第7章 控制系统的性能分析与校正
《自动控制原理》考纲、试题、答案
《自动控制原理》考纲、试题、答案一、考试说明《自动控制原理与系统》通过本课程的学习，为其它专业基础及专业课的学习奠定理论基础。
充分理解自动控制系统所涉及到的基本概念，掌握自动控制系统各种数学模型的建立及转换方法，掌握分析自动控制系统的各种经典方法及常用综合方法。
了解直流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，调速系统的静态动态性能指标。
掌握直流转速单闭自动控制系统和转速、电流双闭环自动控制系统的静、动态设计方法，深刻领会和掌握控制系统的工程设计方法，能够熟练应用典型Ⅰ型、典型Ⅱ系统的设计和校正方法，了解可逆直流调速系统和位置随动系统的特点和设计方法。
了解交流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，特别是重点了解和掌握笼型异步电动机变压变频调速系统的原理、特点和设计方法，了解矢量控制技术在异步电动机变压变频调速系统的应用，了解同步电动机变压变频调速系统的特点和设计方法。
本课程闭卷考试，满分100分，考试时间90分钟。
考试试题题型及答题技巧如下：一、单项选择题 (每空2分，共40分)二、选择题 (每题2分，共20分)三、名词解释（每题5分，共20分）答题技巧：相关知识点要回答全面，因为都可能是采分点，涉及的基本概念要表述清楚，要点清晰，简明扼要，进行必要解释，切忌长篇大论。
四、计算题（每题10分，共20分）答题技巧：第一，审题。
审题时需明确题目要求和给出的已知条件，注意各已知条件的单位，注意各因素比较的基准等，并注意所给条件中哪些是有用的，哪些是用来迷惑考试人员的，以防用错。
第二，确定解题方法和解题思路。
通过审题，明确了题目要求和已知条件，便可确定以哪种估价方法为主线，并根据该方法中用到的未知条件确定需借助的其他方法。
明确的解题思路，并保持清醒的头脑。
第三，公式和计算步骤。
计算过程中，涉及的计算公式一定要列出，哪怕没有时间计算，列出需要的几个公式也能得到相应的分数。
计算一定要分步计算，而且尽量细分。
并能对计算步骤作简要说明，答题时按顺序进行，避免跳步被扣分。
自控原理课件 第7章-自动控制系统控制器及其校正与设计
31
32
33
比例控制器另一作用是调整系统的开环放大 倍数，加快系统的响应速度。 考虑图7.14所示带有比例控制器校正的控制系 统，系统的闭环传递函数为
34
可见，Kp 愈大，稳态精度愈高，系统的时间常 数τ＝T/(1+Kp )愈小，则系统响应速度愈快。 [例7.4]被控对象为一阶惯性的比例控制器控 制时SIMULINK仿真 如图7.15所示，一阶惯性环节为10/(5s+1) ，比例控制器增益为1时，系统输出为指数上升 形式。 如图7.16所示，被控对象不变，比例控制器 增益为10，系统输出仍为指数上升形式，输出与 输入不相等，仍为有差系统，但误差减小，且响 应速度加快，读者可计算验证。
67
由图7.36可见，校正前原系统是O型系统(无积 分器）是有静差系统。校正后系统成为I型系统(含 有一个积分器)，在阶跃输入下能实现无静差，改 善了系统的稳态性能。校正前原系统相位裕量＝ 88º ，校正后相位裕量＝65，相位裕量是减小的， 意味着系统的超调量将增加，降低了系统的稳定 性。总之，采用PI校正，能改善系统的稳态性能， 而动态性能可能受到一定的影响。
第7章 自动控制系统控制器及其 校正与设计
本章主要讲述自动控制系统中常用的控制器 及其校正。在对自动控制系统分析后，发现系统 不能满足性能指标的要求，需要对系统进行改进， 在原有的系统中，有目的地增添一些装置和元件， 人为地改变系统的结构和性能，使之满足所要求 的性能指标，这种方法就称为校正。常用的校正 方法有串联校正、反馈校正和顺馈补偿。同时， 本章还简要叙述常用的工程上的设计方法。
38
SIMULINK仿真结果如图7.20所示，输出波形 虽有振荡，但超调量减小，振荡次数减少，系统响 应得到了改善。 7．2．3 积分控制器(I)校正
自动控制原理第7章离散控制系统
Z变换
01
Z变换是分析离散时间信号和系统 的有力工具，它将离散时间信号 或系统转化为复平面上的函数或 传递函数。
02
Z变换的基本思想是通过将离散时 间信号或系统进行无限次加权和 ，将其转化为一个复数域上的函 数或传递函数。
离散状态方程
离散状态方程是描述离散控制系统动 态行为的数学模型，它的一般形式为 $mathbf{dot{x}}(k) = Amathbf{x}(k) + Bu(k)$，其中 $mathbf{x}(k)$表示在时刻$k$的系 统状态向量，$u(k)$表示在时刻$k$ 的输入向量，$A$和$B$是系统的系 数矩阵。
稳态误差主要来源于系统本身的结构 和参数，以及外部干扰和测量噪声。
离散控制系统的动态响应分析
动态响应定义
动态响应是指系统在输入信号作 用下，系统输出信号随时间变化 的特性。
动态响应的描述方
式
动态响应可以通过系统的传递函 数、频率特性、根轨迹图等方式 进行描述。
优化动态响应的方
法
通过调整系统参数、改变系统结 构、引入反馈控制等方法，可以 优化系统的动态响应。
离散控制系统的仿真工具与实例
仿真工具介绍
离散控制系统的仿真工具用于模拟和测试系统的性能和稳定性。常见的仿真工具包括MATLAB/Simulink、 LabVIEW等。这些工具提供了丰富的数学函数库和图形化界面，方便用户进行系统建模和仿真。
