试验二频域法串联超前校正
串联超前校正课程设计
串联超前校正课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握串联超前校正的基本概念，理解其在控制系统中的应用和作用。
2. 学会运用数学公式和电路图表达串联超前校正环节，并分析其对系统性能的影响。
3. 掌握串联超前校正参数的设计方法，能够根据特定性能指标完成校正参数的计算。
技能目标：1. 培养学生运用仿真软件进行串联超前校正电路搭建和测试的能力。
2. 提高学生分析控制系统性能、提出改进方案并实施的能力。
3. 培养学生团队协作、沟通表达的能力，能够在小组讨论中分享观点和倾听他人意见。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对自动化控制技术的兴趣，培养其探究精神和创新意识。
2. 引导学生认识到科技进步对国家发展的重要性，树立正确的价值观。
3. 培养学生严谨、务实的科学态度，养成良好的学习习惯。
本课程针对高年级学生的认知水平和学习特点，注重理论知识与实践操作的相结合，培养学生的动手能力和创新能力。
通过本课程的学习，使学生能够更好地理解和应用串联超前校正技术，为后续专业课程打下坚实基础。
同时，注重培养学生的团队协作能力和沟通表达能力，提升其综合素质。
1. 理论知识：- 串联超前校正的基本原理及其在自动控制系统的应用。
- 串联超前校正的数学模型及传递函数推导。
- 串联超前校正对系统稳定性、快速性、平稳性等性能的影响。
- 校正参数的设计方法及步骤。
2. 实践操作：- 使用仿真软件（如MATLAB）搭建串联超前校正电路。
- 对搭建的校正电路进行仿真测试，分析校正效果。
- 根据性能指标要求，调整校正参数，优化系统性能。
3. 教学安排与进度：- 理论知识部分：共4课时，分两个阶段进行。
第一阶段（2课时）主要介绍串联超前校正的基本原理、数学模型及传递函数；第二阶段（2课时）讲解校正参数设计方法及性能分析。
- 实践操作部分：共4课时，与理论知识部分同步进行。
学生分小组进行仿真软件操作，教师指导并解答疑问。
4. 教材章节与内容：- 教材第五章：自动控制系统中的校正方法。
串联超前校正的作用
串联超前校正的作用1. 引言串联超前校正是一种用于改善系统的控制性能的技术。
在控制系统中，超前校正是指在控制器的输出中引入一个超前补偿器，以提高系统的稳定性和响应速度。
串联超前校正的作用是通过引入一个超前补偿器来改善系统的响应特性，使得系统能够更快地达到稳定状态并具有更好的稳定性。
2. 超前补偿器的原理超前补偿器是一种控制器，它通过引入一个超前传递函数来改变系统的相位特性。
超前传递函数通常具有一个或多个零点，这些零点位于系统的传递函数的左半平面。
通过引入这些零点，超前补偿器可以提前增加系统的相位，从而改善系统的稳定性和响应速度。
超前补偿器的传递函数通常表示为：Gc(s) = Kc * (Ts + 1) / (αTs + 1)其中，Kc是增益，Ts是一个时间常数，α是超前补偿器的增益调节参数。
3. 串联超前校正的作用串联超前校正通过在控制系统中添加超前补偿器来改善系统的性能。
它的作用主要体现在以下几个方面：3.1 提高系统的稳定性超前补偿器通过引入一个或多个零点来改变系统的相位特性。
这些零点位于系统的传递函数的左半平面，可以提前增加系统的相位。
通过增加系统的相位，超前补偿器可以提高系统的稳定性，减小系统的相位裕度，使得系统对参数变化和扰动的抵抗能力更强。
3.2 加快系统的响应速度超前补偿器的引入可以提高系统的相位裕度，从而加快系统的响应速度。
相位裕度是指系统在幅频特性曲线上的相位与-180°的差值。
通过增加系统的相位裕度，超前补偿器可以使系统更快地达到稳定状态，并且减小系统的超调量和响应时间。
3.3 改善系统的跟踪性能超前补偿器可以通过增加系统的相位来改善系统的跟踪性能。
在控制系统中，跟踪性能是指系统对参考输入信号的跟踪能力。
通过引入超前补偿器，系统可以更快地跟踪参考输入信号，并且减小跟踪误差。
3.4 抑制系统的振荡在一些具有较高增益的系统中，可能会出现振荡现象。
超前补偿器可以通过改变系统的相位特性来抑制系统的振荡。
自控课程设计实验报告串联超前校正滞后装置
课题：串联超前校正滞后装置专业：电气工程及其自动化班级：组长：组员：指导教师：设计日期：成绩：超前校正课程设计报告一、设计目的（1）把握操纵系统设计与校正的步骤和方式。
（2）把握对操纵系统相角裕度、稳态误差、剪切频率、相角穿越频率和增益裕度的求取方式。
（3）把握利用Matlab 对操纵系统分析的技术。
熟悉MATLAB 这一解决具体工程问题的标准软件，能熟练地应用MATLAB 软件解决操纵理论中的复杂和工程实际问题，并给以后的模糊操纵理论、最优操纵理论和多变量操纵理论等奠定基础。
（4）提高操纵系统设计和分析能力。
二、设计要求与内容已知单位负反馈系统的开环传递函数0()(1)(0.251)K G S S S S =++，试用频率法设计串联校正装置，要求校正后系统的静态速度误差系数1v K 5s -≥，系统的相角裕度045γ≥，校正后的剪切频率2C rad s ω≥已知参数和设计要求：1．前期基础知识，要紧包括MATLAB 系统要素，MATLAB 语言的变量与语句，MATLAB 的矩阵和矩阵元素，数值输入与输出格式，MATLAB 系统工作空间信息，和MATLAB 的在线帮忙功能等。
