自动控制原理课程设计频率法的超前校正
自动控制原理课程设计报告
《自动控制原理》课程设计报告姓名：***__________ 学号： **********______ 班级： 13电气 1班______ 专业：电气工程及其自动化学院：电气与信息工程学院江苏科技大学（张家港）2015年9月目录一、设计目的 (3)二、设计任务 (3)三、具体要求 (4)四、设计原理概述 (4)4.1校正方式的选择 (4)4.2集中串联校正简述 (5)4.2.1串联超前校正 (5)4.2.2串联滞后校正 (5)4.2.3串联滞后-超前校正 (5)4.2.4串联校正装置的一般性设计步骤 (5)五、设计方案及分析 (6)5.1高阶系统的频域分析 (6)5.1.1 原系统的频率响应特性及阶跃响应 (7)5.1.2使用Simulink观察系统性能 (9)5.1.3 搭建模拟实际电路 (10)5.1.4 对原系统的性能分析 (12)5.2校正方案确定与校正结果分析 (13)5.2.1 采用串联超前网络进行系统校正 (13)5.2.3 采用串联滞后—超前网络系统进行校正 (18)5.2.4 使用EWB搭建校正后模拟实际电路 (23)六、总结 (26)一、设计目的1.通过课程设计熟悉频域法分析系统的方法原理2.通过课程设计掌握滞后—超前校正作用与原理3.通过在实际电路中校正设计的运用，理解系统校正在实际中的意义二、设计任务 控制系统为单位负反馈系统，开环传递函数为)1025.0)(11.0()(++=s s s K s G ，设计滞后-超前串联校正装置，使系统满足下列性能指标：1、开环增益100K ≥2、超调量30%p σ<3、调整时间0.5s t s<三、具体要求1、要求分别用手工设计方法和计算机编程设计方法设计校正装置，可以是多个；2、其次根据设计结果，在计算机上进行仿真；3、并利用线性组件（运算放大器、电阻、电容等）构成各种环节，在模拟装置上进行实验调试，达到规定的性能指标。
用频域设计法设计滞后超前装置(自动控制原理课程设计)
自动控制原理课程设计一 摘要用频域设计法设计一滞后—超前装置,使校正后的某一单位反馈系统满足一定的单位斜坡信号作用下的速度误差系数,校正后相位裕量,时域性能指标超调量和调整时间.关键字：超前 滞后 校正 滞后－超前校正 二设计过程1 设计要求单位反馈系统的开环传递函数为：00()(1)(4)K G s s s s =++ ，校正后系统满足以下指标：单位斜坡信号作用下速度误差系数Kv=10s 1-; 校正后相位裕量40。
≥γ，时域性能指标超调量M ﹪≤30﹪，调整时间s t s 6≤；S t p 2≤ 。
2设计过程根据单位斜坡信号作用下速度误差系数sKr110-=可以得到400=k，所以)125.0)(1(10)(0++=s s s s G绘出系统未校正时的波特图如下：>>> num=10;>> f1=[1,0];f2=[1,1];f3=[0.25,1]; >> den=conv (f1,conv(f2,f3)); >> bode(num,den) 由公式010lg 205lg2030lg 2011=--c c ww 计算得未校正系统的剪切频率sr a d c2=ω，系统未校正时的相角裕量01118090ar c t a n a r c t20.7c c r w w =---=-001802.0r c t a n 1.0a r c t a n 90)()(-=---=∠g g g g w w jw H jw G 由 得 幅值裕量为+8dB002218090arctan arctan 0.2520.7c c r w w =---=-由 得未校正时系统的频率为2s rad ，校正装置在此频率产生一个-8dB 的增益，由以上条件及dB w L c 20)(20=，20lg 20=β可解得校正装置的参数10=β 选取 s r a d w w c /2.010122===τ 所以52=τ超前部分第二个转折频率s T 1241-=α，并取1.0=α，得超前部分传递函数11)(222++=ττααss s cG ， 串入一个放大倍数1012==αk c 的放大器以补偿超前校正带来的幅值衰减与超前部分同理可以求得之后部分的第二个转折频率为s c12.010-=ω，取10=β可求得本部分第一个转折频率为s 1102.01-=τβ，故滞后部分的传递函数为1501511)(111++=++=s s s s s G c ττβ 综合以上内容可得该校正装置的传递函数为212(21)(51)()()()(0.21)(501)c c c c s s G s s s s s G G K ++==++由此可作出校正后的波特图如下：>> f1=[2,1];f2=[5,1]; >> num=conv(f1,f2); >> f3=[0.2,1];f4=[50,1]; >> den=conv(f3,f4);>> bode(num,den)010(51)(21)()()()(1)(0.251)(0.21)(501)c s s G s G s G s s s s s s ++==++++校正后的系统的BODE 图如下所示:>> f1=[5,1];f2=[2,1];num=10*conv(f1,f2);>> f3=[1,0];f4=[1,1];f5=[0.25,1];f6=[0.2,1];f7=[5,10]; >> den=conv(f3,conv(f4,conv(f5,conv(f6,f7)))); >> bode(num,den)校验校正后系统的相角裕量为2/c rad s ω=，49.1γ= ≥40时域性能指标的要求：对超调量和调节时间要转换到开环频率域的性能指标由最大超调量%0.160.4(1)r M M =+-%30%M ≤ 1.35r M ⇒=而 sck t πω=2112 1.5() 2.5()r r k M M --=++ 6s t s ≤*1.6/c rad s ω⇒= *11sin ()47.8rM γ-==验证校正后的系统是否满足设计的要求（时域指标与频域指标）2/c rad s ω=，49.1γ= 很明显满足相角裕量条件和时域指标要求。
《自动控制原理》课程设计位置随动系统的超前校正
位置随动系统的超前校正1 设计任务及题目要求1.1 初始条件图1.1 位置随动系统原理框图图示为一随动系统，放大器增益为Ka=59.4，电桥增益Kτ=6.5,测速电机增益Kt=4.1,Ra=8Ω,La=15mH,J=0.06kg.m/s2JL =0.08kg.m/s2,fL=0.08,Ce=1.02,Cm=37.3,f=0.2,Kb＝0.1,i=11.2 设计任务要求1、求出系统各部分传递函数，画出系统结构图、信号流图，并求出闭环传递函数；2、出开环系统的截至频率、相角裕度和幅值裕度，并设计超前校正装置，使得系统的相角裕度增加10度。
