第6章 自动控制系统的校正.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,6,章 自动控制系统的校正,在顺馈补偿中，根据补偿采样源的不同，又可分为给定顺馈补偿和扰动顺馈补偿。这种校正在第三章已讲述过了。分类如表,6-0,所示。,根据校正装置在系统中所处地位的不同，一般分为串联校正、反馈校正和顺馈补偿。见表,6-0,所示。,在串联校正中，根据校正环节对系统开环频率特性相位的影响，又可分为相位超前校正，相位滞后校正和相位滞后,超前校正等。,在反馈校正中，根据是否经过微分环节，又可分为软反馈和硬反馈。,6.1,校正装置,6.1.1,无源校正装置,无源校正装置,(Passive compensator),通常是由一些电阻和电容组成的两端口网络。表,6-1,列出了几种典型的无源校正装置,如前所述，根据它们对系统频率特性相位的影响，又分为相位滞后校正，相位超前校正，和相位滞后,-,超前校正。表,6-1,中列出了有关的网络，传递函数和对数频率特性,(,伯德图,),。无源校正装置线路简单、组合方便、无需外供电源，但本身没有增益，只有衰减；且输入阻抗较低，输出阻抗又较高。因此在实际应用中，常常还需,增设放大器或隔离放大器。,6.1.2,有源校正装置,有源校正装置是由运放器组成的调节器。表,6-1-2,列出了几种典型的有源校正装置。,有源校正装置本身有增益，且输入阻抗高，输出阻抗低。它的缺点是线路较复杂，需另外供给电源,(,通常需正、负电压源,),。,有源校正装置本身有增益且输入阻抗高。输出阻抗低。此外，只要改变反馈阻抗，就可以很容易地改变校正装置的结构。参数调整也方便。所以如今较多采用有源校正装置。它的缺点是线路较复杂，需另外供给电源,(,通常需正、负电压源,),。,本章主要通过有源校正来阐述校正的作用和它们对系统性能的影响,6.2 PID,控制规律,6.2.1 PID,控制规律分析,控制系统的组成如图,6-2-1,所示,系统中的被控对象通常是给定的，一般情况下是不可变的。控制器是由设计者根据对系统性能的要求而选定的，它对偏差信号 进行适当的变换，获得满足系统性能要求的控制作用信号 ，这种变换就称为控制规律。通常采用的基本控制规律有：比例 、微分 、积分 以及由这些基本规律的组合，如 等复合控制规律。,1,比例 控制规律,比例控制器的结构图如图,6-2-2,所示。,比例控制的输出与输入的关系为,拉氏变换：,（,6-2-1,）,比例控制器实质是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中，,减小，将使系统的稳定性改善，但使系统的稳态精度变差；若增加 ，系统变化与上述相反。调节系统的增益，在系统的相对稳定性和稳态精度之间作某种折衷的选择，以满足实际系统的要求，,是最常用的调整方法之一。要进一步改善系统的性能，比例控制器一般不单独使用，常常同其它控制规律一起使用，以便使控制系统具有较高的控制质量。,2,比例微分 控制规律,比例微分控制器的结构图如图,6-2-3,所示。,控制器输入、输出关系为,拉氏变换：,式中 为比例系数；为微分时间常数。、均为可调参数。,下面以一个具体实例说明控制规律对系统控制性能的影响。图,6-2-4,为一个具有大惯量控制系统结构图。,（,a,）,(b),图,6-2-4,控制系统结构图,图,6-2-4,（,a,）系统的特征方程式为,（,6-2-4,）,由此可知，原系统的输出具有不衰减等幅振荡。,图,6-2-4,（,b,）采用比例微分控制，则闭环特征方程为,（,6-2-5,）,这时系统是稳定的，其输出 的形式由阻尼比 来决定。即由控制器的比例系数 和微分时间常数 来决定。由此例可看出，就改善大惯量系统的控制性能来说，比例微分控制规律，它的主要作用表现在增加控制系统的阻尼比，可以使系统由不稳定 变成 ，提高系统的瞬态性能。由于比例微分控制规律可以提高系统的稳定性，因此在保证系统具有一定稳定性的要求下，可以采用较大的开环放大系数，使系统稳态误差减小，从而改善系统的稳态性能。但也需要指出，如果偏差信号 无变化，即变化率没有产生，则微分控制不起作用。微分控制作用，只有在信号发生变化时才起作用，因此微分控制也有放大噪声信号的缺点。这个问题，在设计控制系统时，应给予足够的重视。,综上所述，比例微分控制将使系统的稳定性和快速性改善，但抗高频干扰能力明显下降。