1、1 第6章线性控制系统的校正方法 目录6 1引言6 2校正装置及其特性6 3频率法串联校正6 4根轨迹法串联校正6 5反馈校正6 6复合校正6 7基于MATLAB的控制系统校正 2 前几章介绍了线性控制系统的分析方法 并利用这些方法分析了控制系统的动态性能和稳态性能 在实际工程控制问题中 当控制系统的性能指标不能满足要求时 就必须在系统原有结构的基础上引入新的附加环节 以作为同时改善系统稳态性能和动态性能的手段 这种添加新的环节去改善系统性能的过程称为对控制系统的校正 或者称为控制系统的设计 把附加的环节称为校正装置 工业过程控制中所用的PID控制器就属于校正装置 3 6 l引言 6 1 1性
2、能指标性能指标是衡量控制系统性能优劣的尺度 也是系统设计的技术依据 校正装置的设计通常是针对某些具体性能指标来进行的 系统常用的性能指标有以下两类 1 稳态性能指标稳态性能指标有 静态位置误差系数Kp 静态速度误差系数Kv 静态加速度误差系数Ka和稳态误差ess 它们能反映出系统的控制精度 4 2 动态性能指标 l 时域性能指标有 上升时间tr 峰值时间tp 调整时间ts 最大超调量 或最大百分比超调量 Mp 2 频域性能指标包括开环频域指标和闭环频域指标 5 正确选择各项性能指标 是控制系统设计中的一项最为重要的工作 不同系统对指标的要求应有所侧重 如调速系统对平稳性和稳态精度要求严格 而随
3、动系统则对快速性能要求很高 另外 性能指标的提出应切合实际 满足生产要求 切忌盲目追求高指标而忽视经济性 甚至脱离实际 总之 系统性能指标既要满足设计的需要 又不过于苛刻 以便容易实现 6 6 1 2校正方式校正装置的设计是自动控制系统全局设计中的重要组成部分 设计者的任务是在不改变系统被控对象的情况下 选择合适的校正装置 并计算和确定其参数 以使系统满足所要求的各项性能指标 按照校正装置在系统中的联接方式 控制系统的校正方式可以分为串联校正 反馈 并联 校正和复合校正三种方式 7 1 串联校正如果校正装置Gc s 串联在系统的前向通道中 则称其为串联校正 如图6 1所示 2 反馈校正如果校正
4、装置Gc s 设置在系统的局部反馈回路的反馈通道上 则称其为反馈校正 如图6 2所示 图6 1串联校正图6 2反馈校正 8 3 复合校正复合校正是校正装置Gc s 设置在系统反馈回路之外采用的校正方法 如图6 3所示 其中图6 3 a 为按输入补偿的复合校正形式 图6 3 b 为按扰动补偿的复合校正形式 a 按输入补偿的复合校正 b 按扰动补偿的复合校正图6 3复合校正 9 实际中究竟选择何种校正装置和校正方式 主要取决于系统结构的特点 采用的元件 信号的性质 性能指标等要求 一般来说 串联校正比反馈校正简单 且易实现 串联校正装置通常设于前向通道中能量较低的部位上 且采用有源校正网络来实现
5、反馈校正的信号是从高功率点传向低功率点 故通常不采用有源元件 另外反馈校正还可以消除系统中原有部分参数或非线性因素对系统性能的不良影响 前馈校正或干扰补偿常作为反馈控制系统的附加校正而组成复合校正系统 对既要求稳态误差小 同时又要求动态特性好的系统尤为适用 10 6 2校正装置及其特性 6 2 1PID控制器PID控制器是比例积分微分控制器的简称 它的控制规律是比例 积分和微分三种控制作用的叠加 又称为比例微分积分校正 在工业生产自动控制的发展历程中 PID控制器是历史最久 生命力最强的基本控制方式 它的基本原理却比较简单 其基本PID控制器的传递函数可描述为 6 1 式中 Kp为比例系数或增
