自动控制理论第六章
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《自动控制理论教学课件》第六章 自动控制系统的校正.ppt
并有强烈的振荡。难以兼顾稳态和暂态两方面的要求。
② 采用PD控制时
(s)
C(s) R(s)
s2
K
2
Pn
(1
s)
(2n
K
2
Dn
)s
K
2
Pn
特征方程：1 KD s2
n2s
2n
s
K
2
Pn
0
等价开环传函：G1(s)
s2
n2s 2ns
K
2
Pn
为满足稳态误差要求，KP 取得足够大，若 KP 2 则有：
PD控制器中的微分控制规律，能反映输入信号的变 化趋势(D控制实质上是一种“预见”型控制)，产生有效 的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，能有效地抑制 过大的超调和强烈的振荡，从而改善系统的稳定性。在串
联校正时，可使系统增加一个 KP KD 的开环零点，使 ，
有助于动态性能的改善。
注意：
D控制作用只对动态过程起作用，而对稳态过程没有 影响，且对系统噪声非常敏感，所以一般不宜单独使用。
一、性能指标
为某种特殊用途而设计的控制系统都必须满足一定的 性能指标。不同的控制系统对性能指标的要求应有不同的 侧重。如调速系统对平稳性和稳态精度要求较高，而随动 系统则侧重于快速性要求。性能指标的提出，应符合实际 系统的需要和可能。
在控制系统的设计中，采用的设计方法一般依据性能指
标的形式而定，若性能指标以 ts、 %、 、稳态误差等
s1,2 n jn KP 2
dK D ds
0
s
n
KP
2( KD
KP ) n
可见，K D (微分作用增强)，根轨迹左移。尽管为满足 稳态要求，KP 选得很大，但总可以选择合适的 KD 值，使系
自动控制理论 第2版 第六章 控制系统的校正
*
*
设计过程
例2：设一单位反馈系统的开环传递函数为 要求相角裕度 ，设计校正环节。 首先画出 时的BODE图，由图可知相角裕度只有25度，即 。 采用滞后网络进行校正目的是要增大相角裕度。对于原系统 这时相角裕度
也就是说设法找到一个滞后网络应把原系统在 上的幅值减小到0，并对此频率附近的原系统的相角曲线产生不明显的影响（只有这样才能维持 ）。
超前校正
总结： 1)超前校正原理： 利用超前网络的相角超前特性，使系统的截止频率和相角 裕度满足性能指标的要求，从而改善闭环系统的动态性能 2）适用对象： 超前校正主要应用于原系统稳定，稳态性能已满足要求而 动态性能较差的系统。 3）缺点：降低了系统的抗扰性能。
6-3 串联滞后校正
对应上面三种情况的BODE图：
c）低中高频段均改变
b）改变高频段
a）改变低频段
6-2 串联超前校正
无源超前校正网络
一、超前校正网络：
传递函数：
* 带有附加放大器的无源超前校正网络
二、超前校正环节的频率特性
超前网络 bode图
对数频率特性为 :
最大超前角与系数 a 的关系曲线
画出未校正系统BODE图
相角裕度
测量可得原系统的相角裕度 ，所以远 远小于要求值，说明在 时系统会产生 剧烈的振荡，为此需要增加 的超前角。
注意：超前校正环节不仅改变了BODE图的 相角曲线，而且改变了幅值曲线，使幅值 穿越频率提高，在新的幅值穿越频率上， 原系统的滞后相角就会增大，这就要求超 前校正装置产生的相角要相应的增大，为 此设计超前相角由增大到 。
（2）使校正后系统频带变宽，动态响应变快。
（3）校正装置的最大相角频率 设在 处。
*
设计过程
例2：设一单位反馈系统的开环传递函数为 要求相角裕度 ，设计校正环节。 首先画出 时的BODE图，由图可知相角裕度只有25度，即 。 采用滞后网络进行校正目的是要增大相角裕度。对于原系统 这时相角裕度
也就是说设法找到一个滞后网络应把原系统在 上的幅值减小到0，并对此频率附近的原系统的相角曲线产生不明显的影响（只有这样才能维持 ）。
超前校正
总结： 1)超前校正原理： 利用超前网络的相角超前特性，使系统的截止频率和相角 裕度满足性能指标的要求，从而改善闭环系统的动态性能 2）适用对象： 超前校正主要应用于原系统稳定，稳态性能已满足要求而 动态性能较差的系统。 3）缺点：降低了系统的抗扰性能。
6-3 串联滞后校正
对应上面三种情况的BODE图：
c）低中高频段均改变
b）改变高频段
a）改变低频段
6-2 串联超前校正
无源超前校正网络
一、超前校正网络：
传递函数：
* 带有附加放大器的无源超前校正网络
二、超前校正环节的频率特性
超前网络 bode图
对数频率特性为 :
最大超前角与系数 a 的关系曲线
画出未校正系统BODE图
相角裕度
测量可得原系统的相角裕度 ，所以远 远小于要求值，说明在 时系统会产生 剧烈的振荡，为此需要增加 的超前角。
注意：超前校正环节不仅改变了BODE图的 相角曲线，而且改变了幅值曲线，使幅值 穿越频率提高，在新的幅值穿越频率上， 原系统的滞后相角就会增大，这就要求超 前校正装置产生的相角要相应的增大，为 此设计超前相角由增大到 。
（2）使校正后系统频带变宽，动态响应变快。
（3）校正装置的最大相角频率 设在 处。
自动控制理论 线性系统的频域分析法
A() P2 () Q2 ()
() tg 1 Q() P( )
线性系统的频域分析法>>线性系统的频域特性
频率特性与传递函数的关系为：