,3,比例积分（,PI,）控制规律,比例积分控制器结构图如图,6-2-5,所示。,其输入信号与输出信号关系为,图,6-2-5,比例积分控制器的结构图,（,6-2-6,）,式中 为比例系数，为积分时间常数，和 都是可调参数。,在控制系统中，比例积分控制器主要是用来在保证系统稳定的基础上提高系统的类型，从而改善系统的稳态性能。以图,6-2-6,所示系统说明比例积分控制器对改善系统稳态性能的作,图,6-2-6,比例积分控制结构图,原系统的开环传递函数为,系统是,1,型系统，若输入信号 时,速度误差系统为,稳态误差为,采用比例积分控制后，系统的开环传递函数为,（,6-2-7,）,系统由,1,型系统提高为,2,型系统。,速度误差系数为,稳态误差为,从上面的分析说明，采用比例积分控制，可以消除速度信号作用下的系统稳态误差，从而改善了控制系统的稳态性能。,开环传递函数为,（,6-2-8,）,因为参数,都是正数，,所以特征方程式各项系数全部大于零。因此只要合理地选择各参数，就可以做到既能保证系统稳定又能提高系统的稳态性能。,综上所述，,比例积分校正将使系统的稳态性能得到明显的改善，但使系统的稳定性变差。设计系统时要折衷考虑。,4,比例积分微分（,PID,）控制规律,比例微分校正能改善系统的动态性能，但使高频抗干扰能力下降；比例积分校正能改善系统的稳态性能，但使动态性能变差；为了能兼得二者的优点，又尽可能减少两者的副作用，常采用比例,-,积分,-,微分（,PID,）校正。,这种组合具有三个单独的控制规律各自的优点，其结构图如图,6-2-7,所示。,图,6-2-7,比例积分微分控制器结构图,控制器的输出为,控制器的传递函数为,式中,从上式可以看出，比例积分微分控制规律除可使系统的类型提高外，还可提供两个零点。这为改善系统的瞬态性能提供了更方便的条件。综上所述，,比例积分微分,(PID),校正兼顾了系统稳态性能和动态性能的改善,。因此这一控制规律被广泛地应用于控制系统中。,6.2.2,、,PID,校正设计,MATLAB,实现举例,稳定边界法的,PlD,校正设计是目前应用较广的一种控制器参数计算方法。这个方法是基于系统的稳定性理论。系统闭环特征方程的根,(,即闭环极点,),都在其复平面虚轴的左侧时，闭环系统稳定；当闭环特征方程有纯虚根时，系统的根轨迹与虚轴相交，其响应等幅振荡，系统临界稳定；只要有一个闭环特征方程的根,(,即闭环极点,),在其复平面虚轴的右侧时，闭环系统不稳定。当置,PID,调节器的 与,时，增加 值直至系统开始振荡，此时系统闭环极点应在复平面的 虚轴上，确定系统闭环根轨迹与复平面 轴交点，求出交点的振荡角频率 及其对应的系统增益 ，则其,PID,调节器参数的整定计算公式如表,6-2-1,所示。,表,6-2-1,稳定边界法,PID,整定公式,例,6-2-1,已知一串级过程控制系统如图,6-2-8,所示，其主、副被控对象与副调节器的传递函数分别为,试用稳定边界法计算系统主调节器,P,、,PI,、,PID,校正时的参数，并进行阶跃,给定响应的仿真。,解：根据题意，利用,zn02(),函数求系统,PI,校正器参数的程序,L621,m,如下。,MATLAB PROGRAM L621.m,clear,G1=tf(1,30 1);G2=tf(1,3 1);G3=tf(1,10 1);,G4=tf(10,1 2 1);G=G1*G2*G3*G4;p=4;,Gc1,Kp1=zn02(1,G,p),Gc2,Kp2,Ti2=zn02(2,G,p),Gc3,Kp3,Ti3,Td3=zn02(3,G,p),Gccl,=,feedback(G,*Gc1,1);step(Gcc1);hold on,Gcc2=,feedback(G,*Gc2,1);step(Gcc2);,Gcc3=,feedback(G,*Gc3,1);step(Gcc3);,gtext(1 P control),gtext(2 PI control);,gtext(3 PID control);,程序须在,MATLAB,命令窗口中运行，程序运行后有根轨迹图,6-2-9,图上显示有十字光标，选择根轨迹与虚轴的交点用鼠标左键点击。,在,MATLAB,命令窗口中还看到用稳定边界法计算出,P,、,PI,、,PID,校正的参数。再弹出根轨迹图，再次鼠标左键点击根轨迹与虚轴的交点，程序三次调用函数,zn02,m,，即这样操作三次，最后得到如图,6-2-10,所示的,PID,三种校正时的阶跃给定响应曲线与校正器计算结果。