3、用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，比较其时域相应曲线有何区别，并说明原因。
2 位置随动系统原理2.1 位置随动系统工作原理工作原理：该系统为一自整角机位置随动系统，用一对自整角机作为位置检测元件，并形成比较电路。
发送自整角机的转自与给定轴相连；接收自整角机的转子与负载轴（从动轴）相连。
TX 与TR 组成角差测量线路。
若发送自整角机的转子离开平衡位置转过一个角度1θ，则在接收自整角机转子的单相绕组上将感应出一个偏差电压e u ，它是一个振幅为em u 、频率与发送自整角机激励频率相同的交流调制电压，即sin e em u u t ω=⋅在一定范围内，em u 正比于12θθ-，即12[]em e u k θθ=-，所以可得12[]sin e e u k t θθω=-这就是随动系统中接收自整角机所产生的偏差电压的表达式，它是一个振幅随偏差（12θθ-）的改变而变化的交流电压。
因此，e u 经过交流放大器放大，放大后的交流信号作用在两相伺服电动机两端。
电动机带动负载和接收自整角机的转子旋转，实现12θθ=，以达到跟随的目的。
为了使电动机转速恒定、平稳，引入了测速负反馈。
系统的被控对象是负载轴，被控量是负载轴转角2θ，电动机施执行机构，功率放大器起信号放大作用，调制器负责将交流电调制为直流电供给直流测速发电机工作电压，测速发电机是检测反馈元件。
自动控制原理课程设计
审定成绩：自动控制原理课程设计报告题目：单位负反馈系统设计校正学生姓名罗衡班级0903班院别物理与电子学院专业电子科学与技术学号14092500060 指导老师杜健嵘设计时间2011.12目录一、设计题目 (1)二、设计要求 (1)三、设计思路 (1)四、设计方法与步骤 (1)（1）确定系统开环增益 (2)（2）分析校正前系统性能指标 (2)（3）选择校正方案 (4)（4）设置校正装置的参数 (5)（5）分析校正后系统性能指标 (6)五、验证与对比 (8)六、参考文献 (9)自动控制原理课程设计一、设计题目设单位负反馈系统的开环传递函数为)12.0)(11.0()(0++=s s s K s G ，用相应的频率域校正方法对系统进行校正设计，使系统满足如下动态和静态性能：（1）相角裕度045≥γ（2）在单位斜坡输入下的稳态误差05.0＜ss e （3）系统的剪切频率s /rad 3＜c ω二、设计要求（1）分析设计要求，说明校正的设计思路（超前校正，滞后校正或滞后－超前校正）（2）详细设计（包括的图形有：校正结构图，校正前系统的Bode 图，校正装置的Bode 图，校正后系统的Bode 图）（3）用MATLAB 编程代码及运行结果（包括图形、运算结果） （4）校正前后系统的单位阶跃响应图。
三、设计思路根据题目要求的稳态误差 e ss 的值，确定开环增益 K ，再得到校正前系统的传递函数及频率特性，利用matlab 画出其 bode 图，从图形及结果可以得到校正前系统的相角裕度γ和剪切频率ωc ，判断这两项指标是否符合要求，若不符合，则选择合适的校正装置，确定并计算出校正装置的参数 a 和 T 。
即得校正装置的传递函数，然后得到校正后系统的开环传递函数及频率特性，最后验证已校正系统的γ和ωc 是否都达到要求。
如果有指标仍未达标。
则须另取合适的w c 的四、设计方法与步骤（1）确定系统开环增益单位负反馈系统的误差传递函数为：)12.0)(11.0()12.0)(11.0()()(11)()s (K s s s s s s s H s G s R E +++++=+= 根据稳态误差的定义，在单位斜坡输入信号t t r =)(（2s 1)(=s R ）作用下的稳态误差为：K1)()(1)(lim)]([lim )(lim =+=⋅==∞→∞→∞→s H s G s sR s E s t e e s s s ss现要使稳态误差05.0＜ss e ，则K>20,取开环增益K=21即可满足系统对稳态误差的要求。
6-2 超前-滞后校正
1
2.65
引入超前校正网络的传递函数：
1 α Ts 1 1 0.378s 1 G c (s) α Ts 1 3 0.126s 1
（4）引入 倍的放大器。为了补偿超前网络造成的衰减，引 入倍的放大器， 3 。得到超前校正装置的传递函数
1 0.378s 1 0.378s 1 α G 0 (s) 3 3 0.126s 1 0.126s 1
《自动控制原理》
—— 频率特性法（6－2）
（超前校正）
1
6.3 频率域中的无源串联超前校正 三个频段的概念
L() dB
15
c
15
低频段
中频段
高频段
2
校正方法通常有两种： 1. 分析法。实际上是一种试探的方法，可归结为： 原系统频率特性+校正装置频率特性=希望频率特性 G0(jω) + Gc(jω) = G(jω) 从原有的系统频率特性出发，根据分析和经验，选 取合适的校正装置，使校正后的系统满足性能要求。 2. 综合法。这种方法的基本可归结为： 希望频率特性原系统频率特性=校正装置频率特性 G(j) G0(j) = Gc(j) 根据系统品质指标的要求，求出满足性能的系统开 环频率特性，即希望频率特性。再将希望频率特性与 原系统频率特性相比较，确定校正装置的频率特性。
17
通过超前校正分析可知： （1）提高了控制系统的相对稳定性——使系统的稳定 裕量增加，超调量下降。 工业上常取α=10，此时校正装置可提供约550的超前 相角。为了保证系统具有300600的相角裕量，要求校 正后系统ωc处的幅频斜率应为－20dB/dec，并占有一定 的带宽。 (2) 加快了控制系统的反应速度——过渡过程时间减 小。由于串联超前校正的存在，使校正后系统的c、r 及b均变大了。带宽的增加，会使系统响应速度变快。 （3）系统的抗干扰能力下降了—— 高频段抬高了。 （4）控制系统的稳态性能是通过步骤一中选择校正后 系统的开环增益来保证的。
自动控制原理--基于频率特性法的串联超前校正
超前校正一般虽能较有效地改善动态性能，但未校正系统 的相频特性在截止频率附近急剧下降时，若用单级超前校 正网络去校正，收效不大。因为校正后系统的截止频率向 高频段移动。在新的截止频率处，由于未校正系统的相角 滞后量过大，因而用单级的超前校正网络难于获得较大的 相位裕量。
