期三PD控制器（2）比例）比例-微分（微分（PD）控制规律）控制规律PDPD控制规律中的微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，控制规律中的微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，控制规律中的微分控制规律能反映输
23、入信号的变化趋势，控制规律中的微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。在串联校正时，可使系统增加一个开环零善系统的稳定性。在串联校正时，可使系统增加一个开环零善系统的稳定性。在串联校正时，可使系统增加一个开环零善系统的稳定性。在串联校正时，可使系统增加一个开环零点，使系统的相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改点，使系统的相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改点，使系统的
24、相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改点，使系统的相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改善。善。善。善。第31页，共43页，编辑于2022年，星期三在串联校正中，采用在串联校正中，采用在串联校正中，采用在串联校正中，采用I I控制器可以提高系统的型别（无差度），有利提控制器可以提高系统的型别（无差度），有利提控制器可以提高系统的型别（无差度），有利提控制器可以提高系统的型别（无差度），有利提高系统稳态性能，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，使信号产高系统稳态性能，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，使信号产高系统稳态性能，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，使信号产高系统稳态
25、性能，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生生生生 的相角滞后，于系统的稳定不利。的相角滞后，于系统的稳定不利。的相角滞后，于系统的稳定不利。的相角滞后，于系统的稳定不利。具有积分（具有积分（具有积分（具有积分（I I）控制规律的控制器，）控制规律的控制器，）控制规律的控制器，）控制规律的控制器，称为称为称为称为I控制器。控制器。（3）积分（）积分（I）控制规律）控制规律I控制器控制器 不宜采用单一的不宜采用单一的不宜采用单一的不宜采用单一的I控制器。控制器。第32页，共43页，编辑于2022年，星期三具有积分比例具有积分比例-积分控制规律的积分控制规律的控制器，称为控制器，称为P
26、I控制器。控制器。PIPI控制器控制器控制器控制器（4）比例）比例-积分（积分（PI）控制规律）控制规律加入加入加入加入PIPI控制器可提高型别，减小稳态误差控制器可提高型别，减小稳态误差,但相位裕量但相位裕量有所减小。有所减小。PIPIPIPI控制器主要用来改善控制系统的稳态性控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。能。第33页，共43页，编辑于2022年，星期三（5）PID 控制规律控制规律具有比例具有比例-积分积分积分积分-微分控制规律的微分控制规律的微分控制规律的微分控制规律的控制器，称为控制器，称为控制器，称为控制器，称为PID控制器。控制器。控制器。控制器。PID控制器微分控制能够预
27、测偏差微分控制能够预测偏差,产生超前校正作用产生超前校正作用,有有助于减小超调量增加稳定性助于减小超调量增加稳定性加大加大KP可以减小系统的稳态误差可以减小系统的稳态误差可以减小系统的稳态误差可以减小系统的稳态误差,提高响应速度提高响应速度提高响应速度提高响应速度加上积分控制增加一个极点，提高型别，可消除稳加上积分控制增加一个极点，提高型别，可消除稳加上积分控制增加一个极点，提高型别，可消除稳加上积分控制增加一个极点，提高型别，可消除稳态误差态误差态误差态误差,提高稳态性能提高稳态性能提高稳态性能提高稳态性能第34页，共43页，编辑于2022年，星期三例例:某单位反馈系统开环传递函数为某单位反
28、馈系统开环传递函数为 试设计试设计PID校正器校正器.PID传递函数表达式为：选择合适的选择合适的PID的参数的参数Td、Ti、Kp，可以使控制系统性能达到最优。，可以使控制系统性能达到最优。第35页，共43页，编辑于2022年，星期三第36页，共43页，编辑于2022年，星期三五、反馈校正五、反馈校正五、反馈校正五、反馈校正Gc(s)=K 位置反馈位置反馈Gc(s)=Ks 速度反馈速度反馈Gc(s)=ks2 加速度反馈加速度反馈从系统某一环节的输出中取出信号，经过校正网络加从系统某一环节的输出中取出信号，经过校正网络加到该环节前面某一环节的输入端，与哪里的输入信号到该环节前面某一环节的输入端
29、，与哪里的输入信号叠加，从而改变信号的变化规律，实现对系统校正的叠加，从而改变信号的变化规律，实现对系统校正的目的。目的。第37页，共43页，编辑于2022年，星期三-利用局部反馈校正改变局部结构参数利用局部反馈校正改变局部结构参数第38页，共43页，编辑于2022年，星期三-第39页，共43页，编辑于2022年，星期三-第40页，共43页，编辑于2022年，星期三六、顺馈校正六、顺馈校正六、顺馈校正六、顺馈校正若要求系统输出量复现输入量若要求系统输出量复现输入量,则其误则其误差象函数为差象函数为:若若则则 E(s)=0顺馈校正不影响系统的稳定性顺馈校正不影响系统的稳定性,校正装置设在系统回路之外，校正装置设在系统回路之外，因此可以先设计系统的回路，保证具有较好的动态性能，因此可以先设计系统的回路，保证具有较好的动态性能，然后再设计校正装置，然后再设计校正装置，以提高稳态精度。以提高稳态精度。第41页，共43页，编辑于2022年，星期三总之，在控制系统中，串联校正和并联校正都得到广泛应总之，在控制系统中，串联校正和并联校正都得到广泛应用。用。校正元件的物理结构有电气的、机械的、液动的、气动校正元件的物理结构有电气的、机械的、液动的、气动的或它们的混合形式。的或它们的混合形式。第42页，共43页，编辑于2022年，星期三结束！第43页，共43页，编辑于2022年，星期三