2．操纵系统模型，要紧包括模型成立、模型变换、模型简化，Laplace 变换等等。
3．操纵系统的时域分析，要紧包括系统的各类响应、性能指标的获取、零极点对系统性能的阻碍、高阶系统的近似研究，操纵系统的稳固性分析，操纵系统的稳态误差的求取。
4．操纵系统的根轨迹分析，要紧包括多回路系统的根轨迹、零度根轨迹、纯迟延系统根轨迹和操纵系统的根轨迹分析。
5．操纵系统的频域分析，要紧包括系统Bode图、Nyquist图、稳固性判据和系统的频域响应。
6．操纵系统的校正，要紧包括根轨迹法超前校正、频域法超前校正、频域法滞后校正和校正前后的性能分析。
三、实现进程1、系统概述所谓校正，确实是在系统中加入一些其参数能够依照需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生转变，从而知足给定的各项性能指标。
串联超前校正
串联超前校正
连锁校正，又称前兆校正或预见性校正，是一种利用模型的预测能力，检测并校正潜在的故障，以改善系统安全和可靠性的方法。
指的是根据集成到系统的模型，以及基于时间的监测，识别和修复潜在的故障和风险。
这些模型可以追踪和分析数据，帮助用户明确可能出现故障的部件和时间，使其能够有效预防和配置预案，
实现以预防为主的预见性维护。
实施连锁校正的过程常常包括三个步骤：监测，诊断和修复。
在监测阶段，系统通过检测易受攻击和失效的部件来收集参数、信号、统计等数据；然后，在诊断阶段，系统利用这些数据，基于模型和标准，通过运行环境和抽样等方式，辨认并分析出可能出现的缺陷；最后，在修复阶段，系统根据缺陷的严重性，制定并应用相应的维护方案，以保持系统的正常运行。
传统的故障检测和预防技术偏重于主动修复，即当出现故障时，系统会自动重启以修复故障。
而连锁校正则以预见为主，采用必要的现行管理和体制，将隐藏的故障原因提前发现，并制定合理的控制方案，来有效的减少故障的发生概率。
这种预防性的主动定期维护，可以很好的有效利用资源，有效减少无用功，加强系统安全性和可靠性，从而使组织节省维护成本，提高维修效率。
串联超前校正的计算方法
完成一个控制系统的设计任务，往往需要经过理论和实践的反复比较才可以得到比较合理的结构形式和满意的性能，在用分析法进行串联校正时，校正环节的结构通常采用超前校正、滞后校正、超前滞后校正这三种类型，也就是工程上常用的PID 调节器。
本次课设采用的超前超前校正的基本原理是利用超前相角补偿系统的滞后相角，改善系统的动态性能，如增加相角裕度，提高系统稳定性能等，而由于计算机技术的发展，matlab 在控制器设计，仿真和分析方面得到广泛应用。
本次课设采用用Matlab 软件对系统进行了计算机仿真，分析未校正系统的动态性能和超前校正后系统是否满足相应动态性能要求。
超前校正就是在前向通道中串联传递函数为:()()()111G c ++⋅==Ts aTs a s R s C s 其中：C R R R R T 2121+= 1221>+=R R R a 通常 a 为分度系数,T 叫时间常数,由式(2-1)可知,采用无源超前网络进行串联校正 时,整个系统的开环增益要下降 a 倍,因此需要提高放大器增益交易补偿. 如果对无源超前网络传递函数的衰减由放大器增 益所补偿，则()11++=Ts aTs s aG c 上式称为超前校正装置的传递函数。
无源超前校正网络的对数频率特性如图6-4。
图6-4无源超前校正网络的对数频率特性显然，超前校正对频率在1/aT 和1/T 之间的输入信号有微分作用，在该频率范围内，输出信号相角比输入信号相角超前，超前网络的名称由此而得。
因此超前校正的基本原理就是利用超前相角补偿系统的滞后相角，改善系统的动态性能，如增加相位裕度，提高系统的稳定性等。
下面先求取超前校正的最大超前相角m ϕ及取得最大超前相角的频率mω，则像频特性： ()ωϕc =arctanaT ω-arctanT ω()()()221T 1d ωωωϕωT T a aT d c +-+= 当(),0=ωϕωd d e 则有： T a m 1=ω 从而有：aa T a T T a aT 1arctan arctan 1arctan 1arctan m -=-=ϕ =11arcsin 21arctan 111arctan +-=-=+-a a a a aa a a 既当T a m 1=ω时，超前相角最大为11arcsin m +-=a a ϕ，可以看出mϕ只与a 有关这一点对于超前校正是相当重要的超前校正RC 网络图如图2。
自动控制原理 第五章第十二节频率法串联校正——超前校正
① 由 e*ss
K
② 由 G0 (s) L0 (w ) wc0 g 0 wc0 , g 0 均不足
③ 确定 m = g * − g 0 + (5 ~ 10)
a = 1 + sinm , 10lg a 1 − sinm
④ 作图设计 A − B − C − D Gc (s)
