串联超前校正的计算方法
串联滞后-超前校正剖析
例 6-5 设某单位反馈系统，其开环传递函数 K G0 ( s) s( s 1)(0.125s 1) 要求Kv=20(1/s)，相位裕度γ=50°，调节时间ts不超过4s，试 设计串联滞后-超前校正装置，使系统满足性能指标要求。 解：确定开环增益K=Kv=20 作未校正系统对数幅频特性渐近曲线，如图6-22所 示。由图得未校正系统截止频率ωc=4.47rad/s，相位 裕度γ=-16.6°。 20 20 lg 0 ωc=4.47rad/s c c
20 20 9.1 2.2 c
此时，滞后-超前校正网络的传递函数可写为 s (1 )(1 s ) a Gc ( s ) 9.1s (1 )(1 0.11s )
a
根据相角裕度要求，估算校正网络滞后部分的转折频率ωa。 校正后系统的开环传递函数
20(1 Gc ( s )G0 ( s ) s (1 0.125s )(1 s ) )(1 0.11s )
(Ta s 1)(Tb s 1) Gc (s) Tb (Ta s 1)( s 1)
j
-αωb前校正的设计步骤如下： 根据稳态性能要求，确定开环增益K； 绘制未校正系统的对数幅频特性，求出未校正系统的 截止频率ωc、相位裕度γ及幅值裕度h； 使中频段斜率为-20dB/dec ，确定ωb。通常，在未校正 系统对数幅频特性上，选择斜率从-20dB/dec 变为-40dB/dec 的转折频率作为校正网络超前部分的转折频率ωb。这种选 法可以降低已校正系统的阶次，且可保证中频区斜率为20dB/dec，并占据较宽的频带。
tan1 21.2 2.2 tan1 0.11 2.2 51.21
调节时间
ts
1 1 [2 1.5( 1) 2.5( 1) 2 ] 3.75( s) c sin sin
自动控制原理7-2频率域中的无源串联超前校正
可能引入噪声
由于无源元件的局限性， 无源串联超前校正器可能 会引入额外的噪声，影响 系统性能。
未来研究方向与展望
新型无源元件研究
随着科技的发展，新型的无源元件不断涌现，如薄膜电阻、 高温超导材料等，为无源串联超前校正器的设计提供了新 的可能性。
集成化与微型化研究
随着微电子技术的发展，无源串联超前校正器的集成化与 微型化成为可能，这将有助于减小系统体积和重量，提高 系统的便携性和可靠性。
提高系统性能的实例
温度控制系统
在温度控制系统中，通过串联超 前校正器，可以减小系统的调节 时间和超调量，提高温度控制的 稳定性和准确性。
伺服控制系统
在伺服控制系统中，串联超前校 正器能够提高系统的跟踪性能和 抗干扰能力，减小误差并提高控 制精度。
串联超前校正器的比较与选择
参数选择
串联超前校正器的参数选择需要根据具体的应用场景和控制要求进 行优化，以达到最佳的系统性能。
03
无源串联超前校正器具有结构简单、易于实现的特点，适用于各种线 性控制系统。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ04
频率域中的无源串联超前校正方法可以与其他控制策略相结合，进一 步优化系统的性能。
对实际应用的指导意义
在实际应用中，可以根据系统的具体需求，选择合适 的无源串联超前校正器参数，以获得更好的系统性能。
输标02入题
对于一些具有特定要求的控制系统，如快速响应、高 精度和高稳定性的系统，可以采用频率域中的无源串 联超前校正方法来改善其动态性能。
04 无源串联超前校正器的应 用实例
在控制系统中的应用
控制系统稳定性增强
抑制高频噪声
通过串联超前校正器，可以改善控制 系统的相位裕度，提高系统稳定性。
串联滞后超前校正
6－4 串联迟后－超前校正一、迟后－超前校正网络串联迟后－超前校正，可以通过单独的迟后网络和超前网络来实现，如图6－12（a ）。
也可以通过相位迟后－超前网络来实现，如图6－12（b ）所示。
