第六章自动控制系统设计与
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因此，闭环控制系统的设计包括重新规划与调整 系统的结构、配置合适的校正装置和选取适当的系统 参数值等。
在改善系统响应而对控制系统进行校正时在原反馈 系统系统中加入的新的部件或装置称为校正装置，主 要用来弥补系统原来性能的不足，校正装置可以是电 路、机械装置、液压转置、气动装置等，其中使用的 最多的是电路网络。
三、各项指标之间的关系
一个实用的系统，至少需要满足三项基本要求： 稳定性、快速性、准确性。在高阶系统中，一般没有 准确的数学关系，只有近似的经验公式。
1、闭环频域指标与开环指标
Mr 2
1
1 2
,r
n
1 2 2
Mr
1
sin
(在高阶系统中一般采用)
2、频域指标与时域指标的关系
初步设计时可以采用以下的近似计算公式：
第6章 自动控制系统的设计与校正
一个好的自动控制系统应该具有以下特性： 1、稳定性好； 2、对各类输入能产生预期的响应； 3、对系统参数的扰动不敏感； 4、有较小的稳态跟踪误差； 5、能有效地抑制外界干扰的影响等等。
一般来说，只要调整系统参数就能使闭环控制系 统的性能得到改善，但是仅仅调整参数是远远不够的， 还需要重新考虑控制系统的结构，并作出必要的修改。
静态分析计算，同时进行计算机仿真，若不符合指标 要求，则要进行校正。 4、实验室原理性实验 5、提交样机通过技术鉴定
§6－2 性能指标与系统设计的 基本思路
为了讨论方便，规定性能指标所涉及的系统都是 单位负反馈系统。
一、时域指标
调节时间ts(过渡过程时间) 超调量σ％ 稳态误差ess 静态位置误差系数Kp 静态速度误差系数Kv 静态加速度误差系数Ka
R(s)
前馈校正
控制器
-
N（s）
C(s)
对象
前馈校正 控制器
N（s）
C(s)
对象
复合校正方式是在反馈控制回路中，加入前馈校 正通路，如下图所示：
R(s)
串连校正
-
前馈校正
-
控制器
N（s）
C(s)
对象
R(s)
前馈校正
串连校正 + 控制器 -
N（s）
C(s)
对象
六、校正方法
目前常用的主要有两大类校正方法：分析法和综合法。
为使系统的相角裕度在45°左右，需要开环对数 幅频特性的－20dB/dec区段在中频区占据一定的频率 范围，过中频段以后，要求系统幅频特性迅速衰减， 削弱噪声对系统的影响。如果系统输入信号的带宽为 0～ ωM ，噪声信号的带宽为ω1～ω2 ，则控制系统的带 宽频率通常取为：
ωb＝(5~10)ωM, 且ω1～ω2在ωb之外。
五、校正方式
按照系统中校正装置的连接方式，可分为串连校 正、反馈校正、前馈校正和复合校正四种。
串连校正一般接在系统误差测量点和放大器之间， 串接于系统的前向通道之中；反馈校正接在系统的局 部反馈通路中，两种校正的连接方式如下图所示：
R(s)
串连校正
控制器
-
-
反馈校正
N（s）
C(s)Fra Baidu bibliotek
对象
前馈校正装置有两种，一种接在系统的给定值(指令、 参考输入信号)之后、主反馈作用点前的前向通道中，其作 用是对给定值信号进行整形滤波之后，再作用于系统；另一 种接在系统可测扰动点与误差测量点之间，形成一条附加的、 对扰动影响进行补偿的通道，两种方式如下图所示：
§6－1 控制系统的设计步骤
1、根据用户提出的性能指标和受控对象的具体工作环境， 根据条件进行调研、查阅技术资料、确定合理的设计 指标，作为设计依据；
2、初步确定控制方案，包括控制方式、驱动方式等，完 成系统的职能方框图，写出方案的可行性论证报告；
3、具体进行设计 合理地设计或选择元部件，组成系统后，进行动、
分析法：又称为试探法，把校正装置归结为几种容易 实现的类型，如超前校正、滞后校正、超前—滞后校正等， 它们的结构已知，而参数可调。
特点：校正装置简单，可以设计成产品，如PID调节 器。
综合法：又称期望特性法，按照设计任务所要求的性 能指标，构造期望的数学模型，然后选择校正转置的数学 模型，使系统校正后的数学模型等于期望的数学模型。