⑤ G(s) = Gc (s) G0 (s) 验算是否满足要求
g = 180 + (wc1 )
= 180 + arctan 5.16 − 90 − arctan 5.16 − arctan 5.16
1.94
13.73
= 180 + 69.4 − 90 − 79 − 20.6 = 58.8 ( 60)
5.12 频率法串联校正——超前校正
例1
G(s) = K s(s + 1)
− +
1 1
a = 1 + sinm 1 − sinm
● 超前网络特点：相角超前，幅值增加
● 最有效的 a (4, 10)
● 一级超前网络最大超前角为60º
5.12 频率法串联校正——超前校正
2. 串联超前校正 实质 — 利用超前网络相角超前特性提高系统的相角裕度
超前校正步骤 (设给定指标 e*ss , wc* , g *)
= 1 aTs + 1 a Ts + 1
a = R1 + R2 1 R2
T = R1R2C R1 + R2
a Gc(s)
=
aTs + 1 Ts + 1
=
Gc (s)
5.12 频率法串联校正——超前校正
1. 超前网络特性
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。
自动控制原理 串联超前校正方法2
串联超前校正方法2超前网络的特性是相角超前，幅值增加。
串联超前校正的实质是将超前网络的最大超前角补在校正后系统开环频率特性的截止频率处，提高校正后系统的相角裕度和截止频率，从而改善系统的动态性能。
假设未校正系统的开环传递函数为)(0s G ，系统给定的稳态误差，截止频率，相角裕度和幅值裕度指标分别为***,,γωc ss e 和*h 。
设计超前校正装置的一般步骤可归纳如下：(1)根据给定稳态误差*ss e 的要求，确定系统的开环增益K 。
(2)根据已确定的开环增益K ，绘出未校正系统的对数幅频特性曲线，并求出截止频率0c ω和相角裕度0γ。
当*0cc ωω<，*0γγ<时可以考虑用超前校正。
(3)根据给定的相位裕度*γ，计算校正装置所应提供的最大相角超前量m ϕ，即)15~5(0︒︒+-=γγϕm(1)式中（5°~15°）是用于补偿引入超前校正装置，截止频率增大所导致的校正前系统的相角裕度的损失量。
若未校正系统的对数幅频特性在截止频率处的斜率为dec dB /40-,并不再向下转折时，可以取 8~5；若该频段斜率从dec dB /40-继续转折为dec dB /60-，甚至更负时，则补偿角应适当取大些。
注意：如果︒>60m ϕ，则用一级超前校正不能达到要求的*γ指标。
(4)根据所确定的最大超前相角m ϕ，求出相应的a 值，即mm a ϕϕsin 1sin 1-+=(2)(5)选定校正后系统的截止频率在a lg 10-处作水平线，与)(0ωL 相交于A '点，交点频率设为A 'ω。
取校正后系统的截止频率为{}*,max cA c ωωω'=(3)(6)确定校正装置的传递函数在选好的c ω处作垂直线，与)(0ωL 交于A 点；确定A 点关于dB 0线的镜像点B ，过点B 作dec dB /20+直线，与dB 0线交于C 点，对应频率为C ω；在CB 延长线上定D 点， 使C c cD ωωωω=，在D 点将曲线改平，则对应超前校正装置的传递函数为1()1C C DsG s sωω+=+ (4)(7)验算写出校正后系统的开环传递函数0()()()C G s G s G s =验算是否满足设计条件***hh c c ≥≥≥，，γγωω若不满足，返回（3）,适当增加相角补偿量，重新设计直到达到要求。
串联超前校正方法
串联超前校正方法2超前网络的特性是相角超前，幅值增加。
串联超前校正的实质是将超前网络的最大超前角补在校正后系统开环频率特性的截止频率处，提高校正后系统的相角裕度和截止频率，从而改善系统的动态性能。
假设未校正系统的开环传递函数为)(0s G ，系统给定的稳态误差，截止频率，相角裕度和幅值裕度指标分别为***,,γωc ss e 和*h 。
设计超前校正装置的一般步骤可归纳如下：(1)根据给定稳态误差*ss e 的要求，确定系统的开环增益K 。
(2)根据已确定的开环增益K ，绘出未校正系统的对数幅频特性曲线，并求出截止频率0c ω和相角裕度0γ。
当*0c c ωω<，*0γγ<时可以考虑用超前校正。
(3)根据给定的相位裕度*γ，计算校正装置所应提供的最大相角超前量m ϕ，即)15~5(0︒︒+-=γγϕm (1)式中（5°~15°）是用于补偿引入超前校正装置，截止频率增大所导致的校正前系统的相角裕度的损失量。
若未校正系统的对数幅频特性在截止频率处的斜率为dec dB /40-,并不再向下转折时，可以取 8~5；若该频段斜率从dec dB /40-继续转折为dec dB /60-，甚至更负时，则补偿角应适当取大些。
注意：如果︒>60m ϕ，则用一级超前校正不能达到要求的*γ指标。
(4)根据所确定的最大超前相角m ϕ，求出相应的a 值，即m ma ϕϕsin 1sin 1-+= (2)(5)选定校正后系统的截止频率在a lg 10-处作水平线，与)(0ωL 相交于A '点，交点频率设为A 'ω。