图6－12（b ）所示网络传递函数为1)()1)(1()(212211*********++++++=s C R C R C R s C C R R s C R s C R s G c 11112211++++=s aT s T s a T s T （6－9） 式中 111T C R = ；222T C R =21212211aT aT C R C R C R +=++， （1>a ） 式中迟后校正部分为)1()1(22++s aT s T ；超前校正部分为)1()1(11++s aT s T 。
其对数频率特性曲线如图6－13所示。
由图可见，在频率ω由零增加到1ω的频段内，该网络呈现积分性质，具有迟后相角。
也就是说，在0～1ω频段里，相角迟后－超前网络具有单独的迟后校正特性；而在1ω～∞频段内，呈现微分性质，具有超前相角。
所以它将起单独的超前校正作用。
不难计算，对应相角等于零处的频率1ω为 2111T T =ω （6－10）二、串联迟后－超前校正应用串联迟后－超前校正设计，实际上是综合地应用串联迟后校正与串联超前校正的设计方法。
当未校正系统不稳定，且校正后系统对响应速度、相角裕量和稳态精度的要求均较高时，以采用串联迟后－超前校正为宜。
利用迟后－超前网络的超前部分来增大系统的相角裕量，同时利用迟后部分来改善系统的稳态性能或动态性能。
下面举例说明串联迟后－超前校正设计的一般步骤。
【例6－4】 设单位反馈系统，其开环传递函数为)15.0)(1()(++=s s s K s G 要求：（1）开环放大系数110-=s K ；（2）相角裕量︒=50γ；（3）幅值裕量dB h 10=；试确定串联迟后－超前校正网络的传递函数)(s G c 。
自动控制原理超前网络及其串联校正
Gc(s)=
1+bTS 1+TS
b＜1
低频段： 1 (0dB)
转折频率：
1 T
1 bT
斜 率： [-20]1 [+20]
T
ω=0 ω=∞
0o
+90o
0o
-90o
0o
0o
1
bTω=10 b1T时
1 bT
c(ω) ≈ -5o~ -9o
Lc(ω)= 20lgb
4、串联滞后 校正 步骤：
确定开环增益K
根据稳态误差的要求
2）反馈信号是从系统前向通道的某一元件的输出端引出的, 这 就是说, 信号是从功率电平较高的点传向电平较低的点。 因而通常不必采用附加的放大器。因此, 它所需的元件数往 往比串联校正少, 所用的校正装置也比较简单。
3）反馈校正在系统内部形成了一个局部闭合回路, 作用在这个回 路上的各种扰动, 受到局部负反馈的影响, 往往被削弱。
适当选择反馈校正装置的形式和参数，可使已校正系统性能满足 给定性能指标的要求。
2、复合校正
1） 概念
也就是说, 系统对扰动的敏感度低, 这样可减轻测量元件负担, 提高测量的准确性, 对于控制系统的性能也是有利的。
基本原理：用反馈校正装置包围待校正系统中对动态性能改善
有重大防碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路；在局部反馈 回路的幅值远大于1的条件下，局部反馈回路的特性主要取决于反 馈校正装置，与被包围的部分无关。
根据响应速度要求选择系统的截止频率 ，c 及响应衰减因
子 1 a，确定方法：
20
lg
a
L(
'' c
)
20
lg
'' c
串联校正中的超前校正
上可能无法实现。
2. 试差法（分析法）
根据知识和经验先按某一思路或简便方法综合校正 装置，然后进行检验；
•优点：设计的校正装置物理上易于实现。 •缺点：设计过程带有试探性；需具有一定的工程
设计经验。
3. 专门领域的工程设计方法和PID参数的工程整定法
可见此时系统的动态性能指标未满足设计要求。
(3)串联超前校正的综无合源超前网络 1 aTds 1 a Tds 1
初选校正后的幅穿频率
ωc 50rad / s(指标ω c 45rad / s)