G( j ) G(s) |s j
由于这种简单关系的存在，频率响应法和利用传递函数的时域 法在数学上是等价的。
[结论]：当传递函数中的复变量s用 j代替时，传递函数就转变
第六章 线性系统的频域分析法
1 线性系统的频率特性及图示 2 开环系统的典型环节 3 频率域稳定判据 4 稳定裕度 5 闭环系统的频域特性
线性系统的频域分析法>>线性系统的频域特性
6.1 频率特性的基本概念
考察一个系统的好坏，通常用阶跃输入下系统的阶跃响应 来分析系统的动态性能和稳态性能。
有时也用正弦波输入时系统的响应来分析，但这种响应并 不是单看某一个频率正弦波输入时的瞬态响应，而是考察频率 由低到高无数个正弦波输入下所对应的每个输出的稳态响应。 因此，这种响应也叫频率响应。
N (s)
Rm
(s p1)(s p2 )...(s pn ) (s p1)(s p2 )...(s pn ) (s j )(s j )
k1 k2 ... kn kc1 kc2
s p1 s p2
s pn s j s j
拉氏反变换为：
c(t) k1e p1t k2e p2t ... kne pnt kc1e jt kc2e jt
频率响应法的优点之二在于它可以用图来表示，这在控制 系统的分析和设计中有非常重要的作用。
由实验方法求频率特性
正弦信号 发生器
实验装置 （系统或元件）
双踪 示波器
图 求频率特性的实验方法
系统的幅频特性： | G( j) | Y
() tg 1 Q() P( )
线性系统的频域分析法>>线性系统的频域特性
频率特性与传递函数的关系为：
G( j ) G(s) |s j
由于这种简单关系的存在，频率响应法和利用传递函数的时域 法在数学上是等价的。
[结论]：当传递函数中的复变量s用 j代替时，传递函数就转变
第六章 线性系统的频域分析法
1 线性系统的频率特性及图示 2 开环系统的典型环节 3 频率域稳定判据 4 稳定裕度 5 闭环系统的频域特性
线性系统的频域分析法>>线性系统的频域特性
6.1 频率特性的基本概念
考察一个系统的好坏，通常用阶跃输入下系统的阶跃响应 来分析系统的动态性能和稳态性能。
有时也用正弦波输入时系统的响应来分析，但这种响应并 不是单看某一个频率正弦波输入时的瞬态响应，而是考察频率 由低到高无数个正弦波输入下所对应的每个输出的稳态响应。 因此，这种响应也叫频率响应。
N (s)
Rm
(s p1)(s p2 )...(s pn ) (s p1)(s p2 )...(s pn ) (s j )(s j )
k1 k2 ... kn kc1 kc2
s p1 s p2
s pn s j s j
拉氏反变换为：
c(t) k1e p1t k2e p2t ... kne pnt kc1e jt kc2e jt
频率响应法的优点之二在于它可以用图来表示，这在控制 系统的分析和设计中有非常重要的作用。
由实验方法求频率特性
正弦信号 发生器
实验装置 （系统或元件）
双踪 示波器
图 求频率特性的实验方法
系统的幅频特性： | G( j) | Y
自动控制原理第六章ppt课件
180 90 arctg0.2 9.2 arctg0.01 9.2
23.3
由上面分析可见，降低增益，将使系统的稳定性得到改善，
超调量下降，振荡次数减少，从而使穿越频率ωc降低。这意
味着调整时间增加，系统快速性变差，同时系统的稳态精度也 变差。
6.3.2 串联比例微分校正 比例微分校正也称PD校正，其装置的传递函数为
180 90 arctan 0.01 35 70.7
比例微分环节起相位超前的作用，可以抵消惯性环节使 相位滞后的不良影响，使系统的稳定性显著改善，从而使穿 越频率ωc提高，改善了系统的快速性，使调整时间减少。 但 比例微分校正容易引入高频干扰。
比例微分校正对系统性能的影响
6.3.3 串联比例积分校正 比例积分校正也称PI校正，其装置的传递函数为
工程实践中常用的补偿方法： 串联补偿、反馈补偿和前馈补偿。
4、系统补偿装置的设计方法
▪ 分析法
系统的 分析和经验 一种
选择参数
固有特性
补偿装置
串联补偿和反馈补偿
▪ 综合法
系统的 系统的性能指标 期望开环
固有特性
系统特性
验证 性能指标
确定补偿 装置的结 构和参数
6.1.2 频率响应法串联补偿（校正）
C0
R1 C1
-
R0
+
R0
G1(s) 式中
K
(1s
1)( 1s
2s
1)
K R1 R2
1 R1C1 2 R0C0
L()
1
() / 1
90
90
1 2
6.3 串联校正
串联校正是将校正装置串联在系统的前向通道中，从而 来改变系统的结构，以达到改善系统性能的方法，如图所示。 其中Gc(s)为串联校正装置的传递函数。
23.3
由上面分析可见，降低增益，将使系统的稳定性得到改善，
超调量下降，振荡次数减少，从而使穿越频率ωc降低。这意
味着调整时间增加，系统快速性变差，同时系统的稳态精度也 变差。
6.3.2 串联比例微分校正 比例微分校正也称PD校正，其装置的传递函数为
180 90 arctan 0.01 35 70.7
比例微分环节起相位超前的作用，可以抵消惯性环节使 相位滞后的不良影响，使系统的稳定性显著改善，从而使穿 越频率ωc提高，改善了系统的快速性，使调整时间减少。 但 比例微分校正容易引入高频干扰。
比例微分校正对系统性能的影响
6.3.3 串联比例积分校正 比例积分校正也称PI校正，其装置的传递函数为