取校正后系统的截止频率为{}*,max c A c ωωω'= (3)(6)确定校正装置的传递函数在选好的c ω处作垂直线，与)(0ωL 交于A 点；确定A 点关于dB 0线的镜像点B ，过点B 作dec dB /20+直线，与dB 0线交于C 点，对应频率为C ω；在CB 延长线上定D 点， 使Cc c D ωωωω=，在D 点将曲线改平，则对应超前校正装置的传递函数为1()1C CDsG s s ωω+=+ (4)(7)验算写出校正后系统的开环传递函数0()()()C G s G s G s =验算是否满足设计条件***h h c c ≥≥≥，，γγωω若不满足，返回（3）,适当增加相角补偿量，重新设计直到达到要求。
串联系统校正实验报告
3.3 线性系统的校正与状态分析3.3.1 频域响应发串联超前校正一 实验目的1.了解和掌握超前校正的原理。
2.掌握利用闭环和开环的对数副频和相频特性完成超前校正网络的参数的计算。
3.掌握在被控系统中如何串入超前校正网络，构成性能满足指标的新系统的方法。
二 实验内容及步骤1. 观察被控系统的闭环和开环的对数副频和相频特性、幅值穿越频率、相位余度，按校正后系统的相位余度要 求，设计矫正参数，构成矫正后系统。
2. 观察校正前后的时域特性曲线，并测量校正后的相位余度、超调量、峰值时间。
3. 按实验要求改变相位余度要求，计算相关参数填入实验报告。
（1）未校正系统的时域特性曲线的测试 未校正系统图如下。
本实验用B5作为信号发生器，OUT 输出施加于被测系统的输入端Ui 。
观察OUT 从0V 到2.5V 时被测系统的时域特性。
实验步骤： ①按表格接线。
②在显示与功能选择（D1）单元中，选择“矩形波”。
③量程开关S2置下，调节“设定电位器1”，使脉宽>3秒。
④调节B5单元的“矩形波调幅”使电位器矩形波输出电压=2.5V 。
实验接线如下表所示⑤运行、观察、记录：运行LABACT 软件，选择对应的模拟电路的构成，选择线性系统的校正，用CH1观察系统输出信号。
待波形完后后用游标测量超调量、峰值时间、调节时间。
超调量=56.4%、峰值时间tp=0.32S（2）未校正系统的频域特性的测试本实验用D/A 转换单元（B2）作为信号发生器，实验开始后，频率特性扫描点设置”表中根据自己的需要 模块号 短接座号 1 A1 S4 S8 2 A2 S2 S11 S12 3 A3 S8 S9 4 A6 S4 S8 S9 5 B5 S-ST 1 信号输入 B5(OUT)->A1(H1) 2 运放级联 A1(OUT)->A2(H1) 3 A2A(OUTA)->A6(H1) 4 负反馈 A6(OUT)->A1(H2) 5 运放级联 A6(OUT)->A3(H1) 6 示波器连接 X1 A3(OUT)->B3(CH1) B5(OUT)->B3(CH2)①实验接线如下表所示②运行、观察、记录：运行LABACT 软件，选择对应的模拟电路的构成，选择二阶系统，在弹出的“频率特性扫描点设置”表中根据自己的需要填入各个扫描点的频率，本试验选择0.1Hz 为分辨率。
用频率法设计串联超前校正
频率法设计串联超前校正河南科技大学课程设计说明书课程名称控制理论课程设计题目用频率法设计串联超前校正学院班级学生姓名指导教师时间控制理论课程设计任务书班级： 姓名： 学号：设计题目： 用频率法设计串联超前校正一、设计目的控制理论课程设计是综合性与实践性较强的教学环节。
其目的要进一步巩固自动控制理论知识，培养所学理论知识在实际中的应用能力；掌握自动控制系统分析、设计和校正的方法；掌握应用MATLAB 语言分析、设计和校正控制系统的方法；培养查阅图书资料的能力；培养使用MATLAB 语言软件应用的能力、培养书写技术报告的能力。
使学生初步掌握控制系统数字仿真的基本方法，同时学会利用MATLAB 语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能，为今后从事控制系统研究工作打下较好的基础。
二、设计任务及要求应用时域法、频域法或根轨迹法设计校正系统，根据控制要求，制定合理的设计校正方案；编写相关MATLAB 程序，绘制校正前后系统相应图形，求出校正前后系统相关性能指标；比较校正前后系统的性能指标；编制设计说明书。
三、控制要求 设单位负反馈系统的开环传递函数为()(0.11)K G s s s =+，试用频率法设计串联超前校正装置，是系统的相对裕度°45γ≥，静态速度误差系数Kv=200，截止频率不低于15rad/s 。
四、设计时间安排查找相关资料（1天）；编写相关MATLAB 程序，设计、确定校正环节、校正（２天）；编写设计报告（1天）；答辩修改（1天）。
五、主要参考文献[1] 胡寿松. 自动控制原理（第五版）, 科学出版社.[2]黄永安，李文成等.Matlab7.0/Simulink6.0应用实例仿真与高效算法开发.北京：清华大学出版社,2008[3] 黄坚主. 自动控制原理及其应用. 北京：高等教育出版社 2004[4].黄忠霖，自动控制原理的MATLAB 实现，国防工业出版社.指导教师签字： 年 月 日摘要通过自动控制原理的学习，我们知道了分析系统的基本方法。
串联超前校正.
