东南大学试验六串联校正研究试验报告

1、东南大学自动控制实验室实验报告课程名称：自动控制原理实验实验名称：实验六串联校正研究自动化2016年12月27日院（系）：自动化专业:姓名：学号:实验室：417实验组别：同组人员：实验时间：评定成绩：审阅教师:目录.实验目的3二.实验原理3三.实验设备3四、实验线路3五、实验步骤4六、预习与回答8七、报告要求11一、实验目的(1) 熟悉串联校正的作用和结构(2) 掌握用Bode图设计校正网络(3) 在时域验证各种网络参数的校正效果二、实验原理(1)本校正采用串联校正方式，即在原被控对象串接一个校正网络，使控制系统满足性能指标。由于控制系统是利用期望值与实际输出值的误差进行调节的，所以，常常用“

2、串联校正”调节方法，串联校正在结构上是将调节器Gc(S)串接在给定与反馈相比误差之后的支路上，见下图。工程上，校正设计不局限这种结构形式，有局部反馈、前馈等。若单从稳定性考虑，将校正网络放置在反馈回路上也很常见。设定校正网络Gc(S)*被控对象H(S)(2)本实验取三阶原系统作为被控对象，分别加上二个滞后、一个超前、一个超前-滞后四种串联校正网络，这四个网络的参数均是利用Bode图定性设计的，用阶跃响应检验四种校正效果。由此证明Bode图和系统性能的关系，从而使同学会设计校正网络。三、实验设备THBDC-1实验平台THBDC-1虚拟示波器四、实验线路事我校正接纯图4f留洋而位正r剧时师正F-1

3、-5囹门口痕正，五、实验步骤(1)不接校正网络，即图5.1原系统Gc(S)=1,如总图。观察并记录阶跃响应曲线，用Bode图解释;分析：稳定裕度较小，系统的稳定性不高，由实验曲线可见，调节时间很长，而且振荡比较严重。性能指标：Ui=1.00V,Uo=0.91V1.682-0.91超倜重：8=X100%=84.83%0.91响应时间：ts=20.3s稳态误差:ess=1-"91X100%=9.89%0.91Bode图(2)接入参数不正确的滞后校正网络，如图4-2。观察并记录阶跃响应曲线，用解释;示世器中却t工王好工三杵his事图5.2参数不正确校正分析：稳定裕度过小，系统的稳定性很差，

4、由实验曲线可得系统不稳定。(3)接人滞后校正网络，如图4-3。观察并记录阶跃响应曲线，用Bode图解释;<iii-n-«=寸虹&虹图5.3滞后校正分析：稳定裕度很理想，系统的稳定性好。由实验曲线可得，调节时间比较长，瞬态性能不是特别理想。Uo=0.913V1.038-0.913X100%=13.7%性能指标：Ui=1.00V,0.913超调量：8=响应时间：ts=2.6052s稳态误差：ess=1-0.913X100%=9.53%0.913(4)接入超前校正网络，如图4-4。由于纯微分会带来较大噪声，在此校正网络前再串接1KQ电阻，观察并记录阶跃响应曲线，用Bode图解

5、释；右蜒林正量ICUhl-3TdELftflClT2配用IIiJO-CL*ffifBT-TL菌生i/-LT34£图5.4滞后校正分析：稳定裕度很理想，系统的稳定性好。有实验曲线可得，系统调节时间较短，瞬态性能较理想，但稳态精度一般。性能指标：Ui=1.00V,Uo=0.922V超调量:1.085-0.9220.922X100%=17.7%响应时间：ts=0.397s稳态误差:ess=1；鬻2*100%=8.46%0.922(5)接入超前-滞后校正网络，如图4-5,此传递函数就是工程上常见的比例-积分-微分校正网络，即PID调节器。网络前也串接1K电阻，观察并记录阶跃响应曲线，用Bod