工程实践中常用的补偿方法： 串联补偿、反馈补偿和前馈补偿。
4、系统补偿装置的设计方法
▪ 分析法
系统的 分析和经验 一种
选择参数
固有特性
补偿装置
串联补偿和反馈补偿
▪ 综合法
系统的 系统的性能指标 期望开环
固有特性
系统特性
验证 性能指标
确定补偿 装置的结 构和参数
6.1.2 频率响应法串联补偿（校正）
C0
R1 C1
-
R0
+
R0
G1(s) 式中
K
(1s
1)( 1s
2s
1)
K R1 R2
1 R1C1 2 R0C0
L()
1
() / 1
90
90
1 2
6.3 串联校正
串联校正是将校正装置串联在系统的前向通道中，从而 来改变系统的结构，以达到改善系统性能的方法，如图所示。 其中Gc(s)为串联校正装置的传递函数。
自动控制原理第六章
G c s K p 1 s
PD控制具有预测控制，超前校正的作用。
使得系统增加了一个开环零点，有助于改善系 统的动态性能。
其缺点是对噪声非常敏感，减弱了系统抗高频 干扰的能力。
长安大学
电控学院电气系
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自动控制原理
第六章 控制系统的综合与校正
3、积分控制规律(I 调节器)
R R 1 2 其中： a 1 R2
R1 R2 Tc C R1 R2
是一种带惯性的比例+微分控制器；
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自动控制原理
第六章 控制系统的综合与校正
1 aTc s 1 Gc ( s) a Tc s 1
c () arctan aTc arctan Tc
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
提供正的相角(超前相角)，这便是“超前”的含 义；——意即：主要利用超前相角产生超前校正作 用； 使用时，把惯性环节限制到极小； 此网络使开环放大倍数下降，需要补偿：
aTc s 1 aGc ( s) Tc s 1
a 5 20
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自动控制原理
第六章 控制系统的综合与校正
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自动控制原理
第六章 控制系统的综合与校正
K0 稳定性得到保证： 0 s 2 Ts s K 0
不加比例控制规律，只加积分控制规律： Gc s
Kp Ti s
G1 s G c s G 0 s
K0K p Ti s 2 (Ts 1)
m(t ) = K pt K p
M (s)
Kp s
自动控制理论课后习题详细解答答案(夏德钤翁贻方版)第六章
第六章6-1 试求图6-T-1所示超前网络和滞后网络的传递函数和伯德图。
解：（a ），超前网络的传递函数为()1+=RCs RCss G ，伯德图如图所示。
题6-1超前网络伯德图（b ），滞后网络的传递函数为()11+=RCs s G ，伯德图如图所示。
题6-1滞后网络伯德图6-2 试回答下列问题，着重从物理概念说明：（1）有源校正装置与无源校正装置有何不同特点，在实现校正规律时他们的作用是否相同？（2）如果错误！未找到引用源。
型系统经校正后希望成为错误！未找到引用源。
型系统，应采用哪种校正规律才能满足要求，并保证系统稳定? （3）串联超前校正为什么可以改善系统的暂态性能？（4）在什么情况下加串联滞后校正可以提高系统的稳定程度？（5）若从抑制扰动对系统影响的角度考虑，最好采用哪种校正形式？解： （1）无源校正装置的特点是简单，但要达到理想的校正效果，必须满足其输入阻抗为零，输出阻抗为无限大的条件，否则很难实现预期效果。
且无源校正装置都有衰减性。
而有源装置多是由直流运算放大器和无源网络构成，能够达到较理想的校正效果。
（2）采用比例-积分校正可使系统由I 型转变为II 型。
（3）利用串联超前校正装置在剪切频率附近提供的相位超前角，可增大系统的相角裕度 ，从而改善系统的暂态性能。
（4）当ω减小，相频特性)(ωϕ朝0方向变化且斜率较大时，加串联滞后校正可以提高系统的稳定程度。
（5）可根据扰动的性质，采用带有积分作用的串联校正，或采用复合校正。
6-3 某单位反馈系统的开环传递函数为6418)(2++=s s s G （1）计算校正前系统的剪切频率和相角裕度。
（2）串联传递函数为1125.014.0)(++=s s s G c 的超前校正装置，求校正后系统的剪切频率和相角裕度。
（3）串联传递函数为1100110)(++=s s s G c 的滞后校正装置，求校正后系统的剪切频率和相角裕度。
（4）讨论串联超前校正、串联滞后校正的不同作用。
自动控制原理第六章
回章首 回节首
23
一般情况下，校正时给定的性能指标为单边限定值， 即 M p M p校
t s t s校
则校正后主导极点可选
位臵位于图6-5(b)中
阴影区域即可。 (课本P144)
回章首
回节首
24
在校正设计时，按照给定的性能指标确定了主导 极点si的位臵后，先要确定系统的原根轨迹是否过阴影 区域。
Go(s)
GH(s)
C(s)
(b)并联校正
图6-1 两种基本的校正结构
图中：Go(s) 表示受控对象，也称为固有特性， Gc(s)与GH(s) 就是校正装臵的校正特性。
