清华机械工程控制基础课件4.控制系统的校正

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1、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7/25/20211机械工程始开7/25/20212机械工程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。DesignandCompensationTechniques7/25/20213机械工程在实际

2、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。7/25/20214机械工程目前，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。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、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7/25/20215机械工程二阶系

3、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)7/25/20216机械工程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)7/25/20217机械工程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7/25/20218机械工程图6-1系

4、统带宽的选择噪声输入信号7/25/20219机械工程校正方式串联校正反馈校正校正装置校正装置顺馈校正复合校正7/25/202110机械工程顺馈校正复合校正(b)顺馈校正（对扰动的补偿）(a)顺馈校正（对给定值处理）7/25/202111机械工程(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7/25/202112机械工程一般而言，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

5、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。7/25/202113机械工程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)与课本上形式不同而已!7/25/202114机械工程时间常数分度系数(6-18)注：j采用

6、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7/25/202115机械工程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，7/25/202116机械工程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

7、号相角超前，超前网络的名称由此而得。7/25/202117机械工程20dB/dec7/25/202118机械工程由(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零7/25/202119机械工程频率特性20dB/dec7/25/202120机械工程(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

8、一隔离放大器，以消除它们之间的负载效应。7/25/2