仿真实例分析
通过具体的仿真实例，可以深入了解离散控制系统的性能和特点。例如，可以设计一个温度控制系统，通过调整 系统参数和控制算法，观察系统在不同工况下的响应特性和稳定性。通过对比不同方案，可以评估各种参数和控 制策略对系统性能的影响，为实际应用提供参考和依据。
反馈控制系统课程设计
反馈控制系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解反馈控制系统的基本概念，掌握其工作原理和数学模型；2. 使学生掌握反馈控制系统稳定性、准确性和鲁棒性的分析方法；3. 帮助学生了解反馈控制系统在实际工程中的应用。
技能目标：1. 培养学生运用数学工具分析和解决反馈控制系统中问题的能力；2. 培养学生设计简单反馈控制系统的能力，提高其动手实践能力；3. 提高学生利用现代信息技术查找资料、自主学习的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对待科学技术的正确态度，提高其创新意识和团队合作精神；2. 激发学生对自动化领域的兴趣，引导其关注我国自动化技术的发展；3. 培养学生具备良好的工程伦理素养，使其在未来的工作中能够遵循职业道德，为社会做出贡献。
课程性质分析：本课程为自动化专业核心课程，旨在帮助学生建立反馈控制系统的基本理论体系，为后续专业课程打下坚实基础。
学生特点分析：学生具备一定的数学基础和电路基础知识，对自动化领域有一定的了解，但缺乏实际工程经验。
教学要求：1. 注重理论联系实际，提高学生的实际应用能力；2. 鼓励学生积极参与课堂讨论，培养其独立思考能力；3. 结合现代教育技术，提高课堂教学效果。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 反馈控制系统基本概念：介绍反馈控制系统的定义、分类及基本组成部分，分析开环控制系统与闭环控制系统的区别与联系。
2. 反馈控制系统的数学模型：讲解线性系统、非线性系统及离散时间系统的数学模型，分析不同模型的适用场合。
3. 反馈控制系统的性能分析：探讨稳定性、准确性和鲁棒性等性能指标，介绍相应的分析方法。
4. 反馈控制器设计：介绍PID控制器、状态反馈控制器、观测器设计等常见控制器的设计方法，分析各自优缺点。
5. 反馈控制系统的应用：结合实际案例，讲解反馈控制系统在工业、交通、生物医学等领域的应用。
6. 反馈控制系统仿真与实验：介绍MATLAB/Simulink等仿真软件在反馈控制系统中的应用，组织学生进行相关实验，提高实际操作能力。
[工学]CH7_控制系统的性能分析和校正
![[工学]CH7_控制系统的性能分析和校正](https://img.taocdn.com/s3/m/1fce7311bd64783e09122ba1.png)
1、PD调节器
Gc s K p Kd s
L
20 lg K p
K
p
Kd Kp
s
1
K p Ts
1
20
0
1
T
相当于超前校正
90
0
2、PI调节器
L
Gc
s
K
p
1 Ti s
Ti K p s Ti s
1
20 1
在机电控制系统中，为了改进反馈控制系统的性 能，人们经常选择各种各样的校正装置，其中最简
单最通用的就是PID控制器。模拟PID控制器 大多数是液压的、气动的、电气的和电 子型的，或是由它们构成的组合型。由 于微处理器的大量应用，许多变成了数 字型的。
大多数PID控制器是现场调节的，某 些PID控制器还具有在线自动调节能力。
顺馈校正
Gr s
Xi s Es
-
补偿器放在 系统回路之外
Gs Xos
不影响特征方程，只补偿由于 输入造成的稳态误差。
干扰补偿
当干扰直接可测量时
Xi s Es
- Y s
Gn s
G1 s
N s G2 s
X o s
不影响特征方程，只补偿由于 干扰造成的稳态误差。
控制工程基础
第七章 控制系统的性能分析与校正
性能分析——一个系统，元部件 参数已定，研究它能达到什么指 标，能否满足所要求的各项性能 指标；
综合与校正——若系统不能全面 地满足所要求的性能指标，就要 考虑对原系统增加些必要的元件 或环节，使系统能够全面地满足 所要求的性能指标。
机械控制工程基础习题集
《机械控制工程基础》习题及解答目录第１章绪论第２章控制系统的数学模型第３章控制系统的时域分析第４章控制系统的频域分析第５章控制系统的性能分析第６章控制系统的综合校正第７章模拟考试题型及分值分布第1章绪论一、选择填空题1.开环控制系统在其控制器和被控对象间只有（正向作用）。
P2A.反馈作用B.前馈作用C.正向作用D.反向作用2.闭环控制系统的主反馈取自（被控对象输出端）。
P3A.给定输入端B.干扰输入端C.控制器输出端D.系统输出端3.闭环系统在其控制器和被控对象之间有（反向作用）。
P3A.反馈作用B.前馈作用C.正向作用D.反向作用A.输入量B.输出量C.反馈量D.干扰量4.自动控制系统的控制调节过程是以偏差消除（偏差的过程）。
P2-3A.偏差的过程B.输入量的过程C.干扰量的过程D.稳态量的过程5.一般情况下开环控制系统是（稳定系统）。
P2A.不稳定系统B.稳定系统C.时域系统D.频域系统6.闭环控制系统除具有开环控制系统所有的环节外，还必须有(B)。
p5A.给定环节B.比较环节C.放大环节D.执行环节7.闭环控制系统必须通过（C）。