前 180 90 tan1(0.8 3.54) 19.4
计算超前网络参数α和T：方法一 选取校正后系统的开环截止频率
G(s) K s(0.8s 1)
m c 5rad / s
在校正后系统的开环截止频率处原系统的幅值与校正 装置的幅值大小相等、符号相反
Lo (c)
20
lg
10
c 0.8c
开环对数渐进幅频特性如伯特图中红线所示。校正后系 统的相位裕量为
" 180 90 tan1 4 tan1 2 tan1 0.5 50.9
满足系统的性能指标要求。
基于上述分析，可知串联超前校正有如下特点：
这种校正主要对未校正系统中频段进行校正，使校正后中 频段幅值的斜率为-20dB/dec，且有足够大的相位裕量。
根据对截止频率 c的要求，计算超前网络参数α和T；
关键是选择最大超前角频率等于要求的系统截止频率，即
m c 以保证系统的响应速度，并充分利用相角超前特性。显然，
m c成立的条件是 Lo (c) 10 lg
而
m
T
1
求出T
求出α
画出校正后系统的波特图并验证已校正系统的相角裕度。
用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤可归纳为：
自动控制原理例题详解-基于频率法的串联分析法校正3个例题详细步骤
结论： 设计的超前校正装置 Gc ( s ) =
α Ts + 1
Ts + 1
=
0.0198s + 1 （ 【注】 ：一定要有结论） 。 0.0019s + 1
三、基于频率法的串联滞后校正
例 2 已知单位负反馈系统的开环传递函数 G0 ( s ) = 试设计串联校正装置，使得设计指标： 1）ν = 1 3） γ ≥ 40 解： 1．根据ν = 1 满足要求。要求 K v = 25s ，则直接取 K = K v = 25s 。
0 0
−1
联超前校正。 综上，因此滞后超前校正。 3．确定超前校正装置参数：
ϕm = γ − γ 0 ( jωc ) + (50 − 100 ) = 450 − 20 + 70 = 500
则 α1 =
1 + sin ϕm = 7.55(α1 > 1) ； 1 − sin ϕ m 1 = 0.0243 0.183s + 1 0.0243s + 1
求值，采用串联超前校正是无效的。因此必须采用滞后校正。 2）把 ωc = 2.5 代入 ∠G0 ( jωc ) ，
γ 0 (ωc ) = 1800 + ∠G0 ( jωc ) = 90° − arctg(0.1ωc ) − arctg(0.2ωc ) = 49.40 > 400 ，动态性能
满足。 综上，只需要用滞后校正。 3. 求 α ： 根据 α =
4．确定滞后校正装置参数：
在 G ( s ) 基础上确立滞后参数。也就是把在要求的 ωc 处的幅值通过滞后来往下拉，使得最
'
终过 ωc 幅值=0，即 20 lg G | ( jωc ) |= 0 。因此，
基于某频率分析报告法的串联滞后超前校正
信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：自动控制原理课程设计班级：自动化0906学号：200904134178姓名：钟鸣指导教师：杨岚2011 年12 月31号● 一、题目3：已知单位负反馈系统的开环传递函数为：)101.0)(11.0()(++=s s s Ks G k用用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计。
任务：用用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使系统满足如下动态及静态性指标： （1）在单位斜坡信号t t r =)(作用下，系统的速度误差系数1100-=s K v ；1≤ω时，()sin r t t ω=谐波输入的稳态误差701≤ss e ；（2）系统校正后，相位裕量：045)(>c ωγ；在幅值穿越频率c ω之前不允许有十倍频/60dB -；（3）对Hz 60的扰动信号，输出衰减到250/1● 二、校正前的系统特性根据稳态误差系数的要求100)1s 1.00)(11.0()(lim 0=++⋅==→s s Ks s sW k s v 由 得100=K原系统开环传递函数为)101.0)(11.0(100)(++=s s s s G k频率特性为：)101.0)(11.0(100)(++=ωωωωj j j j G k00.20.40.60.811.21.41.61.82图1. 时域阶跃响应-150-100-50050100M a g n i t u d e (d B )101010101010P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = 0.828 dB (at 31.6 rad/sec) , P m = 1.58 deg (at 30.1 rad/sec)Frequency (rad/sec)图2 校正前系统的伯德图dB gK L L L 40l 20)1(,401lg 10lg )1()10(==-=--且s rad L L c c c /1.31,4010lg lg )10()('''=⇒-=--ωωω又有0'c '00'8.511.00.1090180)(≈---=ωωωγarctg arctg c c ，说明该系统处于临界稳定状态，且要进行串联校正的的()()o o o o c cm 45558.140≈+-=∆+'-''=γωγωγϕ s/6.31180290)(00rad arctgarctg g gg g ≈⇒-=---=ωωωωϕ1≤ω时，()sin r t t ω=谐波输入的稳态误差701≤sse，即要满足701)()(≤=s R s E e ss）（又s s R s E G 11)()(+=， 即701G 11≤+）（ωj ，69)(≥⇒ωj G 对于高频的扰动信号，要使其输出衰减到250/1，即2501G 1)G(j 2≤+=fj πωωω）（ 2491)(≤⇒ωj G ， 而当HZ f 60=时，s /377rad =ω，24910018.0)(≤=ωj G 满足要求。
自动控制原理 相位超前校正
用频率法设计超前网络的步骤：
（1）根据稳态误差要求，确定开环增益K。 （2）根据已确定的开环增益K，绘制原系统的对数频率特性曲 线 L0 (),0 () ，计算其稳定裕度 0 , Lg 0 。
