自动控制原理第六章

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1、第６章控制系统的校正教学重点了解控制系统校正的基本思想方法和过程；熟练掌握典型串联校正的基本原理及设计方法；了解三种串联校正的特点和适用范围，掌握基本的校正步骤；理解和掌握反馈校正的设计思想和校正步骤；了解引入前馈校正的目的，掌握前馈校正的设计思想。教学难点控制系统的校正及综合。控制系统的综合：已知对控制系统的要求，在控制系统的结构和参数尚未全部确定的情况下，按照给定的性能指标来最终地确定系统应有的结构形式及其相应的参数值的过程。对于控制系统，其性能指标分可划分为时域指标和频域指标。时域指标主要是针对控制系统的静态误差

2、系数、动态最大超调量、调整时间等指标提出要求。频域指标则主要是针对控制系统的开环频率增益、穿越频率、增益裕量和相位裕量的选择，以及系统闭环频率谐振峰值、谐振频率等指标提出要求。6.1系统校正的基本概念控制系统的综合与校正：根据控制系统应具备的性能指标以及原系统在性能指标上的缺陷来确定校正装置（元件）的结构、参数和连接方式这一过程。常用的综合与校正设计方法有两种：（1）根轨迹校正法。主要根据时域性能指标进行综合与校正。（2）频率校正法。主要依据频率域性能指标进行。6.1.1基本校正方法1.校正结构的分类根据校正装置在控制

3、系统中的不同位置，校正结构的不同形式主要可以分为串联校正、反馈校正、前馈补偿及复合校正。如图6-1(a)所示，串联校正装置一般接在系统误差测量点之后和固有系统的放大器之前，使得控制系统的校正装置与被控对象部分相串联。通常为减小校正装置的功率等级，降低校正装置的复杂程度，串联校正装置通常安排在前向通道中功率等级最低的点处。串联校正应用中存在的主要问题是对参数变化的敏感性较强。如图6-1(b)反馈校正装置则设置在系统局部反馈通路之中，形成局部反馈回路，故称为反馈校正，也称并联校正。反馈校正所需增加元件数量比串联校正要少，且

4、一般无须附加放大器，还可消除系统固有部分参数波动对系统性能的影响。适当地选择反馈校正回路的增益，可以使校正后的性能主要取决于校正装置，而与被反馈校正装置所包围的系统固有部分特性无关。（a）串联校正系统图6-1校正系统方框图（b）反馈校正系统前馈校正又称顺馈校正，通过引入输入量（包括外界干扰和设定值变化）构成的一种补偿校正方式。前馈校正是在系统主反馈回路之外采用的校正方式，其目的是测取输入量的变化信号，并按其信号产生合适的控制作用去改变、操纵控制系统变量，使受控变量维持在设定值上，以提高控制系统的稳态精度。前馈校正是通过

5、基于开环补偿的办法来提高控制系统的精度，所以前馈校正一般不单独使用，总是和其他校正方式结合应用而构成复合控制系统，以满足某些性能要求较高的系统的需要。如图6-2(a)、(b)所示，一种为引入给定输入信号的前馈补偿复合控制结构图，另一种是引入扰动输入信号的前馈补偿复合控制的结构图。（a）按输入补偿复合校正（b）按扰动补偿复合校正图6-2复合校正系统结构图由图6-2可知，前馈校正由于其输入信号皆取自闭环系统之外，因此不影响控制系统的闭环特征方程式，即不会改变控制系统的稳定性。2.PID控制器PID控制器中其输入量e(t)与

6、输出量u(t)的关系表达式为式中，、、为可调整的比例、积分、微分系数。PID控制器的传递函数1）比例控制最简单的比例控制就是对偏差进行控制，系统偏差一旦产生，比例控制器立即就发生作用调节控制输出，使被控量向着减小误差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数的大小。如图6-3所示，其原有部分的传递函数为在没有增加校正环节这种情况下，系统的闭环极点为　　　　　。如果串联的比例控制器的传递函数为则校正后控制系统的开环传递函数为图6-3串联有比例控制器的控制系统系统的闭环极点为表明随着比例系数的增长，闭环系统极点坐标的实部不变

7、，但虚部却在增长。越大，则系统偏差减小得越快，但是却很容易引起振荡，使系统的稳定性下降，甚至会造成控制系统的不稳定。由于开环系统串联了一个比例环节，对于输入信号为单位阶跃函数时，控制系统的稳态误差系数为无穷大，其稳态误差终值为零；但若输入信号为单位斜坡函数，则稳态速度误差系数为系统的稳态误差终值与成倒数关系，可见，比例系数增大，可以减小稳态误差；减小，发生振荡的可能性减小，但是调节速度变慢。这表明单纯的比例控制存在稳态误差不能消除，难于兼顾稳态和暂态两方面的要求的缺点，这里就需要积分控制。如果一个自动控制系统，在进入稳

8、态后系统还存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的，或简称有差系统。2）积分控制积分控制实质上就是对偏差的累积进行控制，直至偏差为零为止。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关，增加积分控制有利于消除静差。如图6-3所示，如果串联的控制环节改为比例积分校正装置，则其传递函数