超前校正装置在ωc处应提供的超前角d：
30=180 Go(jωc)+d(ωc)90 arctg0.1ωc arctg0.01ωc +d(ωc) d d(ωc)ε，其中ε为安全裕量
解 由Go (s)可知,系统为最小相位系统
(1)由稳态指标确定校正后系统的开环增益K， 画出此增益下的开环对数幅频渐近线。
1，由速度误差系数与开环增益之间的关系知， K K v。
由题中指标要求知: K Kv 100s1,这里取K 100s1。 画校正前K 100s1时的开环对数幅频渐近线。
通过对上面系统进行了超前校正设计，该系统已能够 全面满足设计要求。
L(ω)
40
-20dB/dec
c '
20
-40dB/dec
-20dB/dec
1
10
100
ω
-40dB/dec
-20
co
-60dB/dec
-40
c
-60dB/dec
校正装置
注：均为渐近线
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。
串联超前校正
串联超前校正简单的超前网络若在系统的前向通路上（一般是串联于两级放大器之间），就构成了串联超前校正。
给系统串入串联超前校正，减少对数幅频特性在幅值穿越频率上的负斜率，可以有效地改善原系统的平稳性和稳定性，并可以提高系统的频带宽度，对快速性也将产生有利的影响，但是超前校正很难使原系统的低频段特性得到改善。
如果采取进一步开环增益的办法，使低频段上移，则系统的平稳性有所下移；幅频段过分上移，还会大大削弱系统干扰能力。
故超前校正对提高系统稳态精度的作用是很小的。
利用Bode 图设计超前校正网络超前校正的基本原理是利用超前网络的相位特性去增大系统的相位裕度，以改善系统的瞬态响应，具体设计步骤如下。
（1）求出满足稳态指标的开环放大系数K 值。
（2）根据求得的K 值，画出未校正系统的Bode 图，并计算出其幅值穿越频率c ω、相位裕度γ、幅度裕度g K 。
（3）确定需要对系统增加的相位超前m ϕ，m ϕ可表示为m ϕ=∆--γγ'式中，'γ 和γ 分别表示期望的相位裕度和未校正系统（原系统）的相位裕度，∆为增加超前网络后使幅值穿越频率向右方移动所带来的原系统相位的滞后量，一般该滞后量为 5~12。
（4）确定α值。
（5）确定校正后系统的幅值穿越频率'c ω。
为了最大限度利用超前网络的相位超前量。
'c ω应与m ω相重合，即 'c ω 应选在未校正系统的αωlg 10)(-=L 处。
（6）确定校正装置的传递函数。
令)/(1'αωωT c m ==，从而求出超前校正为了的两个转折频率 ⎩⎨⎧==T T αωω1112由此得出校正装置具有的传递函数为111121)(++=++=Ts Ts s sG s αωω（7）验证校正后系统的相位裕度γ。
MATLAB ProgramK0=1000;n1=1;d1=([1 0],[1 2]); sope= tf(K0*n1,d1);[mag,phase,w] =bode(sope);gama=45;[mu,pu]=bode(sope,w); gam=gama*pi/180;alfa=(1-sin(gam))/(1+sin(gam));adb=20*log10(mu);am=10*log10(alfa); ca=adb+am;wc=spline(adb,w,am); T=1/(wc*sqrt(alfa));alfat=alfa*T;Gc=tf([T 1],[alfat 1])MATLAB ProgramK0=1000;n1=1;d1=conv([1 0],[1 2]); S1=tf(K0*n1,d1);N2=[0.04916 1];d2=[0.008434 1]; S2=tf(n2,d2);sope=s1*s2;[mag,phase,w]=bode(sope);Margin（mag,phase,w);。
超前校正
