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1、第第6 6章章 线性系统的校正方法线性系统的校正方法 系统的设计与校正概念 常用的校正装置及其特性 串联校正 本章主要内容与重点复杂电力系统潮流的计算机算法课件本章主要内容 本章介本章介绍了控制系了控制系统校正的基本概念、常校正的基本概念、常用校正方法和常用校正方法和常见校正校正装置的特性，主要装置的特性，主要阐述述了利用了利用频率特性和根率特性和根轨迹迹进行串行串联超前、滞后超前、滞后以及以及滞后滞后超前超前校正的校正的原理和基本方法，同原理和基本方法，同时简要介要介绍了局部反了局部反馈校校正的原理。正的原理。本章重点本章重点 要求掌握系要求掌握系统校正的基本校正的基本概念、校正方法和校正装
2、置的概念、校正方法和校正装置的特性与用途特性与用途,重点掌握重点掌握频率特率特性法和根性法和根轨迹法迹法进行系行系统串串联超前、滞后以及超前超前、滞后以及超前滞后校滞后校正装置正装置综合的原理和方法合的原理和方法,以以及何及何时采用何种校正方法等采用何种校正方法等问题,同同时深入了解局部反深入了解局部反馈校校正的原理和方法正的原理和方法。本章考点本章考点：已知系统校正前及校正后开环对数幅频特性，已知系统校正前及校正后开环对数幅频特性，求校正装置传递函数；按给定指标设计串联校正装置；已知求校正装置传递函数；按给定指标设计串联校正装置；已知原系统开环传递函数，从给出的几种串联校正网络中选择一原系统
3、开环传递函数，从给出的几种串联校正网络中选择一种，使校正后系统性能最好。种，使校正后系统性能最好。复杂电力系统潮流的计算机算法课件6-1 6-1 系统的设计与校正问题系统的设计与校正问题当被控对象给定后，设计一个实际的控制系统一般要确定：（1）根据所要求的被控信号的最大速度或加速度要求等，初步选择执行元件的形式、特性和参数。（2）根据要求的测量精度、抗扰动能力、被测信号的物理性质、测量过程中的惯性、非线性度等因素，选择测量元件。（3）根据执行元件的功率要求，选择功率放大器；根据系统设计增益的要求确定增益可调的前置放大器。若仅靠调整放大器增益或系统已有的元部件参数，不能使得系统性能指标满足要求，
4、则要在系统中加入参数及特性可调整的校正装置。主要三种校正方法：串联校正、反馈校正、复合校正。复杂电力系统潮流的计算机算法课件性能指标性能指标电动机控制系统电动机控制系统：（1）直流电动机调速系统对速度平稳性、稳态精度要求较高；（2）随动系统对于系统输出对系统输入的跟踪速度要尽可能快，系统的快速性。生产过程（石油化工、生物工程、热力工程等）生产过程（石油化工、生物工程、热力工程等）：系统输出（温度、流量、压力等）平稳、稳态精度。性能指标的确定要考虑物理可实现性、经济性设计方法：（1）根轨迹法校正 时域性能指标：单位阶跃响应的峰值时间、调节时间、超调量、阻尼比、稳态误差等；（2）频率法校正 频域性
5、能指标：相角裕度、幅值裕度、谐振峰值、闭环带宽、静态误差系数等。在实际应用中频率法校正更加广泛。复杂电力系统潮流的计算机算法课件二阶系统频域指标与时域指标的关系二阶系统频域指标与时域指标的关系谐振峰值谐振频率带宽频率截止频率相角裕度超调量调节时间复杂电力系统潮流的计算机算法课件高阶系统频域指标与时域指标的关系谐振峰值超调量调节时间系统带宽的选择系统带宽的选择要求较高的稳定裕度，希望开环对数幅频特性在截止频率处的斜率为 -20dB/dec要求较强的从噪声中辨识信号的能力，希望开环对数幅频特性在截止频率处的斜率小于 -40dB/dec不同用途的系统对系统带宽是不一样的。复杂电力系统潮流的计算机算法
6、课件一般要求系统的稳定裕度在 45o左右 中频区的斜率为-20dB/dec若输入信号的带宽：噪声信号主要作用的频带为：而且使 处于 之外。复杂电力系统潮流的计算机算法课件校正方式校正方式串联校正、反馈校正、前馈校正、复合校正串联校正与反馈校正串联校正与反馈校正串联校正被控对象反馈校正前置放大、功率放大复杂电力系统潮流的计算机算法课件前馈校正被控对象反馈校正前置放大、功率放大G1(s)G2(s)Gn(s)G1(s)G2(s)Gr(s)前馈校正前馈校正复合校正复合校正复杂电力系统潮流的计算机算法课件基本控制规律基本控制规律（1）比例（P）控制（2）比例-微分（PD）控制复杂电力系统潮流的计算机算法
