同济大学《自动控制原理》第六章+控制系统的综合与校正

1、School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正 第六章第六章 控制系统的综合和校正控制系统的综合和校正 6.1 6.1 概述概述 6.2 6.2 串联校正装置的形式及其特性串联校正装置的形式及其特性 6.3 6.3 用频率特性法确定串联校正装置用频率特性法确定串联校正装置 6.4 6.4 反馈校正反馈校正 6.5 6.5 复

2、合校正复合校正School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正控制系统不可变部分执行机构被控对象检测装置可变部分（放大器）、校正装置迫使系统满足给定的性能(设计系统)校正实质校正实质1：通过引入校正装置的零极点，来改变系统的零极点分布通过引入校正装置的零极点，来改变系统的零极点分布频率特性的整形校正实质校正实质2： 频率特性整形，满足期望的频率特性频率特性整形，满足期望的频率特性School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基

3、础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正调整增益（变小）相角裕量增加稳态误差增加!大多数情况下，只调整增益不能使系统的性能得到充分地改变，以满足给定的性能指标。L()()001801=0G(s)G(s)/Kc1c一种简单的控制器一种简单的控制器(增益调整增益调整)稳态误差和相角裕稳态误差和相角裕量量构成矛盾！构成矛盾！School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正控制系统的设计任务：根据被控对象及其控制要求，选择适当的控制器，使系统能成为给定性能指标的控制系统。校正(

4、补偿)：通过改变系统结构，或在系统中增加附加装置或元件对已有的系统（固有部分）进行再设计使之满足性能要求。控制系统的设计本质是寻找合适的校正装置！(校正装置)School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正控制系统的性能指标控制系统的性能指标稳态精度 稳态误差ess过渡过程响应特性时域：上升时间tr、超调量Mp、调节时间ts频域：闭环: 谐振峰值Mr、谐振频率r、带宽b 开环: 增益裕量Kg、增益交界频率c 、相位裕量时域指标频域指标相互转换相互转换物理意义明确直物理意义明确直观观,

5、但无法直接但无法直接用于频域综合用于频域综合School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正本章介绍的系统校正采用频率响应设计法本章介绍的系统校正采用频率响应设计法频率特性图可以清楚表明系统改变性能指标的方向。频域设计通常通过Bode图进行处理起来十分简单。 （当采用串联校正时，使得校正后系统的Bode图即 为原有系统Bode图和校正装置的Bode图直接相加）对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气动元件，通常可以通过频率响应实验来获得其Bode图。在涉及到高频噪声时，频域

6、法设计比其他方法更为方便。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正1 1、综合法（期望特性法）、综合法（期望特性法） 根据性能指标要求确定系统期望的特性， 与原有特性进行比较，从而确定校正方式、校 正装置的形式及参数。校正方法校正方法固有特性系统要求的品质指标选定的校正装置“-”“-”School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正2、分析法（试探法）直观、设计的校

7、正装置物理上易于实现。固有特性系统要求的品质指标系统的品质不符要求则重选校正装置选定的校正装置“+”“+”“-”“-”！分析法或者综合法都可应用根轨迹法 和频率响应法实现。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正校正方式校正方式School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正校正方式取决于 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

8、境适应性等）； 经济性串联校正 设计较简单，容易对信号进行各种必要的变换， 但需注意负载效应的影响。反馈校正 可消除系统原有部分参数对系统性能的影响， 元件数也往往较少。复合校正 扰动可测，既能改善稳态性能，又能改善动态性能。同时采用串、并联、复合校正 性能指标要求较高的系统。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正低频段 (第一个转折频率1之前的频段)稳态性能中频段 (1 10c) 动态性能高频段 (10c 以后的频段) 抗干扰（噪声抑制）三频段三频段School of A

9、utomotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正低频段低频段vjjG)(K)(lglg)(20vK20L时时0L)(vK稳态误差系数0型系统 KpK； Kv Ka0I型系统 Kp；Kv1 ；Ka0II型系统 Kp；Kv；Ka= 22 中频段反映系统的相对稳定性和快速性School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正一个设计合理的系统的三频段一个设计合理的系统的三频段中频段的斜率以20dB为宜；低

10、频段和高频段可以有更大的斜率 低频段斜率大，提高稳态性能；(系统型别高) 高频段斜率大，排除干扰。但中频段必须有充分宽的频带，以保证使得系统具备适当的相位裕量，同时能抵抗一定的参数变化！ c的大小取决于系统的快速性要求。c大快速性好，但抗扰能力下降。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正第二节：串联校正装置的形式及其特性School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与

