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1、自动控制原理梅晓榕,1,5.6 开环频率特性与控制系统性能的关系5.6.1 控制系统的性能指标,稳态指标：稳态误差 ，误差度v，开环放大系数K。 动态指标：过渡过程时间 ，最大超调 ，上升时间 ，峰值时间 ，振荡次数 N。 频域指标 开环指标：幅值穿越（剪切）频率 ，相位裕度 ，幅值裕度 。 闭环指标：闭环谐振峰值 ， 谐振频率 ，截止频率 。 闭环幅值,自动控制原理梅晓榕,2,5.6.2 二阶系统性能指标间的关系,准确关系式 阻尼大小： 响应速度,自动控制原理梅晓榕,3,5.6.3 高阶系统性能指标间的关系,经验公式,自动控制原理梅晓榕,4,5.6.4 开环对数幅频特性与性能指标间的关系,最
2、小相位系统。 研究开环对数幅频特性。设最低的转折频率是 。 低频 直线，斜率-20v dB/dec ，通过 及 开环对数幅频特性的低频段反映稳态性能,自动控制原理梅晓榕,5,中频段，穿越频率 附近。穿越频率大，速度快。 例 最好以-20dB/dec过 0 dB线。 高频段，衰减快,自动控制原理梅晓榕,6,5.7 控制系统设计的初步概念,系统设计：选择系统的结构、元部件、补偿元件和线路，设计补偿网络的参数，使系统满足指标。 控制原理的系统设计：选择补偿方法，设计补偿网络的传递函数。也称校正、综合。 基本方法：设计开环对数 幅频特性。低频段满足放大 系数和型别。中频段穿越频 率足够宽，以-20dB
3、/dec过 0dB线并保持足够长度。 高频段不特殊设计,自动控制原理梅晓榕,7,5.8 PID控制器简述5.8.1 比例（P）控制器,放大器 提高开环放大系数。 提高开环放大系数能减小稳 态误差。由Bode图知，对数幅 频特性向上平移，可提高频带 宽度（提高响应速度）， 但也可减小稳定裕度甚至 使系统不稳定,自动控制原理梅晓榕,8,5.8.2 比例微分（PD）控制,一阶微分环节 放大倍数增加，相位裕度增加，减小振荡。 减小稳态误差，提高稳定性，或使稳定性不变,自动控制原理梅晓榕,9,5.8.3 积分（I）控制器,积分环节 提高系统型别，减小误差。相位角是-90，减小相位裕度，甚至使系统不稳定,
4、自动控制原理梅晓榕,10,5.8.4 比例积分（PI）控制器,可以在保证稳定性的基础上提高系统型别和开环放大系数，从而减小稳态误差,自动控制原理梅晓榕,11,例5-8-1 解 1）稳态性能。 加P控制器后是1型，加PI控制器后是2型。 2）稳定性,自动控制原理梅晓榕,12,例 5-8-2 解 P控制器，闭环稳定。 PI控制器， 时闭环稳定,自动控制原理梅晓榕,13,5.8.5 比例积分微分（PID)控制器,提高开环放大系数，提高型别，从而减小误差，提高响应速度。 可使相位裕度增加，有利稳定，减弱振荡。 广泛应用,自动控制原理梅晓榕,14,5.9 超前补偿,超前补偿网络具有正的相位角。如PD控制
5、器。 5.9.1超前补偿网络的特性,自动控制原理梅晓榕,15,自动控制原理梅晓榕,16,5.9.2 超前补偿网络设计 1.设计原理 对数幅频特性,自动控制原理梅晓榕,17,2.设计步骤 1)绘制固有(待设计)部分开环幅频特性 。 2)确定设计好的系统应满足的频域指标 等。 3) 若 在要求的 频段为-40dB/dec，可用超前补偿。 4)绘制补偿后的对数幅频特性图 及补偿网络对数幅频特性图 ，并求出补偿网络数 。 5)校核设计后的系统是否满足指标要求,自动控制原理梅晓榕,18,例5-9-1 单位负反馈系统固有部分传递函数 。设计超前补偿网络。 解 1)K=20，绘制固有部分的对数幅频特性图，见
6、图中ABC。 2)设计后系统 50，对 没有要求。 3) 4)求补偿网络参数。 以-20dB/dec过0dB线,自动控制原理梅晓榕,19,5)校核 超前补偿提高带宽和响应速度,自动控制原理梅晓榕,20,5.10 滞后补偿,滞后补偿网络：负的相位角，如I控制器和PI控制器。 5.10.1 滞后补偿网络的特性,自动控制原理梅晓榕,21,5.10.2 滞后补偿网络设计 1.设计原理 1)利用对数幅频特性 中、高频段的衰减作用，使补偿后系统的对数幅频特性曲线以-20dB/dec 的斜率通过0dB 线，同时保证低频段的Bode图不变。 2)利用Bode图 在低频段的放大作用提高系统的开怀放大系数，减小稳
