自动控制系统的校正

自动控制系统的校正
摘要:在工业上、农业、交通运输和国防各个方面，凡要求较高的场合，都离不开自动控制。

所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。

自动控制系统性能的优劣，将直接影响到产品的产量、质量、成本、、劳动条件和预期目标的完成。

因此，自动控制越来越受人们的重视，使控制理论和技术应用方面因此也获得了飞速的发展。

关键词：自动控制校正
1.自动控制系统的组成
为了表明自动控制系统的组成以及信号的传递情况，通常把系统各个环节用框图表示，并用箭头标明各做用量的传递情况。

框图可以把系统的组成简单明了地表达出来，而不必画出具体线路
自动控制的分类
实际生产过程中采用的自动控制系统的类型是多种多样的，从不同的角度出发，可以进行不同的分类。

按输入量变化的规律分类有恒指控制系统、随动系统过程控制系统；按系统传输信号分类有连续控制系统、离散控制系统；按系统的输出量和输入量间的关系分类有线性系统、非线性系统；按系统中的参数对时间的变化情况分类有定常系统、时变系统。

对自动系统进行分析研究，首先是对系统进行定性分析。

所谓定性分析，主要是搞清各个单元及各个组件在系统中的地位和作用，以及它们之间的相互联系，并在此基础上搞清系统的工作原理。

然后，在定性分析的基础上，可以建立系统的数字模型；再应用自动控制理论对系统的稳定性、稳态性能和动态性能进行定量分析。

在系统分析的基础上就可以找到改善系统性能、提高系统技术指针的有效途径，这也就是系统的校正、设计和现场调试。

2.自动控制系统的校正
当自动控制系统的稳态性能或动态性能满足所要求的性能指针时，首先可以考虑调整系统中的可以调整的参数；若通过调整参数仍是不能满足要求时，则可以在原有的系统中，有目的的添加一些装置和组件。

，认为的的改变系统的结构和性能，使之满足所要求的性能指针，我们把这种方法称为“系统校正”。

增添的装置和组件称为校正装置和校正组件。

1、校正的概念
当控制系统的稳态、静态性能不能满足实际工程中所要求的性能指针时，首先可以
考虑调整系统中可以调整的参数；若通过调整参数仍无法满足要求时，则可以在原有系统中增添一些装置和组件，人为改变系统的结构和性能，使之满足要求的性能指针，我们把这种方法称为校正。

增添的装置和组件称为校正装置和校正组件。

2、校正的方式
根据校正装置在系统中的不同位置，一般可分为串联校正、回馈校正和顺馈补偿校正。

（1）、串联校正
校正装置串联在系统固有部分的前向通路中，称为串联校正，如图1所示。

为减小校正装置的功率等级，降低校正装置的复杂程度，串联校正装置通常安排在前向信道中。

功率等级最低的点上
（2）回馈矫正
回馈校正的基本思想是：用回馈校正装置包围未校正系统中对动态性能改善有重大妨碍作用的环节，形成一个局部反馈回路，在局部反馈回路的开环幅值远大于1的条件下，局部反馈回路的特性主要取决于回馈校正装置，而与被包围的环节无关，只要适当选择回馈校正装置的形式和参数，就可以使系统的性能满足要求。

回馈校正系统如图2所示，回馈校正除了具有串联校正一样的校正效果外，还有一系列串联校正所不可代替的效果。

（3）．顺馈补偿校正
顺馈补偿校正是在回馈控制的基础上，引入输入补偿构成的校正方式，可以分为以下两种：一种是引入给定输入信号补偿，另一种是引入扰动输入信号补偿。

校正装置将直接或间接测出给定输入信号R(s)和扰动输入信号D(s)，经过适当变换以后，作为附加校正信号输入系统，使可测扰动对系统的影响得到补偿。

从而控制和抵消扰动对输出的影响，提高系统的控制精度。

3、校正装置
根据校正装置本身是否有电源，可分为无源校正装置和有源校正装置。

（1）．无源校正装置
无源校正装置通常是由电阻和电容组成的二端口网络，图3是几种典型的无源校正装置。

根据它们对频率特性的影响，又分为相位滞后校正、相位超前校正和相位滞后—相位超前校正。

无源校正装置线路简单、组合方便、无需外供电源，但本身没有增益，只有衰减；且输入阻抗低，输出阻抗高，因此在应用时要增设放大器或隔离放大器。

（2）有源校正装置
有源校正装置是由运算放大器组成的调节器。

图4是几种典型的有源校正装置。

有源校正装置本身有增益，且输入阻抗高，输出阻抗低，所以目前较多采用有源校正装置。

缺点是需另供电源。

串联校正
1.三频段对系统性能的影响
1．低频段的代表参数是斜率和高度，它们反映系统的型别和增益。

表明了系统的稳态精度。

2．中频段是指穿越频率附近的一段区域。

代表参数是斜率、宽度（中频宽）、幅值
穿越频率和相位裕量，它们反映系统的最大超调量和调整时间。

表明了系统的相对稳定性和快速性。

3．高频段的代表参数是斜率，反映系统
对高频干扰信号的衰减能力。

2.串联校正方法
1． 比例微分校正（相位超前校正）图
5为一比例微分校正装置，也称为PD 调节
器，其传递函数为G(s)=-K(Ts+1)式中
K=R 1/R 0 ——比例放大倍数T=R 0C 0——微分
时间常数，其Bode 图如图5所示。

从图可
见，PD 调节器提供了超前相位角，所以PD
校正也称为超前校正。

并且PD 调节器的对
数渐近幅频特性的斜率为+20dB/dec 。

因而将它的频率特性和系统固有部分的频率特性相加，比例微分校正的作用主要体现在两方面：（1）使系统的中、高频段特性上移（PD 调节器的对数渐近幅频特性的斜率为+20dB/dec ），幅值穿越频率增大，使系统的快速性提高。