11、校正相位超前相位超前相位滞后相位滞后相位滞后超前相位滞后超前校正装置校正装置School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正11/( )(1)11/).(1cccszssG ssssp传递函数(.1)12cjGjj频率特性 arctanarctan0(1) 相频特性22011dd01m 1arcsin1m相位超前校正装置相位超前校正装置School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的

12、综合与校正1 sinarcsin1 sinmm12arcsinarcsin 111 1/mm0.1相位超前量增加，但开环增益下降，通过校正网络的信号衰减也越严重。故需要通过。另一方面，超前网络具有高通滤波特性， 过小对于抑制高频噪声不利。实际种选用0放大器来补偿增益一般选择，.07超前校正装置的作用：超前校正装置的作用：补偿系统相角滞后，增加相角稳定裕度，提高稳定性，改善动态品质。补偿系统相角滞后，增加相角稳定裕度，提高稳定性，改善动态品质。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合

13、与校正校正装置校正装置无源校正网络：阻容元件优点：校正元件的特性比较稳定。缺点：由于输出阻抗较高而输入阻抗较低，需要另 加放大器并进行隔离; 没有放大增益，只有衰减。有源校正网络：阻容电路+线性集成运算放大器优点：带有放大器，增益可调，使用方便灵活。缺点：特性容易漂移。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正211212111211( )11ociURRC ssG sRURRsRC sRR211121,RRCRR其中，无源网络无源网络有源网络有源网络11( )1ociUTsG

14、 sKUTs 2323144123,RRR RKTR C TRCRRR校正网络的实现校正网络的实现School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正111/1( )1(1)11/ (.)cccszssG ssssp传递函数(.1)12cjGjj频率特性 arctanarctan0(1) 相频特性22011dd01m1arcsin1m相位滞后校正装置相位滞后校正装置School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的

15、综合与校正第六章控制系统的综合与校正10， 越大，抑制噪声能力越强，通常选低通滤波特性滞后校正装置的作用：滞后校正装置的作用：(1)提高系统低频响应增益提高系统低频响应增益 ;(2)利用高频幅值衰减特性利用高频幅值衰减特性,以以降低系统的开环截至频率降低系统的开环截至频率,提高系统的相角裕度提高系统的相角裕度.选择滞后网络参数时选择滞后网络参数时:11,10ccc一般取其中为校正后的系统幅值穿越频率School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正2221211/11( )1/11oc

16、iRCsUR CssG sURRCsRR Css12221,RRR CR其中，无源网络无源网络有源网络有源网络1( )1ociUsG sKUs 2323231231,1RRR RRRKCRRRR校正网络的实现校正网络的实现School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正1212121212111/1/( )(1,)11.111cssssG sssss传递函数121211()2.1/1cjjGjjj频率特性相位滞后超前校正装置相位滞后超前校正装置带阻滤波器带阻滤波器School of

17、Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正滞后滞后-超前校正装置的作用超前校正装置的作用:利用校正网络中的超前部分改善系统的瞬态性能利用校正网络中的超前部分改善系统的瞬态性能,而利用校正网络的而利用校正网络的滞后部分提高系统的稳态精度滞后部分提高系统的稳态精度.1221 2121211( )1cssG sss 1112221212,RCR CRC其中，无源网络无源网络校正网络的实现校正网络的实现12121122121211( ) ,11cssTG sTTTsT sT通过选择适当参量通过选择适当参量

18、,使其具有两个不相等的负实数极点使其具有两个不相等的负实数极点,则有则有School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正有源网络有源网络1211( )cssG sTs 11122212,RCR CTRC式中11( )1cpDG sKT sT s 121 211212,pDKTTT 式中写成另一种形式写成另一种形式School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正PIDPID控

19、制控制PID (Proportional Integral Derivative )控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。sTKsGdpc)(PD控制P控制pcKsG)(sTsTKsGdipc1)(PID控制PI控制sTKsGipc1)(比例P Kp比例系数微分D Td微分时常数积分I Ti积分时常数！以串联校正为主School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正 是控制工程中技术成熟、理论完善、应用最为广泛的一种控制策略。 P、PI、PD 或PI

20、D 控制 适用于数学模型已知及大多数数学模型难以确 定的控制系统或过程。 PID 控制参数整定方便，结构灵活PIDPID控制控制 数字PID 控制School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正P P控制对系统性能的影响：控制对系统性能的影响：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。原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。对系统性能的影响正好相反。！比例控制器实质是一 种增益可调的放大器Kp1School of Automotive study

