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1、第第1414章章 控制系统的设计仿真控制系统的设计仿真在现代机电一体化产品中，自动控制技术起着越来越重要在现代机电一体化产品中，自动控制技术起着越来越重要的作用。控制系统的设计仿真是保证自动控制技术指标的作用。控制系统的设计仿真是保证自动控制技术指标的重要手段。随着计算机的不断发展，的重要手段。随着计算机的不断发展，MATLAB以其强以其强有力的系统仿真功能，成为控制系统设计仿真不可或缺有力的系统仿真功能，成为控制系统设计仿真不可或缺的工具。本章主要介绍控制系统设计中的控制系统校正的工具。本章主要介绍控制系统设计中的控制系统校正环节，并分别介绍了校正器原理，控制系统校正器设计环节，并分别介绍了
2、校正器原理，控制系统校正器设计及仿真，控制系统校正器设计图形显示等内容，最后给及仿真，控制系统校正器设计图形显示等内容，最后给出了综合应用实例。出了综合应用实例。14.1 14.1 控制系统校正器原理控制系统校正器原理控制系统的校正是控制系统设计的必要环节，校正方法是控制系统的校正是控制系统设计的必要环节，校正方法是在系统中加入一些参数可以调节的环节或装置（校正环在系统中加入一些参数可以调节的环节或装置（校正环节或装置），以使系统特性发生变化，从而满足给定的节或装置），以使系统特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。校正方法主要包括串联校正、反馈校正各项性能指标。校正方法主要包括串联校正、反
3、馈校正和复合校正等。和复合校正等。14.1.1 14.1.1 串联校正串联校正串联校正是指，以满足稳态误差、开环系统截止频率和相串联校正是指，以满足稳态误差、开环系统截止频率和相交裕度等要求为出发点，将校正器与控制系统的不可变交裕度等要求为出发点，将校正器与控制系统的不可变部分串联起来，通过对校正器的设计，实现完善控制系部分串联起来，通过对校正器的设计，实现完善控制系统性能的校正方法。其特点是校正器与系统不可变部分统性能的校正方法。其特点是校正器与系统不可变部分是采用串联的关系进行相连。是采用串联的关系进行相连。14.1.2 14.1.2 反馈校正反馈校正在系统的校正过程中，除了串联校正方式外
4、，还有一种类在系统的校正过程中，除了串联校正方式外，还有一种类型叫做反馈校正的校正。通过反馈校正也可以改善控制型叫做反馈校正的校正。通过反馈校正也可以改善控制系统性能。反馈校正也是一种比较常用的校正方法。系系统性能。反馈校正也是一种比较常用的校正方法。系统采用该校正方法后，不仅可以得到与串联校正相同的统采用该校正方法后，不仅可以得到与串联校正相同的校正结果，还可以改善系统的某些特殊功能。反馈校正校正结果，还可以改善系统的某些特殊功能。反馈校正控制系统如图所示，图中为反馈校正器。控制系统如图所示，图中为反馈校正器。14.1.3 14.1.3 复合校正复合校正复合校正是指，采用将前馈控制和反馈控制
5、有机的结合起复合校正是指，采用将前馈控制和反馈控制有机的结合起来的校正方法。串联校正和反馈校正是控制系统工程中来的校正方法。串联校正和反馈校正是控制系统工程中常见的两种校正方法，在一定程度上可以使已校正系统常见的两种校正方法，在一定程度上可以使已校正系统满足给定的性能指标要求。然而对于控制系统中存在强满足给定的性能指标要求。然而对于控制系统中存在强扰动，特别是低频扰动，或者系统的稳态精度和相应速扰动，特别是低频扰动，或者系统的稳态精度和相应速度要求很高的情况，一般的串联校正和反馈校正方法都度要求很高的情况，一般的串联校正和反馈校正方法都无法满足要求。而在工程实践中，有着这样高要求的控无法满足要