回章首
回节首
8
R(s) + _
E(s)
Gc(s)
Go(s)
C(s)
(a)串联校正 图6-1 两种基本的校正结构
图6-l(a) 的固有特性Go(s)与校正特性Gc(s)以串联关系 来构成等效开环传递函数为
所以，增加开环零点使根轨迹 在s平面上向左移，改善了系统的稳 定性，结果是系统的动态性能变好 ，系统的平稳性得到满足。
(d)增加零点s=-1 图6-3 增加开环零点 对原根轨迹的影响
回章首
回节首
18
3．增加偶极子对系统的影响
实轴上一对距离很近的开环零点和极点，附近又没有 其他零极点，把它们称为偶极子。 增加偶极子可以做到：
(1) 稳态误差： ess lim e(t )
t
(2) 系统的无差度v ：v是系统前向通路中积分环节的个数 (3) 静态误差系数：Kp 、 Kv 、Ka 对于有差系统，其误差与静态误差系数成反比。因此 由它们分别可以确定有差系统的误差大小。 (4) 动态误差系数：Cp 、 Cv 、Ca
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一般情况下，校正时给定的性能指标为单边限定值， 即 M p M p校
t s t s校
则校正后主导极点可选
位臵位于图6-5(b)中
阴影区域即可。 (课本P144)
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在校正设计时，按照给定的性能指标确定了主导 极点si的位臵后，先要确定系统的原根轨迹是否过阴影 区域。
Go(s)
GH(s)
C(s)
(b)并联校正
图6-1 两种基本的校正结构
图中：Go(s) 表示受控对象，也称为固有特性， Gc(s)与GH(s) 就是校正装臵的校正特性。
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R(s) + _
E(s)
Gc(s)
Go(s)
C(s)
(a)串联校正 图6-1 两种基本的校正结构
图6-l(a) 的固有特性Go(s)与校正特性Gc(s)以串联关系 来构成等效开环传递函数为
所以，增加开环零点使根轨迹 在s平面上向左移，改善了系统的稳 定性，结果是系统的动态性能变好 ，系统的平稳性得到满足。
(d)增加零点s=-1 图6-3 增加开环零点 对原根轨迹的影响
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3．增加偶极子对系统的影响
实轴上一对距离很近的开环零点和极点，附近又没有 其他零极点，把它们称为偶极子。 增加偶极子可以做到：
(1) 稳态误差： ess lim e(t )
t
(2) 系统的无差度v ：v是系统前向通路中积分环节的个数 (3) 静态误差系数：Kp 、 Kv 、Ka 对于有差系统，其误差与静态误差系数成反比。因此 由它们分别可以确定有差系统的误差大小。 (4) 动态误差系数：Cp 、 Cv 、Ca
自控原理-第6章 控制系统的误差分析与计算
esslt i e m (t)ls i0sm E (s)
偏差 ( t ) ：系统的输入 x i ( t ) 和主反馈信号 y ( t ) 之差。即
( t ) x i( t ) y ( t ) ( s ) X i( s ) Y ( s )
稳态偏差 s s ：当t→∞时的系统偏差。即
6.1 稳态误差的基本概念
自控控制理论
本课程与误差有关的概念都是建立在反馈控制系统基础 之上的。 稳态的定义：时间趋于无穷大（足够长）时的固定响应称 为控制系统的稳定状态，简称稳态。 稳态误差：当系统在特定类型输入信号作用下，达到稳态 时系统精度的度量。
说明：误差产生的原因是多样的，课程中只研究由于系统 结构、参量、以及输入信号的形式不同所引起的误差。
i1 n
0
(Tis1)
i1
I型系统的稳态误差
V=1
m
K ( is 1)
G(s)H (s)
i 1 nv
sv (Tis 1)
i 1
自控控制理论
Kplsi m 0G (s)H(s)
1
essp
1 Kp
0
K vlsi m 0sG (s)H (s)K
自控控制理论
例 : 设 单 位 反 馈 系 统 的 开 环 传 递 函 数 为 G (s)1,试 求 当 输 入 Ts
信 号 为 r(t)1t2时 ,控 制 系 统 的 稳 态 误 差 值 。 2
解:
e(s)
1 1G ( S )
S S 1/T
当
r(t)
稳态加速度 误差系数
自控控制理论
6.2.4 不同类型反馈控制系统的稳态误差系数
偏差 ( t ) ：系统的输入 x i ( t ) 和主反馈信号 y ( t ) 之差。即
( t ) x i( t ) y ( t ) ( s ) X i( s ) Y ( s )
稳态偏差 s s ：当t→∞时的系统偏差。即
6.1 稳态误差的基本概念
自控控制理论
本课程与误差有关的概念都是建立在反馈控制系统基础 之上的。 稳态的定义：时间趋于无穷大（足够长）时的固定响应称 为控制系统的稳定状态，简称稳态。 稳态误差：当系统在特定类型输入信号作用下，达到稳态 时系统精度的度量。
说明：误差产生的原因是多样的，课程中只研究由于系统 结构、参量、以及输入信号的形式不同所引起的误差。
i1 n
0
(Tis1)
i1
I型系统的稳态误差
V=1
m
K ( is 1)
G(s)H (s)