6、e图解释;图5.5PID校正分析：稳定裕度很理想，系统的稳定性好。度高，瞬态性能和稳态性能都比较理想。性能指标：Ui=0.25V,Uo=0.25V超调量：8=0响应时间：ts=0.1688s稳态误差：ess=0六、预习与回答(1)写出原系统和四种校正网络的传递函数,由实验曲线可得，调节时间较短，稳态精并画出它们的Bode图，请预先得出各种校正后的阶跃响应结论，从精度、稳定性、响应时间说明五种校正网络的大致关系。答：1)原系统：G0s1,Gs10.20.2s+10.094s+1(0.051s+1)EleEditVis-wInsertToclsDesktopWindewHellp叁日，4晨色份里修

7、,ae00letFdgian0O白HWU口1U1103101103to3Frequency口8加鸟，图6.1原系统Bode图12）参数不好的校正网络：G1s=02s不，-10.2Gs=(0.2s+1)0.2s+10.094s+1(0.051s+1)图6.2是该校正网络的Bode图以及其接入系统后系统的Bode图。可以看出，该校正能够将系统的截止频率减小，并且相位滞后，则会使系统的相角裕度小于0,从而使系统的响应时间变长，稳定性变差，并且低频段的斜率为0,系统稳态性能差，误差大。函中.（修mi图6.2参数不好的校正网络的Bode图3）滞后校正网络：G2S10.24s+1(0.2s+1)4s+10

8、.094S+1(0.051S+1)图6.3是该校正网络的Bode图以及其接入系统后系统的Bode图。可以看出，该校正环节造成高频衰减，使截止频率减小，从而调节时间变长；又由于该滞后环节被安排在低频段，远离截止频率，因此可以使得相角裕度为正值，从而系统稳定。传递函数为0型，因此对阶跃信号的跟踪有一定误差。10.2(0.1s+1)(0.2s+1)0.094s+1(0.051s+1)图6.3滞后校正网络的Bode图4)超前校正网络：G3s=0.1s+1,Gs图6.4是该校正网络的Bode图以及其接入系统后系统的Bode图。可以看出，该校正环节会增大开环截止频率和系统带宽，其超前相位又能补偿原系统中的

9、元件造成的相位滞后，最大超前角频率在开环截止频率附近，使系统相角裕度增大，从而改善了系统的瞬态性能，调节时间变短。相对稳定性增大。但对阶跃的跟踪仍然存在误差。除A图6.4超前校正网络的Bode图5)PID校正网络:G4s_0.2s+1(0.1s+1)-0.2s_10.20.2s+1(0.1s+1)0.2s(0.2s+1)0.094s+1(0.051s+1)图6.5是该校正网络的Bode图以及其接入系统后系统的Bode图。可以看出，PID控制中低频段主要是滞后环节起作用，提高系统的无差度阶次，减少稳态误差；中高频段主要是超前环节起作用，增大截止频率和相角裕度，提高响应速度。力二I/ETI图6.5

10、PID校正网络的Bode图从各环节的Bode图可以看出，各性能指标关系如下：稳定性：PID>超前>滞后>原系统>参数不好的；响应时间：PID<超前滞后<原系统<参数不好的；精度：PID>超前>滞后>原系统>参数不好的。(2) 若只考虑减少系统的过渡时间，你认为用超前校正还是用滞后校正好？答：超前校正能够将原开环系统的频率特性上调一定的高度，从而增大截止频率，因此用超前校正好。(3) 请用简单的代数表达式说明用Bode图设计校正网络的方法答：a根据系统对稳态误差的要求确定校正增益KC,并画出未校正系统KCP(jw)的伯德图；b.求出未校正系统的相角裕度丫,若丫丫<0,或丫丫>65°,则不应采用超前校正；c.根据瞬态指标选择截止频率coc,计算校正环节时间常数T和o(Ta=100.1La。，Cs=K'caTS',T=aTs+1”绿d.若不能采用超前校正，则根据相角裕度重新选择截止频率，该频率处有/KcRjw