自动控制理论课件自控课件(第六章)
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按输入补偿的复合控制形式
Gn(s)
R
E
G1(s)
+
-
G2(s)
C
China Agriculture University-East
四. 基本控制规律
1. 比例（P）控制规律
r(t)
e(t)
m(t)
-
Kp
c(t)
Kp称为P控制增益。
在串联校正中，加大控制器增益Kp，可以提高系统的开环增 益，减小系统稳态误差，从而提高系统的控制精度，但会降低系 统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。因此，在系统 校正设计中，很少单独使用比例控制规律。
二．系统带宽的选择
相角裕度具有 45o 左右的数值。
开环对数幅频特性在中频区的斜率应为－20dB/dec， 同时要求中频区占据一定的频率范围，以保证在系统 参数变化时，相角裕度变化不大。 过此中频区后- ，要求系统幅频特性迅速衰减，以削减噪 声对系统的影响。
控制系统的带宽频率通常取为
b (5 ~ 10) M
China Agriculture University-East
例2：设比例—积分控制系统如下图所示，其中不可变部
分的传递函数为：
G0 (s)
K0 s(Ts 1)
试分析PI控制器对系统稳态性能的改善作用。
R(s)
E(s)
1 M(s)
-
K p (1 Tis)
K0 s(Ts 1)
C(s)
6
China Agriculture University-East
China Agriculture University-East
6-1 系统的设计与校正问题
何谓校正？
所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根 据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变 化，从而满足给定的各项性能指标。
China Agriculture University-East
一. 系统的初步设计步骤：
5. 比例—积分—微分(PID)控制规律
R(s)
E(s) -
K
p(1
1 Ti s
s)
M(s)
C(s)
Gc (s)
K
p(1
1 Ti s
s)
Kp Ti
Tis2
Tis s
1
K p (1s 1)( 2s 1)
Ti
s
China Agriculture University-East
由此可以看出：当利用PID控制器进行串联校正 时，除可使系统的型别提高一级外，还将提供两个负 实零点。
2. 前馈校正：
R
E
前馈校正
控制器
-
N
对象
C
N
前馈 校正
控制器
C
对象
China Agriculture University-East
3. 复合校正
按扰动补偿的复合控制形式
Gn(s)
R
+ E G1(s)
-
N
C
+
G2(s)
China Agriculture University-East
复合校正
China Agriculture University-East
2. 比例—微分(PD)控制规律
r(t)
e(t)
m(t)
Kp（1＋ s）
-
c(t)
K p 为比例系数； 为微分时间常数 。
m(t)
K
p e(t )
K
p
de(t) dt
China Agriculture University-East
3. 积分(I)控制规律
R(s)
E(s)
Ki
M(s)
-
s
C(s)
t
m(t) Ki
e(t)dt
0
在串联校正时，采用I 控制器可以提高系统的型别，有利于系 统稳态性能的提高，但积分控制使系统增加了一个位于原点的开环 极点，使信号产生的相角滞后，于系统的稳定性不利。因此，在控 制系统的校正设计中，通常不宜采用单一的I 控制器。
在串联校正时，可使系统增加一个
1
的开环零点，
使系统的相角裕度提高，因而有助于系统动态性能的改
善。
例1：设比例—微分控制系统如下图所示，试分析PD控制 器对系统性能的影响。
r(t)
e(t)
m(t) 1
c(t)
Kp（1＋s）
-
Js2
c(t)
China Agriculture University-East
自动控制原理
Automatic Control Theory
主 编： 胡寿松 授课教师： 赵燕东 教授
2011年11月 7日
China Agriculture University-East
第六章 线性系统的校正方法
1. 系统的设计与校正问题 2. 常用校正装置及其特性 3. 串联校正 4. 反馈校正 5. 复合校正
R1
dt R2
U1
C
R2 U 2
U1 U2 U3
China Agriculture University-East
China Agriculture University-East
4. 比例—积Байду номын сангаас(PI)控制规律
R(s)
E(s)
1
M(s)
-
K p (1 Tis )
C(s)
m(t)
K
p e(t )
Kp Ti
t
e(t)dt
0
在串联校正中，PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原 点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。位 于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误 差，改善系统的稳态性能；而增加的负实零点则用来减小系统的 阻尼程度，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态过程产生的不 利影响。
与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高 系统的稳态性能的有点外，还多提供一个负实零点， 从而在提高系统动态性能方面，具有更大的优越性。
China Agriculture University-East
6-2 常用校正装置及其特性
一．无源校正网络
1. 无源超前网络
R1
U3 C dU3 U2
其中： 0 ~ M 为输入信号的宽度。 China Agriculture University-East
三. 校正方法
串联校正 反馈校正 前馈校正 复合校正
China Agriculture University-East
1.串联校正和反馈校正：
N
R
E 串联校正
-
控制器
C 对象
反馈校正
China Agriculture University-East
当被控对象给定后，按照被控对象的工作条件，被控 信号应具有的最大速度和加速度要求等，可以初步选定 执行元件的型式、特性和参数。
根据测量精度、抗干扰能力、被测信号的物理性质、 测量过程中的惯性及非线性度等因素，选择合适的测量 变送元件。
设计增益可调的前置放大器与功率放大器。
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Gn(s)
R
E
G1(s)
+
-
G2(s)
C