R2 (1 R1Curs) R2 R1 R1R2Cs
C R2
R2
R2 R1
1
(1
uRc1RR1C2 s)Cs
1 a
1 aTs 1 Ts
R2 R1
其中
a R1 R2 R2
T R1R2C R1 R2
由：
1 1 aTs Gc (s) a 1 Ts
arcsin
a a
1 1
注：ɑ值选的越大，超前网络的微分效应越强，
但为保持较高的信噪比， ɑ值一般不超过20
ωm 处的对数幅频特性：
Lc () 20log Gc ( jm) 10log a
ɑ与 m 及10lg ɑ的关系曲线
60
50
40
mm ( ) 30
m
10 lg
12
3.串联滞后校正
（2）无源滞后网络
a.无源滞后-超前网络的电路
图
R1
R2
U1
U2
C
b.无源滞后网络的传递函数 两个假设：①输入信号源的内阻为零，②输出
端负载阻抗为无穷大，则其传递函数：
U2 (s) U1 ( s)
Gc (s)
R2
1 sC
R1
R2
1 sC
1 R2Cs 1 (R2 R1)Cs
(c) c (c) c (c) 是根据校正后系统的截止频率的计算值 。
（3）串联滞后校正设计实例
例6-4: 设控制系统如图所示，若要求校正后系统 的 静 态 速 度 误 差 系 数 等 于 30s-1 ， 相 角 裕
度 40o ，幅值裕度 hdB 10dB 截止频 率 c 2.3rad / s ，试设计串联无源校正装置。
采用串联超前校正时
采用串联超前校正时
用串联超前校正（Series-Parallel Lead Compensation）来控制调节变送器，是提高传感系统精度、稳定性的有效方式：
1. 增强缓冲：串联超前校正的优势是将有限的缓冲增加到无限大，这种缓冲在系统抗干扰较弱时会变得尤其重要。
2. 消除环路放大和滞后：串联超前校正具有很强的抗干扰能力，可以有效抑制系统出现的放大或滞后。
3. 提高传感系统的响应：串联超前校正可以有效提高传感系统的响应能力，从而获得更高的精度。
4. 消除系统滞后：串联超前校正可以有效减小环路滞后，从而缩短响应时间，降低系统容积和抗干扰能力，增加系统可靠性。
5. 改善外界干扰：串联超前校正能有效地抑制外界干扰，产生一个干净、快速的控制信号，从而提高系统性能。
6. 改善监控数据：在实验室测试中，串联超前校正能显著改善检测精度，可以很大程度满足实验室对数据监控和实时分析的要求。
串联超前校正可以有效提高传感系统的性能，从而更好地满足实际应
用的需求，是工业自动控制的有效方法。
而且，该方法具有结构简单、实现方便的优点，操作也比较简单，是众多工业应用中的有力方案之一。
自控实验报告_频率法串联超前校正
频率法串联超前校正一．实验目的1．了解和掌握二阶系统中的闭环和开环对数幅频特性和相频特性（波德图）的构造及绘制方法。
2．了解和掌握超前校正的原理，及超前校正网络的参数的计算。
3．熟练掌握使用本实验机的二阶系统开环对数幅频特性和相频特性的测试方法。
4．观察和分析系统未校正和串联超前校正后的开环对数幅频特性和相频特性，幅值穿越频率处ωc′，相位裕度γ，并与理论计算值作比对。
二．实验内容及步骤本实验用于观察和分析引入频域法串联超前校正网络后的二阶系统瞬态响应和稳定性。
超前校正的原理是利用超前校正网络的相角超前特性，使中频段斜率由-40dB/dec变为-20dB/dec并占据较大的频率范围，从而使系统相角裕度增大，动态过程超调量下降；并使系统开环截止频率增大，从而使闭环系统带宽也增大，响应速度也加快.1．未校正系统的时域特性的测试未校正系统模拟电路图见图1。
本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器，OUT输出施加于被测系统的输入端Ui，观察OUT从0V 阶跃+2.5V时被测系统的时域特性。
图1未校正系统模拟电路图未校正系统的开环传递函数为：0.3S)0.2S(16)S(G模拟电路的各环节参数：积分环节（A5单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=0.2S，惯性环节（A6单元）的惯性时间常数T=R2*C2=0.3S，开环增益K=R2/R3=6。
实验步骤：注：‘S ST’用“短路套”短接！（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。
（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号)①在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