设 计 任 务题目： 超前校正一、设计内容设某控制系统不可变部分的传递函数为)11.0)(1001.0()(0++=s s s K s G ，要求该系统有如下性能指标：1）响应匀速信号r(t)=1R t 的稳态误差不大于0.0011R ，其中1R 为常量；2）剪切频率ωc =165rad/s ；3）相角裕度045γ≥；4）幅值裕度20lg g K ≥15dB 。
二、设计要求试应用频率响应法确定串联超前校正参数要求方法一用带惯性的PD 控制器实现串联超前校正方案1）劳斯判据判定未校正系统的稳定性，确定校正环节的传递函数模型。
2）计算校正系统的开环增益写出计算公式并通过MATLAB 编程计算，用MATLAB 画出未校正系统开环频率响应的Bode 图，计算未校正系统的剪切频率 ωc 写出计算公式并通过MATLAB 编程计算，相角裕度γ1写出计算公式，并通过MATLAB 编程计算。
3）根据给定的性能，计算要求校正后系统的剪切频率写出计算公式并通过MATLAB 编程计算，确定中频段宽度h 写出计算公式并通过MATLAB 编程计算。
4）计算最大超前相角m ϕ写出计算公式并通过MATLAB 编程计算。
5）计算串联超前校正参数a,T 写出计算公式并通过MATLAB 编程计算。
6）用MATLAB 验证性能四项指标，如果不符合修正校正参数继续验证，用劳斯判据和Nyquist 判据判定校正后系统稳定性。
7）设计校正环节的硬件参数，要求分别搭出无源校正和有源校正的电路图，确定电阻电容参数，用MATLAB 画出校正环节和最后的Bode 图，并进行对比说明。
要求方法二用PD 控制器实现串联超前校正方案1) 劳斯判据判定未校正系统的稳定性，确定校正环节的传递函数模型。
2) 根据要求求剪切频率ωc 计算出校正参数T 写出计算公式并通过MATLAB 编程计算。
3) 用MATLAB 验证性能四项指标，如果不符合修正校正参数继续验证，用劳斯判据和Nyquist 判据判定校正后系统稳定性。
一种基于根轨迹串联超前校正的计算方法
统 的动态性能指标 可 由靠 近虚轴 的一对共 轭闭环 主导极点 来表征 ， 因此 ， 可把对 系统提 出的时域 性能 指标 的要 求转化 为一对期望闭环 主导极 点。 定这 对 闭环 主导极 点 的位置 确 后， 首先根据绘制根轨迹的相 角条件判 断一下它们是否位于
故据是要估算和试凑的。而在根轨迹法 校正 当中， 献 虽 文
凑 出了系统闭环主导极 点到所 附加 负实数 开环零 点和到 算 厅村加负实数开环极点 两直线 间的夹角 ， ＿Ｉ 但夹 角定 了， 上述 酉 直线 的具体 位置 还是 不能 唯一确 定 ， 仍要 进行 试凑 和核
。
ｕ
：
Ｉ
：
：
ｌ
： 、 ／， ＼
一
一
∞
１
“
Ⅱ
能否给出一种完全不用试凑的定量计算方法呢？ 本文把解析几何与根轨迹法相结合 ， 出了一种实现串 给
图 ｌ 超 前 校 正 装 置 对 数 频 率特 性
示。 因为 ｎ＞ｌ 所以超前校正装置的负实数极点 Ｐ ， ＝一１ Ｔ ／ 总在负实数零点 ＝一ｌｎ ／ 之左 ， 两者之 间的距离 由分度系 数 ｎ决定 ， 改变参数 ｎ和 ， 其零极点 可在 平 面的负实 轴上
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第３ ｌ卷第 ６期
２０ ０ ７年 ｌ ２月
南昌大学学报 （ 理科版 ）
Ｊｕｎ ｌ ｆ ａ ｃ ａ ｇＵ ｉ ｒ ｔ （ ａ ｒｌ ｃ ｎ ｅ ｏ ｒ ａ ｏ Ｎ ｎ ｈ ｎ ｎｖ ｓｙ Ｎ ｔ ａ Ｓ ｉ ｃ ） ｅｉ ｕ ｅ
摘
要： 提出了一种把解析几何与根轨迹法结合起来实现 串联超前校正 计算方法 ， 无需精确绘 图和繁琐 的试 凑运
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
自动控制原理7-2频率域中的无源串联超前校正..