,计算出三种,P,、,PI,、,PID,校正时校正器的参数分别为：,P,校正器：,Gc1=Kp1=0.4682,PI,校正器：,KP2=0.5203;Ti2=32.4395,Transfer function:,16.88 s+0.5203,-,32.44 s,PID,校正器：,KP3=0.6861;Ti3=19.0821;Td3=4.7705,Transfer function,：,62.46 s2+13.09 s+0.6861,-,19.08 s,从图,6-2-10,所示稳定边界法计算的,P,、,PI,、,PID,校正阶跃给定响应曲线看到，,P,与,PI,校正的跃响应曲线上升的速度差不多快，,PID,校正的最快；三条曲线有两个不同的终了值。超调量都较大，以,PI,校正的为最大。,6.3,串联校正（频率法）,6.3.1,串联超前校正,1.,微分校正电路,微分校正电路可用如图,6-3-1,所示无源阻容电路来实现。,其微分方程式为,当初始条件为零时，进行拉氏变换，可求得传递函数为,式中,式（,6-3-1,）中，衰减 可用系统中放大器增益来弥补，因此，通常只研究如下形式的传递函数：,图,6-3-2,幅相频率特性,图,6-3-3,对数频率特性,(6-3-2),幅频特性,相频特性,当 时,A(0)=1,时,转折频率：,其幅相频率特性如图,6-3-2,所示；对数频率特性如图,6-3-3,所示。,由图,6-3-2,可以看出，对某一个 值，从原点作半圆切线，切线与实轴之间的夹角就是这个网络所能提供的最大超前相角 ，对应的频率就是产生 的频率。随着 的增加，也增大，最大超前相角为 。,产生最大超前相角时的频率可以如下求出：,得,即 是 在 和两转折频率的几何中心。,RC,网络最大超前相角 仅是 的函数，对应不同 值，计算出的最大超前相角 值列于表,6-3-1,中。,选用,RC,网络时，和,T,两个参数需要确定，通常取,=4,15,范围之内，最大值一般不超过,20,。因为 ,20,以后，最大超前相角 随 的增加变化不大，但当 值取得过大时，相位超前网络的衰减严重。,2,超前校正装置的综合,超前校正的基本原则，是利用相位超前特性。只要正确地将校正环节的转折频率,1/T,和,/T,选在待校正系统（或称为不可变部分,G0(s),）穿越频率两边，就可以使校正后系统的穿越频率和相角裕量满足性能指标要求，从而改善闭环系统的瞬态性能。闭环系统的稳态性能，可通过选择校正后的开环增益来保证。,超前校正的一般步骤如下：,（,1,）根据稳态误差的要求确定系统开环放大系数，绘制出校正前的对数频率特性，计算相角裕量。,(2),根据给定相角裕量，估计需要附加的相角。,(3),根据要求的附加相角，计算校正环节的 值。,(4),确定后，确定校正环节的转折频率,1/T,和,/T,。应使校正后的中频段斜率为,-20dB/dec,，并且使校正环节的最大超前相位角出现在穿越频率 的位置上。,(5),校核校正后的相角裕量是否满足给定要求，如不满足应重新计算。,(6),计算校正装置参数。,上述步骤是一般常用校正步骤，依据不同情况还可作些变动。,例设一单位反馈控制系统，其开环传递函数为 ，要求系统在单位,斜坡信号输入时，输出稳态误差 相角裕量 ，确定校正装置的传递函数,Gc(s),。,解：,1),根据稳态误差要求确定开环放大系数,K,图,6-3-4,例,6-3-1,串联超前校正的对数频率特性图,则校正前的传递函数为,绘制对数频率特性曲线如图,6-3-4,中曲线,1,所示。,按下式计算校正前穿越频率 。,当,时，忽略,1,，故,则,相角裕量为,校正前相角裕量不满足要求。,2,）根据系统相角裕量 的要求，需要附加的相角应为 考虑 ，则未校正系统相角裕量在 处更小一些，因此，再附加 则,3,）根据 计算 值,解得,4),校核，校正后相角裕量,所得结果满足系统要求。,5),校正装置的传递函数为,如图,6-3-4,中曲线,3,所示。可以用超前校正电路和放大器来实现，放大器放大倍数为,再由,C,三个参量中任选一个，就可求出另外两个参量。,超前校正的特点如下：,加大相位裕量，提高稳定性。,闭环系统频带加宽，提高快速性,是高通滤波器，降低抗高频干扰能力。,6.3.2,串联滞后校正,1.,滞后校正电路,应用,RC,电路构成的相位迟后网络如图,6-3-5,所示。,传递函数为,（,6-3-4,）,式中,T=,C,幅频特性为,对数幅频特性为,相频特性为,当 时，,A(0)=1,时，,转折频率,其幅相频率特性，对数频率特性分别如图,6-3-6,和图,6-3-7,所示。