②量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度≥3秒（D1单元左显示）。
③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=2.5V（D1单元右显示）。
（1）构造模拟电路：按图3-3-2安置短路套及测孔联线，表如下。
（3）运行、观察、记录：A6（OUT）接CH1×1档，B5（OUT）接CH2×1档。
实验用频率法设计串联超前校正网络
实际应用价值
探讨实验结论在实际工程 中的应用价值，为相关领 域的研究和实践提供参考。
未来研究方向
提出进一步研究的方向和 重点，为串联超前校正网 络的优化和完善提供思路 和建议。
06
总结与展望
实验收获与体会
01
掌握频率法设计串联超前校正网络的基本原理和方法，了解超前校正 网络对控制系统性能的影响。
根据实验结果，优化串联超前校正网络的设计。
05
实验结果与讨论
实验数据展示
01
实验数据来源
实验数据来源于实际工程项目， 包括传感器采集的实时数据和历 史数据。
数据预处理
02
03
数据展示方式
对原始数据进行清洗、去噪和归 一化处理，以提高数据质量和计 算准确性。
采用图表、曲线和表格等多种方 式展示实验数据，以便更直观地 观察和分析。
研究串联超前校正网络对系统性能的影响
通过实验，研究串联超前校正网络对系统性能的影响，包括系统的稳定性、动态响应和误 差等。
探索不同参数对串联超前校正网络性能的影响
通过实验，研究不同参数（如超前相角、带宽等）对串联超前校正网络性能的影响，为实 际应用提供理论依据。
实验背景
串联超前校正网络在控制系统中的应用
超前相位的计算
超前相位是串联超前校正网络的一个 重要参数，它能够提高系统的相位裕 度，改善系统的动态性能。
超前相位的计算需要考虑系统的带宽 和相位裕度等参数，通过调整超前相 位的大小，可以优化系统的动态性能。
放大系数的确定
放大系数是串联超前校正网络的另一个重要参数，它决定了 系统增益的大小。
在设计串联超前校正网络时，需要根据系统的性能要求和实 际情况，选择合适的放大系数，以保证系统在满足性能要求 的同时具有合理的增益。
串联超前校正
画出校正后系统的波德图并验算相位裕度是否满足要求？
例 6-1 设控制系统如图6-11所示，其开环传递函数 K G (s) R(s) C(s) K s(0 .8s1 ) s ( 0 .8 s 1) 要求已校正系统在单位斜坡 函数输入信号作用时，位置 图 6-11 例 6-1控制系统 输出稳态误差 ess 0.1 ，
1sinm 按 算出α的值。 1sinm
sin m
1 1
求校正后系统的开环截止频率 由未校正系统的对数幅频特性曲线，求得其幅值为-10lgα 处的频率ωm，该频率就是校正后系统的开环截止频率 c 。 L ( ) 10 lg 求出 c o c 确定校正网络的时间常数 1 " c m T 求出T
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
1 1 1
" 180 90 tan 4 tan 2 tan 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。 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；但系统抗高频噪声的能力变差。对此，在校正 装置设计时必须注意。 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。
T
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
工程控制基础课程实验课前预习电子科技大学机械电子工程学院目录实验一二阶系统时频域分析实验 (2)实验二频域法串联超前校正 (4)实验三直流电机PID控制 (7)实验一 二阶系统时频域分析实验一. 实验目的通过二阶系统的时频域分析验证课程讲授内容，加深学生对理论知识的理解程度，扩大学生视野，掌握基本的频域图解方法和时域系统校正方法。
二. 系统模拟电路图二阶闭环系统时域分析模拟电路如图1-2所示。
它由积分环节（A2单元）和惯性环节（A3单元）的构成，其积分时间常数T i =R 1*C 1=1秒，惯性时间常数 T =R 2*C 2=0.1秒。
图1-2 Ⅰ型二阶闭环系统时域特性测试模拟电路模拟电路的各环节参数代入，得到该电路的开环传递函数为：2100()(1)(0.11)i R K KkG s K T s Ts s s R R====++其中， 模拟电路的开环传递函数代入式，得到该电路的闭环传递函数为：K s s Ks s s n n n 1010102)(2222++=++=ωξωωφ 30.6s n t ξω==秒0.21p t == ⒈ 二阶系统时域分析改变可变电阻R 的阻值，就可改变阻尼比和开环增益K ，分析该系统临界阻尼响应，欠阻尼响应，过阻尼响应时R 的取值。
