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1、第第8章章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正系统综合？校正的实质？系统综合？校正的实质？系统性能指标及其计算系统性能指标及其计算系统校正的系统校正的MATLAB编程编程控制系统设计举例控制系统设计举例9/5/20241系统综合与校正的概念系统综合与校正的概念 我我们们知知道道，在在构构造造控控制制系系统统时时，为为了了满满足足性性能能指指标标，适适当当地地改改变变控控制制对对象象的的动动态态特特性性，可可能能是是一一种种比比较较简简单单的的方方法法。但但是是，在在很很多多实实际际情情况况中中，由由于于控控制制对对象象可可能能是是固固定定的的和和不不可可改改变变的的，所所以以上上述述方方
2、法法行行不不通通。因因此此，必必须须调调整整固固定定的的控控制制对对象象以以外外的的参参数数。因因此此，这这里里要要研研究究的的设设计计问问题题，就就变变成成了了一一种种通通过过加加校校正装置来改善系统性能的问题。正装置来改善系统性能的问题。在在经典理论中经典理论中控制器控制器受控系统受控系统控制系统控制系统9/5/20242系统综合与校正的概念系统综合与校正的概念 控控制制系系统统设设计计，实实质质上上就就是是控控制制器器设设计计。对对于于不不同同的的系系统统，对对于于不不同同的的设设计计方方法法，控控制制器器也也称称为为补补偿偿器器、校校正正装装置置（校校正正器器）。在在经经典典控控制制理
3、理论论中中，系系统统综综合合的的关关键键是是校校正正装装置置设设计计。而而在在现现代代控控制制理理论论中中，系系统统综综合合的关键是控制器设计。的关键是控制器设计。何谓综合？何谓综合？ 对于给定的受控系统，确定其控制规律，即设计控对于给定的受控系统，确定其控制规律，即设计控制器的结构及其参数，使系统的过程满足事先规定的性制器的结构及其参数，使系统的过程满足事先规定的性能指标。能指标。 在已知受控对象的特性和要求的系统性能指标，构在已知受控对象的特性和要求的系统性能指标，构造一个控制系统，称为系统综合。造一个控制系统，称为系统综合。9/5/20243系统综合与校正的概念系统综合与校正的概念 为为
4、了了改改善善控控制制系系统统的的稳稳态态和和动动态态性性能能，需需要要在在系系统统中中加加入入适适当当的的校正装置，使系统的整个特性满足给定的各项性能指标要求。校正装置，使系统的整个特性满足给定的各项性能指标要求。系统校正系统校正 所谓校正，就是改变系统的动态特性，使系统满足特所谓校正，就是改变系统的动态特性，使系统满足特定的技术要求。通过改变系统结构或在系统中加入一些参定的技术要求。通过改变系统结构或在系统中加入一些参数可调的装置，以改善系统的稳态、动态性能，使系统满数可调的装置，以改善系统的稳态、动态性能，使系统满足给定的性能指标。为了满足性能指标而加进系统的装置，足给定的性能指标。为了满
5、足性能指标而加进系统的装置，称为校正装置。称为校正装置。9/5/20244系统校正的实质系统校正的实质 现代控制系统实质上就是计算机控制系统，传统的校正技术现代控制系统实质上就是计算机控制系统，传统的校正技术和校正装置已被算法和计算机取代。但其设计思想和技术仍然是和校正装置已被算法和计算机取代。但其设计思想和技术仍然是重要的。重要的。改变系统的极点数目和极点位置。改变系统的极点数目和极点位置。 校正可以归结为设计一种滤波器，这种滤波器具校正可以归结为设计一种滤波器，这种滤波器具有的特性能够补偿控制对象不希望的且不能改变的特有的特性能够补偿控制对象不希望的且不能改变的特性。我们把校正装置与不能改
6、变的传递函数性。我们把校正装置与不能改变的传递函数G(s)G(s)进行进行串联，以获得必要的动态特性。因此，设计的主要问串联，以获得必要的动态特性。因此，设计的主要问题将是如何恰当地选择校正装置题将是如何恰当地选择校正装置G(s)G(s)的极点和零点，的极点和零点，以改善系统的动态特性，使系统性能指标得到满足。以改善系统的动态特性，使系统性能指标得到满足。 请注意，如果说用经典控制理论设计控制系统的关键是系统校请注意，如果说用经典控制理论设计控制系统的关键是系统校正，那么现代控制系统设计巳归结为控制器的设计了。而后者是前正，那么现代控制系统设计巳归结为控制器的设计了。而后者是前者的继承与发展。
7、者的继承与发展。9/5/20245 增加极点和零点的影响增加极点和零点的影响增加零点的影响增加零点的影响增加极点的影响增加极点的影响 在系统的开环传递函数中增加极点，会降低系统的相在系统的开环传递函数中增加极点，会降低系统的相对稳定性，增加系统响应的调整时间。增加积分控制相当对稳定性，增加系统响应的调整时间。增加积分控制相当于增加位于原点的极点，因此降低了系统的稳定性。于增加位于原点的极点，因此降低了系统的稳定性。 在系统的开环传递函数中增加零点，会增加系统的稳在系统的开环传递函数中增加零点，会增加系统的稳定性，减小系统响应的调整时间。增加零点意味着对系统定性，减小系统响应的调整时间。增加零点
