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1、第五章第五章 控制系统的校正控制系统的校正 p137p1371第一节第一节 概述概述n一、定义：一、定义：在在原原有有系系统统中中，有有目目的的的的增增添添一一些些装装置置和和元元件件，人人为为地地改改变变系系统统的的结结构构和和性性能能，使使之之满满足足所所需需要要的的性性能能 指指 标标，这这 种种 方方 法法 称称 为为“系系 统统 校校 正正”（system system compensation)compensation)。增增添添的的装装置置和和元元件件称称为为校校正正装装置置和和校校正正元件。元件。n二、校正方式二、校正方式 根根据据校校正正装装置置在在控控制制系系统统中中的的位
2、位置置，最最基基本本的的校校正正方式有两种，即方式有两种，即串联校正和反馈校正串联校正和反馈校正（也称并联校正）。（也称并联校正）。21 1、串联校正方式、串联校正方式n将校正装置串联在反馈控制系统的前向通道中。将校正装置串联在反馈控制系统的前向通道中。n校正装置的作用：校正装置的作用：实现各种控制规律实现各种控制规律，以改善控，以改善控制系统的性能，因此常称为制系统的性能，因此常称为控制器控制器。+-Xi()sGc()sH(s)Xo()sG()s2校正环节校正环节3 根根据据所所起起的的作作用用不不同同，串串联联校校正正装装置置可分为：可分为：n 相位超前校正装置n 相位滞后校正装置n 相位
3、滞后-超前校正装置42 2、反馈校正方式、反馈校正方式n将校正装置接于局部反馈通道中构成。将校正装置接于局部反馈通道中构成。n优点：优点：可大大提高系统的相对稳定性，有效削可大大提高系统的相对稳定性，有效削弱非线性因素的不良影响，降低系统对参数变弱非线性因素的不良影响，降低系统对参数变化的敏感度，显著改善系统抑制扰动的能力。化的敏感度，显著改善系统抑制扰动的能力。+-Xi()sXo()s+G1()sG()s2 G()scG()s3-G()s2*校正环节校正环节5三、校正装置三、校正装置n分类分类 根根据据动动力力源源和和信信号号性性质质不不同同，校校正正装装置置分分为为电电气气的的、气气动动的
4、的、液液压压的的以以及及机机械械的的等等，其其中应用最广泛的是中应用最广泛的是电气校正网络电气校正网络。根根据据电电气气校校正正装装置置是是否否使使用用电电源源，其其又又可可分为以下两种：分为以下两种：61 1、无源校正装置、无源校正装置n 构成：由构成：由电阻和电容电阻和电容组成的两端口网络。组成的两端口网络。n 特点：特点：无无需需外外供供电电源源，线线路路简简单单，组组合合方方便便，成成本本 低低。但但本本身身没没有有增增益益，且且输输入入阻阻抗抗低低，输输出出阻阻抗抗高。高。72 2、有源校正装置、有源校正装置n 构成：由构成：由运算放大器运算放大器和和无源网络无源网络组成。组成。n
5、特点：特点：输输入入阻阻抗抗高高，输输出出阻阻抗抗低低；可可以以提提供供所所需需要要的的增益；设计、参数调整方便，使用灵活等。增益；设计、参数调整方便，使用灵活等。8第二节第二节 PID控制控制PID控控制制，即即比比例例、积积分分和和微微分分控控制制的的简简称称。即即：Proportional-Proportional-Integral-Differential ControlIntegral-Differential Control 在在当当今今应应用用的的工工业业控控制制器器中中，半半数数以以上上采采用用了了PIDPID或或变变形形PIDPID控控制制方方案案。PIDPID控控制制器器分
6、分为为模模拟拟和和数数字字控控制制器器两两种种。模模拟拟PIDPID控控制制器器通通常常是是电电子子、气气动动或或液液压压型型的的，数数字字PIDPID控控制制器器是是由由计算机实现的。计算机实现的。大大多多数数PIDPID控控制制器器的的参参数数是是现现场场调调节节的的。PID控控制制的的价价值值在在于于它它对对于于大大多多数数控控制制系系统统的的广广泛泛适适应应性性，虽虽然然在在许许多多给给定定的的情情况下还不能提供最佳控制。况下还不能提供最佳控制。9 下图表示了一种控制对象的PID控制。它是串联在系统的前向通道中的，这是一种最常见的形式。PID控制器的时域表达式为：式中，u(t)是PID
7、控制器的输出信号，e(t)是PID控制器的输入信号，也就是系统的误差信号。kp称为比例系数，Ti、Td分别称为积分和微分时间常数。-PID控制器控制对象 PID控制器又称为比例-积分-微分控制器。10 上页所示的PID表达式(6.1)即是通常所说的常规PID控制器。常规PID控制器可以采用多种形式进行工作。主要有以下几种,分别称为：q 比例控制器：q 比例-积分控制器：q 比例-微分控制器：q 比例-积分-微分控制器：在某些特殊的情况下，PID控制器可以进行适当的变形，以适应系统控制的要求。这些控制器称为变形的PID控制器。比如，积分分离PID控制器，变速PID控制器，微分先行PID控制器，抗