（3）确定校正后系统的截止频率 c 和网络的 值。 ① 若事先已对校正后系统的截止频率 c 提出要求，则可按要 求值选定 c 。然后在Bode图上查得原系统的 L0 (c ) 值。 取 m c ，使超前网络的对数幅频值 Lc (m（正值）与 ) （负值）之和为0，即令 L0 (c )
1 d ( ) 由 0 可求得最大超前角频率为 m T d
由于 1 1 T , 2 1 (T ) ，故可表示为 m 12 网络的最大超前角正好出现在两个转折频率 1和 2 的几何中 心，网络的最大超前角为
1 1 m arctan arcsin 1 2
Gc (s) Ts 1 Ts 1
T
1
m
N
满足性能指标要求？
Y
结束
例：设控制系统如图所示。若要求系统在单位斜坡输入信号作 用时， ① 稳态误差 ess 0.1， ② 相角裕度 45， ③ 幅值裕度 Lg 10dB ，试设计串联无源超前网络。
R (s )
K s ( s 1)
相频特性表明：在 0 的所有频率下，均有 ( ) 0，即网 络的输出信号在相位上总是超前于输入信号。
在转折频率 1 1 T 和 2 1 (T )之间存在着最大值 m ，根据超 前网络的相频特性表达式，即
( ) arctanT arctanT
L0 (c ) 10lg
进而求出超前网络的 值。
1
基于频率法的超前校正设计课程设计
0121111360618学号：题目基于频率法的超前校正设计学院专业班级姓名指导教师课程设计任务书学生姓名： 陈洁 专业班级： 自动化1101班指导教师： 谭思云 工作单位： 自动化学院题目:基于频率法的超前校正设计 初始条件：已知系统的传递函数模型为： )3.01)(1.01(2)(0s s s s G ++= 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 掌握采用频率法设计超前校正装置的具体步骤；设计超前校正环节，使其校正后系统的静态速度误差系数6≤v K ，相角裕度为︒50；1.采用Matlab 工具进行分析设计，并绘制校正前后系统的单位阶跃响应曲线，开环Bode 图和Nyquist 图；2.分析比较采用校正前后的Bode 图和Nyquist 图，说明其对系统的各项性能指标的影响。
总结频率法校的优缺点及其适应条件；3.对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析计算的过程，并包含Matlab 源程序或Simulink 仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排：（1）课程设计任务书的布置，讲解 （一天）（2）根据任务书的要求进行设计构思。
（一天）（3）熟悉MATLAB 中的相关工具（一天）（4）系统设计与仿真分析。
（四天）（5）撰写说明书。
（两天）（6）课程设计答辩（一天）指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要 (1)Abstract (1)1控制系统超前校正的任务 (2)2控制系统校正前分析 (3)2.1用MATLAB做出校正前系统的伯德图、奈奎斯特图和阶跃响应曲线 (3)2.1.1系统的开环传递函数 (3)2.1.2校正前系统的波德图 (3)2.1.3校正前系统的奈奎斯特图 (4)2.1.4校正前系统的单位阶跃响应曲线 (5)3控制系统超前校正分析设计 (6)3.1串联超前校正原理分析 (6)3.2采用MATLAB工具进行串联超前校正设计 (7)3.2.1利用MATLAB进行超前校正设计的程序 (7)3.2.2开环频率特性系数扩大即K值的确定 (9)3.2.3利用MATLAB工具设计超前校正结果 (11)3.3理论计算 (13)4控制系统校正前后的对比 (15)4.1控制系统校正前后的伯德图、奈奎斯特图和阶跃响应曲线对比 (15)4.1.1系统校正前后伯德图与奈奎斯特图对比 (15)4.1.2系统校正前后单位阶跃曲线对比及分析 (17)5频率法校正优缺点及适用条件 (18)5.1频率法超前校正的优缺点及适用条件 (18)5.1.1频率法超前校正的优缺点： (18)5.1.2频率法超前校正的适用条件： (18)5.2频率法校正的其他情况 (18)5.3频率法校正的优缺点及适用条件 (19)6心得体会 (20)7参考文献 (21)摘要自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。
自控实验报告超前校正(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解超前校正的原理及其在控制系统中的应用。
2. 掌握超前校正装置的设计方法。
3. 通过实验验证超前校正对系统性能的改善效果。
二、实验原理超前校正是一种常用的控制方法，通过在系统的前向通道中引入一个相位超前网络，来改善系统的动态性能。
超前校正能够提高系统的相角裕度和截止频率，从而改善系统的快速性和稳定性。
超前校正装置的传递函数一般形式为：\[ H(s) = \frac{1 + \frac{K}{T_{s}s}}{1 + \frac{T_{s}s}{K}} \]其中，\( K \) 为校正装置的增益，\( T_{s} \) 为校正装置的时间常数。
三、实验设备1. 控制系统实验平台2. 数据采集卡3. 计算机及仿真软件（如MATLAB/Simulink）4. 待校正系统四、实验步骤1. 搭建待校正系统模型：在仿真软件中搭建待校正系统的数学模型，包括系统的传递函数、输入信号等。
2. 分析系统性能：通过仿真软件分析待校正系统的性能，包括稳态误差、超调量、上升时间等。
3. 设计超前校正装置：根据待校正系统的性能要求，设计合适的超前校正装置参数。
4. 仿真验证：将设计好的超前校正装置添加到系统中，进行仿真验证，观察校正后的系统性能。
5. 实验数据分析：对实验数据进行分析，比较校正前后系统的性能差异。
五、实验内容1. 系统模型搭建：搭建一个简单的二阶系统模型，其传递函数为：\[ G(s) = \frac{1}{(s+1)(s+2)} \]2. 系统性能分析：分析该系统的稳态误差、超调量、上升时间等性能指标。
3. 设计超前校正装置：根据系统性能要求，设计一个超前校正装置，其传递函数为：\[ H(s) = \frac{1 + \frac{K}{T_{s}s}}{1 + \frac{T_{s}s}{K}} \]其中，\( K = 2 \)，\( T_{s} = 0.5 \)。
4. 仿真验证：将设计好的超前校正装置添加到系统中，进行仿真验证，观察校正后的系统性能。