（2）PD 调节器提供一个正的相位角，使相位裕量增大，改善了系统的相对稳定性。

但是，由于高频段上升，降低了系统的抗干扰
能力。

综上所述，比例微分校正将使系统的稳定
性和快速性改善，但是抗高频干扰能力下降。

2.比例积分校正（相位滞后校正）图6为
一比例积分校正装置，也称为PI 调节器，其
传递函数为s T s T K s G C C C C )1()(+=
式中 K C =R 1/R 0 ——比例放大倍数T 1=R 1C 1——积分时间常数
其Bode 图如图7所示。

从图可见，PI 调节器提供了负的相位角，所以PD 校正也称为滞后校正。

并且PI 调节器的对数渐近幅频特性在低频段的斜率为-20dB/dec 。

因而将它的频率特性和系统固有部分的频率特性相加，可以提高系统的型别，即提高系统的稳态精度。

图5-5 PD 调节器 图5-6 PD 调节器的Bode 图 图5-9 PI 调节器
从相频特性中可以看出，PI 调节器在低频产生较大的相位滞后，所以PI 调节器串入
系统时，要注意将PI 调节器转折频率放在固有系统转折频率的左边，并且要远一些，这样对系统的稳定性的影响较小。

但是，由于高频段上升，降低了系统的抗干扰能力。

回馈校正，在主回馈环内，为改善系统性能而加入的回馈称为局部回馈。

回馈校正除了具有串联校正同样的校正效果外，还具有串联校正所不可替代的效果。

1、回馈校正的方式
通常回馈校正可分为硬回馈和软回馈。

硬回馈校正装置的主体是比例环节（可能还含有小惯性环节），G c (s)= α（常数），它在系统的动态和稳态过程中都起回馈校正作用；软回馈校正装置的主体是微分环节（可能还含有小惯性环节），G c (s)= αs ，它只在系统的动态过程中起回馈校正作用，而在稳态时，回馈校正支路如同断路，不起作用。

2、回馈校正的作用
在图8中，设固有系统被包围环节的传递函数为G 2(s) ，回馈校正环节的传递函数为G C (s) ，则校正后系统被包围部分传递函数变为 )
()(1)(2212s G s G s G X X C += 1．可以改变系统被包围环节的结构和参数，使系统的性能达到所要求的指针。

（1）对系统的比例环节G 2(s)=K
进行局部回馈
图5-10 PI 调节器的Bode
图
图5-13 回馈校正在系统中的作用
① 当采用硬回馈，即G C (s)= α时，校正后的传递函数为K K s G α+=
1)( ，增益降低为K
K α+1倍，对于那些因为增益过大而影响系统性能的环节，采用硬回馈是一种有效的方法。

① 当采用软回馈，即G C (s)= αs 时，校正后的传递函数为Ks K
s G α+=1)( ，比例
环节变为惯性环节，惯性环节时间常数变为αK ，动态过程变得平缓。

对于希望过度过程平缓的系统，经常采用软回馈。

（2）对系统的积分环节G 2(s)=K/s 进行局部回馈
② 当采用硬回馈，即G C (s)= α时，校正后的传递函数为11/1)(+=+=s K
K s K s G ααα 含有积分环节的单元，被硬回馈包围后，积分环节变为惯性环节，惯性环节时间常数变为1/（αK ），增益变为1/α。

有利于系统的稳定，但稳态性能变差。

当采用软回馈，即G C (s)= αs 时，校正后的传递函数为s K k K s K s G )1(1/)(+=+=
αα ，仍为积分环节，增益降为1/（1+αK ）倍。

（3）对系统的惯性环节1
)(+=Ts K s G 进行局部回馈 ① 当采用硬回馈，即
G C (s)= α时，校正后的传递函数为11)1/(1)(+++=++=s K
T K K K Ts K s G ααα 惯性环节时间常数和增益均降为1/（1+αK ），可以提高系统的稳定性和快速性。

② 当采用软回馈，即G C (s)= αs 时，校正后的传递函数为1)()(++=
s K T K s G α ，仍为惯性环节，时间常数增加为（T+αK ）倍。

2.可以消除系统固有部分中不希望有的特性，从而可以削弱被包围环节对系统性能的不利影响。

当G 2(s)G C (s)》1时，)
(1)()(1)(2212s G s G s G s G X X C C ≈+= 所以被包围环节的特性主要由校正环节决定，但此时对回馈环节的要求较高。

系统
校正就是在原有的系统中，有目的地增添一些装置（或部件），人为地改变系统的结构和参数，使系统的性能得到改善，以满足所要求的性能指针。

根据校正装置在系统中所处位置的不同，一般可分为串联校正、回馈校正和复合校正。

总结：
串联校正对系统结构、性能的改善，效果明显，校正方法直观、实用。

但无法克服系统中组件（或部件）参数变化对系统性能的影响。

回馈校正能改变被包围环节的参数、性能，甚至可以改变原环节的性质。

这一特点使回馈校正，能用来抑制组件（或部件）参数变化和内、外扰动对系统性能的消极影响，有时甚至可取代局部环节。

在系统的回馈控制回路中加入前馈补偿，可组成复合控制。

只要参数选择得当，则可以保持系统稳定，减小乃至消除稳态误差，但补偿要适度，过量补偿会引起振荡。

6.参考文献
[1] 程鹏，王艳东.现代控制理论基础(第2版).北京：北京航空航天大学出版社，2010
[2] 宋丽蓉. 现代控制理论基础.北京：中国电力出版社，2006。