p3A.输入量前馈参与控制B.干扰量前馈参与控制C.输出量反馈到输入端参与控制D.输出量局部反馈参与控制8.随动系统要求系统的输出信号能跟随（C的变化）。
P6A.反馈信号B.干扰信号C.输入信号D.模拟信号9.若反馈信号与原系统输入信号的方向相反则为（负反馈）。
P3A.局部反馈B.主反馈C.正反馈D.负反馈10．输出量对系统的控制作用没有影响的控制系统是（开环控制系统）。
P2A.开环控制系统B.闭环控制系统C.反馈控制系统D.非线性控制系统11.自动控制系统的反馈环节中一般具有（B ）。
p5A..给定元件B.检测元件C．放大元件D．执行元件12. 控制系统的稳态误差反映了系统的〔 B 〕p8A. 快速性B.准确性C. 稳定性D.动态性13.输出量对系统的控制作用有直接影响的系统是（B ）p3A.开环控制系统B.闭环控制系统C.线性控制系统D.非线性控制系统14.通过动态调节达到稳定后，被控量与期望值一致的控制系统为（无差系统）。
控制系统的误差分析与校正
控制系统的误差分析与校正控制系统是现代工业及其他领域中广泛使用的一种技术手段，用于实现精确控制和自动化。
然而，在实际应用中，由于各种因素的存在，控制系统可能会出现误差。
为了保证系统的稳定性和准确性，在误差分析的基础上进行校正是非常重要的。
一、误差分析误差是指实际输出值与期望输出值之间的差异。
在控制系统中，误差主要来自于三个方面：传感器的测量误差、执行器的执行误差以及控制器的计算误差。
1. 传感器的测量误差传感器是控制系统中用来感知被控对象状态的关键组件，其测量精度直接影响到控制系统的准确性。
然而，由于传感器本身的特性以及外部环境的干扰，传感器输出的数据可能会存在误差。
例如，温度传感器受到温度波动、噪声等因素的影响，导致温度测量结果偏离实际值。
2. 执行器的执行误差执行器是控制系统中用于实现对被控对象操作的部件，例如，电机、阀门等。
执行器的执行误差主要来自于传动装置的摩擦、机械杂质、电力波动等因素，这些因素都可能导致输出的力、位移或流量与控制要求有所偏差。
控制器通常采用数字计算方法来实现控制算法。
由于计算机性能和精度的限制，控制器在进行计算时可能会产生一定的计算误差。
这些误差可能会对控制系统的性能产生一定的影响。
二、误差校正误差校正的目的是消除或减小误差，使得控制系统的输出能够更加接近期望值。
根据误差的来源和特点，误差校正可以采取不同的方法。
1. 传感器的误差校正传感器的误差校正可以通过以下方法实现：(1) 校准：通过与已知准确值进行比较来确定传感器的误差，并进行相应的修正。
(2) 温补：对于温度传感器等受环境因素影响较大的测量装置，可以通过在系统中添加温度补偿模块来校正误差。
2. 执行器的误差校正执行器的误差校正可以通过以下方法实现：(1) 反馈控制：引入反馈环路，通过测量执行器输出的实际值，并与期望值进行比较，根据差异来调整控制信号，使得执行器的输出更加接近期望值。
(2) 预补偿：通过预先确定执行器的误差特性，并在控制信号中进行修正，从而减小执行误差。
自动控制原理胡寿松第七章解析
1、线性定理 齐次性 Z [ae (t)] aE(z ) Z[e1 (t) e 2 (t)] E1 (z ) E 2 (z ) 叠加性 2、实数位移定理
Z[e(t- kT )] z -k E(z)
Z [e(t kT)] z k [E(z)- e(nT)z -n ]
n 0
k -1
z变换实际上是采样函数拉氏变换的变形，
因此又称为采样拉氏变换
z变换只适用于离散函数，或者说只能表征
连续函数在采样时刻的特性，而不能反映其 在采样时刻之间的特性。
24
成都信息工程学院控制工程系
第七章 线性离散系统的分析与校正
25
成都信息工程学院控制工程系
第七章 线性离散系统的分析与校正
二、Z变换的性质
0T
*
采样器可以用一个周期性闭合的采样开关S来表示。
理想采样开关S： T (t ) (t nT )
n 0
11
成都信息工程学院控制工程系
第七章 线性离散系统的分析与校正
理想单位脉冲序列 采样过程可以看成是一个幅值调制过程。
12
成都信息工程学院控制工程系
第七章 线性离散系统的分析与校正
1 jns t T ( t ) e T n -
1 jns t * 代入采样信号表达式：e ( t ) e( t ) T (t ) e( t )e T n
对采样信号表达式取拉氏变换： 1 E* (s) E(s jns ) T n 采样信号的付氏变换： 1 E* ( j ) E[j( ns )] T n
T (t)的付氏级数形式：
T (t)
n -
(t - nT) C e
机械控制工程基础习题集
机械控制工程基础习题集 Prepared on 22 November 2020《机械控制工程基础》习题及解答目录第１章绪论第２章控制系统的数学模型第３章控制系统的时域分析第４章控制系统的频域分析第５章控制系统的性能分析第６章控制系统的综合校正第７章模拟考试题型及分值分布第1章绪论一、选择填空题1.开环控制系统在其控制器和被控对象间只有（正向作用）。
P2A.反馈作用B.前馈作用C.正向作用D.反向作用2.闭环控制系统的主反馈取自（被控对象输出端）。
P3A.给定输入端B.干扰输入端C.控制器输出端D.系统输出端3.闭环系统在其控制器和被控对象之间有（反向作用）。
P3A.反馈作用B.前馈作用C.正向作用D.反向作用A.输入量B.输出量C.反馈量D.干扰量4.自动控制系统的控制调节过程是以偏差消除（偏差的过程）。
