增益与相位裕量课件

第15讲

系统的设计与校正问题常用校正装置及其特性串联校正控制系统的校正1增益与相位裕量例5-6设一个闭环系统具有下列试确定该闭环系统的稳定性。开环传递函数极坐标图图5-44解在右半s平面内有一个极点图5-44中的奈奎斯特图表明，轨迹顺时针方向包围-1+0点一次这表明闭环系统有两个极点在右半s平面，因此系统是不稳定的。1232增益与相位裕量例5-7设一个闭环系统具有下列开环传递函数试确定该闭环系统的稳定性。图5-45极坐标图渐近线在右半s平面内有一个极点因此开环系统是不稳定的轨迹逆时针方向包围-1+j0一次说明没有零点位于右半s平面内，闭环系统是稳定的。这是一个开环系统不稳定，但是回路闭合后，变成稳定系统的例子。图5-45表明1233增益与相位裕量例5-8一单位反馈控制系统的开环传递函数为式中均为正值。为使系统稳定，开环增益与时间常数之间满足什么关系？

解：频率特性4增益与相位裕量5增益与相位裕量令虚部为零即可

与负实轴相交于

展开？与负实轴的交点6增益与相位裕量5.7.1相位裕度和增益裕度图5-46的极坐标图5.7相对稳定性判断系统稳定的又一方法7增益与相位裕量

相位裕度、相角裕度(PhaseMargin)设系统的截止频率(Gaincross-overfrequency)为定义相角裕度为当时，相位裕量为正值；时，相位裕度为负值。当

增益裕度、幅值裕度(GainMargin)设系统的相位穿越频率(Phasecross-overfrequency)定义幅值裕度为若以分贝表示，则有8增益与相位裕量PositiveGainMarginPositivePhaseMarginNegativeGainMarginNegativePhaseMarginStableSystemUnstableSystem0dB0dB9增益与相位裕量PositiveGainMarginPositivePhaseMargin-11NegativeGainMarginNegativePhaseMargin-11StableSystemUnstableSystem10增益与相位裕量例5-9

一单位反馈系统的开环传递函数为

K=1时系统的相位裕度和增益裕度。要求通过增益K的调整，使系统的增益裕度20logh=20dB，相位裕度解：

即

相位穿越频率增益裕度在处的开环对数幅值为11增益与相位裕量根据K=1时的开环传递函数

相位裕度增益穿越频率截止频率

12增益与相位裕量13增益与相位裕量

由题意知

验证是否满足相位裕度的要求。根据的要求，则得：

不难看出，就能同时满足相位裕度和增益裕度的要求。

14增益与相位裕量例5-11设一单位反馈系统对数幅频特性如图5-50所示(最小相位系统)。

写出系统的开环传递函数

判别系统的稳定性

如果系统是稳定的，则求时的稳态误差。解：

由图得看对数幅频特性15增益与相位裕量-20dB/dec-20dB/dec-40dB/dec-40dB/dec0.010.115rad/sdB16增益与相位裕量

由于是最小相位系统，因而可通过计算相位裕度是否大于零来判断系统的稳定性。由图可知在处则得

单位斜坡输入时，系统的稳态误差为

>>0系统稳定17增益与相位裕量5.7.3标准二阶系统中阶跃瞬态响应与频率响应之间的关系书上例5-13p203设截止频率则有18增益与相位裕量5.7.4截止频率与带宽(Cutofffrequencyandbandwidth)图5-53截止频率与系统带宽参看图5-53，当闭环频率响应的幅值下降到零频率值以下3分贝时，对应的频率称为截止频率。对于的系统一阶系统的带宽为其时间常数的倒数。二阶系统，闭环传递函数为19增益与相位裕量始开20增益与相位裕量基于一个控制系统可视为由控制器和被控对象两大部分组成，当被控对象确定后，对系统的设计实际上归结为对控制器的设计，这项工作称为对控制系统的校正。第六章控制系统的校正前面几章讨论了控制系统几种基本方法。掌握了这些基本方法，就可以对控制系统进行定性分析和定量计算。本章讨论另一命题，即如何根据系统预先给定的性能指标，去设计一个能满足性能要求的控制系统。DesignandCompensationTechniques21增益与相位裕量在实际过程中，既要理论指导，也要重视实践经验，往往还要配合许多局部和整体的试验。所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。工程实践中常用的校正方法，串联校正、反馈校正和复合校正。22增益与相位裕量目前，工业技术界多习惯采用频率法，故通常通过近似公式进行两种指标的互换。参见书p2206.1系统的设计与校正问题6.1.1控制系统的性能指标时域指标稳态型别、静态误差系数动态超调、调整时间频域指标开环频率、闭环带宽、谐振峰值、谐振频率增益穿越频率、幅值裕度和相位裕度