i 1 nv
sv (Tis 1)
i 1
自控控制理论
Kplsi m 0G (s)H(s)
1
essp
1 Kp
0
K vlsi m 0sG (s)H (s)K
自控控制理论
例 : 设 单 位 反 馈 系 统 的 开 环 传 递 函 数 为 G (s)1,试 求 当 输 入 Ts
信 号 为 r(t)1t2时 ,控 制 系 统 的 稳 态 误 差 值 。 2
解:
e(s)
1 1G ( S )
S S 1/T
当
r(t)
稳态加速度 误差系数
自控控制理论
6.2.4 不同类型反馈控制系统的稳态误差系数
自控原理课件第6章-自动控制系统的性能分析
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56
小 结 自动控制系统性能的分析主要包括稳态性能 分析和动态性能分析。系统的稳态无误差 ess标 志着系统最终可能达到的控制精度，它包括跟 随稳态误差essr和扰动稳态误差essd。跟随误差与 系统的前向通路的积分环节个数 v 、开环增益 K 有关。 v 愈多； K 愈大，则系统的稳态精度愈高 。扰动稳态误差与扰动量作用点前的前向道路 的积分环节个数vl和增益Kl有关，vl 愈多，Kl愈 大，则系统的稳态精度愈高。对于随动控制系 统，主要考虑跟随稳态误差；而对于恒值控制 系统，主要考虑扰动稳态误差。
31
此时，系统的稳定性和快速性都比较好。在工程上常 称取ξ=0.707的系统为“二阶最佳系统”。 以上的分析虽然是对二阶系统的，但对高阶系统，如 果能以系统的主导极点 ( 共扼极点 ) 来估算系统的性能，即 只要能将它近似成一个二阶系统，就可以用二阶系统的分 析方法和有关结论对三阶及三阶以上的高阶系统进行性能 分析。
20
21
22
23
24
25
调整时间是从给定量作用于系统开始，到输 出量进入并保持在允许的误差带 ( 误差带是指离稳 态值c(∞)偏离 δ c (∞) 的区域)内所经历的时间。 δ 通常分为5％(要求较低)和2％ (要求较高)两种。 由于输出量c(t)通常为阻尼振荡曲线，c(t)进入 误差带的情况比较复杂，所以通常以输 出量的包络线b(t) 进入误差带来近似求取调整时间 ts。
17
6.1.4 系统稳态性能综述 (1) 系统的稳态误差由跟随稳态误差和扰动稳态 误差两部分组成，它们不仅和系统的结 构、参数 有关，而且还和作用量(输入量和扰动量)的大小、 变化规律和作用点有关。 跟随稳态误差essr：系统开环传递函数中所含积 分环节个数(v)愈多，开环增益K愈大， 则系统的稳态性能愈好。 扰动稳态误差 essd ：扰动作用点前，前向通路所 含的积分环节个数 vl 愈多，作用点前的增益 Kl 愈 大．则系统抗扰稳态性能愈好。 (2) 作用量随时间变化得愈快，作用量产生的误 差也愈大。
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小 结 自动控制系统性能的分析主要包括稳态性能 分析和动态性能分析。系统的稳态无误差 ess标 志着系统最终可能达到的控制精度，它包括跟 随稳态误差essr和扰动稳态误差essd。跟随误差与 系统的前向通路的积分环节个数 v 、开环增益 K 有关。 v 愈多； K 愈大，则系统的稳态精度愈高 。扰动稳态误差与扰动量作用点前的前向道路 的积分环节个数vl和增益Kl有关，vl 愈多，Kl愈 大，则系统的稳态精度愈高。对于随动控制系 统，主要考虑跟随稳态误差；而对于恒值控制 系统，主要考虑扰动稳态误差。
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此时，系统的稳定性和快速性都比较好。在工程上常 称取ξ=0.707的系统为“二阶最佳系统”。 以上的分析虽然是对二阶系统的，但对高阶系统，如 果能以系统的主导极点 ( 共扼极点 ) 来估算系统的性能，即 只要能将它近似成一个二阶系统，就可以用二阶系统的分 析方法和有关结论对三阶及三阶以上的高阶系统进行性能 分析。
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调整时间是从给定量作用于系统开始，到输 出量进入并保持在允许的误差带 ( 误差带是指离稳 态值c(∞)偏离 δ c (∞) 的区域)内所经历的时间。 δ 通常分为5％(要求较低)和2％ (要求较高)两种。 由于输出量c(t)通常为阻尼振荡曲线，c(t)进入 误差带的情况比较复杂，所以通常以输 出量的包络线b(t) 进入误差带来近似求取调整时间 ts。
17
6.1.4 系统稳态性能综述 (1) 系统的稳态误差由跟随稳态误差和扰动稳态 误差两部分组成，它们不仅和系统的结 构、参数 有关，而且还和作用量(输入量和扰动量)的大小、 变化规律和作用点有关。 跟随稳态误差essr：系统开环传递函数中所含积 分环节个数(v)愈多，开环增益K愈大， 则系统的稳态性能愈好。 扰动稳态误差 essd ：扰动作用点前，前向通路所 含的积分环节个数 vl 愈多，作用点前的增益 Kl 愈 大．则系统抗扰稳态性能愈好。 (2) 作用量随时间变化得愈快，作用量产生的误 差也愈大。
自动控制理论第六章
1
ss 0.5s1 s
解：1）调整K
G0 s
ss
1
0.5s1
s
Kv
lim
s0
G0
s
K
5s 1
2）作未校正系统的Bode图