P2-3A.偏差的过程B.输入量的过程C.干扰量的过程D.稳态量的过程5.一般情况下开环控制系统是（稳定系统）。
P2A.不稳定系统B.稳定系统C.时域系统D.频域系统6.闭环控制系统除具有开环控制系统所有的环节外，还必须有(B)。
p5A.给定环节B.比较环节C.放大环节D.执行环节7.闭环控制系统必须通过（C）。
p3A.输入量前馈参与控制B.干扰量前馈参与控制C.输出量反馈到输入端参与控制D.输出量局部反馈参与控制8.随动系统要求系统的输出信号能跟随（C的变化）。
P6A.反馈信号B.干扰信号C.输入信号D.模拟信号9.若反馈信号与原系统输入信号的方向相反则为（负反馈）。
P3A.局部反馈B.主反馈C.正反馈D.负反馈10．输出量对系统的控制作用没有影响的控制系统是（开环控制系统）。
P2A.开环控制系统B.闭环控制系统C.反馈控制系统D.非线性控制系统11.自动控制系统的反馈环节中一般具有（ B ）。
p5A..给定元件B.检测元件 C．放大元件 D．执行元件12. 控制系统的稳态误差反映了系统的〔B 〕p8A. 快速性B.准确性C. 稳定性D.动态性13.输出量对系统的控制作用有直接影响的系统是（ B ）p3A.开环控制系统B.闭环控制系统C.线性控制系统D.非线性控制系统14.通过动态调节达到稳定后，被控量与期望值一致的控制系统为（无差系统）。
控制工程基础总结
c(t)
1
et
/T
0.632 c(t)=1-e-t/T
0
单位脉冲响应
c(t)
1
t
eT
T
T 2T 3T 4T
t
一阶系统单位阶跃响应
单位斜坡响应 c(t) t T Te t / T
第二十一页，共51页。
为了减小调节时间（提高快速性），必须减小时间 常数T。下面(xià mian)是减小时间常数的一个方法：
s(s 2n )
r(t) 1(t) R(s) 1 s
c(t) 1
ent
1 2
sin(d t
)
d n 1 2
tan1 1 2
第二十三页，共51页。
第二十四页，共51页。
➢瞬态响应(xiǎngyìng)
的性tr 能n指 1标 2
tp
n
1 2
c(t)
Mp
1
M P e 1 2 100%
时定理 ➢复数域的位移定理 ➢相似定理 ➢微分定理 ➢初值定理 ➢终值定理
L L
ef (aat tf)(t)1FF((ss)
a)
L
df (t dt
)
aa sF (s)
f
(0)
lim f (t) lim sF (s)
t 0
s
lim f (t) lim sF (s)
t
s0
第十二页，共51页。
第十八页，共51页。
第4章 系统(xìtǒng)的时 域分析
§4.1 时间响应(xiǎngyìng) §4.2 一阶系统的时间响应 (xiǎngyìng) §4.3 二阶系统的时间响应 (xiǎngyìng) §4.5 瞬态响应(xiǎngyìng)的性能 指标 §4.6 系统误差分析
机械控制工程基础7
2
3 T2 h 2 T3
故 K , 2 c
2 显然，知道了h和 c 、 2 的值，伯德图就可 以完全确定了。 当 T3 是系统固有时间常数时，如果给定了中 频宽h后, 则 c 随K的增大而增大。从附录B h 1 可知，当选择
1 s
o s
K j s2
θ o s U s
K2 sTm s 1 Kf K2 2 1 K js sTm s 1 Tf s 1 s TmT f s 2 Tm K 2 K j K f T f s 1
m f
K 2 T f s 1
K1 s H s T1 s 1
i s
U s
K1
K2 Tm s 1
Kcs
s
1 s
o s
则对应串联校正
K2 K2 θ o s sTm s 1 1 K2 Kc K2 U s 1 1 K c s s 1 K K Tm s 1 sTm s 1 2 c 1 Tm s 1 K2 1 K2 Kc 1 s Tm s 1 Tm s 1 1 K2 Kc
控制工程基础
（第七章）
清华大学
第七章
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7
控制系统的性能分析与校正
系统的性能指标 系统的校正概述 串联校正 反馈校正 用频域法对控制系统进行设计与校正 典型机电反馈控制系统综合校正举例 确定PID参数的其它方法
第七章
控制系统的性能分析与校正
一、时域性能指标 评价控制系统优劣的性能指标，一般是根据 系统在典型输入下输出响应的某些特点统一规定 的。 常用的时域（阶跃响应、斜坡响应）指标 有： 最大超调量或最大百分比超调量 M p ； 调整时间 t s ； 峰值时间 t p ； 上升时间 t r ；
胡寿松《自动控制原理》(第6版)笔记和课后习题(含考研真题)详解2
6-2 设单位反馈 统 开环 函 为
试设计 联 前校正装置， 统满
（1） 角裕度r≥45°；
（2） 单位
入下 态 差
下 标：
（3）截止频率ωc≥7.5rad／s。
解： 开环
取
则开环 函 为：
令
，解得校正前
rad/s
则校正前 角裕度为：
不 合题 要求，
前校正。
取
rad/s，可得：
，可得：
则 前校正环节 校正后 统开环 其 角裕度为
统性能得：
3．某 反馈 统开环 函
合要求。
（1）求 统 角裕度 幅 裕度。
（2） 角裕度
联 前校正 联滞后校正 主要特点。为 统
，试分 统应
联 前校正还 联滞后校正?