21、同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正 微分控制具有预测特性。 Td 就是微分控制作用超前于比例控制作用效果的时间间隔。sTKsEsUsGdpc)()()(微分控制不可能预测任何尚未发生的作用。PDPD控制控制School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正相位裕量增加，稳定 性提高；c增大，快速性提高Kp1时，系统的稳 态性能没有变化。高频段增益上升，可 能导致执行元件输出 饱和，并且降低了系 统抗干扰的能力；微

22、分控制仅仅在系统的瞬态过程中起作用，一般不单独使用。 PD控制通过引入微分作用改善了系统的动态性能School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正PIPI控制控制调节Ti 影响积分控制作用；调节Kp既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。sTsTKsTKsEsUsGiipipc11)()()(由于存在积分控制，PI控制器具有记忆功能。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的

23、综合与校正sTsTKsTKsEsUsGiipipc11)()()(iipcjTjTKjG1)(iipcgTTKL201lg20lg20)(2290)(1icTtg转折频率1=1/(KpTi)一个积分环节 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School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正PIDPID控制控制sTsTsTsTsTKsEsUsGdipc221) 11)(11(1)()()(42122, 1idpdTTKKTTp 一个零极点 提高稳态精度两个负实

24、部零点 提高动态性能School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正在低频段，PID控制器通过积分控制作用,改善了系统的稳态性能；在中频段，PID控制器通过微分控制作用,有效地提高了系统的动态性能。)( ,lg20)( , 0)( ,lg20)(dddiiicL)( ,90)( ,0)0( ,90)(dic近似有：通常PID 控制器中 i Td ）School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六

25、章控制系统的综合与校正相位超前校正网络相位滞后校正网络相位超前-滞后校正网络响应的快速性（带宽）稳态精度（系统增益）PD控制校正网络及超前校正网络PI控制校正网络及滞后校正网络PID控制校正网络及滞后-超前校正网络School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正第三节：用频率特性法确定串联校正装置School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正(1),4/oocKs sra

26、d s设I型单位反馈系统原有部分的开环传函G (s)=求合适的串联校正装置，使系统具有K=12, =40例6-1：超前校正装置的确定超前校正装置的确定1)12K 画出未校正系统的B当时，ode图111120lg120403.46/lg1 lg4/18090arctan16.240 ,cccoooocoorad srad s 频带需要拓宽相位裕量需要补偿School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正024016.1206.123oooo）所需相角超前量为1 sin303)30 ,0.

27、3341 sin30oomo令则 1224)(04.77)/(lglg)404.55/mcccmrad s 超前校正装置在处的增益为10lg(1/0.334)=4.77dB125)1/2.63/1/7.9/ 2.63 1( )/7.9 1mmcrad srad ssG ss校正网络的两个转角频率：， （），126)( )(1)( /7.9 1)G ss ss（s/2.631）检验 4.55/4/18090arctan4.55/ 2.63arctan4.55arctan4.55/7.942.440coooorad srad s合格！合格！School of Automotive study同济大

28、学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正用相角超前去增大系统的相角裕度，能拓校正原理：宽频带。0001235 201 sin,1 sin5)10lgoocmmmmKK设计步骤：（）根据稳态性能指标，确定系统开环增益 ；（ ）根据 值，计算原系统的相角裕度 ；（ ）根据期望相角裕度 ，计算所需补偿的相角超前量其中（ ， ），这是考虑相位超前装置会使右移。(4)令超前装置的最大超前角并根据 ，计算 ；（ ）计算校正装置处增益为10lg(1/，并确定未校正系统Bode曲线上)(6)1/(3)cmm (1/处频率，此频率即为校正后系统的剪切

29、频率；根据式)确定超前校正装置的转角频率；(7)画出校正后Bode图，验算相角稳定裕度，如不满足，可增大 从步重新计算；（8）校验其它指标。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正滞后校正装置的确定滞后校正装置的确定(1) 0.251),0.5/oocKs ssrad s已知未校正系统原有部分的开环传函G (s)=（求合适的串联校正装置，使系统具有K5,40例6-2：1011011(1)5(20lg50)/(lg1 lg)402.24/0.5/ .18090arctanarc

30、tan0.255.1cccoooccKrad srad s 画出未校正系统的Bode图并计算和拟采用滞后校正装置22222240155518090arctanarctan0.25550.52/0.5/0.52/ooooococccradrad srsad s）故选= =School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正22(3)()( ()20lg5)/(lg0.52lg1)209.6210ccLL确定校正装置 值，20lg21(4)/ 40.52/ 40.131/0.137.7,1/

31、1(7.7177)11ccsssss确定校正装置转角频率选则（）=0.013即：G(5)5(7.71)( )(771)(1)(0.251)18090arctan77arctanarctan0.25arctan7.742.5340 ,oooccccosG sssss验证系统相位裕度故满足要求。合格合格!School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正0222222123105coocccKK 设计步骤：（）根据稳态性能指标，确定系统开环增益 ；（ ）根据 值，计算原系统的相角裕度 ；（