实验八 基于MATLAB控制系统的频率法串联超前校正设计
实验八基于MATLAB控制系统的频率法串联超前校正设计一、实验目的1、对给定系统设计满足频域性能指标的串联校正装置。
2、掌握频率法串联有源和无源超前校正网络的设计方法。
3、掌握串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。
二、实验原理用频率法对系统进行超前校正的基本原理，是利用超前校正网络的相位超前特性来增大系统的相位裕量，以达到改善系统瞬态响应的目标。
为此，要求校正网络最大的相位超前角出现在系统的截止频率（剪切频率）处。
串联超前校正的特点：主要对未校正系统中频段进行校正，使校正后中频段幅值的斜率为-20dB/dec，且有足够大的相位裕度；超前校正会使系统瞬态响应的速度变快，校正后系统的截止频率增大。
这表明校正后，系统的频带变宽，瞬态响应速度变快，相当于微分效应；但系统抗高频噪声的能力变差。
1、用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤为：1）根据稳态误差的要求，确定开环增益K。
2）根据所确定的开环增益K，画出未校正系统的波特图，计算未校正系统的相位裕度。
3）计算超前网络参数a和T。
4）确定校正网络的转折频率。
5）画出校正后系统的波特图，验证已校正系统的相位裕度。
6）将原有开环增益增加倍，补偿超前网络产生的幅值衰减，确定校正网络组件的参数。
三、实验内容1、频率法有源超前校正装置设计例1、已知单位负反馈系统被控制对象的传递函数为：试用频率法设计串联有源超前校正装置，使系统的相位裕度 ，静态速度误差系数 。
clc; clear;delta=2; s=tf('s');G=1000/(s*(0.1*s+1)*(0.001*s+1));margin(G) 原系统bode 图[gm,pm]=margin(G) phim1=50;phim=phim1-pm+delta; phim=phim*pi/180;alfa=(1+sin(phim))/(1-sin(phim)); a=10*log10(alfa); [mag,phase,w]=bode(G); adB=20*log10(mag); Wm=spline(adB,w,-a); t=1/(Wm*sqrt(alfa)); Gc=(1+alfa*t*s)/(1+t*s); [gmc,pmc]=margin(G*Gc) figure;margin(G*Gc) 矫正后bode figure(1);step(feedback(G,1)) 矫正后01 figure(2);step(feedback(G*Gc,1)) 矫正后02结果显示： gm = 1.0100 pm =0()(0.11)(0.0011)K G s s s s =++045γ≥11000v K s -=0.0584gmc =7.3983pmc =45.7404分析：根据校正前后阶跃响应的曲线可知：校正后的系统满足动态性能指标以及频域性能指标。
自动控制原理课程设计题目
第1组 已知单位负反馈系统的开环传递函数0()(0.051)(0.11)K G S S S S =++，试用频率法设计串联滞后——超前校正装置使系统的速度误差系数150v K s -≥，相位裕度为00402γ=±，剪切频率(100.5)c rad s ω=±。
第2组 已知单位负反馈系统的开环传递函数02K G(S)S (0.2S 1)=+，试用频率法设计串联超前校正装置，使系统的相角裕量035γ≥，静态加速度误差系数aK 10= 第3组 已知单位负反馈系统的开环传递函数0K G(S)S(S 2)(S 40)=++，试用频率法设计串联滞后——超前校正装置，使系统的相角裕量040γ≥，静态速度误差系数1v K 20s -=第4组 已知单位负反馈系统的开环传递函数0()11(1)(1)26K G S S S S =++，试用频率法设计串联滞后校正装置，使系统的相位裕度为00402γ=±，增益裕度不低于10dB ，静态速度误差系数1v K 7s -=，剪切频率不低于1rad s第5组 已知单位负反馈系统的开环传递函数0()(0.11)(0.011)K G S S S S =++，试用频率法设计串联滞后——超前校正装置，使系统的相位裕度045γ>，静态速度误差系数250/v K rad s ≥， 幅值穿越频率30/C rad s ω≥第6组 已知单位负反馈系统的开环传递函数0K G(S)S(0.0625S 1)(0.2S 1)=++， 试用频率法设计串联滞后校正装置，使系统的相位裕度050γ=，静态速度误差系数1v K 40s -=，增益欲度30—40dB 。
第7组 已知单位负反馈系统的开环传递函数26()(46)G S S S S =++，试用频率法设计串联滞后校正装置使系统的速度误差系数1v K ≥，相位裕度为00402γ=±，剪切频率0.090.01c rad s ω=±。
连续定常系统的频率法迟后超前校正项目计划书
连续定常系统的频率法迟后超前校正计划书一、目的（1）掌握用频率特性法分析自动控制系统动态特性的方法； （2）研究串联迟后-超前校正装置对系统的校正作用；（3）设计给定系统的迟后-超前校正环节，并用仿真技术验证校正环节的正确性。
（4）设计给定系统的迟后-超前校正环节，并模拟实验验证校正环节的正确性。
二、问题描述2.1 题目要求已知单位反馈控制系统的开环传递函数为：））（（）（10.05S 10.5S S KS G 0++=K=100设计迟后—超前校正装置，使校正后系统满足：%25%s 5s 100K 1-1V ≤≥=-σω，，C2.2 用频率法对系统进行串联迟后—超前校正的一般步骤（1）根据系统稳态精度要求，确定系统的开环增益K ，绘制未校正系统的的开环对数幅频特性。
（2）根据给定的设计指标，确定并绘制期望开环对数幅频特性。
； （3）由期望的对数幅频特性减去未补偿系统的对数幅频特性，两者之差是串联校正装置的对数幅频特性，进而写出校正装置的传递函数表达式。
（4）验证校正后系统是否满足性能指标要求。
典型形式的期望对数幅频特性的求法如下：（1）根据对系统型别ν及开环增益K （或稳态误差）要求，绘制期望特性的低频段。
（2）根据对系统相角裕度γ、中频区宽度h 、中频区特性上下限转折频率2ω与3ω要求绘制期望特性的中频段，使其通过剪切频率C ω，并取中频区特性的斜率为dec dB 20-，以确保具有足够的相角裕度。
（3）绘制期望特性低、中频段之间的衔接频段，其斜率一般与前、后频段相差20/dB dec -，否则对期望特性的性能有较大影响。