,依照超前校正环节分析方法可求得,由上面的介绍可知，与 有关，对应不同值 的最大滞后相角 值列于表,6-3-2,中。,由图,6-3-7,及式（,6-3-5,）可知，当 时，校正电路的对数幅频特性的增益将等于,-20log dB,并保持不变，当值增大时，也增大，而且 是出现在 和 之间线段的几何中心。在校正时，如果选择转折频率 远小于系统要求的穿越频率 ，则这一滞后校正将对穿越频率 附近的相角无太大影响。因此，为了改善稳态特性，尽可能使 和,T,取得大一些。但在实际工程中，它又受电路能否实现限制，难以选得过大。通常选,T(3,5)s,。,利用滞后校正电路进行滞后校正时，对数频率特性曲线如图,6-3-8,（,a,）所示。从图上可以看出，校正后开环对数频率特性的穿越频率减小，相角裕量增大，对数幅频特性的幅值有较大衰减。这样校正的结果，可以增加系统的相对稳定性，有利于提高系统放大系数，以满足稳态精度要求。由于高频段的衰减，系统的抗干扰能力也增强。但是由于频带宽度变窄，瞬态响应速度将变慢。,如果原系统有足够的相角裕量，而只须减小稳态误差，提高稳态精度时，可采用图,6-3-8,（,b,）所示的校正特性。在这里只是把校正环节特性的增益提高,20log,即可。从校正后的特性可以看出，除低频段提高了增益外，对其余频段影响很小，可以满足对系统所提出的校正要求。的大小应根据低频段所需的增益来选择，而,T,的确定，则以不影响系统的穿越频率及中频段特性为前提。,图,6-3-8,相位滞后校正前、后的对数频率特性,2.,滞后（积分）校正装置的综合,在已知系统不可变部分的传递函数,G0(s),和应具有的性能指标后，校正步骤如下：,1,）根据给定的稳态误差要求，确定开环放大系数,K,。,2,）根据已确定的开环放大系数,K,，绘制未校正系统的开环对数频率特性曲线，计算穿越频率和相角裕量。,3,）在未校正系统的开环对数频率特性曲线上，根据给定的相角裕量，并考虑的附加值，试选已校正系统的穿越频率,）,计算值。依据未校正系统在时的幅值,A(,),，等于值确定。,）选择转折角频率，选择的频率范围为（,1/5,1/10,）即,=,（,1/5,1/10,）。依据，确定。,）校核相角裕量和其余性能指标，如下满足要求应重新计算。,）写出校正装置的传递函数。,上面介绍的步骤是一般步骤，具体应用时，可根据不同情况，进行合并或变动。,例,6-3-2,设单位反馈系统的开环传递函数为，要求,系统校正后，稳态误差系数，相角裕量，确定滞后校正装置的传递函数。,解：,1,）确定开环放大系数,K,取,K=5,2,）绘制校正前系统的频率特性曲线，校正前的传递函数为,其对数频率特性曲线如图,6-3-9,中曲线,1,所示。,计算,图,6-3-9,例,6-3-2,串联滞后校正的对数频率特性图,故校正前系统不稳定。,3,）确定校正后的穿越频率,要求考虑附加，因此预选,=,校正前不同频率时相角裕量为,由频率曲线可知当，渐近线斜率大于,-20dB/dec,故只能选择，计算的值。列于表,6-3-3,中。,因此可试选校正后穿越频率,4),计算值,求校正前在的对数幅频值,5),选择转折频率,选,6),校核,校正后传递函数为,其对数频率特性如图,6-3-9,中的曲线,2,所示。,相角裕量为,校正装置的传递函数,其对数频率特性如图,6-3-9,中曲线,3,所示。,滞后校正的结果使系统的频率特性在低频段具有较大的放大系数。而同时又降低了较高频的增益，使对数频率特性形成下降的特性。因此，这种校正装置，实质上是一种低通滤波器。由于滞后校正装置的衰减作用，使穿越频率移到较低的频率上，瞬态响应变慢，适用于瞬态响应要求不高的系统。但是，高频抗干扰性能较好。,其特点如下：,主要提高开环增益，从而提高稳态精度。,是低滤波器，对高频干扰，噪声又衰减作用。,降低快速性。,6.3.3,串联滞后,-,超前电路,1,滞后,-,超前电路如图,6-3-10,所示。,传递函数为,式中,频率特性为,对数频率特性曲线如图,6-3-11,所示，从滞后,-,超前电路的对数频率特性图可以看出，幅频特性的前段是相位滞后部分，所以容许在低频段提高增益，以改善系统的稳态特性。幅频特性后段是相位超前部分，可以增加相角裕量，改善了系统的瞬态响应。,在实际工程系统中常用比例,-,积分,-,微分调节器（简称,PID,调节器）来实现类似滞后,-,超前校正作用。