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四. 基本控制规律
1. 比例（P）控制规律
r(t)
e(t)
m(t)
-
Kp
c(t)
Kp称为P控制增益。
在串联校正中，加大控制器增益Kp，可以提高系统的开环增 益，减小系统稳态误差，从而提高系统的控制精度，但会降低系 统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。因此，在系统 校正设计中，很少单独使用比例控制规律。
二．系统带宽的选择
相角裕度具有 45o 左右的数值。
开环对数幅频特性在中频区的斜率应为－20dB/dec， 同时要求中频区占据一定的频率范围，以保证在系统 参数变化时，相角裕度变化不大。 过此中频区后- ，要求系统幅频特性迅速衰减，以削减噪 声对系统的影响。
控制系统的带宽频率通常取为
b (5 ~ 10) M
China Agriculture University-East
例2：设比例—积分控制系统如下图所示，其中不可变部
分的传递函数为：
G0 (s)
K0 s(Ts 1)
试分析PI控制器对系统稳态性能的改善作用。
R(s)
E(s)
1 M(s)
-
K p (1 Tis)
K0 s(Ts 1)
C(s)
6
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6-1 系统的设计与校正问题
何谓校正？
所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根 据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变 化，从而满足给定的各项性能指标。
China Agriculture University-East
一. 系统的初步设计步骤：
5. 比例—积分—微分(PID)控制规律
R(s)
E(s) -
K
p(1
1 Ti s
s)
M(s)
C(s)
Gc (s)
K
p(1
1 Ti s
s)
Kp Ti
Tis2
Tis s
1
K p (1s 1)( 2s 1)
Ti
s
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由此可以看出：当利用PID控制器进行串联校正 时，除可使系统的型别提高一级外，还将提供两个负 实零点。
2. 前馈校正：
R
E
前馈校正
控制器
-
N
对象
C
N
前馈 校正
控制器
C
对象
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3. 复合校正
按扰动补偿的复合控制形式
Gn(s)
R
+ E G1(s)
-
N
C
+
G2(s)
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复合校正
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2. 比例—微分(PD)控制规律
r(t)
e(t)
m(t)
Kp（1＋ s）
-
c(t)
K p 为比例系数； 为微分时间常数 。
m(t)
K
p e(t )
K
p
de(t) dt
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3. 积分(I)控制规律
R(s)
E(s)
Ki
M(s)
-
s
C(s)
t
m(t) Ki
e(t)dt
0
在串联校正时，采用I 控制器可以提高系统的型别，有利于系 统稳态性能的提高，但积分控制使系统增加了一个位于原点的开环 极点，使信号产生的相角滞后，于系统的稳定性不利。因此，在控 制系统的校正设计中，通常不宜采用单一的I 控制器。
在串联校正时，可使系统增加一个
1
的开环零点，
使系统的相角裕度提高，因而有助于系统动态性能的改
善。
例1：设比例—微分控制系统如下图所示，试分析PD控制 器对系统性能的影响。
r(t)
e(t)
m(t) 1
c(t)
Kp（1＋s）
-
Js2
c(t)
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自动控制原理
Automatic Control Theory
主 编： 胡寿松 授课教师： 赵燕东 教授
2011年11月 7日
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第六章 线性系统的校正方法
1. 系统的设计与校正问题 2. 常用校正装置及其特性 3. 串联校正 4. 反馈校正 5. 复合校正
R1
dt R2
U1
C
R2 U 2
U1 U2 U3
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4. 比例—积Байду номын сангаас(PI)控制规律
R(s)
E(s)
1
M(s)
-
K p (1 Tis )
C(s)
m(t)
K
p e(t )
Kp Ti
t
e(t)dt
0
在串联校正中，PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原 点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。位 于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误 差，改善系统的稳态性能；而增加的负实零点则用来减小系统的 阻尼程度，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态过程产生的不 利影响。
与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高 系统的稳态性能的有点外，还多提供一个负实零点， 从而在提高系统动态性能方面，具有更大的优越性。
China Agriculture University-East
6-2 常用校正装置及其特性
一．无源校正网络
1. 无源超前网络
R1
U3 C dU3 U2
其中： 0 ~ M 为输入信号的宽度。 China Agriculture University-East
三. 校正方法
串联校正 反馈校正 前馈校正 复合校正
China Agriculture University-East
1.串联校正和反馈校正：
N
R
E 串联校正
-
控制器
C 对象
反馈校正
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当被控对象给定后，按照被控对象的工作条件，被控 信号应具有的最大速度和加速度要求等，可以初步选定 执行元件的型式、特性和参数。
根据测量精度、抗干扰能力、被测信号的物理性质、 测量过程中的惯性及非线性度等因素，选择合适的测量 变送元件。
设计增益可调的前置放大器与功率放大器。
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