（4）根据对系统增益裕量及抑制高频噪声的要求，绘制期望特性的高频段。
通常，为使校正装置比较简单，以便于实现，一般使期望特性的高频段斜率与未校正系统的高频段斜率一致，或完全重合。
（5）绘制期望特性的中、高频段之间的衔接频段，其斜率一般取40/dB dec -。
相位迟后-超前网络的传递函数为：2112(1)(1)()(1)(1)c T j T j G j T T j j ωωωβωωβ++=++ 相位迟后-超前校正网络的伯德图如图1为：φ图1 迟后-超前校正网络的Bode 图三、设计过程和步骤3.1 确定开环增益K根据给定静态误差系数的要求，确定开环增益K 。
自动控制原理超前校正课程设计
目录一．设计题目二. 设计报告正文2.1 设计思路 (2)2.2根据稳态误差要求，确定K的值 (2)2.3系统的开环传递函数的结构图 (3)2.4计算待校正系统的相角裕度 (3)2.5校正后的系统传递函数 (3)2.6验证已校正系统的相角裕度 (4)三. 实现与验证编程 (4)3.1制出待校正系统的bode图和单位阶跃响应 (4)3.2算未校正系统的幅值裕量和相位裕....................... 错误!未定义书签。
3.3前校正网络的传递函数................................. 错误!未定义书签。
3.4系统的开环传递函数及伯德图........................... 错误!未定义书签。
3.5算校正后系统的幅值裕量和相位裕量..................... 错误!未定义书签。
3.5校正前后的Bode图 (10)四. 设计总结参考文献 (10)自动控制原理课程设计一．设计题目设单位负反馈系统的开环传递函数为)1()(+=s s K s G用相应的频率域校正方法对系统进行校正设计，使系统满足如下动态和静态性能：(1) 相角裕度045≥γ；(2) (2) 在单位斜坡输入下的稳态误差为1.0=sse ； (3) 系统的剪切频率小于7.5rad/s 。
要求：（1） 分析设计要求，说明校正的设计思路（超前校正，滞后校正或滞后－超前校正）；（2） 详细设计（包括的图形有：校正结构图，校正前系统的Bode 图，校正装置的Bode 图，校正后系统的Bode 图）；（3） 用MATLAB 编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）；（4） 校正前后系统的单位阶跃响应图。
二、设计报告正文2.1设计思路超前校正装置具有相位超前作用,它可以补偿原系统过大的滞后相角，从而增加系统的相角裕度和带宽，提高系统的相对稳定性和响应速度。
超前校正通常用来改善系统的动态性能，在系统的稳态性能较好而动态性能较差时，采用超前校正可以得到较好的效果。
自动控制原理6 第一节超前校正
Gc (s)
1 Ts，
1 Ts
1
L() 20lg
1 (T)2
20lg 1 (T)2
() tg1T tg1T
m
1
T
频率特性的主要特点是：
所有频率下相频特
性为正值，且在频率
m处相频特性()存 在最大相位超前量m。
m发生在对数刻度的
坐标中1/T与1/( T )
的几何中点。
① 求m
令 d() 0，可得 d
20 lg 1 2T 2 20 lg 1 T 2
T 2
T 2
20 lg (1 ) 1
20 lg 10 lg
-90
1
m
1
T
T
19
三、基于伯德图的相位超前校正
R - Gc
C
G
图中，Gc为校正装置，G为 对象。
基于伯德图设计超前校正装置的步骤如下：
① 求出满足稳态性能指标的开环增益K值；
1
二、校正方式
按照校正装置在系统中的连接方式，控制系统校正方式可 分为串联校正、并联校正、前馈校正和复合校正四种。
⒈串联校正装置一般串联于系统前向通道之中系统误差检 测点之后和放大器之前。
R(s) E(s) Gc (s)
-
GP (s) C(s)
B(s)
H (s)
2
⒉并联校正装置接在系统局部反馈通道之中，并联校正也 称为反馈校正。
这里主要介绍基于伯德图的单输入-单输出的线性 定常控制系统的设计和校正的方法和步骤。
6
第一节 用频率法设计串联校 正器的基本概念
9
Im
-1
Re
K2
K1
10
第二节 相位超前校正
控制工程(自动控制)超前校正与滞后校正
5
10
100
ω
[-60]
ϕ (ω )(°)
0 -90 -180 -270 0.01 0.1 1 10 100
ωc ' = 11.45rad / s
ω
γ ' = −25.3°
γ'
系统闭环不稳定
3）根据待校正系统的 性能及设计要求， 性能及设计要求，选 择串联滞后 滞后校正装置 择串联滞后校正装置
单位负反馈系统的开环传递函数为： 单位负反馈系统的开环传递函数为： 例： K
G0 ( s ) = s(0.1s + 1)(0.2 s + 1)
设计指标： 设计指标： 校正后系统的静态速度误差系数 系统的静态速度误差系数K （1）校正后系统的静态速度误差系数Kv=30 ； 开环系统截止频率 截止频率ω （2）开环系统截止频率ωc"≥2.3rad/s ； 相位裕量γ ≥40° （3）相位裕量γ"≥40°； 幅值裕量h （4）幅值裕量h"≥10dB ； 试设计串联校正装置。 试设计串联校正装置。
αTs + 1
ω
γ'
γ ''
验证已校正系统的相角 4）验证已校正系统的相角 裕度和幅值裕度是否满 足要求
G ( s ) = G0 ( s )Gc ( s )
= 10(0.456s + 1) s( s + 1)(0.114 s + 1)
L(ω )(dB )
ωc ' = 3.16rad / s
40 20 0
解： 稳态误差要求， 1）按稳态误差要求， 确定开环增益K 确定开环增益K
∵ν = 1
∴ K = 30
L(ω )( dB )
自动控制理论课程设计——超前校正环节的设计
超前校正环节的设计一、课设的课题已知单位反馈系统开环传递函数如下：()()()10.110.3O kG s s s s =++试设计超前校正环节，使其校正后系统的静态速度误差系数6v K ≤，相角裕度为45度，并绘制校正前后系统的单位阶跃响应曲线，开环Bode 图和闭环Nyquist 图。
二、课程设计目的1. 通过课程设计使学生更进一步掌握自动控制原理课程的有关知识，加深对内涵的理解，提高解决实际问题的能力。
2. 理解自动控制原理中的关于开环传递函数，闭环传递函数的概念以及二者之间的区别和联系。
3. 理解在自动控制系统中对不同的系统选用不同的校正方式，以保证得到最佳的系统。