[
技 2009 ]
解：（1）求截止频率与
裕度：
求幅 裕度：
（2）要 节 校正。
统 角裕度
，
前校正，则需要校正环
不合
前校正，可以
联滞后
为 习重点， 此，本 分也就没
考 题。
第二部分 课后习题
第6章 线性系统的校正方法
6-1 设 单位反馈 火炮
统，其开环 函 为
若要求 统最 2°，试求：
出速度为12°/s， 出位置
许 差小
（1） 满 上 幅 裕度；
标 最小K ，计 该K 下 统
角裕度
（2） 前
前校正网络
计 校正后 统 能影。
角裕度 幅 裕度，
解：（1） 题可
则 统 特征表 式为
统特征 为：
令
，则
则
可得：
所以 统 状态 应为
（2）求 统 出范 最小 刻t
第七章 控制系统的性能分析与校正
反馈的功能：
1、比例负反馈可以减弱为其包围环节的惯性，从 而将扩展该环节的带宽。
2、负反馈可以减弱参数变化对控制性能的影响。 3、负反馈可以消除系统不可变部分中不希望有的
特性。
X i(s)
n1
n2
控制器 校正
对象1
对象2
校正
校正
X 0(s)
反馈串联的联结形式
一、利用反馈校正改变局部结构和参数
❖ 1、比例反馈包围积分环节
1. 设火炮指挥系统如图所示，其开环传递函数
系统最大输出速度为2转/min ，输出位置的容许误差小于2/秒。 (1) 确定满足上述指标的最小k值，计算该k值下的相位裕度和幅值裕度。 (2) 前向通路中串联超前校正网络Gc (s)=(1+0.4s)/(1+0.08s)，试计算相位裕度。
G(s)
k
s(0.2s1)0 (.5s1)
反馈校正、顺馈校正和干扰补偿。
X i(s) ＋ E
－
校正 串联
放在相加点之后
此处往往是一个 小功率点
＋ 控制器
－
N
X 0(s)
对象
校正 反馈
可以放在 任意位置
7-3 串联校正
一、串联校正（解决稳定性 和快速性的问题，中频段）
Gc(s)
X 0(s) X i(s)
R2 R1 R2
令
R1C S 1
和被包围环节G1(s)全然无关，达到了以1/ Hc(s)取代G1(s)的效果 反馈校正的这种作用，在系统设计和高度中，常被用来改选不希望有的某些 环节，以及消除非线性、变参量的影响和抑止干扰。
例：设其开环传递函数
G(s)
k
s(0.2s1)0 (.5s1)
精品文档-自动控制原理(王春侠)-第七章
该系统借助于指针、凸轮对连续误差信号e(t)进行采样， 将连续信号转换成了脉冲序列e*τ(t)，凸轮就成了采样器(采 样开关)，如图7-2(b)所示。有了诸如指针、凸轮这样的元件 后，使得原来的系统至少有一处存在离散信号，这时系统成为 采样控制系统。
在炉温控制过程中，如果采用连续控制方式，则无法解决 控制精度与动态性能之间的矛盾。因为该系统中工业炉是具有 时滞特性的惯性环节，其滞后时间可长达数秒甚至数十秒，时 间常数可长达千秒以上。当增大开环增益以提高系统的控制精 度时，由于系统的灵敏度相应提高，在炉温低于给定值的情况 下，电动机将迅速增加阀门开度，给炉子供应更多的加热气体。
控制计算机的5个输出接口分别为主控输出口、前馈输出 口和3个误差角θe＝θi－θo显示口。主控输出口由12位D/A 转换芯片DAC1210等组成，其中包含与系统误差角θe及其一阶 差分Δθe成正比的信号，同时也包含与系统输入角θi的一阶 差分Δθi成正比的复合控制信号，从而构成系统的模拟量主 控信号，通过PWM放大器驱动伺服电机，带动减速器与小口径 高炮，使其输出转角θo跟踪数字指令θi。
数字信号发生器给出的16位数字输入信号θi经两片8255 芯片的口A进入控制计算机，系统输出角θo(模拟量)经 110XFS1/32多极双通道旋转变压器和2×12XSZ741 A/D变换器 及其锁存电路完成绝对式轴角编码的任务，将输出角模拟量 θo转换成二进制数码粗、精各12位，该数码经锁存后，取粗 12位、精11位由芯片8255的口B和口C进入控制计算机。然后 经计算机软件运算，将精、粗合17 并，得到16位数字量的系统输
27
图7-9 数字控ห้องสมุดไป่ตู้系统的典型结构图
28
3. 离散控制系统的特点 采样和数字控制技术在自动控制领域得到越来越广泛
石群自动控制原理(第7章)
结论： 数字控制系统中，普遍采用零阶保持器，很少采用一 阶保持器，基本不用更高阶保持器。 工程实践中，可用输出寄存器实现零阶保持器，还应 附加模拟滤波器，有效去除采样频率及其谐波频率附近 的高频分量。
7-3 z变换理论
①z变换的思想源于连续系统。 ②线性离散系统的性能，可用z变换的方法获得。 ③z变换是采样函数拉氏变换的变形，称为采样拉氏 变换。 1. z变换定义