计算欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态指标M p 、t p 、t s ：（K =25、=0.316ξ、15.8n ω=） ⒉ 二阶系统频域分析由于Ⅰ型系统含有一个积分环节，它在开环时响应曲线是发散的，因此欲获得其开环频率特性时，还是需构建成闭环系统，测试其闭环频率特性，然后通过公式换算，获得其开环频率特性。
频率分析所用的模拟电路如图1-3所示。
频率分析所用的模拟电路与时域分析所用的模拟电路的区别在于：输入信号不同。
图1-3 Ⅰ型二阶闭环系统频域特性测试模拟电路计算欠阻尼二阶闭环系统中的幅值穿越频率ωc 、相位裕度γ：幅值穿越频率： 24241ξξωω-+⨯=n c相位裕度：424122a r c t a n)(180ξξξωϕγ++-=+=cγ值越小，M p %越大，振荡越厉害；γ值越大，M p %小，调节时间t s 越长，因此为使二阶闭环系统不致于振荡太厉害及调节时间太长，一般希望：30°≤γ≤70°通过改变A3单元中输入电阻R 的值就可调整系统的开环增益K 和系统阻尼比ξ，从而改变系统的结构参数。
通过设置不同的输入信号频率，获取输出信号，通过输入输出幅值相位变化绘制对数幅相特性图和幅相频率特性图，并确定c ω，γ等关键参数。
三．实验前的参数计算计算系统的谐振频率r ω、谐振峰值)(r L ω、临界阻尼的增益K ，超调量M p ，峰值时间t p ，填入实验报告。
（2） 计算超调量Mp ，峰值时间t p 填入实验报告（测量值做实验时填写）。
实验二 频域法串联超前校正频域法校正主要是通过对被控对象的开环对数幅频特性和相频特性（波德图）观察和分析实现的。
一．实验目的1．了解和掌握超前校正的原理。
2．了解和掌握利用闭环和开环的对数幅频特性和相频特性完成超前校正网络的参数的计算。
3．掌握在被控系统中如何串入超前校正网络，构建一个性能满足指标要求的新系统的方法。
二．实验原理及装置1. 串联超前校正参数计算方法超前校正的原理是利用超前校正网络的相角超前特性，使中频段斜率由-40dB/dec 变为-20 dB /dec 并占据较大的频率范围，从而使系统相角裕度增大，动态过程超调量下降；并使系统开环截止频率增大，从而使闭环系统带宽也增大，响应速度也加快。
超前校正网络的电路图及伯德图见图2-1。
图2-1 超前校正网络的电路图及伯德图超前校正网络传递函数为： TS1aTS1a 1)S (G C ++⨯=(2-1)网络的参数为： 554R R R a +=， C R R R R T 5454+= (2-2) 在设计超前校正网络时，应使网络的最大超前相位角m ϕ尽可能出现在校正后的系统的幅值穿越频率ωc ′处，即ωm =ωc ′。
网络的最大超前相位角为：1a 1-a arcsinm +=ϕ 或为： m m sin 1sin 1a ϕϕ-+=(2-3)m ϕ处的对数幅频值为：10lga )(L m C =ϕ (2-4) 网络的最大超前角频率为：a T 1m =ω (2-5)接入超前校正网络后被校正系统的开环增益要下降a 倍，因此为了保持与系统未校正前的开环增益相一致，接入超前校正网络后，必须另行提高系统的开环增益a 倍来补偿。
2．参数计算示例改变 “校正后系统的相位裕度γ”要求，设计校正参数，构建校正后系统， 在未校正系统模拟电路的开环伯德图（图2-5）上测得未校正系统的相位裕度γ=19°。
② 如果设计要求校正后系统的相位裕度γ′=52°则网络的最大超前相位角必须为：︒=︒+︒-︒=+-=4291952'm △γγϕ，67.0Sin m =ϕ。
(2-6)其中△为考虑)'(C C ωωγ＜所減的角度，一般取5°~10°。
③计算出网络的参数： 567.0-10.671sin 1sin 1a mm =+=-+=ϕϕ (2-7)④计算出网络的最大超前相位角m ϕ处的对数幅频值为：7dB 10lg510lga )(L m C ===ϕ (2-8)⑤ 在系统开环幅频特性曲线（图2-5）上，移动L 标尺到7dB )(L -=ω处，再移动ω标尺到曲线与7dB )(L -=ω相交处，从曲线图左下角可读出角频率m ω=14.4 rad/s ，见图2-6，该角频率应是网络的最大超前角频率，这亦是串联超前校正后系统的零分贝频率'c ω。
