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1、第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 6-2 6-2 线性系统的基本控制规律线性系统的基本控制规律 6-3 6-3 常常用校正装置及其特性用校正装置及其特性 6-46-4 校正装置设计的方法和依据校正装置设计的方法和依据 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 6-1 6-1 线性系统校正的概念线性系统校正的概念 6-5 6-5 串联校正的设计串联校正的设计 6-6 6-6 反馈校正的设计反馈校正的设计 6-7 6-7 反馈和前馈复合反馈和前馈复合校正校正 6-8 6-8 MATLABMATLAB在线性系统校正中的应用在线性系统校正中的应用 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正
2、 一、控制系统的组成一、控制系统的组成 控制系统控制系统 不可变部分不可变部分 执行机构执行机构 功率放大器功率放大器 检测装置检测装置 可变部分可变部分 放大器放大器、校正装置校正装置 使系统满足给定的性能使系统满足给定的性能 ( (设计系统设计系统) ) 6-1 6-1 线性系统校正的概念线性系统校正的概念 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 根据被控对象及其控制要求，选择适当的控制根据被控对象及其控制要求，选择适当的控制 器及控制规律设计一个满足给定性能指标的控制器及控制规律设计一个满足给定性能指标的控制 系统。系统。 校正校正( (补偿补偿) )：通过改变系统结构，或在系统中增
3、：通过改变系统结构，或在系统中增 加加附加装置或元件附加装置或元件对已有的系统（固有部分）进对已有的系统（固有部分）进 行再设计使之满足性能要求。行再设计使之满足性能要求。 控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置 ( (校正装置校正装置) ) 二、控制系统的设计任务二、控制系统的设计任务 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 三、评价系统的性能指标三、评价系统的性能指标 1.1.稳态精度指标稳态精度指标 位置误差系数位置误差系数K K P P , ,速度误差系数速度误差系数K K v v , ,速度误差系数速度误差系数K K a a 2.2.稳定
4、性指标稳定性指标 3.3.快速性指标快速性指标 时域指标时域指标 开环频域指标开环频域指标 闭环频域指标闭环频域指标 时域指标时域指标 开环频域指标开环频域指标 闭环频域指标闭环频域指标 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 四、校正方式四、校正方式 1 1、串联校正、串联校正 2 2、反馈校正、反馈校正 3 3、串联反馈校正、串联反馈校正 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 四、校正方式四、校正方式 5 5、扰动补偿、扰动补偿 4 4、前馈校正、前馈校正 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 校正方式选择需要考虑的因素校正方式选择需要考虑的因素 系统中信号的性质；技术方便
5、程度；可供选择的元件系统中信号的性质；技术方便程度；可供选择的元件 ；其它性能要求（抗干扰性、环境适应性等）；经济性；其它性能要求（抗干扰性、环境适应性等）；经济性 串联校正的特点串联校正的特点 设计较简单，容易对信号进行各种必要的变换，设计较简单，容易对信号进行各种必要的变换， 但需注意负载效应的影响。但需注意负载效应的影响。 反馈校正的特点反馈校正的特点 可消除系统原有部分参数对系统性能的影响，可消除系统原有部分参数对系统性能的影响， 元件数也往往较少。元件数也往往较少。 复合控制复合控制 性能指标要求较高的系统。性能指标要求较高的系统。 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 PID
6、 (Proportional Integral Derivative )PID (Proportional Integral Derivative )控制：控制： 对偏差信号对偏差信号e e(t)(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的进行比例、积分和微分运算变换后形成的 一种控制规律。一种控制规律。 比例控制（比例控制（P P） Proportional 微分控制（微分控制（D D） 积分控制（积分控制（I I） Integral Derivative 线性系统线性系统 基本控制基本控制 规律规律 P P、PIPI、PD PD 或或PID PID 控制控制 适用于数学模型已知及大多数数学模
7、型难以确定的控适用于数学模型已知及大多数数学模型难以确定的控 制系统或过程。制系统或过程。 PID PID 控制参数整定方便，结构灵活控制参数整定方便，结构灵活 6-2 6-2 线性系统基本控制规律线性系统基本控制规律 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 一、比例控制（一、比例控制（P P） 比例控制器实质是一种增益可调的放大器比例控制器实质是一种增益可调的放大器 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 对系统性能的影响正好相反。对系统性能的影响正好相反。 KpKp11 开环增益加大，稳态误差减小；幅值穿越频率增大，开环增益加大，稳态误差减小；幅值穿越频率增大， 过渡过程时间缩短；
8、系统稳定程度变差。过渡过程时间缩短；系统稳定程度变差。 原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。 KpKp11 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 微分控制具有预测特性。微分控制具有预测特性。 T Td d 就是微分控制作用超前于比例控制作用效果的时就是微分控制作用超前于比例控制作用效果的时 间间隔。间间隔。 微分控制不可能预测任何尚未发生的作用。微分控制不可能预测任何尚未发生的作用。 二、比例微分（二、比例微分（PDPD）控制控制 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 转折频率转折频率 1 1 =1/T=1/T d d 预先作用预先作用抑制阶