23增益与相位裕量二阶系统频域指标与时域指标的关系谐振频率带宽频率截止频率相位裕度(6-5)谐振峰值(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)超调量调节时间

(6-7)(6-6)123456724增益与相位裕量谐振峰值超调量调节时间(2)高阶系统频域指标与时域指标(6-8)(6-9)(6-10)12325增益与相位裕量既能以所需精度跟踪输入信号，又能拟制噪声扰动信号。在控制系统实际运行中，输入信号一般是低频信号，而噪声信号是高频信号。6.1.2系统带宽的选择带宽频率是一项重要指标。如果输入信号的带宽为则(6-11)请看系统带宽的选择的示意图选择要求26增益与相位裕量图6-1系统带宽的选择噪声输入信号27增益与相位裕量校正方式串联校正

反馈校正

校正装置校正装置前馈校正复合校正

28增益与相位裕量前馈校正复合校正

(b)前馈校正（对扰动的补偿）(a)前馈校正（对给定值处理）29增益与相位裕量(b)按输入补偿的复合控制反馈校正不需要放大器，可消除系统原有部分参数波动对系统性能的影响

串联校正串联校正装置有源参数可调整

在性能指标要求较高的控制系统中，常常兼用串联校正和反馈校正

30增益与相位裕量6.1.4基本控制规律（1）比例（P）控制规律(6-12)

（a）P控制器(b)PD控制器（2）比例-微分（PD）控制规律(6-13)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。PD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，从而改善系统的稳定性。在串联校正时，可使系统增加一个的开环零点，使系统的相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改善。31增益与相位裕量具有积分（I）控制规律的控制器，称为I控制器。(6-14)输出信号与其输入信号的积分成比例。为可调比例系数消失后，输出信号有可能是一个不为零的常量。不宜采用单一的I控制器。（3）积分（I）控制规律I控制器

当在串联校正中，采用I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，使信号产生的相角滞后，于系统的稳定不利。32增益与相位裕量具有积分比例-积分控制规律的控制器，称为PI控制器。

PI控制器输出信号同时与其输入信号及输入信号的积分成比例。为可调比例系数开环极点，提高型别，减小稳态误差。右半平面的开环零点，提高系统的阻尼程度，缓和PI极点对系统产生的不利影响。只要积分时间常数足够大，PI控制器对系统的不利影响可大为减小。（4）比例-积分（PI）控制规律(6-15)为可调积分时间系数PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。33增益与相位裕量（5）比例（PID）控制规律具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称为PID控制器。(6-16)(6-17)如果PID控制器34增益与相位裕量I积分发生在低频段，稳态性能(提高)D微分发生在高频段，动态性能(改善)增加一个极点，提高型别，稳态性能两个负实零点，动态性能比PI更具优越性123两个零点一个极点35增益与相位裕量一般而言，当控制系统的开环增益增大到满足其静态性能所要求的数值时，系统有可能不稳定，或者即使能稳定，其动态性能一般也不会理想。在这种情况下，需在系统的前向通路中增加超前校正装置，以实现在开环增益不变的前题下，系统的动态性能亦能满足设计的要求。6.2常用校正装置及其特性无源校正网络超前校正有源校正网络1.无源超前校正滞后校正滞后超前校正先讨论超前校正网络的特性，而后介绍基于频率响应法的超前校正装置的设计过程。36增益与相位裕量

假设该网络信号源的阻抗很小，可以忽略不计，而输出负载的阻抗为无穷大，则其传递函数为图6-8无源超前网络时间常数分度系数(6-18)(a)(b)37增益与相位裕量时间常数分度系数(6-18)注：j采用无源超前网络进行串联校正时，整个系统的开环增益要下降因此需要提高放大器增益加以补偿(6-19)倍图6-9带有附加放大器的无源超前校正网络此时的传递函数38增益与相位裕量

超前网络的零极点分布故超前网络的负实零点总是位于负实极点之右，两者之间的距离由常数决定。可知改变和T(即电路的参数超前网络的零极点可在s平面的负实轴任意移动。由于)的数值，39增益与相位裕量

对应式(6-19)得(6-20)画出对数频率特性如图6-10所示。显然，超前网络对频率在(6-21)(6-19)之间的输入信号有明显的微分作用，在该频率范围内输出信号相角比输入信号相角超前，超前网络的名称由此而得。40增益与相位裕量20dB/dec41增益与相位裕量由(6-21)

(6-24)(6-22)(6-23)故在最大超前角频率处具有最大超前角正好处于频率与的几何中心的几何中心为即几何中心为(6-25)最大超前角频率求导并令其为零42增益与相位裕量频率特性20dB/dec43增益与相位裕量

(6-26)但a不能取得太大(为了保证较高的信噪比),a一般不超过20这种超前校正网络的最大相位超前角一般不大于如果需要大于的相位超前角，则要在两个超前网络相串联来实现，并在所串联的两个网络之间加一隔离放大器，以消除它们之间的负载效应。

