系统根轨迹校正

自动控制系统的设计--基于根轨迹的串联校正设计

与频域法相似，利用根轨迹法进行系统的设计也有两种方法：1）常规方法；2）Matlab方法。Matlab的根轨迹方法允许进行可视化设计，具有操作简单、界面直观、交互性好、设计效率高等优点。目前常用的Matlab设计方法有：1）直接编程法；2）Matlab 控制工具箱提供的强大的Rltool工具；3）第三方提供的应用程序，如CTRLLAB等。本节在给出根轨迹的设计思路的基础上，将重点介绍第一、二种方法。

6.4.1 超前校正

关于超前校正装置的用途，在频率校正法中已进行了较详细的叙述，在此不再重复。

利用根轨迹法对系统进行超前校正的基本前提是：假设校正后的控制系统有一对闭环主导极点，这样系统的动态性能就可以近似地用这对主导极点所描述的二阶系统来表征。因此在设计校正装置之前，必须先把系统时域性能的指标转化为一对希望的闭环主导极点。通过校正装置的引入，使校正后的系统工作在这对希望的闭环主导极点处，而闭环系统的其它极点或靠近某一个闭环零点，或远离s平面的虚轴，使它们对校正后系统动态性能的影响最小。

是否采用超前校正可以按如下方法进行简单判断：若希望的闭环主导极点位于校正前系统根轨迹的左方时，宜用超前校正，即利用超前校正网络产生的相位超前角，使校正前系统的根轨迹向左倾斜，并通过希望的闭环主导极点。（一）根轨迹超前校正原理设一个单位反馈系统，G0(s)为系统的不变部分，Gc(s)为待设计的超前校正装置，

Kc为附加放大器的增益。绘制G0(s)的根轨迹于图6—19上，设点Sd 为系统希望的闭环极点，则若为校正后系统根轨迹上的一点，必须满足根轨迹的相角条件，即

∠Gc(Sd)G0(Sd)=∠Gc(Sd)+G0(Sd)=-π

图6-18

于是得超前校正装置提供的超前角为：

(6-21)

显然在Sd已知的情况下，这样的Gc(s)是存在的，但它的零点和极点的组合并不唯一，这相当于张开一定角度的剪刀，以Sd为中心在摆动。若确定了Zc和Pc的位置，即确定了校正装置的参数。下面介绍三种用于确定超前校正网络零点和极点的方法。

（二）三种确定超前校正装置参数的方法

零极点抵消法

在控制工程实践中，通常把Gc(s)的零点设置在正对希望闭环极点Sd下方的负实轴上，或位于紧靠坐标原点的两个实极点的左方，此法一般可使校正后系统的期望闭环极点成为主导极点。

比值α最大化法

能使超前校正网络零点和极点的比值α为最大的设计方法。按照该法去设计Gc(s)的零点和极点，能使附加放大器的增益尽可能地小。

以图6—19上的点O和Sd，以Sd为顶点，线段O 为边，向左作角γ，角γ的另一边与负实轴的交点Zc=-1/T，点Zc就是所求的一个零点。再以线段ZcSd为边，向左作角

∠PcSdZc，该角的另一边与负实轴的交点Pc=-1/αT，点就是所求Gc(s)的一个极点。根据正弦定理，由图6—18求得:

(6-22)

(6-23)

于是有:

(6-24)

将夹角γ作为自变量，式（6—24）对γ求导，并令其等于零，即dα/dγ=0

由上式解得对应于最大α值时的γ角为

(6-25)

不难看出，当希望的闭环极点Sd被确定后，式（6—25）中的θ和φ均为已知值，因而由上式可求得γ角，然后由式（6－22）和式（6－23）求得相应的零极点。

幅值确定法

设系统的开环传递函数:

(6-26)

且令超前校正装置的传递函数：

(6-27)

若要求校正后系统的稳态误差系数K(Kp,Kv,Ka)，则由上式可首先确定k：

(6-28)

在开环增益k确定后，根据根轨迹原理，若Sd为校正后的闭环极

点，则它除必须满足相角条件外，还应满足幅值条件：

(6-29)

上式中，

同样根据平面三角形原理，对于△ZcOSd有：

(6-30)

而对于△PcOSd有：

(6-31)

由上二式消去sinθ，并由式（6－29）可得：

(6-32)

根据三角函数性质，上式可写成如下形式：

(6-33)

进而有：

(6-34)

由于k可由稳态误差系数确定，u由未校正传递函数求出，因此根据上式求出角γ。最后可用式（6－22）和式（6－23）确定校正装置的零极点和具体参数。

通过上述分析可知，对于超前校正装置的参数确定，可用三种方法进行设计，其中第一法是工程经验方法，第二法则是从抑制高频噪声角度出发进行设计，第三法则先在满足静态性能指标的条件下设计满足动态性能指标的控制器。但必须指出，上述三法均用于对静态性能要求不高而系统的动态性能需要改善的控制系统，校正后的系统应满足根轨迹的相角条件和幅值条件。若系统的静态性能指标较高，可能无法设计合适的超前校正装置，此时应采用迟后－超前校正装置。

（三）根轨迹超前校正的步骤

综上所述，用根据轨迹法进行超前校正的一般步骤为：

１）根据对系统静态性能指标和动态性能指标的要求，分析确定希望的开环增益k闭环主导极点Sd的位置．

２）画出校正前系统的根轨迹，判断希望的主导极点位于原系统的根轨迹左侧，以确定是否应加超前校正装置。

３）根据式（６—21）解出超前校正网络在Sd点处应提供的相位超前角φ。

４）选择前面介绍的三种方法之一，求γ，尔后用图解法或根据式（６—22）和式（６—23）求得Gc(s)的零点和极点，进而求出校正装置的参数。

５）画出校正后系统的根轨迹，校核闭环主导极点是否符合设计要求。

６）若采用第一法和第二法，则还须根据根轨迹的幅值条件，确定校正后系统工作在处的增益和静态误差系数。如果所求的静态误差系数与要求的值相差不大，则可通过适当调整Gc(s)零点和极点的位置来解决；如果所求的静态误差系数比要求的值小得多，则需考虑用别的校正方法，如用迟后—超前校正。

下面举例分别介绍上述三法的使用，进而对根轨迹超前校正步骤进行说明。

例6－5 已知一单位反馈控制系统的开环传递函数为：

试设计一超前校正装置，使校正后系统的无阻尼自然频率

，阻尼比。

解：（１）这是一个积分环节和惯性环节串联的系统，系统的无阻尼自然频率，阻尼比，闭环极点

为以及静态速度误差系数，校正前系统的根轨迹如图６—20虚线所示。

图6-20