G1 jω
jω1
5
j0.5ω1
jω
ωc 2.15,γ 20
系统不稳定
2023/12/21
第六章 控制系统的校正
15
自动控制理论
3）选择新的ωc
φ 180 γ ε 180 40 12 128
系数Kv=20s-1，r=50°，20lgKg=10dB
解：
令Gc s
K c
1 Ts
1 Ts
K
1 Ts
1 Ts
1）调整开环增益K，满足Kv的要求
校正前开环传递函数为
G1 s
KG0 s
4K
ss 2
Kv
lim
s0
s4K
ss 2
2K
20 ,
K
10
校正前系统的开环频率特性为
2023/12/21
G1 jω
K v
2s1
2023/12/21
第六章 控制系统的校正
图6-9
4
自动控制理论
2）确定希望的闭环极点
由ωn 4, ξ 0.5,求得sd 2 j2 3，
3）计算超前校正装置在sd处产生的超前角
arg
4
ss
2
ssd
210
超前角: φ 30
4）确定超前校正装置的零、极点
根据θ 60 ,φ 30 ,求得γ 45.按最大α值的设计法,由图解得
基于频率法的滞后-超前校正
自动控制原理第六章
Lc ()
90°
60°
c ()
30°
m
0°
1
m
2
如采用运算放大器进展补偿，那么无源超
前校正网络的传递函数如下
Gc(s)TTss11
假设采用如图6-08所示的有源超前校正
网络，那么其传递函数为
Gc(s)U Uo i((ss))-KcT s s1 1
KcR2R 1R3
RR 22RR 33R4C
T R 4 C T
通常，被控对象是的，而执行器和检测 反响那么根据被控对象的特点、控制要求以 及经济性、可靠性等选定的，这些设备可与 被控对象组合成控制系统的固有局部。
一般情况下，控制系统固有局部的性能 指标是很差的，必须引入附加装置对固有局 部进展改造，才能使控制系统全面满足静态 和动态性能要求。
这些为保证控制系统到达预期的性能指标 要求而有目的引入的附加装置称为控制系统 的校正装置，如图6-05所示。
第二节
常用校正装置及其特性
R(s)
E(s)
B(s)
G1(s)
C(s) G2(s)
H(s)
如果按增益来分，校正装置可分为无源校 正装置和有源校正装置两类，无源校正装置 的放大系数均小于 1 ，而有源校正装置的放 大系数可任意设置。
如果按相角频率特性来分，校正装置可分 为超前校正装置、滞后校正装置和滞后—超 前校正装置三种。
G c(j)j jT T 11
无源超前校正网络的波德图即对数频率特 性如图6-08所示。
00
-10 -20log 0dB/dec
-20
0dB/dec
20dB/dec -10log
Lc ()
90°
60°
c ()
自动控制原理_第6章共121页文档
根据负反馈理论所构成的典型控制系统的结构图如下 图所示，其特点是根据偏差e（t）来产生控制作用。偏差 是控制器Gc(s)的输入，而控制器Gc(s)的常常采用比例、 积分、微分等基本控制规律，或者这些规律的组合，其作 用是对偏差信号整形，产生合适的控制信号，实现对被控 对象的有效控制。
2019/11/30
比例—积分调节器主要用于在基本保证闭环系统 稳定性的前提下改善系统的稳态性能。
2019/11/30
EXIT
第6章第23页
2019/11/30
EXIT
第6章第24页
6.2.4比例、积分、微分控制
1.时域方程： m (t)K pe(t)K T ip 0 te(t)d tK pdd de(tt)
具有微分控制作用的控制器称为微分控制器,其传递函数为
Gc(s)=ds
输入偏差与输出控制信号的关系为
m(t)
d
d dt
e(t)
微分规律作用下输出信号与输入偏差的变化率成正比，因此，微分 调节器能够根据偏差的变化趋势去产生相应的控制作用。从频率法的角度 分析可知，由于微分环节具有高通滤波作用，微分调节器只在偏差的变化 过程中才起作用，当偏差恒定或变化缓慢时将失去作用，调节器无输出。 所以单一的微分调节器绝对不能单独使用，必须与其他基本控制规律组合。 微分校正常常是用来提高系统的动态性能,但对稳态精度不起作用。同时， 微分调节器有放大输入端高频干扰信号的缺点。
G2(s) C(s)
(a)
2019/11/30
(b)
EXIT
第6章第12页
6.1.3 频率法校正 (重点)
为图解法，在伯德图上校正居多 增加新环节以改变频率特性曲线形状，使之具有合适的低、 中、高频段，以获得满意的动、静态性能。 ① 分析法：选择一种校正装置，再分析是否满足要求→再 选择→再分析。 ② 期望法（串联校正）： 确定期望频率特性-已有频率特性=校正装置频率特性 只适用于最小相位系统，但有时难以物理实现。
2019/11/30
比例—积分调节器主要用于在基本保证闭环系统 稳定性的前提下改善系统的稳态性能。
2019/11/30
EXIT
第6章第23页
2019/11/30
EXIT
第6章第24页
6.2.4比例、积分、微分控制
1.时域方程： m (t)K pe(t)K T ip 0 te(t)d tK pdd de(tt)
具有微分控制作用的控制器称为微分控制器,其传递函数为
Gc(s)=ds
输入偏差与输出控制信号的关系为
m(t)
d
d dt
e(t)