9、跃响应的超调抑制阶跃响应的超调 缩短调节时间缩短调节时间 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 相位裕量增加，稳定相位裕量增加，稳定 性提高；性提高； c c 增大，快速性提高增大，快速性提高 KpKp1 1时，系统的稳时，系统的稳 态性能没有变化。态性能没有变化。 高频段增益上升，降低高频段增益上升，降低 了系统抗干扰的能力；了系统抗干扰的能力； 微分控制仅仅在系统的微分控制仅仅在系统的 瞬态过程中起作用，一瞬态过程中起作用，一 般不单独使用。般不单独使用。 PDPD控制通过引入微控制通过引入微 分作用改善了系统的分作用改善了系统的 动态性能动态性能 第六章第六章 线性系统的校正线性系
10、统的校正 三、比例积分（三、比例积分（PIPI）控制控制 调节调节 T Ti i 影响积分控制作用；影响积分控制作用； 调节调节 K Kp p 既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。 由于存在积分控制，由于存在积分控制，PIPI控制器具有记忆功能。控制器具有记忆功能。 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 转折频率转折频率 1 1 =1/=1/ T T i i 一个积分环节一个积分环节 提高系统的稳态精度提高系统的稳态精度 一个开环零点弥补积分环节对系统稳定性的不利影响一个开环零点弥补积分环节对系统稳定性的不利影响 第六章第六章 线性系统的校
11、正线性系统的校正 KpKp1 1 系统型次提系统型次提 高，稳态性高，稳态性 能改善。能改善。 相位裕量减相位裕量减 小，稳定程度小，稳定程度 变差。变差。 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 KpKp 1 1 系统型次提高，系统型次提高， 稳态性能改善；稳态性能改善； 系统从不稳定变系统从不稳定变 为稳定；为稳定； c c 减小，快速性减小，快速性 变差。变差。 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 通过引入积分控制作用以改善系统的稳态性能。通过引入积分控制作用以改善系统的稳态性能。 通过比例控制作用来调节积分作用所导致相角滞通过比例控制作用来调节积分作用所导致相角滞 后对系统
12、的稳定性所带来的不利影响。后对系统的稳定性所带来的不利影响。 由于由于 ，导致引入，导致引入PIPI控控 制器后，系统的相位滞后增加，因此，若要通过制器后，系统的相位滞后增加，因此，若要通过 PIPI控制器改善系统的稳定性，必须有控制器改善系统的稳定性，必须有K K p p 1 1，以降以降 低系统的幅值穿越频率。低系统的幅值穿越频率。 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 四、四、PIDPID控制控制 一个零极点一个零极点 提高稳态精度提高稳态精度 两个负实部零点两个负实部零点 提高动态性能提高动态性能 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 在低频段在低频段，PIDPID控制器通
13、过积分控制作用控制器通过积分控制作用, ,改善了系统的稳态改善了系统的稳态 性能；性能； 在中频段在中频段，PIDPID控制器通过微分控制作用控制器通过微分控制作用, ,有效地提高了系有效地提高了系 统的动态性能。统的动态性能。 BodeBode图分析：图分析： 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 校正装置可以是电气的、机械的、气动的、液压的，校正装置可以是电气的、机械的、气动的、液压的， 或由其它形式的元件所组成。或由其它形式的元件所组成。 电气的校正装置有无源的和有源的两种。电气的校正装置有无源的和有源的两种。 常见的无源校正装置为常见的无源校正装置为RCRC网络，网络，应用这种校
14、正装置时，应用这种校正装置时， 必须注意它在系统中与前后级部件的阻抗匹配问题，或者增必须注意它在系统中与前后级部件的阻抗匹配问题，或者增 设隔离放大器。设隔离放大器。 有源校正装置通常是指由运算放大器和电阻、电容所组有源校正装置通常是指由运算放大器和电阻、电容所组 成的各种调节器，成的各种调节器，这类校正装置需要外加电源，但本身有增这类校正装置需要外加电源，但本身有增 益，且输入阻抗高，输出阻抗低，无需考虑阻抗匹配问题，益，且输入阻抗高，输出阻抗低，无需考虑阻抗匹配问题， 参数调整也很方便。参数调整也很方便。所以较多采用有源校正装置。所以较多采用有源校正装置。 6-3 6-3 常用校正装置及其
15、特性常用校正装置及其特性 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 校正装置校正装置 无源校无源校 正装置正装置 有源校有源校 正装置正装置 无相移校正装置无相移校正装置 相位超前校正装置相位超前校正装置 相位滞后校正装置相位滞后校正装置 相位滞后相位滞后超前校正装置超前校正装置 无相移校正装置无相移校正装置 相位超前校正装置相位超前校正装置 相位滞后校正装置相位滞后校正装置 相位滞后相位滞后超前校正装置超前校正装置 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 一、无相移校正装置（比例控制）一、无相移校正装置（比例控制） 1 1、传递函数、传递函数 2 2、实现形式、实现形式 无源网络无源网络 放大器放大器 3 3、BodeBode图图 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 二、相位超前校正装置二、相位超前校正装置 传递函数：传递函数： 相频特性：相频特性： 产生超前角产生超前角 令令 ，可求得最大超前角，可求得最大超前角 时的频率时的频率 为：为： 即：即： 可见可见 出现在转折频率出现在转折频率 和和 的的 几何中心。几何中心。 2020dB/decdB/dec 第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 传递函数：传递函数： 最大