32、 ）求出未校正系统Bode图上相角裕度为 处的频率，其中,为期望相角裕度，（，15 ）则是为了补偿滞后校正装置在处的相角滞后，即为校正后系统的剪切频率；(4)令未校正系统Bode图在处的增益等于20lg ,由此确定滞后网络 值；（ ）根据式1/ =221212/ 4 /101/()/1;/1cccss和确定校正网络的转角频率；进而确定校正装置的传函为：G (s)=(6)画出校正后Bode图，验算相角稳定裕度；(7)校验其它指标，如不满足要求，则重新选定或 。但 不宜选的过大，但求满足，以免难以物理实现。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程

33、基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正滞后滞后-超前校正装置的确定超前校正装置的确定(0.51) 0.1671),3/5/oocKsssrad srad s已知未校正系统原有部分的开环传函G (s)=（求合适的串联校正装置，使系统具有K180,40例6-3：2020222120lg(2/1)40lg(6/ 2)60lg(/6)20lg18018090arctan0.1612.9/56.37arctan05.5coccooccrad s）选取K=180画出Bode图并计算原系统的剪切频率和相位裕度12.9/orad s剪切频率，若采用相位超前装置会导致剪切频率更大，

34、而且相位补偿还要达到100 以故不能采用相上，位超前校正。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正24015555518090arctan0.5arctan0.1670.97/3/oooooocccrad srad s若采用滞故不能后校正采用滞装置： ，后校正装置。拟采用滞后超前校正装置，拟采用滞后超前校正装置，并用期望频率特性法设计系统校正装置并用期望频率特性法设计系统校正装置School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控

35、制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正20/,18090arctan0.5arctan0.16703.5/cgooggcdB derad sc(1)中频段:斜率选取选取School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正222(2)180,./5,/ 4 /100 7/;.ccccad sKr低频段:期望特性低频段的增益应满足稳态误差要求.为了满足故需在期望特性的中频段与低频段之间用斜率为-40dB/de中频段交点处c的直线连接 且与一频率不宜离太近取这里取般选S

36、chool of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正33(3),/:6.crad s高频段:期望特性高频段斜率选取-60dB/dec和原开环系统保持一致,故期望中频段和高频段中间也应该有一斜率-40dB/dec的直线进行连接,此转角频率不宜与过近 否则影响系统的相角裕度这里选取School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正221111.43 ,03).5,0.7/1/4)34.

37、2,1/oGGrad sssdB就可得到串联校正装置的对数幅频特性,即为滞后-超前校正装置.由此可得确定 值: =0.7rad/s处增益为20lg(3.5/0.7)=14dB;未校正系统在 =0.7rad/s处增益为20lg180+20lg(1/0.7)=48.2dB;故校正装置在 =0.7rad/s处理增益为即20lg120lg( )34.251.31/()School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正1212111.431 0.51( )73.31 0.00971111180

38、1.43173.31 0.1671 0.0097118090arctan73.3arctan0.167arctan0.00974 7:6.cooocccssssssssssssssGG(s校正装置传函:校正后系统传函:校验系统相度)裕=角合格合格!School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正系统不稳定；系统稳定瞬态响应不满意提高c，相位增益可以得到补偿，提高相对稳定度超前或超前或PDPD串联校正的分析法串联校正的分析法滞后或滞后或PIPI系统稳定满意的瞬态响应和频带宽度提高低频增

39、益，减小稳态误差相位增益补偿，提高相对稳定度滞后滞后- -超前或超前或PIDPID系统稳定但稳态精度不满意 增大低频增益瞬态响应不满意 提高cSchool of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正3、滞后超前校正装置 折衷的响应特性 （稳态响应和瞬态响应均适当改善）校正后系统的单位阶跃响应曲线对比校正后系统的单位速度响应曲线对比1、超前校正装置 最快的响应2、滞后校正装置 系统响应最缓慢 但其单位速度响应却得到了明显的改善超前、滞后、滞后超前、滞后、滞后- -超前校正的比较超前校正的比较S

40、chool of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正工作机理工作机理超前校正 相位超前效应,附加增益补偿衰减滞后校正 高频衰减特性 工作效应工作效应超前校正 增大了相位裕量和带宽 缩短瞬态晌应时间 系统对噪声更加敏感滞后校正 改善稳态精度 带宽减小滞后超前校正 快速响应 良好稳态精度School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正超前校正超前校正有可能提供更高的增益交界频率有可能

