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1、控制工程基础,第七章 控制系统的性能分析与校正,性能分析一个系统，元部件参数已定，研究它能达到什么指标，能否满足所要求的各项性能指标； 综合与校正若系统不能全面地满足所要求的性能指标，就要考虑对原系统增加些必要的元件或环节，使系统能够全面地满足所要求的性能指标。,第七章 控制系统的性能分析与校正,系统的性能指标 系统的校正概述 串联校正 反馈校正 顺馈校正 用频率法对控制系统进行设计与校正 典型控制系统举例,7.1 系统的性能指标,时域性能指标 开环频域指标 闭环频域指标 综合性能指标(误差准则) 误差积分性能指标 误差平方积分性能指标 时间乘误差绝对值,系统的校正概述,所谓校正（或称补偿）就
2、是给系统附加一些具有某种典型环节特性的电网络，运算部件或测量装置等，靠这些装置的配置来有效地改善整个系统的控制性能。 这一附加的部分称为校正元件或校正装置，通常是一些无源或有源微积分电路，以及速度、加速度传感器等。,校正装置在系统中的联结方式： 顺馈校正 干扰补偿 串联校正 反馈校正,顺馈校正,-,补偿器放在 系统回路之外,不影响特征方程，只补偿由于输入造成的稳态误差。,干扰补偿,当干扰直接可测量时,不影响特征方程，只补偿由于干扰造成的稳态误差。,串联校正,在系统主反馈回路内采用的校正方法，校正装置串联在系统的前向通道中。,反馈校正,-,在系统主反馈回路内采用的校正方法，在系统中增加某些局部反
3、馈环节。,串联校正,超前校正 滞后校正 滞后-超前校正 PID调节器,超前校正 1、超前网络,2、超前校正的作用,-,由于正相移的作用，使截止频率附近的相位明显上升，具有较大的相位裕量，既改善了原系统的稳定性，又提高了系统的截止频率，获得足够的快速性。,滞后校正 1、滞后网络,2、滞后校正的作用,滞后校正并不是利用相角滞后作用来使原系统稳定，而是利用幅值衰减作用使系统稳定的，校正后，截止频率前移，以牺牲快速性换取稳定性。,滞后校正不改变低频段的特性，故对稳态精度无破坏作用。相反，还允许适当提高开环增益，进一步改善稳态精度。,对于高精度、而快速性要求不高的系统采用滞后校正。如恒温控制等。,滞后-
4、超前校正 1、滞后-超前网络,滞后网络,超前网络,PID调节器,在机电控制系统中，为了改进反馈控制系统的性能，人们经常选择各种各样的校正装置，其中最简单最通用的就是PID控制器。模拟PID控制器大多数是液压的、气动的、电气的和电子型的，或是由它们构成的组合型。由于微处理器的大量应用，许多变成了数字型的。 大多数PID控制器是现场调节的，某些PID控制器还具有在线自动调节能力。,Proportion Integral Differentiation,1、PD调节器,相当于超前校正,2、PI调节器,相当于滞后校正,3、PID调节器,相当于滞后-超前校正,反馈校正,反馈校正在控制系统中得到广泛应用，
5、常见的有被控量的速度、加速度反馈、执行机构的输出及其速度的反馈；以及复杂系统的中间变量反馈等。,一、利用反馈校正改变局部结构和参数 二、利用反馈校正取代局部结构,一、利用反馈校正改变局部结构和参数 1、比例反馈包围积分环节,由原来的积分环节变成惯性环节,2、比例反馈包围惯性环节,结果仍为惯性环节，但时间常数减小了。反馈系数越大，时间常数越小。,3、微分反馈包围惯性环节,结果仍为惯性环节，但时间常数增大了。反馈系数越大，时间常数越大。,4、微分反馈包围振荡环节,结果仍为振荡环节，但阻尼比却显著增大。从而可改善小阻尼环节的不利影响。,二、利用反馈校正取代局部结构,常被用来改造不希望有的某些环节，或
6、用来消除非线性、变参量的影响。,用频率法对控制系统进行校正,一、典型系统的希望对数频率特性 二阶最优模型 高阶最优模型 希望对数频率特性的高频段 伯德图低频段与复现带的关系 典型系统的希望对数频率特性 二、希望对数频率特性与系统性能指标的关系 三、用希望对数频率特性进行校正装置的设计,一、典型系统的希望对数频率特性 中频段： 20dB/dec，10倍频程穿越0dB线，c适度 低频段： 有足够高度(保证稳态精度) 高频段： 有足够衰减特性，抗扰性好。 工程上常采用的希望对数频率特性有两种：,1、典型二阶最优模型 2、典型高阶最优模型,1、典型二阶最优模型,典型二阶最优模型特点：,2、典型高阶最优
7、模型,被控对象参数不能改变,3、希望对数频率特性的高频段 前面已经说明，无论是典型二阶最优模型还是典型高阶最优模型，高于 的幅频特性都呈现 -40dB/dec。但是，系统中各个部件可能还存在一些小时间常数，致使高频段呈现出-60dB/dec-100dB/dec的形状。,高频区,高频区伯德图 呈很陡的斜率下降，有利于 降低高频躁声。 但高频段有多个小惯性环节， 将对高阶模型系统的相位裕度产生不利影响， 使原来的相角裕度,高频区,小参数区,高频区,4、伯德图低频段与复现带宽的关系 无论是二阶最优模型还是高阶最优模型，其低频段的增益都越来越高。,误差传递函数,5、典型系统的希望对数频率特性 低频段：
8、增益应尽量高，以保证复现频带（工作频带）内的静态误差； 中频段：要保证稳定性和足够的快速性； 高频段：要考虑抑制噪声，又不能过多影响系统稳定性。,二、希望对数频率特性与系统性能指标的关系 希望对数频率特性所对应的动态特性主要取决于中频段。 对于二阶最优模型： 性能指标参阅表7-2及前面讲过的公式； 下面重点讨论高阶最优模型：,通过分析，可得高阶系统最优模型性能指标间的经验公式如下：,例如 某单位反馈系统，其开环为典型高阶最优传递函数,三、用希望对数频率特性进行校正装置的设计 原来系统的对数频率特性一般叫做固有频率特性，就是不好改变的意思。根据指标，确定出希望对数频率特性，所谓校正，就是附加上校正装置，使校正后的频率特性成为希望频率特性，即,表7-3,表7-4,滞后校正,校验校正装置选定后的性能指标，并与不加校正的指标进行对比,7.6 典型控制系统举例,电压-转角位置随动系统 直流电机调速系统,Matlab：SISOTOOL,作业,P271：7-3，7-6,