6、益 视情况可设置为正或负 Ti为积分时间 Td为微分时间 11 设计者的问题是如何恰当地组合这些环节 确定连接方式以及它们的参数 以便使系统全面满足所要求的性能指标 当Ti Td 0时 PID控制器可实现比例控制作用 所对应的比例控制器的传递函数为 6 2 当Ti 时 PID控制器可实现比例微分控制作用 所对应的比例微分控制器的传递函数为 6 3 当Td 0时 PID控制器可实现比例积分控制作用 所对应的比例积分控制器的传递函数为 6 4 12 其中式 6 5 中微分作用项多了一个惯性环节 这是因为采用实际元件很难实现理想微分环节 在系统校正中的作用 从滤波器的角度来看 PD控制器是一高通滤波
7、器 属超前校正装置 PI控制器是一低通滤波器 属滞后校正装置 而PID控制器是由其参数决定的带通滤波器 属滞后 超前校正装置 下面主要对用无源网络构成的校正装置说明其特性 实际工业中PID控制器的传递函数为 6 5 13 6 2 2超前校正装置如果校正装置的输出信号在相位上超前于输入信号 即校正装置具有正的相位特性 则称这种校正装置为超前校正装置 对系统的校正称为超前校正 1 超前校正装置的传递函数根据PD控制器的传递函数式 6 3 可知其频率特性为可以看出 在正弦函数作用下 PD控制器输出信号的相位超前于输入信号 超前角为arctg Td 当 时 arctg Td 90 因此PD控制器就是超
8、前校正装置 14 另外 在控制系统中 还可以采用无源或有源网络构成超前校正装置 图6 4所示为RC网络构成的超前校正装置 该装置的传递函数为令 则 6 6 15 同理 由电气或机械构成的超前校正装置也具有以上相同的传递函数 它们都具有与PD控制器想类似的频率特性 实际上是一种带惯性的比例微分控制器 超前校正装置的零点 极点均位于负实轴上 如上图6 5所示 其中零点总位于极点的右边起主要作用 零 极点之间的距离由 值确定 超前网络产生的超前相角为 6 7 16 由式 6 7 可知 越大 超前相角越小 其微分作用也越弱 另外从校正装置的表达式来看 采用无源相位超前校正装置时 系统的开环增益要下降
9、倍 即 越小 系统的开环增益要下降的也越多 故一般取 0 2 0 05 为了补偿超前装置带来的幅值衰减 通常在采用无源RC超前校正装置的同时串入一个放大倍数Kc 1 的放大器 超前校正装置加放大器后 式 6 6 所示超前校正装置的传递函数可表示为 6 8 其频率特性 6 9 17 2 超前校正装置的极坐标图由超前校正装置的频率特性表达式 6 9 知 当时 时 在极坐标图上的轨迹为一半园 园心为 半径为 当变化时 一直为正 且有一最大超前相位角 它与的关系可由图6 6求得 18 根据图6 6 由得最大超前相角 6 10 对应最大超前相角的频率 可令求得 即 6 11 最大超前相角 m仅与 值有关
10、 愈小 输出信号相位超前愈多 另一方面 的选择要考虑系统的高频噪声 19 3 超前校正装置的对数坐标图超前校正装置频率特性在对数坐标图上的转折频率为和且当时 时 时 20 21 超前校正装置的频率特性的对数坐标图如图6 7所示 相频曲线具有正相角 即网络的稳态输出在相位上超前于输入 故称为超前校正网络 由图6 7可见超前校正装置是一个高通滤波器 高频通过 低频被衰减 它主要能使系统的瞬态响应得到显著改善 而稳态精度的提高则较小 超前校正装置是通过起相位超前效应获得所需效果 22 6 2 3滞后校正装置如果校正装置的输出信号在相位上落后于输入信号 即校正装置具有负的相位特性 则称这种校正装置称为
11、滞后校正装置 对系统的校正称为滞后校正 1 滞后校正装置的传递函数根据PI控制器的传递函数式 6 4 可知其频率特性为 23 可以看出 在正弦函数作用下 PI控制器输出信号的相位滞后于输入信号 滞后角 当时 因此PI控制器就是滞后校正装置 另外 在控制系统中 还可以采用无源或有源网络构成超前校正装置 图6 8所示为RC网络构成的滞后校正装置 该装置的传递函数为 24 令则 6 12 同理 由电气或机械构成的滞后校正装置也具有以上相同的传递函数 当 足够大时 即 则式 6 12 可写成即电气或机械构成的滞后校正装置相当于一个比例积分控制器 25 滞后校正装置的零点 极点均位于负实轴上 如图6 9