,图,6-3-10 RC,积分,-,微分电路,图,6-3-11,滞后,-,超前电路对数频率特性,2,滞后,-,超前校正装置的综合,例,6-3-3,设有单位反馈系统，其开环传递函数为,要求系统性能指标满足：,图,6-3-12,例,6-3-3,对数频率特性图,所以,K=20,2,）绘制校正前开环对数频率特性曲线，校正前的传递函数为,其对数频率特性如图,6-3-12,所示,由图可以看出，校正前系统不稳定,3,）确定校正后的穿越频率,选择 容易实现使校正后相角裕量为 。,4,）确定相位滞后部分,选择转折频率,选择 则转折频率 滞后部分传递函数可写成,5,）确定相位超前部分,计算校正前 时的对数幅频值,幅频特性为,由图可知，对惯性环节，,，可忽略,1,；对惯性环节,因此，如果滞后,-,超前校正环节在 即为所求。根据这一要求，通过点 画一条斜率为 的直线，该直线与 线交点频率为 及与横坐标轴交点频率为 ，就确定了转折频率,下面用计算方法求 和 。,由图可知，通过点 斜率为 直线的传递函数可写为 ，则幅频特性为 ，对数幅频特性为,当,时，可得,（,6-3-8,）,时，,（,6-3-9,）,由式（,6-3-9,）减式（,6-3-8,）可得,则,所以,超前部分传递函数为,6,）滞后,-,超前校正装置的传递函数为,（,7,）校正后系统开环传递函数为,（,8,）校核,从前可知，相位滞后,-,超前校正的特点如下：,兼有滞后，超前两种校正方式的优点，精度好，快速性好。,适用稳定性和稳态精度要求较高的情况。,6.3.4,用,MATLAB,实现频率法校正举例,基于频率法的串联超前校正,超前校正装置的主要作用是通过其相位超前效应来改变频率响应曲线的形状，产生足够大的相位超前角，以补偿原来系统中元件造成的过大的相位滞后。因此校正时应使校正装置的最大超前相角出现在校正后系统的开环剪切频率（幅频特性的穿越频率）,c,处。,设已知超前校正装置的数学模型为 ，利用频率法设计超前校正装置的步骤为：,1),根据性能指标对稳态误差系数的要求，确定开环增益,K,；,2),利用确定的开环增益,K,，画出未校正系统的,Bode,图，并求出其相位裕量 ，幅值裕量,Kg,；,3),确定为使相位裕量达到要求值,所需要增加的超前相位角 ，即 式中：,为要求的相位裕量；,是考虑到系统增加串联超前校正装置后系统的剪切频率要向右移而附加的相位角，一般取为,=5,15,。,4),令超前校正装置的最大超前相位角 ，则由下式可求得校正装置的参数。,5),将校正装置的最大超前相位角处的频率 作为校正系统的剪切频率 ，则有,即,或,可见，未校正系统的幅频特性幅值等于,-20lg,时的频率，即为 。,6),根据 ，利用下式求参数,T,，即,画出校正后系统的,Bode,图，校验性能指标是否已达到要求。若不满足要求，可增大 值，从第（,3,）步起重新计算。,上述利用频率法设计超前校正装置的步骤可编写程序图,6-3-13,所示。,例,6-3-4,已知一单位反馈系统，其开环传递函数为,G,（,s,）,=,。,为使系统在输入,r,（,t,）,=t,时的稳态误差为,0.02,，相对裕量,50,度，幅值裕量,Kg20dB,，试确定串联超前校正装置,Gc,（,s,）。,解：针对稳态误差的需求，选定参数,K,即,根据串联超前校正的流程图（图,6-3-13,）设计,MATLAB,程序如程序,L634,。运行结果如下所示。系统校正前后的伯德图,6-3-14,所示。证明所设计的串联超前校正装置改变了控制系统的瞬态性能，提高了相位裕量。,程序,L634,numo,=250;deno=conv(1,0,1,5);,Gm1,Pm1,Wcg1,Wcp1=,margin(numo,deno,);,r=50;r0=Pm1;,w=0.1:1000;,mag1,phase1=,bode(numo,deno,w,);,e=10;,phic,=(r-r0+e)*pi/180;,alpha=(1+sin(phic)/(1-sin(phic);,i1,ii=min(abs(mag1-1/sqrt(alpha);,wc,=,w(ii,);,T=1/(wc*,sqrt(alpha,);,numc,=alpha*T,1;denc=T,1;,num,den,=,series(numo,deno,numc,denc,);,Gm,Pm,Wcg,Wcp,=,margin(num,den,);,printsys(numc,denc,),printsys(num,den,),mag2,phase2=,bode(numc,denc,w,);,mag,phase,=,bode(num,den,w,);,subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),-,w,20*log10(mag2),-.);,grid;ylabel,(,幅值,(db);,title(-Go,-,Gc,GoGc,);,subplot(2,1,2);semilogx(w,phase,w,phase1,-,w,phase2,-.);,grid;ylabel,(,相位,();,xlabel,(,频率,(,rad,sec),title(,校正前,:,幅值裕量,=,num2str(20*log10(Gm1),db,相位裕量,=,num2str(Pm1),;,校正后,:,幅值裕量,=,num2str(20*log10(Gm),db,相位裕量,=,num2str(Pm),);,disp(,校正前,:,幅值裕量,=,num2str(20*log10(Gm1),db,相位裕量,=,num2str(Pm1),);,disp(,校正后,:,幅值裕量,=,num2str(20*log10(Gm),db,相位裕量,=,num2str(Pm),);,运行之后结果如下：,运行之后结果如下：,num/den=,0.097313 s+1,-,0.019258 s+1,校正之后系统的开环传递函数：,num/den=,24.3282 s+250,-,0.019258 s3+1.0963 s2+5 s,校正前,:,幅值裕量,=Infdb,相位裕量,=17.9642,图,6-3-14,系统校正前后的伯德图,校正后,:,幅值裕量,=Infdb,相位裕量,=53.9784,图,6-3-14,系统校正前后的伯德图,2,基于频率法的串联滞后校正,滞后校正装置将给系统带来滞后相角。引入滞后校正装置的真正目的不是为了提供一个滞后相角，而是要使系统增益适当衰减，以提高系统的稳态精度。,滞后校正的设计主要是利用它的高频衰减作用，降低系统的剪切频率，以便能使得系统获得充分的相位裕量。根据用频率法设计滞后校正装置的步骤可编写流程图如图,6-3-15,所表示。,例,6-3-5,已知单位负反馈系统的开环传递函数 。若要,求校正后的静态速度误差系数等于,30/s,，相角裕量等于,40,，幅值裕量不小于,10dB,，截止频率不小于,2.3rad/s,，试设计串联滞后校正装置来改变系统性能。,解 首先确定开环增益,K,。使,则原系统开环传递函数应取,利用,MATLAB,绘制原系统的伯德图，如图,6-3-16,所示。还可以求原系统的稳定裕量指标为,Gm=0.5000,；,Pm=-17.2390,；,Wcg1=7.0711,；,Wcp1=9.7714,故知未校正系统不稳定，且截止频率远大于要求值。在这种情况下，采用串联超前校正是无法达到期望值的，故需选用滞后校正。,r0=40;e=10;w=logspace(-1,1.2);,r=(-180+r0+e);,num0=30;den0=conv(1,0,conv(0.1,1,0.2,1);,mag1,phase1=bode(num0,den0,w);,i1,ii=min(abs(phase1-r);,wc,=,w(ii,);,alpha=mag1(ii);,T=10/wc;,numc,=T,1;denc=11.08*T,1;,num,den,=series(num0,den0,numc,denc);,Gm1,Pm1,Wcg0,Wcp0=margin(num0,den0);,Gm,Pm,Wcgl,Wcpl,=,margin(num,den,);,printsys(numc,denc,),printsys(num,den,),disp,(,校正前,:,幅值裕量,=,num2str(20*log10(Gm1),db,相位裕量,=,num2str(Pm1),);,disp,(,校正后,:,幅值裕量,=,num2str(20*log10(Gm),db,相位裕量,=,num2str(Pm),);,程序结果如下,:,num/den=,4.0566 s+1,-,44.9472 s+1,校正后,:,num/den=,121.6983 s+30,-,0.89894 s4+13.5042 s3+45.2472 s2+s,校正前,:,幅值裕量,=-6.0206db,相位裕量,=-17.239,校正后,:,幅值裕量,=14.2641db,相位裕量,=45.6712,3.,基于频率法的串联滞后,-,超前校正,利用频率法设计滞后,-,超前校正装置的流程如图,6-3-17,所示。