7、课件（3）积分（I）控制（4）比例-积分（PI）控制复杂电力系统潮流的计算机算法课件例1 设比例-积分控制系统，对象传递函数为 分析PI控制对系统稳态性能的改善。解：没有PI控制时，系统稳态误差为 采用PI控制，稳态误差为零而且可以调整积分时间常数 ，使得系统闭环稳定。复杂电力系统潮流的计算机算法课件（5）比例-积分-微分（PID）控制复杂电力系统潮流的计算机算法课件复杂电力系统潮流的计算机算法课件6-2 常用校正装置及其特性常用校正装置及其特性1. 无源校正网络无源校正网络无源超前网络无源超前网络进一步可研究对数频率特性复杂电力系统潮流的计算机算法课件分度系数 的选择复杂电力系统潮流的计算机
8、算法课件求两端交接频率的中点（即几何中心）：无源迟后校正无源迟后校正复杂电力系统潮流的计算机算法课件无源迟后网络对低频信号不产生衰减，对高频噪声信号有削弱作用，b值越小，通过迟后网络的噪声电平就越低。迟后网络用于串联校正的主要作用迟后网络用于串联校正的主要作用：利用网络的高频衰减特性，降低系统的开环截止频率，来换取较大的相角裕度。为此，要避免因迟后网络带来的最大迟后角发生在拟校正的系统新的开环截止频率 附近。复杂电力系统潮流的计算机算法课件复杂电力系统潮流的计算机算法课件无源迟后无源迟后-超前网络超前网络网络传递函数复杂电力系统潮流的计算机算法课件因为网络的超前部分：网络的迟后部分：复杂电力系
9、统潮流的计算机算法课件2. 有源校正有源校正有源校正装置：无源网络与运算放大器 测速发电机与无源网络 P.256 表6-2 常用有源校正装置3. PID控制器（控制器（PID调节器）调节器） 气动式PID调节器、电子式PID调节器 常用无源校正装置复杂电力系统潮流的计算机算法课件6-3 串联校正串联校正系统设计指标为频域特征量，一般用频域法校正频域法校正系统设计指标为时域指标，宜用根轨迹法校正根轨迹法校正频域法校正用到的主要指标：稳态误差、开环截止频率、相角裕度。频率响应法的校正装置设计方法：（1）试探法（分析法），（2）综合法（期望特征法） 上述方法的设计过程主要适合于最小相位系统适合于最小
10、相位系统。开环频率特性：低频段低频段表征闭环系统的稳态性能稳态性能、中频段中频段表征闭环系统的动态性能动态性能、高频段高频段表征闭环系统的复杂程度复杂程度和抑制噪声抑制噪声的能力。复杂电力系统潮流的计算机算法课件1. 串联超前校正串联超前校正采用无源超前网络或PD调节器的原理进行串联超前校正。对于无源超前校正主要确定两端的交接频率。校正后系统开环幅频特性的一般形状：校正后系统开环幅频特性的一般形状：（1）低频段增益充分大，保证稳态误差的要求；（2） 中频段幅频特性斜率为 -20dB/dec ，而且有足够的频带宽度，保证适当的相角裕度；（3）高频段增益尽快减小，尽可能地削弱噪声的影响。复杂电力系
11、统潮流的计算机算法课件无源超前网络设计步骤无源超前网络设计步骤：（1）根据稳态要求，确定开环增益；（2）由已知的开环增益，计算未校正系统的相角裕度；（3）根据设计截止频率 要求，计算超前网络的 和（4）验证校正后系统的相角裕度（5）调节放大倍数或串联附加放大倍数为 的放大器，补偿无源超前网络的衰减。复杂电力系统潮流的计算机算法课件例1 设单位反馈系统，被控对象传递函数要求在单位斜坡信号作用下，输出稳态误差：开环系统截止频率：相角裕度：幅值裕度：试设计串联无源超前网络。解：复杂电力系统潮流的计算机算法课件未校正系统开环传递函数计算超前校正装置参数复杂电力系统潮流的计算机算法课件放大器增益再提高4
12、.6倍，抵消校正网络的衰减。复杂电力系统潮流的计算机算法课件校正后的系统传递函数复杂电力系统潮流的计算机算法课件串联超前校正的局限：（1）闭环带宽的要求，不可能使得分度系数过大。（2）原系统在截止频率附近相角迅速减小，不宜用串联超前校正。复杂电力系统潮流的计算机算法课件2.串联迟后校正串联迟后校正运用迟后校正网络或PI控制器进行串联校正是利用迟后网络（PI控制器）的高频幅值衰减特性，通过降低校正后系统的截止频率，来获得系统较大的相角裕度。应用迟后校正的场合应用迟后校正的场合：（1）对系统响应速度要求不高，对噪声抑制要求较高的场合；（2）未校正系统动态性能已经具备，稳态精度不能满足要求，保持动态