微分规律作用下输出信号与输入偏差的变化率成正比，因此，微分 调节器能够根据偏差的变化趋势去产生相应的控制作用。从频率法的角度 分析可知，由于微分环节具有高通滤波作用，微分调节器只在偏差的变化 过程中才起作用，当偏差恒定或变化缓慢时将失去作用，调节器无输出。 所以单一的微分调节器绝对不能单独使用，必须与其他基本控制规律组合。 微分校正常常是用来提高系统的动态性能,但对稳态精度不起作用。同时， 微分调节器有放大输入端高频干扰信号的缺点。
G2(s) C(s)
(a)
2019/11/30
(b)
EXIT
第6章第12页
6.1.3 频率法校正 (重点)
为图解法，在伯德图上校正居多 增加新环节以改变频率特性曲线形状，使之具有合适的低、 中、高频段，以获得满意的动、静态性能。 ① 分析法：选择一种校正装置，再分析是否满足要求→再 选择→再分析。 ② 期望法（串联校正）： 确定期望频率特性-已有频率特性=校正装置频率特性 只适用于最小相位系统，但有时难以物理实现。
自动控制理论6
1．滞后-超前校正装置
(1)无源滞后-超前校正装置
c1
传递函数为：
+
Gc(s) =((11++αTT11SS))(1(+1+T2αTS2)S )
ur
-
+
R1 R2
c2
uc
-
其中： αT1 > T1 > T2 > T2 / α
第一节 系统校正旳一般措施
滞后-超前校正装置旳伯德图
滞后校正部分：
(1+ T1S) (1+αT1S)
第一节 系统校正旳一般措施
例 设单位反馈系统旳开环传递函数
G0 (s) =S(0.5S+K1)(S+1)
试设计一滞后-超前校正装置。
要求： Kv ≥ 10
γ ' ≥ 50°
解： 1）拟定开环增益K
K = Kv = 10 2) 画出未校正系统旳伯德图
第一节 系统校正旳一般措施
GG则64561选3c取Gφ则c)l))/)选)2系L(T(开(择校T(拟ωωγs(ω拟α2ω拟0αω择)ω统ω=1=)环T=Tc传正)=1.定T)≈-1015定)==S定=131传α旳==102.ω0ω=传=递后(=73超=..滞161ω111=ω1c11–7c1o递传1'+0.3.6++递+≈函系.50前6c5=31a51’后.6'0110c函7递==66d08/..函1数统.部117T1.6BS04部66.05数0函4.25°3数7.7旳.+=分(361S分6SS数7S751.6)--217(--7998224000000G0000S.01ΦL0.+04(((1Lωω3s51()ω))S-)/2L)d(=0c1B+d(SωB.4)/(0φ1d.0φ30e1)(cc5ω.((SL5φωS)0S0)((+ωω+.7+))11γ111ω)0’1-))(.45’(00cω2Sd.B5c+-γ/6dS10e+dc7)B1/ωdω)ec
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滞后校正的主要特点
1）利用滞后校正装置的高
频值衰减特性
2） 校正后系统的ωc变小,系 统的带宽变窄,瞬态响应变快
3） 滞后校正适用系统的动
态性能好，而静态精度偏低
的场合
2020/3/20
第六章 控制系统的校正
图6-18
18
自动控制理论
第四节 滞后-超前校正
滞后-超前校正的装置
Gc s
E0 s Ei s
1 T2
1
s
1 βT2
sd
5-＜
s
1 T2
＜0
s
1 βT2
如T选 21s0则 , β12 T3.51 10 0.0285
G cs10s s8 .3 2.3 4 s8 s0 .0 0.12 85
G csG 0 s s s 4 8 .3 s 0 s 4 2 .3 0 .0 s 8 2 0 .1 s 8 0 .5 5
2020/3/20
第六章 控制系统的校正
12
自动控制理论
要求Gc(s)的零、极点必须靠近坐标原点，其目的：
1）使Gc(s)在sd处产生的滞后角小于5° 2）使校正后系统的开环增益能增大β倍。
K v0
lim
s0
sG 0
s
K0 p1
Kv
lim
s0
sG
c
s
G0
s
K0β p1
βK v0
如取 1 0.1, 1 0.01,β 10
6）检验极点sd是否对系统的动态起主导作用
C R s sss 2 s 1 .7 5 .8 4 s 2 1 .9 .7 8 s 2 .9
2020/3/20
1. 7 8 s 2 .9
s 2 j23s 2 j23s 3 .4 图6-11 校正后系统的框图
第六章 控制系统的校正
7
自动控制理论
s
Kv lsi m0 G0s K 5s1
2）作未校正系统的Bode图
G1jω
jω1
5
j0.5ω1
jω
ωc 2.15,γ20
系统不稳定
2020/3/20
第六章 控制系统的校正
16
自动控制理论
3）选择新的ωc
φ18 0 γε18 0 40 12 12 8
ω ω c0.5s 1
4）确定β值
20 lg 1 20 ,β 10 β
2）确定希望的闭环主导极点
图6-23
根ξ据 0.5,ωn5s1,求得 sd ξω njωn 1ξ2 2.5j4.33
3）选择新的Kc
GcsG0s
Kc
sT11sT12
4
sTγ1sβ1T2 ss0.5
K v l s 0 i sm c G s G 0 s 8 K c 8 ,c K 0 10
2020/3/20
4）确定超前校正装置的零、极点
根据θ 60 ,φ30 ,求得γ 45.按最大α值的设,计 由法 图解得
1 2.9, 1 5.4,T 0.345,αα 0.185,α 0.537
T
αT
Gc s
Kc
s 2.9 s 5.4