⑥计算出计算串联超前校正网络参数：031.024.214.41a1Tm =⨯==ω，(2-10)⑦令 C=1u ， 计算出：R4=155K ， R5=38.7K 超前校正网络传递函数为： 0.031S10.155S151)S (G C ++⨯=(2-11) ⑧为了补偿接入超前校正网络后，被校正系统的开环增益要下降a 倍，必须另行提高系统的开环增益增益a 倍。
因为a=5，所以校正后系统另行串入开环增益应等于5的运放A4。
三．串联超前校正后系统模拟电路串联超前校正后系统频域特性测试的模拟电路图见图2-7。
图2-7 串联超前校正后系统频域特性测试的模拟电路图图2-7串联超前校正后系统的传递函数为：0.3S)0.2S(130031S .01155S .0151)S (G +⨯++⨯=图2-8校正网络（部分）连线示意图在串联超前校正后的对数幅频曲线中，移动L 标尺线到曲线0)(=ωL 处，再移动ω标尺到曲线与0)(=ωL 相交处，从曲线图左下角读出s rad c /42.14=ω，从开环对数相频曲线中，移动ϕ标尺线到ω标尺线与曲线相交处，从曲线图左下角读出该角频率的 125=ϕ，计算出相位裕度 55125180=-=γ，见图2-9。
测得串联超前校正后系统的频域特性：穿越频率ωc= 14.42 rad/s ，相位裕度 55125180=-=γ。
实验三 直流电机PID 控制一. 实验目的直流电机是工业上应用广泛的控制器件，通过直流电机PID 控制器的设计与实验，加深学生对控制理论中稳定性、频率特性等知识的理解，掌握基本的频域设计方法。
二. 实验原理及装置直流电机系统的由电机驱动功率放大器、调节器、电机转速检测传感器、F/V 转换器等组成，组成框图如图3-1所示。
图3-1 直流电机速度闭环控制系统的组成框图直流电机是典型的Ⅱ型系统，其开环传函为：122121/()=111e l m m K K K G s TT s T s T S T S =⋅++++ 其频率特性主要由电磁时间常数Tl 和机电时间Tm 来决定，在一定条件下可分解成两个一阶惯性环节。
根据控制系统的稳定性设计准则，可以采用PD 控制器（不是唯一的校正方法）来对系统进行校正，即利用PD 中的比例微分部分来对消直流伺服系统中时间常数大的一个极点，并使系统的伯德图以-20dB/DEC 的斜率穿越0分贝线，满足稳定性的要求。
直流电机系统本体（含功率放大器、电机、转速检测传感器）的连线如图3-2所示。
C(t)C2C2B1OUT1B2图3-2 直流电机的本体的连线PD 控制器由增益K 和一阶微分环节组成，实物连线如下图3-3所示图3-3 比例环节和一阶微分环节模拟电路负反馈电路原理图如下图3-4所示图3-4 负反馈电路总的实验原理图如图3-5所示。
3-5 直流电机校正实验原理图注：PD控制器中的电阻值需根据控制器的需要选择。
三. 实验内容搭建直流电机实验系统，分析开环频率特性；搭建PD控制器并通过改变电阻来调整PD控制器的增益和时间常数，并于直流电机的大时间常数对消；完成直流电机的模拟闭环，观察并记录时域响应参数。
（1）构造直流电机本体：直流电机可看作是由二个惯性环节串联组成的被控对象，因此可采用二点法确定被控对象参数。
对象开环辨识时，接线方式如图3-2所示，须把B1（OUT1）→C2（电机输入）, C2（测速输出）→B2（CH2），选择计算机控制技术实验／数字PID控制／被控对象辨识／对象开环辨识，改变给定值为+5V，点击《下载》；点击《开始》键后，实验运行。
使用两点法确定被控对象的参数，进而得其响应曲线。
()00125Y K K K V ∞==⨯=通常取()()0100.3 1.5Y t Y V =∞=，在响应曲线上用Y 标尺拖动到1.5V 处，用X 标尺拖动到Y 标尺与响应曲线交接处，从图中可测得1t 。
通常取()()0200.7 3.5Y t Y V =∞=，在响应曲线上用Y 标尺拖动到3.5V 处，用X 标尺拖动到Y 标尺与响应曲线交接处，从图中可测得2t 。
按下式计算，求得被控对象的参数1T 、2T 。
()()212110102=ln[1y ]ln[1y ]0.8473t t t tT t t --=---()()()()2011021220102ln[1y ]ln[1y ] 1.2040.3567=ln[1y ]ln[1y ]0.8473t t t t t t T t t ----=--- （2）运行、观察、记录：① 根据观查得到的电机本体特性，配置PD 控制器的时间常数，即计算并调整电阻R4，使其对消掉电机本体的一个大时间常数。
② 调整PD 控制器的增益，即调整R 0和R 1的比值；③ 用阶跃信号激励如图3-4所示的直流电机实验系统，观察系统的时域响应。
记录下增益与超调的关系。
设置合适的PD 控制器增益使超调不超过30%。
五．实验报告要求画出系统模拟电路图，测量直流电机本体的开环频域特性，填入实验报告。