7、态误差，改善稳态性能，同时不改变中、高频段的Bode图，对系统的动态性能改变很小。此法适用场合是系统穿越频率和相角裕度符合要求，但精度不符合要求 。 滞后补偿使系统的相角裕度减小。若取 滞后网络的相角对的影响就很小。一般取,自动控制原理梅晓榕,22,2. 设计步骤 1)绘制固有部分的开环对数幅频特性 。 2)求出希望的穿越频率 及相角裕度。 3)绘出补偿后的开环Bode图并求出补偿网络的传递函数 及参数,自动控制原理梅晓榕,23,例5-10-1 单位负反馈系统固有部分的开环传递函数为 。 解 1) 按照指标要求的开环放大系数绘制固有部分的对数幅频特性 见图中折线ABC。 固有部分的幅值穿越频率
8、 ，Bode图以 -60dB/dec穿越0dB线。 相位裕度 系统不稳定。 2) 对 没有要求。 中当 1时斜率为-20dB/dec。这部分 作为中频段，取,自动控制原理梅晓榕,24,3)将 在0.5的频段向下平移，使 。即在0dB线上取 的点E，过E作-20dB/dec的直线至F，点F的角频率=1rad/s。过 F 作斜率 -40dB/dec 的直线至=2rad/s处，再作斜率为-60dB/dec的直线形成折线EFG。 延长FE至D，点D的角频率就是滞后补偿网络的转折频率 。选 。过D作斜率为-40dB/dec 的直线交 于点H,点H的角频率就是滞后补偿网络的转折频率 ， 由图知 。 AHD
9、EFG 就是设计后开环幅 频特性,自动控制原理梅晓榕,25,4)K=5， 若相位裕度偏小，则可减小,自动控制原理梅晓榕,26,例5-10-2 系统的开环传递函数为 解 1)绘出原有系统的开环对数幅频特性 系统动态性能指标满足要求， 但开环放大系数太小。 2)系统动态性能符合要求，不改 变Bode图中的中、高频段，利用 滞后补偿提高低频段的放大系数。 于是,自动控制原理梅晓榕,27,3)为减少补偿网络滞后角对 处相位的影响，取补偿网络的转折频率 。 设计后系统的开环传递函数的放大系数 系统的开环放大系数已满足要求，穿越频率 与 相比，滞后网络使相位裕度减少5度,自动控制原理梅晓榕,28,5.11
10、 滞后超前网络,滞后网络与超前网络串联。只用一种网络不行时用此网络。 低频段相角为负，高频段相角为正。如PID控制器。 5.11.1滞后超前网络特性,自动控制原理梅晓榕,29,5.11.2 补偿原理与步骤,1）用 。待补偿的开环传递函数（放大系数满足要求）幅频特性穿越频率高于要求值，且在要求的穿越频率附近的斜率是-40dB/dec。 先用滞后补偿使幅频特性以-40dB/dec过0dB线，穿越频率稍低于要求值。再用超前补偿使幅频特性以-20dB/dec过0dB线，使穿越频率满足要求。 用 。当放大系数低于要求值，用超前补偿满足动态指标，相位裕度留3 5余量。再用滞后补偿满足放大系数指标。滞后补偿
11、转折频率应远远低于穿越频率,自动控制原理梅晓榕,30,例 5-11-1 的中频段向下平移26dB/dec ，穿越频率12rad/s，斜率-40。然后再加超前补偿。取20lga=-26a=1/20,自动控制原理梅晓榕,31,自动控制原理梅晓榕,32,5.12 串联补偿网络的期望频率特性设计方法,适用最小相位系统。 1）绘固有部分对数幅频特性。 2）绘期望幅频特性低频部分。 3）绘期望幅频特性中频部分：过穿越频率作-20dB/dec直线，初选两端转折频率。 4）连中频段与低频段，常用-40dB/dec直线。 5）绘期望频率特性高频部分，与固有部分相同或平行,自动控制原理梅晓榕,33,例5-12-1
12、 解,自动控制原理梅晓榕,34,5.13 反馈补偿,可以实现串联补偿的功能，明显减弱参数波动和非线性的不利影响。应用广泛。 5.13.1 反馈的功能 1.比例负反馈可以减小环节的时间常数,自动控制原理梅晓榕,35,2.减弱参数变化对系统的影响 无反馈 有反馈,自动控制原理梅晓榕,36,3.用一个希望的环节代替不希望的环节,自动控制原理梅晓榕,37,5.13.2 反馈补偿网络的设计,自动控制原理梅晓榕,38,反馈补偿设计步骤： 1.绘固有部分开环对数幅频特性。 2.绘期望频率特性。 3.求反馈补偿网络。 4.校核性能指标,自动控制原理梅晓榕,39,例5-13-1 求反馈补偿网络 。要求开环放大系数K=100 ，最大超调量 。 解：图中,自动控制原理梅晓榕,40,自动控制原理梅晓榕,41,5.14 电子放大器的数学模型与补偿方法5.14.1 电子放大器的数学模型,1.放大器的固有模型,自动控制原理梅晓榕,42,2.有负反馈的放大器数学模型（闭环传函） 1）同相输入,自动控制原理梅晓榕,43,2）反相输入,自动控制原理梅晓榕,44,3.开环对数幅频特性 H减小，0dB线上升，系统趋于稳定，稳定裕度增加,自动控制原理梅晓榕,45,5.14.2 放大器的内部补偿,加电容,自动控制原理梅晓榕,46,5.14.3放大器的外部补偿,加反馈补偿电容