8、意味着对系统增加微分控制，其效果是在系统中引入超前相位，且加快增加微分控制，其效果是在系统中引入超前相位，且加快瞬态响应。瞬态响应。9/5/202468.1 系统性能指标及其计算系统性能指标及其计算时域性能指标时域性能指标动态性能指标动态性能指标例题例题8-1稳态性能指标稳态性能指标稳态误差、无差度、开环放大系数稳态误差、无差度、开环放大系数例题例题8-2频域性能指标频域性能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幅值穿越频率幅值穿越频率c，幅值裕度，幅值裕度Kg，相位裕度，相位裕度谐振峰值谐振峰值Mr，谐振频率，谐振频率c，频宽，频宽b例例8.1 已知系统传递函数为已知系统传递函
9、数为求最大超调量求最大超调量 Mp，峰值时间，峰值时间 tp 和调整时间和调整时间 ts9/5/20248稳态误差的概念与计算稳态误差的概念与计算单位反馈单位反馈调用计算稳态增益的指令调用计算稳态增益的指令K=degain(sys) 也可用来计算系统阶跃响应的稳也可用来计算系统阶跃响应的稳态值和稳态误差。态值和稳态误差。例题例题8-29/5/20249例例8.2已知单位负反馈系统的开环传递函数为已知单位负反馈系统的开环传递函数为求其单位斜坡输入时，系统的稳态误差。求其单位斜坡输入时，系统的稳态误差。9/5/2024108.2 系统校正的系统校正的MATLAB编程编程主要校正方式主要校正方式控制
10、系统设计的主要方法控制系统设计的主要方法时域设计时域设计频域设计频域设计相位滞后校正相位滞后校正PID校正校正9/5/202411常用串联校正装置的作用常用串联校正装置的作用相位超前相位超前相位滞后相位滞后滞后超前滞后超前利用相位超前利用相位超前特性改善系统特性改善系统的动态特性，的动态特性，使系统的带宽使系统的带宽增加，响应速增加，响应速度变快。度变快。利用高频幅值利用高频幅值衰减特性，在衰减特性，在不影响动态特不影响动态特性的前提下，性的前提下，改善系统的稳改善系统的稳态特性。态特性。同时改善系统同时改善系统的动态、稳态的动态、稳态性能。性能。微分作用微分作用D积分作用积分作用I积分微分作
11、用积分微分作用ID9/5/2024128.2.1 相位滞后校正相位滞后校正相位滞后校正相位滞后校正 利用高频幅值衰减利用高频幅值衰减特性，在不影响动态特特性，在不影响动态特性的前提下，改善系统性的前提下，改善系统的稳态特性。的稳态特性。9/5/202413相位滞后校正：例相位滞后校正：例83 先确定增益先确定增益Kc使系统具有希使系统具有希望的稳态精度，望的稳态精度，再确定校正装置再确定校正装置的转折频率使系的转折频率使系统具有希望的相统具有希望的相位裕度位裕度 。相位滞后校正相位滞后校正设计思想：设计思想：=60开环增益开环增益 K0=499/5/202414仿真结果仿真结果9/5/2024
12、15仿真结果仿真结果9/5/2024168.2.2 PID校正校正 PID控控制制器器是是一一种种线线性性控控制制器器。它它将将偏偏差差的的比比例例、积积分分和和微微分分通通过过线线性性组组合合构构成成控控制制量量，对对被被控控对对象象进进行行控控制制。PID控控制制规规律律的的微分方程式为微分方程式为 KP比例系数；比例系数；TI积分时间常数；积分时间常数；TD微分时间常数微分时间常数PID传递函数传递函数9/5/202417例例84设计设计PID控制器控制器Ka10c4rad/s(c) 509/5/202418例例84仿真结果仿真结果9/5/2024198.3 控制系统设计举例控制系统设计
13、举例汽车悬架系统控制汽车悬架系统控制主动悬架主动悬架阀控液压马达速度控制系统阀控液压马达速度控制系统9/5/2024208.3.1 汽车主动悬架系统汽车主动悬架系统输入信号输入信号u输出信号输出信号x1车身位移车身位移主动控制力主动控制力干扰信号干扰信号W控制目的控制目的通过调整控制力通过调整控制力u，使汽车在任何路面上行驶，使汽车在任何路面上行驶时，车身振动小，且振动衰减快。时，车身振动小，且振动衰减快。9/5/202421汽车悬架的主动控制汽车悬架的主动控制车身车身加速度加速度传感器传感器控制器控制器车桥车桥悬架弹簧悬架弹簧可调阻尼可调阻尼（减振器）（减振器）路面激励（扰动输入）路面激励（
14、扰动输入）车身振动（输出）车身振动（输出）路面路面轮胎刚度轮胎刚度 主动悬架实际上是主动悬架实际上是一个恒值控制系统。它一个恒值控制系统。它通过检测到的车身振动通过检测到的车身振动加速度、速度来控制空加速度、速度来控制空气弹簧的刚度、悬架阻气弹簧的刚度、悬架阻尼以及参数之间的匹配尼以及参数之间的匹配关系，从而抑制路面扰关系，从而抑制路面扰动激励引起的车身振动，动激励引起的车身振动，使车身振动尽可能小，使车身振动尽可能小，达到提高汽车平顺性的达到提高汽车平顺性的控制目的。控制目的。9/5/2024221.系统建模系统建模m1m2fksfbufkt9/5/202423被动悬架框图被动悬架框图9/5/2024242. 构造闭环控制系统构造闭环控制系统9/5/2024253. 3. 建立建立建立建立MATLABMATLAB模型模型模型模型9/5/2024264. 仿真结果仿真结果9/5/2024274. 仿真结果仿真结果9/5/2024288.3.2 阀控液压马达速度控制系统阀控液压马达速度控制系统9/5/202429仿真程序仿真程序9/5/202430仿真结果仿真结果9/5/202431
