自动控制原理（北航）电子教案 第6章 控制系统的校正(第15讲)

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1、第15讲第六章控制系统的校正前面几章中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。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。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，

2、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。6.1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增益穿越频率、幅值裕度和相位裕度闭环频率谐振峰值、谐振频率目前，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p220（1）二阶系统频域指标与时域指标的关系谐振峰值(6-1)谐振频率(6-2)带宽频率(6-3)截止频率(6-4)相位裕度(6-5)182超调量(6-6)调节时间(6-7)（2）高阶系统

3、频域指标与时域指标谐振峰值(6-8)超调量(6-9)调节时间(6-10)6.1.2系统带宽的选择带宽频率是一项重要指标。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。如果输入信号的带宽为则(6-11)182图6-1系统带宽的选择6.1.3校正方式串联校正一般接在系统误差测量点之后和放大器之前，串联接于系统前向通道之中反馈校正接在系统局部反馈通路中前馈校正又称顺馈校正。单独作用于开环控制系统，也可作为反馈控制系统的附加校正而组成复合控制系统。复合校正在反

4、馈控制回路中，加入前馈校正通路，组成有机整体。(a)串联校正182(b)反馈校正图6-2串联校正与反馈校正(a)前馈校正（对给定值处理）(b)前馈校正（对扰动的补偿）图6-3前馈校正图(a)复合校正按扰动的复合控制方式182(b)按输入补偿的复合控制图6-4复合校正串联校正和反馈校正的应用场合、要求和特点串联校正串联校正装置有源参数可调整，运放加RC网络，电动（气动）单元构成的PID调节器。有源有放大器阻抗匹配，接在前向通路能量较低的部位。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，在性能指标要求较高

5、的控制系统中，常常兼用串联校正和反馈校正。6.1.4基本控制规律（1）比例（P）控制规律(6-12)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。（a）P控制器(b)PD控制器图6-5P控制器P控制器和PD控制器182（2）比例-微分（PD）控制规律(6-13)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。单独用微分也很少，对噪声敏感。（3

6、）积分（I）控制规律具有积分（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。当消失后，输出信号有可能是一个不为零的常量。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。不宜采用单一的I控制器。（4）比例-积分（PI）控制规律具有积分比例-积分控制规律的控制器，称为PI控制器。图6-6积分控制器I和PI控制器(6-15)输出信号同时与其输入信号及输入信号的积分成比例

7、。为可调比例系数，为可调积分时间系数。开环极点，提高型别，减小稳态误差。182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。PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。（5）比例（PID）控制规律图6-7PID控制器具有积分比例-积分控制规律的控制器，称为PI控制器。(6-16)(6-17)如果增加一个极点，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)。

8、6.2常用校正装置及其特性6.2.1无源校正网络1.无源超前校正一般而言，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