4. 理解在校正过程中的静态速度误差系数，相角裕度，截止频率，超前(滞后)角频率，分度系数，时间常数等参数。
5. 学习MATLAB 在自动控制中的应用，会利用MA TLAB 提供的函数求出所需要得到的实验结果。
6. 从总体上把握对系统进行校正的思路，能够将理论操作联系实际、运用于实际。
三、课程设计思想我选择的题目是超前校正环节的设计，通过参考课本和课外书，我大体按以下思路进行设计。
首先通过编写程序显示校正前的开环Bode 图，单位阶跃响应曲线和闭环Nyquist 图。
在Bode 图上找出剪切频率，算出相角裕量。
然后根据设计要求求出使相角裕量等于45度的新的剪切频率和分度系数a 。
最后通过程序显示校正后的Bode 图，阶跃响应曲线和Nyquist 图，并验证其是否符合要求。
四、课程设计的步骤及结果 1、因为()()()10.110.3O k G s s s s =++是Ⅰ型系统，其静态速度误差系数Kv=K,因为题目要求校正后系统的静态速度误差系数6v K ≤，所以取K=6。
通过以下程序画出未校正系统的开环Bode 图，单位阶跃响应曲线和闭环Nyquist 图： k=6;n1=1;d1=conv(conv([1 0],[0.1 1]),[0.3 1]); [mag,phase,w]=bode(k*n1,d1); figure(1);margin(mag,phase,w); hold on;figure(2)s1=tf(k*n1,d1); sys=feedback(s1,1); step(sys); figure(3);sys1=s1/(1+s1) nyquist(sys1); grid on; 结果如下：M a g n i t u d e (d B )1010101010P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/sec)图1--校正前开环BODE 图由校正前Bode 图可以得出其剪切频率为 3.74，可以求出其相角裕量0γ=1800-900-arctan0.10c ω-arctan0.30c ω=21.20370。
控制系统的超前校正设计
控制系统的超前校正设计1 设计原理本设计使用频域法确定超前校正参数。
首先根据给定的稳态性能指标，确定系统的开环增益K 。
因为超前校正不改变系统的稳态指标，所以，第一步仍然是调整放大器，使系统满足稳态性能指标。
再利用上一步求得的K ，绘制未校正前系统的伯德图。
在伯德图上量取未校正系统的相位裕度和幅值裕度，并计算为使相位裕度达到给定指标所需补偿角的超前相角εγγσϕ+-=0。
其中γ为给定的相位裕度指标；0γ为未校正系统的相位裕度；ε为附加角度。
（加ε的原因：超前校正使系统的截止频率c ω增大，未校正系统的相角一般是较大的负相角，为补偿这里增加的负相角，再加一个正相角ε，即|)()(||)()(|0''0c c c c j H j G j H j G ωωωωε∠-∠≥其中，c 'ω为校正后的截止频率。
当系统剪切率对应的ε取值为：当剪切率为-20dB 时，deg 10~5=ε，剪切率为-40dB 时，deg 15~10=ε，剪切率为-60dB 时，deg 20~15=ε。
）取σϕϕ=m ，并由mma ϕϕsin 1sin 1-+=求出a 。
即所需补偿的相角由超前校正装置来提供。
为使超前校正装置的最大超前相角出现在校正后系统的截止频率c 'ω上，即cm 'ωω=，取未校正系统幅值为)(lg 10dB a -时的频率作为校正后系统的截止频率c 'ω。
由T a m 1=ω计算参数T ，并写出超前校正的传递函数Ts aTs s G c ++=11)(。
校验指标，绘制系统校正后的伯德图，检验是否满足给定的性能指标。
当系统仍不满足要求时，则增大ε值，从ε取值再次调试计算。
2 控制系统的超前校正初始状态的分析由已知条件，首先根据初始条件调整开环增益。
根据：)3.01)(1.01()(s s s Ks G ++=要求系统的静态速度误差系数6≤v K ，K s s KS sG k s v =++==→)3.01)(1.01()(lim 0可得K=6，则待校正的系统开环函数为)3.01)(1.01(6)(s s s s G ++=上式为最小相位系统，其MATLAB 伯德图如图1所示。
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目录
一.目的 (2)
二.容 (2)
三.基于频率法的超前校正设计 (2)
四.校正前、后系统的单位阶跃响应图及simulink框图、仿真曲线图 (5)
五. 电路模拟实现原理 (7)
六.思考题 (9)
七．心得体会................................................. .10 八．参考文献................................................. .10
题目一 连续定常系统的频率法超前校正
一.目的
1.了解串联超前校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响；
2.掌握用频率特性法分析自动控制系统动态特性的方法；
3.掌握串联超前校正装置的设计方法和参数调试技术；
4.掌握设计给定系统超前校正环节的方法，并用仿真技术验证校正环节理论设计的正确性。
5.掌握设计给定系统超前校正环节的方法，并模拟实验验证校正环节理论设计的正确性。
二.容
已知单位反馈控制系统的开环传递函数为：
()()
100
()0.110.011o G s s s s =
++
设计超前校正装置，使校正后系统满足：
11100,50,%40%v c K s s ωσ--=≥≤
三.基于频率法的超前校正设计
1.根据稳态误差的要求，确定系统的开环增益K ；
0s 0
100
lim ()lim (0.11)(0.011)
v s K s s s
K s s s G →→===++=1001s -
未校正系统的开环频率特性为：
()
0100
()(0.11)0.011G j j j j ωωωω=
++
2.根据所确定的开环增益K ，画出未校正系统的伯德图，并求出其相位裕1γ 由00()1c G j ω=得
0c ω ≈30.84
090arctan 0.1arctan 0.01ϕ(ω)=-ωω--
又()001
180+c ϕωγ=
代入0c ω得
1
γ
= 0.83o
3.选取c ω=561s -，计算α的值