e(nT ) e[(n 1)T ] t T
0 t T
1 eTs 2 Gh ( s) T (1 Ts)( ) Ts 2 sin(T 2) 2 j (T arctan T ) Gh ( j ) T 1 (T ) [ ]e T 2
一阶保持器与零阶保持器相比较： ①复现原信号的准确度更高。 ②幅频特性普遍较大，允许通过高频分量较多，更易造 成纹波。 ③相角滞后更严重，s 处滞后可达 280 ，对稳定性更 加不利。
连接阶梯信号中点， 可得到与e(t)形状一 致，但时间落后T/2 的响应e[t-(T/2)]。
零阶保持过程是理想脉冲 e(nT ) (t nT ) 的结果。
(t )
零阶保持器
gh (t ) 1(t ) 1(t T )
零阶保持器传递函数(脉冲响应的拉氏变换)： Ts Ts 1 e 1 e Gh ( s) s s s 零阶保持器频率特性：
的
z变换可以把离散系统的s超越方程变换为z的代数方程。
⑵采样信号的频谱 采样信号不包含采样间隔之间的信息，所以采样信号 的频谱与连续信号的频谱相比，要发生变化。 研究采样信号的频谱，是为了找出 和 之间的 联系。
3. 香农采样定理 如果采样器的输入信号 具有有限带宽，并且有直 到 的频率分量，则使信号 圆满地从采样信号 中恢复过来的采样周期T，满足以下条件：
自动控制原理 胡寿松 第七章 线性离散系统的分析与校正
2.数字控制系统（也称计算机控制系统，时间和幅值上都是离散的）
被控对象中包含了 放大器，执行器等
计算机控制系统典型原理图
严格讲，此图不一定对。
再看一例计算机控制系统： P9，图1-12
1）A / D 转换器是把连续的模拟信号转换为离散数字信号的装置。它的转换包括两个过程： 一是采样过程；二是量化过程，计算机中任何数值的离散信号必须表示成二进制 数才能进行运算。 2）D / A 转换器是把离散的数字信号转换为连续的模拟信号的装置。它的转换也经历两个 过程：一是解码过程，把离散数字信号转换为离散的模拟信号；二是复现过程， 经过保持器将离散的模拟信号复现为连续的模拟信号。
7-1 .信号的采样和保持
离散系统的特点是，系统中一处或数处的信号是脉冲序列或数字序列。为 了把连续信号变换为脉冲信号，需要使用采样器；另一方面，为了控制连续式 元部件，又需要使用保持器将脉冲信号变换为连续信号。因此，为了定量研究 离散系统，必须对信号的采样过程和保持过程用数学的方法加以描述。
本节内容
3）数字控制系统的典型结构图
e
e
数字控制统典型结构图
此图将数字控制器的控制律用线性连续系统传递函数来代替了。
3.离散控制系统的特点
采样和数控技术，在自动控制领域中得到了广泛的应用，其主要原因是采样 系统，特别是数字控制系统较之相应的连续系统具有一系列的特点： 1）由数字计算机构成的数字校正装置，效果比连续式校正装置好，且由软件实现 的控制律易于改变，控制灵活。 2）采样信号，特别是数字信号的传递可以有效的抑制噪声，从而提高了系统的抗 扰能力。 3）允许采用高灵敏度的控制元件，以提高系统的控制精度（有些高灵敏度的检测 元件提供的检测信号就是离散的）。 4）可用一台计算机分时控制若干个系统，提高了设备的利用率，经济性好。 5）对于具有传输延迟，特别是大延迟的控制系统，可以引入采样的方式稳定。
控制系统的设计与校正
(c)r18 0
γ—为要求达到的相角裕度。 —是为补偿滞后网络的副作用而提供的相角裕度的修正量，一般取
5°～12°。
原系统中对应 处的频率即为(校c正r)后系统的剪切频率ω。
（4）求滞后网络的β值。 未校正系统在ω的对数幅频值为L0(ω)应满足
L 0(c)r2l0 g)(0 由此式求出β值。
了平系稳统性的将截有止所频下率降，获还得会足降够低的系快统速抗性高。频干扰的能力。
Ts 1
Xo s
Gs Ts 1
L
20 40
20lg Kg
20
11
11
c1 c2
T2 T
20lg
T1 T
60
90 180
80
二、滞后校正 1、滞后网络
Xi s
R1 R2 C
Gc
s
Xos Xi s
Phase Margin (deg): 18
At frequency (rad/sec): 8.91
Delay Margin (sec): 0.0508
Closed Loop Stable? Yes
-135
At frequency (rad/sec): 6.17
Closed Loop Stable? Yes
用希望对数频率特性进行校正装置的设计
G *(S)G 0(S)G c(S)