41、提供更高的增益交界频率较大的带宽、调整时间的减小。主要用于增大的稳定裕量主要用于增大的稳定裕量补偿超前校正网络本身的衰减补偿超前校正网络本身的衰减附加的增益增量；超前校正比滞后校正需要更大的增益；系统的体积和重量越大，成本越高。 !系统若需具有快速响应特性，应采用超前校正。但是,若存在噪声，则带宽不能过大，因为随着高频增益的增大，系统对噪声更加敏感。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正降低了高频段的增益，未降低低频段的增益 系统的总增益增大，低频增益增加；从而提高稳态精度

42、。带宽减小较低的响应速度；衰减任何高频噪声。！虽然应用超前、滞后和滞后超前校正装置可完成大多数系统的校正任务，但对复杂的系统，采用由这些校正装置组成的简单校正，可能仍得不到满意的结果。此时，必须采用其它形式的校正装置。滞后校正滞后校正School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正复合控制的概念复合控制的概念偏差控制的缺点偏差控制的缺点只有当系统产生误差或干扰产生影响时，系统才被控 制以消除误差的影响。 ？若系统包含有很大时间常数的环节，或者系统响应速度 要求很高，调整速度就不能及时

43、跟随输入信号或干扰信号 的变化。从而当输入或干扰变化较快时，会使系统经常处 于具有较大误差的状态。为了减小或消除系统在特定输入作用下的稳态误差，可 提高系统开环增益或型次。 ？这两种方法均会影响系统的稳定性。 通过适当选择系统带宽可以抑制高频扰动 ？但对低频扰动缺无能为力。特别是存在低频强扰动时，一 般的反馈控制校正方法很难满足系统高性能的要求。解决办法：引入误差补偿通路，与原来的反馈控制一起进行复合控制。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正复合控制：通过在系统中引入输入

44、或扰动作用的开环误差补偿通路（顺馈或前馈通路），与原来的反馈控制回路一起实现系统的高精度控制。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正顺馈或前馈控制在控制系统中可同时采用。从抑制扰动，减小误差的角度看，复合控制可以减轻反馈控制的负担。 引入复合控制的系统，反馈回路的增益可以取得小一些，从而有利于系统稳定。顺馈或前馈是开环控制方式。 元器件应具有较高的参数稳定性。否则将削弱补偿效果，并给系统输出造成新的误差。School of Automotive study同济大学汽车学院同

45、济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正按输入按输入( (顺馈顺馈) )补偿的复合校正补偿的复合校正系统的偏差传递函数为：2121( )( )( )( )( )1( )( )CLeGs G sE ssR sG s G s若选择：21( )( )cG sG s0)(sE 即误差完全通过顺馈通路得到补偿，系统既没有动态误差也没有稳态误差，在任何时刻都可以实现输出立即复现输入(不变性原理)，系统具有理想的时间响应特性。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正

46、第六章控制系统的综合与校正无顺馈补偿时顺馈补偿后：1212( )( )( )( )( )1( )( )G s G sC ssR sG s G s1212( )( )( )( )( )( )1( )( )CLG sGs G sC ssR sG s G s顺馈补偿不改变系统的闭环特征多项式，即顺馈补偿不改变系统的稳定性顺馈补偿采用了开环控制方式补偿输入作用下的输出误差！解决了一般反馈控制系统在提高控制精度与保证系统稳定性之间存在的矛盾。School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正部分

47、补偿部分补偿221( )CLGsss21121( ),( )(1)nnKG sK G ss a sa s21222112212112( )( )( )( )( )1( )( )(1)CLdnnK KKssG s G sGs G ssG s G ss a sa sK K闭环传函闭环传函等效开环传函等效开环传函2122212212221( )( )1( )1ddndnK KKsssGsss a sa saKsK21212:/,1/aKK令2112332( )dnna ssK KGssa sa sa 系统型别由系统型别由1阶提高到阶提高到3阶阶School of Automotive study同济

48、大学汽车学院同济大学汽车学院控制工程基础控制工程基础第六章控制系统的综合与校正第六章控制系统的综合与校正212:0,1/ K令12221( )dnnsK KGssa sa sa系统型别由系统型别由1阶提高到阶提高到2阶阶2122212212221( )( )1( )1ddndnK KKsssGsss a sa saKsK!提高精度的同时提高精度的同时,并没有牺牲系统的稳定性并没有牺牲系统的稳定性0lim1TssTs由于纯微分环节很难实现由于纯微分环节很难实现,故常通过以下方法进行物理实现故常通过以下方法进行物理实现T实现时,只要满足即可School of Automotive study同济大学汽车学院同济大学汽