()()()00c c c c L L L ωωω=+= ()()01
10lg
10lg c c c L L ωωαα
=-=-=
所以有 01
|20lg ()|10lg c A ω=α
即有 α=0.075
4.确定校正网络的转折频率1ω和2ω和传递函数c G
111
15.34c s T
-ω=
==
21207.41T
ω===α1s -
所以超前校正网络的传递函数为：
15.34
()207.41
c s G s s +=
+
为了补偿因超前校正网络的引入而造成系统开环增益的衰减，必须使附加放大器的
放大倍数为
1
α
=13.33 所以有
115.3415.34
()13.33207.41207.41
13.3315.34(1)14.34207.41(1)
207.41
c s s G s s s s s
++=
=⨯
α++⨯+=
+ 5.校正后系统的开环传递函数为：
()()()()013.3315.34(1)
10015.34()()0.110.011207.41(1)
207.41
100(1)
15.340.110.011(1)
207.41
c s
G s G G s s s s s s s
s s s ⨯+==
++++=
+++
6.对验证校正后的系统
11
90arctan 0.1arctan 0.01arctan
arctan 207.4115.34
o c c c c γωωωω=----+ = 40.44
又11
0.160.4(1)0.160.4(1)37.740%sin sin 40.44
o
σ%=+⨯-=+⨯-=%<γ 所以符合系统的要求
7.画校正前、校正后、校正系统的伯德图 在MATLAB 命令窗口键入以下命令: Go=zpk([ ],[0 -10 -100],100000); bode(Go) hold on margin(Go)
求得校正前系统的伯德图如图1.1所示。
图1.1 校正前、后系统的伯德图
在MATLAB 命令窗口键入以下命令:
Gc=zpk([-15.34],[-207.41],0.074);
bode(Gc)
Hold on
margin(Gc)
求得校正系统的伯德图如图1.2所示。
图1.2 校正系统的伯德图
在MATLAB命令窗口键入以下命令:
G=zpk([-15.34],[0 -10 -100 -207.41],1352086.05);
bode(G)
hold on
margin (G)
求得校正后系统的伯德图如图1.1所示。
四.校正前、后系统的单位阶跃响应图及simulink框图、仿真曲线图在MATLAB命令窗口键入以下命令：
Go=zpk([ ],[0 -10 -100],100000);
bode(Go)
margin(Go)
G=zpk([-15.34],[0 -10 -100 -207.41],1352086.05);
bode(G)
margin (G)
sys1=feedback(Go,1)
sys2=feedback(G,1);
step(sys1,sys2)
求得校正前、后系统的单位阶跃响应图如图1.3所示。
图1.3 校正前、后系统的单位阶跃响应图校正前、后系统的simulink框图如图1.4所示。
图1.4 校正前、后系统的simulink框图校正前、后simulink的仿真曲线曲线如图1.5所示
图1.5 校正前后simulink的仿真曲线曲线
五. 电路模拟实现原理
1.超前校正前系统的模拟原理图为：
图1.6 超前校正前系统的模拟原理图2.超前校正后系统的模拟原理图为：
图1.7 超前校正后系统的模拟原理图3.仿真效果
图1.8 未校正仿真效果
图1.9 校正后的仿真效果
六.思考题
1.超前校正对改善系统性能有什么作用？什么情况下不宜采用超前校正？
答：超前校正是通过其相位超前特性来改善系统的品质；超前校正增大了系统的相位裕量和截止频率（剪切频率），从而减小瞬态响应的超调量，提高其快速性；超前校
正对提高稳态精度作用不大；超前校正适用于稳态精度已经满足、但瞬态性能不满足要求的系统。
当未校正系统的相角在所需剪切频率附近向负相角方面急剧减小时，采用串联校正环节效果不大；或者当需要超前相角的数量很大时，超前校正的网络的系数α值需选择很小，从而使系统的带宽过大高频噪声能顺利通过系统。
以上两种情况不宜采用串联超前校正。
2.有否其他形式的校正方案？
答：还有其他校正装置的连接方式：(1)基于根轨迹法的超前校正方法，(2)基于根轨迹法的超前滞后校正，(3)基于频率响应法的迟后校正，(4)根轨迹法的迟后超前校正，(5)频率响应法的迟后超前校正。
3．分析校正前后系统的阶跃响应曲线和Bode图，说明校正装置对改善系统性能的作用？
答：增加开环频率特性在剪切频率附近的正相角，从而提高了系统的相角裕度；
减小对数幅频特性在幅值穿越频率上的负斜率，从而提高了系统的稳定性；提高了系统的频带宽度，从而提高了系统的响应速度；不影响系统的稳态性能。
但若原系统不稳定或稳定裕量很小且开环相频特性曲线在幅值穿越频率附近有较大的负斜率时，不宜采用相位超前校正；因为随着幅值穿越频率的增加，原系统负相角增加的速度将超过超前校正装置正相角增加的速度，超前网络就起不到补偿滞后相角的作用了
4.超前校正的原理是什么？
答：超前校正的原理是改善系统的动态性能，实现在系统静态性能不受损的前提下，提高系统的动态性能。
通过加入超前校正环节，利用其相位超前特性来增大系统的相位裕度，改变系统的开环频率特性。
一般使校正环节的最大相位超前角出现在系统新的穿越频率点。
七．心得体会
在设计过程中，我通过查阅相关资料，与同学交流经验和自学，使自己学到了不少知识。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
学习需要耐心，需要勤奋，需要不断探索和创新，更要有不骄不躁，坚持不懈的精神，同时，大大提高了我的动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
由于时间比较紧，这个设计做的并不算太理想，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。
八．参考文献
[1] 滕青芳.董海鹰.自动控制原理[M].:人民邮电,2008.
. . . .
[2] 胡寿松.自动控制原理[M].:科学,2001．
[3] 明俊.自动控制原理[M].:国防科技大学,2000．
[4]王琦.高军锋等．MATLAB基础与应用实例集萃[M]．：人民邮电，2007 .. .. ..。