3. 最大负相移发生在转折 1 频率 T 与 β1T 的几何中点。
m arc sin
β 1 β 1 arc sin 1 β 1β
0
T
m
1
T
20
20 lg
( )
0
β
1 sin (- m ) 1 - sin (- m )
m
90
9
例1 若单位反馈系统开环传递函数为
1
α 1 2 α
1 sin m 1 - sin m
α 1
α
12
10lg
50
10
8 6 10lg(dB)
m
40
30
20
10
4
2
0
1 3 5 7 9
0
11 13 15 17
19
当α大于15以后， m的变化很小，α一般取115之间。
6
例1 若单位反馈系统开环传递函数为
0
90
180
0 20
12
(2) 确定校正后系统的增益剪切频率c。 在此频率上，系统要求的相位裕量应等于要求的相 位裕量再加上(50120)---补偿迟后校正网络本身在c 处的相位迟后。 确定c。 原系统在 c0 处的相角衰减得很快，采用超前校正作 用不明显，故考虑采用迟后校正。现要求校正后系统 的 γ 40 0 ，为了补偿迟后校正网络本身的相位迟后， 需再加上50120的补偿角，所以取 Δγ=400+(50—120)=520 (补偿角取120) 在伯德图上可找得，在=0.5s-1附近的相位角等于 -128 0 ( 即相位裕量为 52 0 ) ，故取此频率为校正后系统 的增益剪切频率。即： ωc=0.5s-1
自动控制原理第六章第三讲超前网络及其串联校正
根据截止频率
的要求，计算超前网络参数a和T；
求出Ｔ；
即可得超前网络的传递函数：
则已校正系统的传递函数为：
绘出校正后的对数幅频特性：
验证已校系统的相角裕度 ，若不满足 要求，应重选 ,一般使其增大。
步骤：
确定开环增益K（根据稳态误差的要求）；
(
s
E
)
(
1
s
G
)
(
s
G
)
(
2
s
G
)
(
s
C
)
(
s
G
r
+
系统输出：
系统误差：
当：
时，
对输入的 误差全补偿条件
说明： 以上结论仅在理想条件下成立：
无论是输出响应完全复现输入或是完全不受扰动影响, 都是在传递函数零、极点对消能够完全实现的基础上得到的。
由于控制器和对象都是惯性的装置, 故G1(s)和G2(s)的分母多项式的s阶数比分子多项式的s阶数高。 据补偿式可见, 要求选择前馈装置的传递函数是它们的倒数, 即Gr(s)或Gn(s)的分子多项式的s阶数应高于其分母多项式的s阶数, 这就要求前馈装置是一个理想的(甚至是高阶的)微分环节。
滞后-超前网络贡献的幅值衰减的最大值
由相角裕度要求，估算网络滞后部分的交接频率 ， 得：
01
结束
02
绘制已校正系统Bode图，校验性能指标
03
反馈校正
开环传函为：
工作原理 设图中局部反馈回路为G2c(s)， 其频率特性为 ：
反馈校正、复合校正基本原理
整个反馈回路的 传递函数等效为：
理想的微分环节实际不存在, 所以完全实现传递函数的零、极点对消在实际上也是做不到的。
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
用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤可归纳为
（校正后截止频率已知）：
根据稳态误差的要求，确定开环增益K。
校正装置传递函数
Gc
(s)
0.4s 0.1s
1 1
画出校正后系统的波德图并验证已校正系统的相角裕度。
校正后系统的开环传递函数为
Gc (s)G0 (s)
10(0.4s 1) s(0.1s 1)(0.8s 1)
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
G(S) k S (S 1)
• 若要求系统对单位斜坡输入信号的稳态误差ess 0，.1相角裕
度 45， 试确定系统的串联校正网络
兰----校正前 红色----校正装置 绿色----校正
-20
-40
20
-20
1 2.2
3.1
4.4
8.8 -40
G(s) K s(0.8s 1)
m c 5rad / s（已知） 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
10
lg
由超前校正网络特性
m
T
1
求出α=4 求出T=0.1
方法二
a.根据相位裕量要求估算超前校正装置的相位超前量
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：
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。
频率响应法(伯德图法)
串联相位超前校正步骤
1.根据稳态误差的要求，确定开环增益K。 K 2.根据所确定的开环增益K，画出未校正系统 K v = lim s s →0 s ( s + 2) 的波特图，计算未校正系统的相位裕度γ num=20;den=[0.5 1 0]; w=logspace(-1,2,500);%产生0.1和100之间的500个频率点 sysk= tf(num,den) [mag,phase,w]=bode(sysk,w); Pm = [Gm,Pm, Wcg , Wcp]=margin(mag,phase,w);%计算校正前 的相角裕度 17.9645
50 Magnitude (dB) 0 -50 -90 Phase (deg) -1 3 5 B o d e D ia g r a m
-1 8 0 10
-1
10
0
10 Frequenc y ( r a d /s e c )
1
10
2
串联相位超前校正步骤
3.由给定的相位裕度值，计算超前校正装置提供的相位 超前量 ϕ = ϕ m = γ ′′ − γ + ε ← 补偿
50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -1 10 -10lg(a)=-5.1313
10
0
10
1
10
2
串联相位超前校正步骤
5. 该频率ωm就是校正后系统的开环截止频率ωc wc=wm; 6.然后用下式求出Ｔ
.