,例,6-3-6,已知一单位反馈系统，其开环传递函数为 ，,若要求,KV=10,（,1/s,），相位裕量为,45,，幅值裕量为,10dB,，试设计一个串联滞后,-,超前装置。,解：根据系统的稳态误差系数，开环增益,故原系统的开环传递函数为,-100,-50,0,50,100,Magnitude(dB),10,-2,10,-1,10,0,10,1,10,2,-270,-225,-180,-135,-90,System:sys,Frequency(rad/sec):1.58,Phase(deg):-180,Phase(deg),Bode Diagram,Frequency (rad/sec),图,6-3-18,未校正系统的,bode,图,1),利用,MATLAB,程序，绘制未校正系统伯德图（如图,6-3-18,所示），找出原系统,-180,的频率为新的剪切频率。得到校正后的系统的剪切频率为,1.58rad/s,。,num0=10;w=logspace(-2,2);,den0=conv(1,0,conv(1,1,0.4,1);,bode(num0,den0,w);grid;,2),利用新剪切频率确定系统的滞后部分的,T2,和,a,。选取,3),根据校正后系统在新的幅值交接频率处的幅值必须为,0dB,，确定超前校正部分的,T1,。利用,MATLAB,作图，得到原系统在,w=1.58,处的幅值为,9.13dB,，则应该使得滞后,-,超前校正环节在新穿越处产生一个,-9.13dB,的增益。因为选择了,a=10,，故超前校正部分的转角频率可以这样确定：通过点（,1.58,，,-9.22dB,）画一条斜率为,+20dB/dec,的直线，此线与,0dB,线及,-20dB,线分别的交点即为超前校正部分的两个转角频率。用,MATLAB,程序作图，如图,6-3-19,所示，得到交点：,T1=1/0.7=1.428s,4),综合得到滞后超前校正装置的传递函数为,5),利用,MATLAB,程序校验校正后系统的幅值裕量和相位裕量。,按照上述要求和步骤编写的程序见程序,L636,。校正后的伯德图如图,6-3-20,所示。,MATLAB,界面显示的校正装置的传递函数，校正后系统的开环传递函数，矫正前后的幅值，相位裕量的值如下结果所示。可见校正之后的性能指标都满足要求。,程序,L636,num0=10;w=logspace(-2,2);,den0=conv(1,0,conv(1,1,0.4,1);,Gm1,Pm1,Wcg1,Wcp1=margin(num0,den0);,numc,=conv(6.33,1,1.428,1);,denc,=conv(63.3,1,0.1428,1);,num,den,=series(num0,den0,numc,denc);,Gm,Pm,Wcg,Wcp,=,margin(num,den,);,mag1,phase1=bode(num0,den0,w);,printsys(numc,denc,),printsys(num,den,),mag2,phase2=,bode(numc,denc,w,);,mag,phase,=,bode(num,den,w,);,subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),-,w,20*log10(mag2),:);,grid;ylabel,(,幅值,(db);,title(-Go,-,Gc,，,GoGc,);,subplot(2,1,2);semilogx(w,phase,w,phase1,-,w,phase2,-,w,(w-180-w),:);,grid;ylabel,(,相位,();,xlabel,(,频率,(,rad,sec),title(,校正后,:,幅值裕量,=,num2str(20*log10(Gm),db,相位裕量,=,num2str(Pm),);,disp,(,校正前,:,幅值裕量,=,num2str(20*log10(Gm1),db,相位裕量,=,num2str(Pm1),);,disp,(,校正后,:,幅值裕量,=,num2str(20*log10(Gm),db,相位裕量,=,num2str(Pm),);,gml,pml,wcgl,wcpl,=margin(num0,den0);,mag1,phase1=bode(num0,den0,w);,lw,=20*log10(w/1.58)-9.13;,semilogx(w,20*log10(mag1),-,w,lw),grid,程序结果如下,:,num/den=,9.0392 