13、性能不变。复杂电力系统潮流的计算机算法课件设系统为单位反馈最小相位系统，迟后校正网络设计步骤：（1）根据稳态误差要求，确定开环增益 K；（2）利用已确定的开环增益，绘制未校正系统的对数频率特性 ，确定截止频率 、相角裕度 和幅值裕度 ；（3）选择不同的 ，计算或查出不同的 ，在伯德图上绘制 曲线；（4）根据相角裕度 要求，选择已校正系统的截止频率 ；考虑迟后网络相位影响后的相角裕度复杂电力系统潮流的计算机算法课件（5）确定迟后网络参数b和T：复杂电力系统潮流的计算机算法课件设计举例设计举例：设单位反馈控制系统的开环传递函数为要求：试设计串联校正装置。解：复杂电力系统潮流的计算机算法课件未校正系
14、统不稳定，截止频率远大于要求值，通过串联单个超前校正环节不可能产生如此大的相位超前角，一种方案用两级串联校正装置；另一种方案采用迟后校正。复杂电力系统潮流的计算机算法课件复杂电力系统潮流的计算机算法课件校验：复杂电力系统潮流的计算机算法课件若校验结果还不能完全满足设计要求，需要进一步调整截止频率或附加的迟后环节相位补偿量串联超前校正和串联迟后校正的比较：（1）超前校正：利用相位超前特性 迟后校正：利用高频段幅值衰减特性（2）超前校正：要附加放大倍数 迟后校正：不需要附加放大倍数（3）超前校正：截止频率提高，带宽大于迟后校正，改善系统动态特性 迟后校正：降低截止频率，使得系统响应变慢复杂电力系统
15、潮流的计算机算法课件3.串联迟后串联迟后-超前校正超前校正当未校正系统不稳定，系统指标既要考虑稳态性能和动态性能指标（响应速度、相位裕度）时，仅用一种校正方式难以实现，这时可考虑串联迟后-超前校正装置。串联迟后串联迟后-超前校正设计步骤超前校正设计步骤：（1）根据稳态性能确定开环增益K；（2）绘制未校正系统的对数幅频特性，求未校正系统的截止频率、相角裕度、幅值裕度（3）确定超前网络的交接频率 ：在未校正系统对数幅频特性上选择 -20dB/dec 变为 -40dB/dec的交接频率作为复杂电力系统潮流的计算机算法课件（4）由响应速度选择截止频率 和校正网络衰减因子（5）根据相角裕度要求，估算校正
16、网络迟后部分的交接频率（6）校验由未校正系统对数幅频特性的-20dB/dec的延长线在 处的值确定。复杂电力系统潮流的计算机算法课件设计举例：设未校正随动系统开环传递函数为设计校正装置，使系统性能满足以下要求：（1）最大指令速度180（o)/s ，位置误差不超过1o（2）相角裕度为（3）幅值裕度不低于10dB（4）调节时间不超过3（s)复杂电力系统潮流的计算机算法课件解：作未校正系统对数幅频特性复杂电力系统潮流的计算机算法课件采用迟后超前校正，考察未校正的对数幅频曲线可知：复杂电力系统潮流的计算机算法课件校正后系统的截止频率：校正后系统复杂电力系统潮流的计算机算法课件复杂电力系统潮流的计算机算
17、法课件中频带宽复杂电力系统潮流的计算机算法课件自动控制理论自动控制理论图图6-26 6-26 校正前系统、校正装置和校正前系统、校正装置和 校正后系统的伯德图校正后系统的伯德图l超前部分传递函数的确定校正前系统在=1.5s-1处的幅值为+13dB,要求Gc(s)的超前部分在=1.5s-1处产生-13dB幅值.由作图得：复杂电力系统潮流的计算机算法课件第五节第五节 PID控制器及其参数调整控制器及其参数调整图6-41 具有25%超调量的单位阶跃响应曲线自动控制理论自动控制理论图6-40 具有PID控制器的闭环系统复杂电力系统潮流的计算机算法课件自动控制理论自动控制理论图6-42 受控对象的单位阶
18、跃响应图6-43 S形响应曲线复杂电力系统潮流的计算机算法课件方法一方法一表一表一 Z-N 法则的第一法法则的第一法自动控制理论自动控制理论方法二方法二 令令Ti=，Td=0图6-44 具有比例控制器的闭环系统复杂电力系统潮流的计算机算法课件图6-45 具有周期Tc的持续振荡表二表二 Z-N法则的第二法法则的第二法自动控制理论自动控制理论例例6-7 一系统如下图所示一系统如下图所示试用试用Z-N法则确定法则确定KpTi和和Td复杂电力系统潮流的计算机算法课件图6-46 具有PID控制器的控制系统自动控制理论自动控制理论复杂电力系统潮流的计算机算法课件图6-47 具有PID控制器的控制系统自动控制理论自动控制理论（6-30）（6-31）复杂电力系统潮流的计算机算法课件图6-48 式(6-30)所示系统的单位阶跃响应曲线图6-49 式(6-31)所示系统的单位阶跃响应曲线自动控制理论自动控制理论复杂电力系统潮流的计算机算法课件知识结构图线性系统的校正方法串联校正超前校正适用场合优、缺点作用滞后校正适用场合优、缺点作用滞后-超前校正适用场合优、缺点作用反馈校正特点作用复合校正按干扰补偿按输入补偿复杂电力系统潮流的计算机算法课件