6、求。而在工程实践中，有着这样高要求的控制系统的应用非常广泛，采用复合控制校正的方法可以制系统的应用非常广泛，采用复合控制校正的方法可以很好地满足要求。很好地满足要求。14.2 14.2 控制系统校正器设计和仿真控制系统校正器设计和仿真在设计控制系统的过程中，为了使控制系统能够满足一定在设计控制系统的过程中，为了使控制系统能够满足一定的性能指标，常常引入一些被称之为校正装置附加装置。的性能指标，常常引入一些被称之为校正装置附加装置。校正装置设计的好坏将直接影响控制系统的稳定性、收校正装置设计的好坏将直接影响控制系统的稳定性、收敛性、精确性以及灵活性。设计校正器装置不仅要满足敛性、精确性以及灵活性
7、。设计校正器装置不仅要满足理论模型要求，还需要遵循一些原则理论模型要求，还需要遵循一些原则14.2.1 14.2.1 超前校正设计超前校正设计超前校正设主要有两种方法。即基于频率响应的超前校正超前校正设主要有两种方法。即基于频率响应的超前校正设计方法和基于根轨迹的超前校正设计方法。两种方法设计方法和基于根轨迹的超前校正设计方法。两种方法在在MATLAB中都能够很好的得到支持，本章中主要介绍中都能够很好的得到支持，本章中主要介绍针对基于频率响应的校正设计方法。针对基于频率响应的校正设计方法。14.2.2 14.2.2 滞后校正设计滞后校正设计1.基于频率响应的滞后校正设计的过程基于频率响应的滞后
8、校正设计的过程2.滞后校正在滞后校正在MATLAB中实例中实例14.2.3 14.2.3 滞后滞后超前校正设计超前校正设计1.基于频率响应的滞后基于频率响应的滞后-超前校正设计过程超前校正设计过程2.滞后滞后 超前校正使用超前校正使用MATLAB的实例的实例14.2.4 PID14.2.4 PID校正器校正器1.什么是什么是PID校正器校正器2.PID控制器在控制器在MATLAB中的实现中的实现14.3 14.3 基于基于VC+VC+和和MATLABMATLAB的控制系统校正器设的控制系统校正器设计计本节给出利用本节给出利用VC+和和MATLAB的在控制系统校正器设计的在控制系统校正器设计中的
9、应用的实例，控制系统模型输入、校正器参数设定中的应用的实例，控制系统模型输入、校正器参数设定以及分析输入界面使用以及分析输入界面使用VC+软件进行设计，控制系统软件进行设计，控制系统的模型构建和分析则由的模型构建和分析则由VC+调用调用MATLAB完成。完成。14.3.1 14.3.1 控制系统校正器的实现方式控制系统校正器的实现方式1.VC+和和MATLAB混合编程在控制系统中应用的连接方混合编程在控制系统中应用的连接方法法2.VC+和和MATLAB混合编程在控制系统中混合编程原则混合编程在控制系统中混合编程原则14.3.2 14.3.2 控制系统分析界面设计控制系统分析界面设计（1 1）新
10、建一个）新建一个MFC AppWizard(exe)MFC AppWizard(exe)项目，并命名为项目，并命名为test01test01；在弹出对话框中选择；在弹出对话框中选择Single documentSingle document选项完成新建。选项完成新建。（2 2）进入）进入VC+VC+的界面设计环境，在界面设计环境的的界面设计环境，在界面设计环境的MenuMenu（菜单）界面设置的主菜单中分别添加（菜单）界面设置的主菜单中分别添加“滞后校正滞后校正”、“超前校正超前校正”、“超前超前滞后校正滞后校正”、“PID“PID校正校正”四四个菜单项，如图所示。个菜单项，如图所示。14.3
11、.3 14.3.3 代码实现代码实现控制系统校正器的设计按照其校正方法分为超前校正、滞控制系统校正器的设计按照其校正方法分为超前校正、滞后校正、超前后校正、超前滞后校正以及滞后校正以及PID校正器设计。本例处校正器设计。本例处理包含理包含13章中控制系统的输入输出以及单位阶跃响应分章中控制系统的输入输出以及单位阶跃响应分析以外，还包含控制系统校正器各个主要参数的设置，析以外，还包含控制系统校正器各个主要参数的设置，以及校正结果的对比分析。以及校正结果的对比分析。14.3.4 14.3.4 运行结果运行结果运行设计完成的校正器设计应用程序，对程序运行结果进运行设计完成的校正器设计应用程序，对程序运行结果进行检验。行检验。