s2+7.758 s+1,-,9.0392 s2+63.4428 s+1,num/den=,90.3924 s2+77.58 s+10,-,3.6157 s5+38.0321 s4+98.2592 s3+64.8428 s2+s,校正前,:,幅值裕量,=-9.1186db,相位裕量,=-24.1918,校正后,:,幅值裕量,=17.2392db,相位裕量,=58.7937,6.4,反馈校正（,Feedback Compensation,）,1.,反馈校正工作原理,为了阐述反馈校正的基本工作原理，首先介绍局部闭环的频率响应。图,6-4-1,是反馈控制系统中的一个局部闭环。,其闭环传递函数为,图,6-4-1,反馈系统中的局部反馈校正,闭环频率特性为,如果局部闭环是稳定的，为了使校正的计算简便起见，我们考虑做如下的近似：,1),在,或,的频段范围内,（,6-4-2,）,即局部闭环的闭环频率响应近似为前向通道的频率响应，与反馈通道频率响应无关，也就是说在这个频率范围内，反馈已经不起作用了。,2),在,或,的频段范围内,（,6-4-3,）,即局部闭环频率响应近似为反馈通道的频率响应的倒数，与前向通道的频率响应无关，因此，,当系统中某些元件的特性或参数不稳定时，常常用反馈校正装置将它们包围，以削弱这些元件对系统性能的影响,。从而使系统获得满意的性能,.,图,6-4-2,带转速负反馈和转速微分负反馈的速度调节,2,反馈校正的分类,通常反馈校正又可分为硬反馈和软反馈。,硬反馈校正装置的主体是比例环节,(,可能还含有滤波小惯性环节,),，它在系统的动态和稳态过程中都起作反馈校正作用。,软反馈校正装置的主体是微分环节,(,可能还含有滤波小惯性环节,),，它的特点是只在动态过程中起校正作用，而在稳态时，形同开路，不起作用。下面对微分负反馈环节的特点再作一些说明。在自动控制系统中，有时还将某一输出量（如转速）经电容再反馈到输入端，如图,6-4-2,所示。它注入输入端的信号电流与反馈量对时间的变化率成正比，亦即与输出量对时间的变化率成正比。,即 由于 与输出量的微商成正比，所以又称为微分反馈。,微分反馈的特点是：在稳态时，输出量不发生变化，其微商将为零,(,即,dn,dt=0),，于是 ，微分反馈不起作用。当输出量随时间发生变化时，它便起反馈作用。而且输出量变化率越大，这种反馈作用越强。这意味着，微分负反馈将限制转速变化率,(),，亦即限制调速系统的加速度。,同理，电压微分负反馈将限制电压的上升率,(),；电流微分负反馈将限制电流上升率,(),。微分负反馈有利于系统的稳定，因此获得广泛的应用。,由于微分负反馈只在动态过程中起作用，而在稳态时不起作用，因此又称它为软反馈。,小 结,1.,系统校正就是在原有的系统中，有目的地增添一些装置,(,或部件,),，人为地改变系统的结构和参数，使系统的性能获得改善，以满足所要求的性能指标。,2.,系统校正可分为串联校正、反馈校正和顺馈补偿。,3.,无源校正装置的优点是结构简单，缺点是它本身没有增益，且输入阻抗低，输出阻抗高。有源校正装置的优点是本身有增益，有隔离作用,(,负载效应小,),；且输入阻抗高，输出阻抗低，参数调整也方便。缺点是装置较复杂，且需要外加电源。,4.,比例,(P),串联校正，若降低增益，可提高系统的相对稳定性,(,使最大超调量,减小，振荡次数,N,降低,),。但使系统的稳态精度变差,(,稳态误差,增加,),。增大增益，则与上述结果相反。,5.,比例,-,微分,(PD),串联校正，使中、高频段,相位的滞后减少，减小了系统惯性带来的消极作用，提高了系统的相对稳定性和快速性。但削弱了系统的抗高频干扰的能力。,PD,校正对系统稳态性能影响不大。,6.,比例,-,积分,(PI),串联校正，可提高系统的无静差度，从而改善了系统的稳态性能；但系统的相对稳定性变差。,7.,比例,-,积分,-,微分,(PID),串联校正，既可改善系统稳态性能，又能改善系统的相对稳定性和快速性，兼顾了稳态精度和稳定性的改善，因此在要求