44增益与相位裕量(b)最大超前角及最大超前角处幅值与分度系数的关系曲线dBoa45增益与相位裕量2.无源滞后网络如果信号源的内部阻抗为零，负载阻抗为无穷大，则滞后网络的传递函数为时间常数分度系数(6-27)图6-11无源滞后网络46增益与相位裕量图6-12无源滞后网络特性-20dB/dec47增益与相位裕量

同超前网络，滞后网络在时，对信号没有衰减作用时，对信号有积分作用，呈滞后特性时，对信号衰减作用为

同超前网络，最大滞后角，发生在几何中心，称为最大滞后角频率，计算公式为(6-28)(6-29)b越小，这种衰减作用越强由图6-12可知48增益与相位裕量

采用无源滞后网络进行串联校正时，主要利用其高频幅值衰减的特性，以降低系统的开环截止频率，提高系统的相角裕度。滞后网络怎么能提高系统的相角裕度呢？49增益与相位裕量在设计中力求避免最大滞后角发生在已校系统开环截止频率附近。选择滞后网络参数时，通常使网络的交接频率远小于一般取此时，滞后网络在处产生的相角滞后按下式确定将代入上式b与和20lgb的关系如图6-13所示。(6-30)(6-31)50增益与相位裕量图6-13b与和20lgb的关系b0.010.1120lgbdB51增益与相位裕量3.无源滞后-超前网络图6-14无源滞后-超前网络传递函数为设则有式(6-32)表示为(6-32)a是该方程的解52增益与相位裕量图6-15无源滞后-超前网络频率特性(6-33)53增益与相位裕量求相角为零时的角频率

(6-34)的频段，的频段，当校正网络具有相位滞后特性校正网络具有相位超前特性。54增益与相位裕量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，需要采用有源校正装置。6.2.2有源校正网络55增益与相位裕量谢谢！

结束56增益与相位裕量57增益与相位裕量频率法对系统进行校正的基本思路是：通过所加校正装置，改变系统开环频率特性的形状，即要求校正后系统的开环频率特性具有如下特点：6.3串联校正6.3.1串联超前校正（基于频率响应法）用频率法对系统进行超前校正的基本原理，是利用超前校正网络的相位超前特性来增大系统的相位裕量，以达到改善系统瞬态响应的目点。为此，要求校正网络最大的相位超前角出现在系统的截止频率（剪切频率）处。

中频段的幅频特性的斜率为-20dB/dec,并具有较宽的频带，这一要求是为了系统具有满意的动态性能；

高频段要求幅值迅速衰减，以较少噪声的影响。

低频段的赠以满足稳态精度的要求；58增益与相位裕量用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤可归纳为：

根据稳态误差的要求，确定开环增益K。

根据所确定的开环增益K，画出未校正系统的波特图，关键是选择最大超前角频率等于要求的系统截止频率，即以保证系统的响应速度，并充分利用网络的相角超前特性。显然，成立的条件是由上式可求出a

验证已校系统的相角裕度计算未校正系统的相角裕度

根据截止频率的要求，计算超前网络参数a和T；(6-36)(6-35)求出Ｔ59增益与相位裕量用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤可归纳为：

根据稳态误差的要求，确定开环增益K。

确定开环增益K后，画出未校正系统的波特图，计算未校正系统的相角裕度

由给定的相位裕量值计算超前校正装置提供的相位超前量是用于补偿因超前校正装置的引入，使系统截止频率增大而增加的相角滞后量。值通常是这样估计的：如果未校正系统的开环对数幅频特性在截止频率处的斜率为-40dB/dec，一般取如果为-60dB/dec则取

根据所确定的最大相位超前角按算出a的值。

60增益与相位裕量

计算校正装置在处的幅值10lga由未校正系统的对数幅频特性曲线，求得其幅值为-10lga处的频率，该频率就是校正后系统的开环截止频率即

确定校正网络的转折频率

画出校正后系统的波特土，并演算相位裕度时候满足要求？如果不满足，则需增大值，从第

步开始重新进行计算。

61增益与相位裕量例６-1.设一单位反馈系统的开环传递函数为试设计以超前校正装置，使校正后系统的静态速度误差系数,相位裕度，增益裕量不小于10dB。解：

根据对静态速度误差系数的要求，确定系统的开环增益K。时，未校正系统的开环频率特性为

绘制未校正系统的伯特图，如图6-16中的蓝线所示。由该图可知未校正系统的相位裕量为

当*也可计算62增益与相位裕量63增益与相位裕量

根据相位裕量的要求确定超前校正网络的相位超前角

由式(6-37)

超前校正装置在处的幅值为据此，在为校正系统的开环对数幅值为对应的频率这一频率就是校正后系统的截止频率*也可计算

64增益与相位