Gc
sG0
s
Ks 2.9 ss 2s 5.4
K 4Kc
2020/3/20
第六章 控制系统的校正
1）利用超前校正装置的相位超前特性对系统进行动态校正 2）超前校正会使系统瞬态响应的速度变快 3）超前校正一般适用于系统的稳态精度能满足要求而其动态性能 需要校正的场合
2020/3/20
第六章 控制系统的校正
10
自动控制理论
第三节 滞后校正
滞后校正的装置
G c s
E 0 s E i s
K
c
β
1 Ts 1 βTs
第六章 控制系统的校正
4
自动控制理论
dφ ω 0
dω
ωm
1 αT
1 1 T αT
20lgGcjωωωm
10lg1 α
基于根轨迹法的超前校正
例6-1
已知
Gs
4
ss 2
图6-6
要求校正后系统的ξ=0.5，ωn=4
解：1）对原系统分析
C s 4
4
R s s 2 2 s 4 s 1 j3s 1 j3
第六章 控制系统的校正
22
自动控制理论
4）计算sd处相角的缺额
4
ss0.5 ssd
235
G cs超前部 sd处 分产 5 必 的 5生 须 超 在 前角
5）T1和β值的确定
s
1 T1
s
1 T2
s
γ T1
s
1 βT2
4
ss 0.5
1
s
1 T2
1
2020/3/20
s
1 βT 2
sd
第六章 控制系统的校正
T
βT
例6-3 已知
G0s
K0
ss1s4
要求 ξ 0.5,ts 10s,Kv 5s1
2020/3/20
第六章 控制系统的校正
13
自动控制理论
解： 1）作出未校正系统的根轨迹 2）由性能指标，确定闭环系统的希望主导极点sd
ωnξ4st0.54 10 s10.8s1
sd ξn ω jω n1 ξ2 0 .4 j0 .7
19
自动控制理论
G c s
K
c
s
1 T1
s
s
γ T1
s
1 T2
1 βT
2
γ
R 1 R 3 ＞ 1,β R1
R 2 R 4 ＞ 1 ,K R2
c
R 2 R 4 R 6 2 R 1 R 3 R 1 R 3 R 5 R 2 R 4
设γ β, 则
G c s
K
c
1 T 1 s 1 T 2 s
Kc
K 104.17 α 0.24
G cs4.7 1 s s 1 4.1 .4 8 41 0 1 1 0 0..0 2
2 s 5 s
7 4
5）校正后系统的开环传递函数
G csG 0ss1 20 .1 5 0 s 0 1 .2 0.0 2 s5 7 s4
图6-13 校正后系统的方框图
串联校正的主要特点
基于频率响应法的超前校正
例6-2
已知
G0
s
4
ss2
，要求校正后系统的静态速度误差
系数Kv=20s-1，r=5T Ts sK 1 1 T Tss
1）调整开环增益K，满足Kv的要求
校正前开环传递函数为
G1sKG 0sss4K 2
Kvls i0m sss4 K 22K2,0 K 10
校正前系统的开环频率 特性为
2020/3/20
G 1jωjωj4ω0 2第六j章ω控1 2 制系j0 ω 统2 的校正
8
自动控制理论
2）绘制校正前系统的伯特图，由图得
γ1 17＜50
3）计算相位超前角和α值
φγγε50 17 5 38 α1sin38 0.24
1sin38
4）确定Gc(s)的零、极点
根据在ω n处的幅值 10lg 10.246.2dB, 在图612上找出未校正系统幅 开值 环 为6.2dB的对应频ω率n ωc 9s1
1 T
αω c4.4,1 α1T ω α c 1.4 8
图6-12 校正前和校正后系统的伯德图
2020/3/20
第六章 控制系统的校正
9
自动控制理论
G csK cs s 1 4.1 .4 8 4K cα1 1 0 0..0 25 2 s s 4 7
超前校正的装置
图6-3
GcsEEioss
RR21RR34
1K1C1s 1R2C2s
Kc11TTssKc
sT1
s1T
TR1C1,TR2C2,Kc CC21RR43 ,CC21RR12
2020/3/20
第六章 控制系统的校正
3
自动控制理论
C1R1＞2RC2， α ＜ 1超， 前校正装置
C1R1＜2RC2，α＞滞 1， 后校正装置
3）确定校正系统在sd处的增益
K 0ss1s4s 0.4j0.72.66
Kv0ls i0m sG 0s2.4 66 0.666
4）确定β值
图6-17 校正后系统的根轨迹
βKv 5 7.5,取 β Kv0 0.666
2020/3/20
第六章 控制系统的校正
14
自动控制理论
5）由作图求得Gc(s)的零、极点
s
T1 β
s 1
βT
2s
K
c
s
1 T1
s
1 T2
s
γ T1
s
1 βT
2
当K c 1时
G c jω
1 T 1 j ω 1 T 2 j ω
s
T1 β
j ω 1
βT
2 jω
2020/3/20
第六章 控制系统的校正
20
自动控制理论
图6-21
基于根轨迹法的滞后-超前校正
6
自动控制理论
5）求K和Kv值
Ks2.9 ss2s5.4
1
K1.7 8 ,K c14 .7 84.6,8 K cα2.51
G cs 2 .5 1 1 1 0 0 ..1 3s s 8 4 4 .5 5 6 8 s s 5 2 ..4 9
图6-10 超前校正装置
K v l s 0 i G c m s G 0 s l s 0 is s m 1 s .7 2 s 8 s 2 .9 5 . 4 5 .0 s 1 2