只要求得希望对数幅频特性与原系统固有开环对数幅频 特性之差即为校正装置的对数幅频特性曲线，从而可 以确定(s)，进而确定校正参数和电路
G* (S )为希望的开环传递函数 Gc (S)为校正装置的传递函数 G0 (S)为系统固有的传递函数
各种校正装置的比较：
超前校正通过相位超前特性获得所需要的结果；滞后校正则是通过高频衰减特性获得所需要的结 果；而在某些问题中，只有同时采用滞后校正和超前校正才能获得所需要的结果。
- 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)。
R1 R2
ur
uc
C
控制工程基础
由于传递函数的分母的时间常数大于分子的时间常数，所以 对数渐近幅频曲线具有负斜率段，相频曲线出现负相移。 1 L( w) 1
T
T
-20dB/dec
滞后补偿网络相当 于一低通滤波器： 对低频信号不产生 衰减，而对高频信 号有衰减作用。 越小，高频信号衰 减得越大。
ur
R1
R2
C2
uc
控制工程基础
控制工程基础
四、PID调节器 1、PD调节器 其作用相应于超前校正。
Gc ( s) K d s K p Kd Gc ( s) K p s 1 K p (Ts 1) K p
传递函数
又可改写为
控制工程基础
2、PI调节器 其作用相应于滞后校正。
X i ( s) ＋
－
E
N
对 象
校 正 串联
＋ －
控制器
X 0 ( s)
校 正 反馈
可以放在 任意位置
控制工程基础
7-3
串联校正
一、串联校正（解决稳定性 和快速性的问题，中频段）
X 0 ( s) R2 Gc ( s) X i ( s ) R1 R2 令 R2 R1C T ; a(a 1) R1 R2 则 TS 1 Gc ( s) a aTS 1
由积分环节变为了惯性环节
增益
K KH
1 K KH
控制工程基础
时间常数
2、比例反馈包围惯性环节
K , H c ( s) K h , 1 Ts K 1 KK h G (s) T 1 s 1 KK h G1 ( s )
K Ts 1
时间常数变小，即响应变快 反馈系数KH越大，时间常数越小
称为中频宽。
3 T2 h 2 T3
控制工程基础
3、希望对数频率特性的高频段 4、伯德图低频段与复现带宽的关系 5、典型系统的希望对数频率特性
控制工程基础
1. 设火炮指挥系统如图所示，其开环传递函数 系统最大输出速度为2转/min ，输出位置的容许误差小于2/秒。 (1) 确定满足上述指标的最小k值，计算该k值下的相位裕度和幅值裕度。 (2) 前向通路中串联超前校正网络Gc (s)=(1+0.4s)/(1+0.08s)，试计算相位裕度。
型和高阶最优模型。
控制工程基础
1、二阶最优模型
开环传递函数
Kv G ( s) s (Ts 1)
其闭环传递函数
G1(s)
Hc(s)
2 wn
Kv / T ( s) 2 K v s 2 wn s w2 1 2 n s s T T
其中 wn
Kv 无阻尼自振角频率 T
环节，以及消除非线性、时便参数的影响和抑止干扰。
控制工程基础
*7-5 用频率法对控制系统进行设计与校正
典型系统的希望对数频率特性
频率法的根本点是根据对系统提出的性能指标要
求来确定系统开环频率特性，即绘制伯德图。前
面介绍的串联校正实际上就是改变伯德图的形状，
使之达到足够的稳定储备和快速性。
工程上常采用的典型伯德图有两种：二阶最优模
（2）开环频域指标
剪切频率
相位裕量
1 wc K v ( wc , 即K vT 1) T 2 0 ( wc ) arctg 1 4 4 2 2 (按精确wc 计算) wc 1 4 4 2 2 w n 2
精确的剪切频率值为
=
1 1 阻尼比 2 K vT
控制工程基础
（1）时域指标
超调量
M p 100 (e tr tp 1
/ 1 2
)%
cos 1
2
上升时间
T
峰值时间
1
2
T
调整时间
ts 6T (当 0.9) ts 9.4T (当 1)
控制工程基础
1 Ti K p s 1 Gc (s) K p Ti s Ti s
主要用来改善系统的稳态性能
控制工程基础
3、PID调节 其作用相当于滞后—超前校正。
1 Gc ( s ) K p K d s Ti s Ti K d s 2 Ti K p s 1 Ti s
控制工程基础
w
20 lg
( w)
w
m
900
控制工程基础
控制工程基础
串联滞后校正并没有改变原系统最低频段的特性， 故对系统的稳态精度不起破坏作用。相反，往往 还允许适当提高开环增益，进一步改善系统的稳 态精度。 对于高精度，而快速性要求不高的系统常采用滞 后校正，如恒温控制等。 滞后校正并不是利用相角滞后作用来使原系统稳 定的，而是利用滞后校正的幅值误差作用使系统 稳定的。