为使系统稳定裕度达到要求，希望开环对数幅频 特性在截至频率ωc处的斜率为－20dB/dec,在；为使系统 有较强的噪声信号抑止能力，则希望斜率为－40dB/dec。 因此在实际设计时，需要根据用户的不同需要进行选择。
一般的稳定系统相角裕度为45°左右，相角裕度 过小，系统的动态性能较差，抗干扰能力较弱；相角裕 度过大，则系统的动态过程缓慢，实现起来比较困难。
二、频域指标
1、闭环频域指标 峰值Mr 峰值频率ωr 频带ωb(ωb=2πfb)
2、开环频域指标 截至频率ωc(穿越频率) 相稳定裕度γ(°) 模稳定裕度Lh(dB)
在进行系统的设计校正时，除了应已知系统不可变部 分的特性和参数外，还需要已知对系统提出的全部性能指 标。一个具体的系统对指标的要求应有所侧重，要有根据。
100（Mr－1）％ 当Mr≤1.25 σ％＝
50√（Mr－1）％ 当Mr>1.25
ts=(6~8)×1/ωc
以上只是工程设计中的经验公式，在一定的条件 下才能使用。一般情况下，是把时域指标换算为频域 指标，然后利用开环对数幅频特性进行设计计算。
四、系统带宽的选择
一个好的系统既能精确地跟踪输入信号，又能抑制 噪声信号。在控制系统实际运行中，输入信号一般是低 频信号，而噪声信号一般是高频信号，因此，合理地选 择系统带宽，是非常重要的。
特点：方法简单，但得到的校正环节的数学模型一般 比较复杂，在实际应用中受到很大的限制，但对选择校正 装置有很好的指导作用。
§6－3 基本控制规律
在确定校正装置的具体性能时，需要先了解校正 装置所提供的控制规律，以便选用响应的控制元件。 在校正装置中，常采用比例(P)、微分(D) 、积分(I) 、 比例微分(PD) 、比例积分(PI) 、比例积分微分(PID)等 基本的控制规律。
下面主要介绍上述的控制规律，并对其对改善系 统性能方面的问题进行讨论。
一、比例(P)控制
具有比例控制规律的控制器，其特性和比例环节完 全相同，实质上是一个可调增益的放大器。
动态方程为： x(t)=Kpe(t)
r(t)
e(t) Kp
x(t)
-
c(t)
dB
20lgKp
ω
作用：
1、在系统中增大比例系数Kp可以减少系统的稳态误差 以提高系统的稳态精度；
在改善系统响应而对控制系统进行校正时在原反馈 系统系统中加入的新的部件或装置称为校正装置，主 要用来弥补系统原来性能的不足，校正装置可以是电 路、机械装置、液压转置、气动装置等，其中使用的 最多的是电路网络。
三、各项指标之间的关系
一个实用的系统，至少需要满足三项基本要求： 稳定性、快速性、准确性。在高阶系统中，一般没有 准确的数学关系，只有近似的经验公式。
1、闭环频域指标与开环指标
Mr 2
1
1 2
,r
n
1 2 2
Mr
1
sin
(在高阶系统中一般采用)
2、频域指标与时域指标的关系
初步设计时可以采用以下的近似计算公式：
第6章 自动控制系统的设计与校正
一个好的自动控制系统应该具有以下特性： 1、稳定性好； 2、对各类输入能产生预期的响应； 3、对系统参数的扰动不敏感； 4、有较小的稳态跟踪误差； 5、能有效地抑制外界干扰的影响等等。
一般来说，只要调整系统参数就能使闭环控制系 统的性能得到改善，但是仅仅调整参数是远远不够的， 还需要重新考虑控制系统的结构，并作出必要的修改。
静态分析计算，同时进行计算机仿真，若不符合指标 要求，则要进行校正。 4、实验室原理性实验 5、提交样机通过技术鉴定
§6－2 性能指标与系统设计的 基本思路
为了讨论方便，规定性能指标所涉及的系统都是 单位负反馈系统。
一、时域指标
调节时间ts(过渡过程时间) 超调量σ％ 稳态误差ess 静态位置误差系数Kp 静态速度误差系数Kv 静态加速度误差系数Ka
R(s)
前馈校正
控制器
-
N（s）
C(s)
对象
前馈校正 控制器
N（s）
C(s)
对象
复合校正方式是在反馈控制回路中，加入前馈校 正通路，如下图所示：
R(s)
串连校正
-
前馈校正
-
控制器
N（s）
C(s)
对象
R(s)
前馈校正
串连校正 + 控制器 -
N（s）
C(s)
对象
六、校正方法
目前常用的主要有两大类校正方法：分析法和综合法。
