自动控制理论第6章 控制系统的设计和校正.ppt

第6章 控制系统的设计和校正 第6章 控制系统的设计和校正 内 容 提 要 知 识 要 点 目 录 §6.1 概 述 §6.2 线性系统的基本控制规律 §6.3 校正装置及其特性 §6.4 采用根轨迹法进行串联校正 §6.5 频率法进行串联校正 §6.6 反馈校正 §6.7 复合校正 §6.8 基于MATLAB和SIMULINK的线性控制系统设计 小 结 §6.1 概 述 6.1.1 系统的性能指标 6.1.2 系统的校正 6.2.1 比例（P）控制作用 6.2.2 比例微分（PD）控制作用 6.2.3 积分（I）控制作用 6.2.4 比例积分微分(PID)控制作用 §6.3 校正装置及其特性 6.3.1 超前校正装置 6.3.2 滞后校正装置 6.3.3 滞后-超前校正装置 §6.4 采用根轨迹法进行串联校正 6.4.1 串联超前校正 6.4.2 串联滞后校正 6.4.3 滞后－超前校正 § 6.5 频率法进行串联校正 6.5.1 频率法的串联超前校正 6.5.2 频率法的串联滞后校正 6.5.3 频率法串联滞后－超前校正 6.5.4 按期望特性对系统进行串联校正 §6.6 反馈校正 6.6.1 比例负反馈校正 6.6.2 微分负反馈校正 6.6.3 反馈校正的设计 6.7.1 反馈控制与前馈校正的复合控制 6.7.2 反馈控制与干扰补偿校正的复合控制 §6.8 基于MATLAB和SIMULINK的线性控制系统设计 6.8.1 相位超前校正 6.8.2 相位滞后校正 6.8.3 Simulink下的系统设计和校正 根据串联校正特点 求出校正装置的的对数幅频特性，如图6-29中Lc(ω)所示，由Lc(ω)写出校正装置的传递函数 检验校正后系统的相角裕量 满足性能指标要求。 返回 在控制工程实践中，为改善控制系统的性能，除可选用前述的串联校正方式外，也常常采用反馈校正方式。常见的有被控量的速度、加速度反馈、执行机构的输出及其速度的反馈；以及复杂系统的中间变量反馈等。反馈校正是采用局部反馈包围系统前向通道中的一部分环节以实现校正，其结构框图如图6-30所示。 从控制的观点来看，采用反馈校正不仅可以得到与串联校正同样的校正效果，而且还有许多串联校正不具备的突出优点。第一，反馈校正能有效地改变被包围环节的动态结构和参数；第二，在一定条件下，反馈校正装置的特性可以完全取代被包围环节的特性，反馈校正系统方框图从而可大大消弱这部分环节由于特性参数变化及各种干扰带给系统的不利影响。本节主要讨论比例反馈校正和微分反馈校正的作用及反馈校正的设计方法。 图6-30 反馈校正系统方框图 图6－31 反馈校正方框图 如果局部反馈回路为一比例环节，称为比例反馈校正。图6-31为振荡环节被比例负反馈包围的结构图。 闭环传递函数 其中 可以看到，比例负反馈改变了振荡环节的时间常数T、阻尼比ζ和放大系数K的数值，并且均减小了。因此，比例负反馈使得系统频带加宽，瞬态响应加快，但却使得系统控制精度下降，故应给予补偿才可保证系统的精度。这与串联校正中比例控制的作用主要是提高稳态精度是不同的，比例反馈校正的主要作用是改善被包围部分的动态特性。 图6－32 反馈校正结构图 图6-32所示为微分负反馈校正包围振荡环节。 闭环传递函数 其中 表明微分负反馈不改变被包围环节的性质，但由于阻尼比增大，使得系统动态响应超调量减小、振荡次数减小，改善了系统的平稳性和过渡过程时间，从而削弱了阻尼振荡环节的不利影响。 微分反馈是将被包围环节输出量的速度信号反馈至输入端，故常称微分反馈为速度反馈。(若反馈环节的传递函数为 ，则称为加速度反馈)。 如图6－32所示为反馈校正系统，被反馈包围部分的传递函数为 整个系统的开环传递函数为 由上式可见，引入局部负反馈后，原系统的开环传递函数G1(s)G2(s)G3(s)，降低了1+G2(s)Gc(s)倍。当被包围部分G2(s)内部参数变化或受到作用于G2(s)上的干扰影响时，由于负反馈的作用，将其影响下降1+G2(s)Gc(s)倍，从而得到有效抑制。 如果反馈校正包围的回路稳定(即回路中各环节均是最小相位环节)，可以用对数频率特性曲线来分析其性能。可得其频率特性为 若选择结构参数，使 G(jω)可近似为 在这种情况下，G2(jω)部分的特性几乎被反馈校正环节的特性取代，反馈校正的这种取代作用，在系统设计中常常用来改造不期望的某些环节，达到改善系统性能的目的。 例6－8 试确定图示系统满足下列