I t | e(t ) | dt
0
控制工程基础
7-2 系统的校正概述
校正： 给系统附加典型环节来改善整个系统控制性能。 系统校正的矛盾： 稳定性与快速性的矛盾 稳定性与控制精度的矛盾 校正装置按在系统中的联结方式可分为串联校正、 反馈校正、顺馈校正和干扰补偿。
控制工程基础
放在相加点之后 此处往往是一个 小功率点
控制工程基础
闭环带宽
2、高阶最优模型
三阶系统也叫 II 型系统，其开环传递函数为
K (T2 s 1) G( s) 2 (T2 T3 ) s (T3 s 1)
这个模型既保证了wc 附近的斜率为20dB/dec，又保证了低频段有高增 益，即保证了稳 、准。 为了便于分析，再引入一个变量h，
控制工程基础
一、时域性能指标(Mp, tp, ts, tr)
常用的时域（阶跃响应、斜坡响应）指标：
最大超调量或最大百分比超调量Mp（越小越好）
调整时间ts（越小越好） 峰值时间tp（越小越好） 上升时间tr（越小越好）
控制工程基础
二、开环频域指标：ωc, γ, Kg, Kp, Kv,Ka
开环剪切频率（与快速性有关）I: ωc=K1 ;II=K21/2 相位裕量（从开环伯德图来看，但指的是闭环系统） 幅值裕量 静态位置误差系数（越大越好） 静态速度误差系数（越大越好） 静态加速度误差系数（越大越好）
（３）综合性能指标（误差准则）
控制工程基础
一个好的系统其开环伯德图特点（通过开环伯德 图来评价系统的品质）：1、低频段增益要高 （精度好）2、穿越频率要大（快速性好）3、穿 越频率低斜率为-20dB/dec（稳定性）4、高 频段衰减要快（抗干扰） 开环系统频率特性的低频段表征了闭环系统的稳 态性能，中频段表征了闭环系统的动态性能，高 频段表征了闭环系统的复杂性和噪声抑制性；故 应使低频段增益足够大，以保证稳态误差要求， 中频段对数频率特性在-20dB/dec并占据充分 宽的频带，以保证系统具有适当的相角裕度，高 频段增益尽快减小，以削弱噪声影响。
7-4
反馈校正
从控制的观点来看,反馈校正比串联校正有其突 出的特点，它能有效地改变被包围环节的动态结 构和参数；另外，在一定的条件下，反馈校正甚 至能完全取代被包围环节，从而可以大大减弱这 部分环节由于特性参数变化及各种干扰，给系统
带来的不利影响。
控制工程基础
反馈的功能： 1、比例负反馈可以减弱为其包围环节的惯性，从 而将扩展该环节的带宽。 2、负反馈可以减弱参数变化对控制性能的影响。 3、负反馈可以消除系统不可变部分中不希望有的 特性。
控制工程基础
R1CS 1 R2 R1CS 1 R1 R2
L( w)
20 lg a
+20dB/dec
10lg a
( w)
/2 m
1 T
wm 1 aT
w
w
其幅值物性具有正低利 率段，相频曲线具有正 相移。正相移表明，网 络在正弦信号作用下的 稳态作用下的稳态输出 电压，在相位上超前于 输入，所以称为超前网 络。
弱系统抗高频干扰能力。所以超前校正对提高系
统的稳态精度的作用是很小的。而为了使系统的
响应快，超调小，可采用超前串联校正。
控制工程基础
二、滞后校正（可以提高精度，解决低频段问题）
X 0 (s) R2Cs 1 Gc ( s) X i ( s ) R1 R2 R Cs 1 2 R2 设R2 R1 R2 C T, ( 1) R2 Ts 1 则Gc ( s ) Ts 1
控制工程基础
超前网络的最大超前角 此点位于几何中点上，对 应的角频率为
1 a m arcsin 1 a
1 m aT
பைடு நூலகம்
控制工程基础
控制工程基础
超前校正很难使原系统的低频特性得到改善。如 进一步提高开环增益，使低频段上移，则系统的 平稳性将有所下降。幅频特性过分上移，还会削
K G1 ( s ) , H c ( s ) K t s, 2 2 1 2 Ts T s K G(s) 1 (2 T KKt ) s T 2 s 2
K T 2 s 2 2 Ts 1
结果仍为振荡 环节，但是阻 尼却显著加大， 从而有效地减 弱小阻尼环节 的影响
控制工程基础
三、滞后—超前校正 超前网络串入系统，可增加频宽提高快速性，但 损失增益，不得稳态精度，滞后校正则可提高平 稳性及稳态精度，而降低了快速性。若同时采用 滞后和超前校正，将可全面提高系统的控制性能。
C1
Gc ( s)
1s 1 2 s 1
T1s 1 T2 s 1
控制工程基础
第七章
控制系统的性能分析与校正
7-1 7-2 7-3 7-4