为使系统的相角裕度在45°左右，需要开环对数 幅频特性的－20dB/dec区段在中频区占据一定的频率 范围，过中频段以后，要求系统幅频特性迅速衰减， 削弱噪声对系统的影响。如果系统输入信号的带宽为 0～ ωM ，噪声信号的带宽为ω1～ω2 ，则控制系统的带 宽频率通常取为：
ωb＝(5~10)ωM, 且ω1～ω2在ωb之外。
五、校正方式
按照系统中校正装置的连接方式，可分为串连校 正、反馈校正、前馈校正和复合校正四种。
串连校正一般接在系统误差测量点和放大器之间， 串接于系统的前向通道之中；反馈校正接在系统的局 部反馈通路中，两种校正的连接方式如下图所示：
R(s)
串连校正
控制器
-
-
反馈校正
N（s）
C(s)Fra Baidu bibliotek
对象
前馈校正装置有两种，一种接在系统的给定值(指令、 参考输入信号)之后、主反馈作用点前的前向通道中，其作 用是对给定值信号进行整形滤波之后，再作用于系统；另一 种接在系统可测扰动点与误差测量点之间，形成一条附加的、 对扰动影响进行补偿的通道，两种方式如下图所示：
§6－1 控制系统的设计步骤
1、根据用户提出的性能指标和受控对象的具体工作环境， 根据条件进行调研、查阅技术资料、确定合理的设计 指标，作为设计依据；
2、初步确定控制方案，包括控制方式、驱动方式等，完 成系统的职能方框图，写出方案的可行性论证报告；
3、具体进行设计 合理地设计或选择元部件，组成系统后，进行动、
分析法：又称为试探法，把校正装置归结为几种容易 实现的类型，如超前校正、滞后校正、超前—滞后校正等， 它们的结构已知，而参数可调。
特点：校正装置简单，可以设计成产品，如PID调节 器。
综合法：又称期望特性法，按照设计任务所要求的性 能指标，构造期望的数学模型，然后选择校正转置的数学 模型，使系统校正后的数学模型等于期望的数学模型。
为使系统稳定裕度达到要求，希望开环对数幅频 特性在截至频率ωc处的斜率为－20dB/dec,在；为使系统 有较强的噪声信号抑止能力，则希望斜率为－40dB/dec。 因此在实际设计时，需要根据用户的不同需要进行选择。
一般的稳定系统相角裕度为45°左右，相角裕度 过小，系统的动态性能较差，抗干扰能力较弱；相角裕 度过大，则系统的动态过程缓慢，实现起来比较困难。
二、频域指标
1、闭环频域指标 峰值Mr 峰值频率ωr 频带ωb(ωb=2πfb)
2、开环频域指标 截至频率ωc(穿越频率) 相稳定裕度γ(°) 模稳定裕度Lh(dB)
在进行系统的设计校正时，除了应已知系统不可变部 分的特性和参数外，还需要已知对系统提出的全部性能指 标。一个具体的系统对指标的要求应有所侧重，要有根据。
100（Mr－1）％ 当Mr≤1.25 σ％＝
50√（Mr－1）％ 当Mr>1.25
ts=(6~8)×1/ωc
以上只是工程设计中的经验公式，在一定的条件 下才能使用。一般情况下，是把时域指标换算为频域 指标，然后利用开环对数幅频特性进行设计计算。
四、系统带宽的选择
一个好的系统既能精确地跟踪输入信号，又能抑制 噪声信号。在控制系统实际运行中，输入信号一般是低 频信号，而噪声信号一般是高频信号，因此，合理地选 择系统带宽，是非常重要的。
特点：方法简单，但得到的校正环节的数学模型一般 比较复杂，在实际应用中受到很大的限制，但对选择校正 装置有很好的指导作用。
§6－3 基本控制规律
在确定校正装置的具体性能时，需要先了解校正 装置所提供的控制规律，以便选用响应的控制元件。 在校正装置中，常采用比例(P)、微分(D) 、积分(I) 、 比例微分(PD) 、比例积分(PI) 、比例积分微分(PID)等 基本的控制规律。
下面主要介绍上述的控制规律，并对其对改善系 统性能方面的问题进行讨论。
一、比例(P)控制
具有比例控制规律的控制器，其特性和比例环节完 全相同，实质上是一个可调增益的放大器。
动态方程为： x(t)=Kpe(t)
r(t)
e(t) Kp
x(t)
-
c(t)
dB
20lgKp
ω
作用：
1、在系统中增大比例系数Kp可以减少系统的稳态误差 以提高系统的稳态精度；