T=
1
ωm a
T=1/sqrt(alpha)/wc; %计算T alphaT= alpha*T; %计算αT 7.得到校正环节的传递函数 %为补偿超前校正造成的幅值衰减，原开环系统增益 要增加，使得K1*α=1. 8.绘制校正后的系统伯德图，验证所得系统的相位裕度 是否满足设计要求，如不满足重新计算。
习题课超前校正
取h 6来考虑.
(3)由 未 校 正 系 统 的 开 环 频率 响 应Bode 图 查 出, 或 根 据
G 0 (j c ) -900 - arctg(0.00 1 c ) - arctg(0.1 c )
计算出:
G 0 (j c ) G 0 (j165) 1860
将
G 0 (j c ) 1860 及要求的 450 带入公式
进入Nyquist 图的第二象限，所以校正系统的幅值裕度K g
以及g rad/s。
1000 - 0.101 0.1562( - 0.0001 3 ) j(1 0.0015 2 ) (-0.101 2 ) ( 0.00001 3 )2
令 Im G(j) 0则有 - 0.0015 2 -1 0 此方程无解，这说明校正系统的开环频率响应特性 G(j)不可能
1)
0.0192s 1 0.00192s 1
校正系统的Bode图以及串联超前校正环节的相频特性，
如图。
从20lg G(j )的中频区特性看到,校正系统的剪切频率
已
c
经
按
性
能
指
标
要
求
选定
为165rad/s
.
根
据
G( j c ) G( j165)
900 arctg0.001 165 arctg0.1 165
系统应具有 1。又由于响应r(t) R1t时，ess () 0.001R1
可以根据
ess ()
R1 K
确定校正系统的开环增益K 应满足： K
R1 ess ()
100（ 0 S -1）
频域校正方法
c 12rad / s
c 12rad / s
27
10
-1
10
0
10
1
10
2
27
10
10
10
1
10
2
*也可算出 (g ) 180 g 7.07rad / s , c 12rad / s
180 90 arctgc 0.1 arctgc 0.2
再利用
1 0.1 c bT
1 T 41.1s 0.1cb
bT=3.7s，则滞后网络的传递函数
Gc ( s )
1 bTs 1 3.7 s 1 Ts 1 41s
c 2.7rad / s
100 50
(c) 90 arctg(0.1c) arctg(0.2c)
50
21dB
0 -50 -100 -2 10 0
46.5
G0 Gc
10
-1
10
0
10
1
GcG0
10
2
-100
-200
-300 -2 10
10
-1
10
0
10
1
10
2
验算指标(相位裕度和幅值裕度)
41.3 40
h(dB ) 20 lg Gc ( j )Go ( j ) 10.5dB 10 dB g g
180
-200 0 10
17
10
1
10
2
计算超前校正网络的转折频率
m
1 T a
1
m
9 4.4 a 4.2
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 )
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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:
()()()1
11G c ++⋅==Ts aTs a s R s C s 其中：
C R R R R T 2
121+= 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
()1
1++=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m
ω，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：
a
a T a T T a aT 1arctan arctan 1arctan 1arctan m -=-=ϕ =11arcsin 21arctan 111arctan +-=-=+-a a a a a