8、饱和PID控制器，Fuzzy PID控制器等形式。11v PID控制器的传递函数如下：v PID控制器的结构图如下：-控制对象v 将PID控制器应用于控制系统实例：12 PID控制器每一部分对控制系统的作用：q 比例部分：增加比例系数可加快系统的响应速度，减小稳态 误差；但比例系数太大会影响系统的稳定性。q 积分部分：积分时间常数越小，积分作用越强。积分控制作用可以消除系统的稳态误差；但积分作用太大，会使系统的稳定性下降。q 微分部分：微分时间常数越大，微分作用越强。微分作用能够反映反映误差信号的变化速度。变化速度越大，微分作用越强，从而有助于减小振荡，增加系统的稳定性。但是。微分作用对高频误
9、差信号（不管幅值大小）很敏感。如果系统存在高频小幅值的噪音，则它形成的微分作用可能会很大，这是不希望出现的。13第三节第三节 串联校正串联校正一、比例校正一、比例校正R(s)C(s)_kcGcG1降低增益降低增益k后：后：1 1、相对稳定性改善；、相对稳定性改善；2 2、穿越频率、穿越频率c c降低，降低，ts增大，系统快速性变差；增大，系统快速性变差；3 3、稳态误差增大，系统稳态精度降低、稳态误差增大，系统稳态精度降低。14二、比例二、比例-微分微分(PD)校正（相位超前校正）校正（相位超前校正）R(s)_GcC(s)G1PDPD校正后：校正后：1 1、相对稳定性提高；、相对稳定性提高；2
10、 2、穿越频率增大，系统的快速性提高；、穿越频率增大，系统的快速性提高；3 3、系统的高频增益增大，易引入高频干扰；、系统的高频增益增大，易引入高频干扰；4 4、对稳态精度不产生直接影响。、对稳态精度不产生直接影响。15三、比例三、比例-积分积分(PI)校正（相位滞后校正）校正（相位滞后校正）PI校正后：校正后：1 1、低频段、低频段0 0型型 I型，系统稳态性能提高；型，系统稳态性能提高；2 2、中频段，系统的相对稳定性变差；、中频段，系统的相对稳定性变差；3 3、高频段，校正前后对系统的性能影响不大。、高频段，校正前后对系统的性能影响不大。R(s)_GcC(s)G116第三节第三节 反馈校
11、正反馈校正一、特点一、特点 n 改变反馈所包围环节的动态结构和参数，消除所包围改变反馈所包围环节的动态结构和参数，消除所包围环节的参数波动对系统性能的影响。环节的参数波动对系统性能的影响。n 取代特性不好的局部结构。取代特性不好的局部结构。设设局部环节传函局部环节传函如下：如下：+-Xi()sXo()s+G1()sG()s2 G()scG()s3-G()s2*校正环节校正环节17在一定频率范围内，选择在一定频率范围内，选择所以所以 的影响可以忽略，即局部回路的特性的影响可以忽略，即局部回路的特性完全取决于完全取决于 。则有：则有：18二、反馈校正的形式二、反馈校正的形式位置反馈（比例反馈）：位
12、置反馈（比例反馈）：速度反馈（微分反馈）：速度反馈（微分反馈）：加速度反馈（二阶微分反馈）：加速度反馈（二阶微分反馈）：+-Xi()sXo()s+G1()sG()s2 G()scG()s3-G()s2*校正环节校正环节19三、位置反馈校正三、位置反馈校正(比例反馈校正比例反馈校正)校正后：结构不变，但增益降低。校正后：结构不变，但增益降低。+-Xi()sXo()skkc1 1、包围比例环节、包围比例环节202 2、包围积分环节、包围积分环节 校正后：校正后：(1)由积分环节变成了惯性环节由积分环节变成了惯性环节(改变了型次改变了型次)；(2)积分环节消失，无静差积分环节消失，无静差有静差，稳态
13、性能变有静差，稳态性能变差差。+-Xi()sXo()sskkc213 3、包围惯性环节、包围惯性环节反馈系数反馈系数k kc c越大，闭环增益和时间常数下降越多。越大，闭环增益和时间常数下降越多。+-Xi()sXo()sTs+1kkc（2 2）增益下降，由）增益下降，由k 降为降为:（1 1）仍为惯性环节，但时）仍为惯性环节，但时间常数下降，由间常数下降，由T 降为降为:反馈校正后反馈校正后:22四、速度反馈校正四、速度反馈校正(微分反馈校正微分反馈校正)校正后：比例变成惯性，增益不变。校正后：比例变成惯性，增益不变。1 1、包围比例环节、包围比例环节+-Xi()sXo()skkcs232 2
14、、包围积分环节、包围积分环节 校正后：仍为积分环节，但增益减小。校正后：仍为积分环节，但增益减小。+-Xi()sXo()sssB()skck243 3、包围惯性环节、包围惯性环节 仍为惯性环节，但时间常数增大。仍为惯性环节，但时间常数增大。功能：功能：作为局部反馈，可使系统中各环节的时间作为局部反馈，可使系统中各环节的时间 常数拉开常数拉开,改善系统的动态平衡性。改善系统的动态平衡性。+-Xi()sXo()sTs+1sB()skck254 4、包围、包围型系统型系统仍为仍为型系统，但时间常数和增益减小。型系统，但时间常数和增益减小。+-Xi()sXo()ssTs+1s()kck265 5、包围振荡环节、包围振荡环节 系统阻尼比增大，能有效地减弱小阻尼环节的不利系统阻尼比增大，能有效地减弱小阻尼环节的不利影响影响。+-Xi()sXo()ss+1sT2 2+2xTskkc27