a 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m
ϕ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。
图2超前校正RC 网络图
利用超前网络进行串联校正的基本原理，乃是利用超前网络相角超前特性。
只要正确地将超前网络的交接频率1/aT 和1/T 设置在待校正系统截止频率c ω的
两边，就可以使已校正系统的截止频率'c ω和相裕量满足性能指标要求，从而达
到改善系统动态性能的目的。
串联超前校正设计的一般步骤为
（1）根据稳态误差要求，确定开环增益K 。
（2）在已确定K 值条件下，计算未校正系统的相裕量。
（3）根据指标要求，确定在系统中需要增加的相角超前量。
（4）确定a 值及m L 值，在未校正系统的对数幅频特性曲线上找到幅值等于－m L 点所对应的频率，即为'c ω，这一频率为所选网络的c ω，并且在此频率上
将产生最大超前相角值m ϕ。
（5）确定超前网络的交接频率1ω＝1/aT ，2ω＝1/T 。
（6）验算。
二、原系统分析
设单位反馈系统的开环传递函数为：)
1001.0)(16.0)(1(5)(+++=s s s s s G 要求校正后系统的幅值裕度大于10dB ，相角裕度ο40≥γ，试设计串联超前
校正装置。
3.1 校正装置参数的确定
校正前截止频率s rad w c /73.1=,相角裕度γo o 402.16<-=，可知相角裕度不
满足要求，由此考虑加入串联超前校正系统。
为了满足校正后的系统的相角裕度︒≥40γ的条件，故需要加入 m θ='γ-[γ-(︒︒12~5)]=︒40-[︒-2.16-(︒︒12~5)]， 然后再根据2.621
1sin
arg =+-=a a m θ求出7.15=a 。
跟据系统对相角裕度的要求，确定校正后系统的截止频率'c ω，由式10lg )(lg 20'c W A +α=0，由此可求得02.3c ='ω计算校正装置的时间常数T 。
由于a T W W m c 1
'==，由此可以解出T=0.084.
则校正装置的传递函数为()1084.01
3188.1s G c ++=s s
4.2 二次校正系统分析
如图6所示相角裕度o r 407.18<=，可知相角裕度不满足要求，由此考虑在次加入串联超前校正系统进行二次校正。
故需要加入m θ='γ-[γ-(︒︒12~5)]=o 50-[︒7.18-(︒︒12~5)]， 然后再根据4.431
1sin arg =+-=a a m θ求出365.5=a 。
跟据系统对相角裕度的要求，确定校正后系统的截止频率"c ω
，由式10lg )''(lg 20c W A +α=0，由此可求得7.4''c =ω
计算校正装置的时间常数T 。
由于a
T W W m c 1''==，由此可以解出T=0.092. 则二次校正装置的传递函数为()1092.0149.0s "G c ++=
s s 校正后的传递函数为：
)
1092.0)(1084.0)(1001.0)(16.0)(1()149.0)(13188.1(5)(+++++++=s s s s s s s s G 如图7所示，由图可知h=12.1dB,ο8.43=γ满足系统要求
在设计超前校正装置校正时，要合理选择校正装置的参数，一般可以改善系统的动态性能。
从频率特性角度出发，可以利用将较高频段幅值下降20lg α、相位幅度较小的特性,减小系统的截止频率,提高相角裕度,从而提高了系统的稳定性。
但同时我们也应认识到串联校正装置本身所存在的缺陷和不足，以更好的把它应用于工程设计中。
如果在未校正系统的截止频率c ω附近，相频特性的变化率很大，即相角减小得很快，则采用单级串联校正效果将不大，这是因为随着校正后的截止频率'c
ω向高频段的移动，相角在c ω附近将减小得很快，于是在新的截止频率上便很难
得到足够大的相裕量。
在工程实践中一般不希望a 值很大，当a ＝20时，最大超
前角︒=60m ϕ，如果需要60°以上的超前相角时，可以考虑采用两个或两个以上的串联超前校正网络由隔离放大器串联在一起使用。
在这种情况下，串联超前校正提供的总超前相角等于各单独超前校正网络提供的超前相角之和。
(2)校正前系统的bode图
图2 (3)校正后系统的Bode图
图6 (4)二次校正后系统的Bode图
图7。