12、所示 其中极点总位于零点的右边起主要作用 零 极点之间的距离由值确定 根据式 6 12 所示滞后校正装置的传递函数 可得其频率特性为 6 13 26 2 滞后校正装置的极坐标图由滞后校正装置的频率特性表达式 6 13 知 当时在极坐标图上的轨迹为一半园 园心为 半径为 当变化时 一直为负 且有一最大滞后相位角 它与 的关系可由图6 10求得 27 同理可求得最大滞后相角和对应最大滞后相角的频率 6 14 6 15 28 3 滞后校正装置的对数坐标图滞后校正装置频率特性在对数坐标图上的转折频率为和 且当时 时 时 滞后校正装置的频率特性的对数坐标图如图6 11所示 相频曲线具有负相角 即网络的稳
13、态输出在相位上滞后于输入 故称为滞后校正网络 29 由图6 11可见滞后校正装置是一个低通滤波器 低频通过 高频被衰减 且 值愈大 抑制高频噪声的能力愈强 抗高频干扰性能越好 但是响应速度变慢 故滞后校正能使稳态精度得到显著提高 但瞬态响应时间却随之而增加 应用滞后校正装置的目的 主要是利用其高频衰减特性 30 6 2 4滞后 超前校正装置若校正装置在某一频率范围内具有负的相位特性 而在另一频率范围内却具有正的相位特性 这种校正装置称滞后 超前校正装置 对系统的校正称为滞后 超前校正 1 滞后 超前校正装置的传递函数由式 6 1 可知PID控制器的传递函数为或 6 16 31 式 6 16 中
14、的项即为PI控制器的滞后校正装置 项即为PD控制器的超前校正装置 另外 在控制系统中 还可以采用无源或有源网络构成滞后 超前校正装置 下面主要对用无源网络构成的校正装置说明其特性 图6 12所示为RC网络构成的滞后 超前校正装置 该装置的传递函数为 32 令则 6 17 式 6 17 等号右边的第一项产生滞后网络的作用 第二项产生超前网络的作用 具有与PID控制器相类似的特性 滞后 超前校正装置的零点 极点均位于负实轴上 如图6 13所示 33 2 滞后 超前校正装置的极坐标图根据滞后 超前校正装置的传递函数式 6 17 可得其极坐标图如图6 14所示 由图6 14可知 当时 相位角为负 而当
15、时 相位角为正 在相位角等于零时的频率为 6 18 34 3 滞后 超前校正装置的对数坐标图滞后 超前校正装置频率特性在对数坐标图上的转折频率为 和 且当时 时 滞后 超前校正装置的频率特性的对数坐标图如图6 15所示 由图可知 曲线低频段具有负相角 即当时 它起滞后网络的作用 而高频段具有正相角 即当时 它起超前网络的作用 它综合了滞后装置和超前装置的特点 即可同时提高系统的稳态和动态特性 故称滞后 超前校正装置 35 6 3频率法串联校正 在设计 分析控制系统时 最常用的方法是频率法 应用频率法对系统进行校正 其目的是改变频率特性的形状 使校正后的系统频率特性具有合适的低频 中频和高频特性
16、以及足够的稳定裕量 从而满足所要求的性能指标 频率特性法设计校正装置主要是通过对数频率特性 Bode图 来进行 开环对数频率特性的低频段决定系统的稳态误差 根据稳态性能指标确定低频段的斜率和高度 为保证系统具有足够的稳定裕量 45 左右 开环对数频率特性在剪切频率 c附近的斜率应为 20dB dec 而且应具有足够的中频宽度 以保证在系统参数变化时 相位裕量变化不大 为抑制高频干扰对系统的影响 高频段应尽可能迅速衰减 36 6 3 1频率法的串联超前校正超前校正装置的主要作用是通过其相位超前效应来改变频率响应曲线的形状 产生足够大的相位超前角 以补偿原来系统中元件造成的过大的相位滞后 因此校正
17、时应使校正装置的最大超前相位角出现在校正后系统的开环剪切频率 幅频特性的幅值穿越频率 c处 串联超前校正是利用超前校正装置的正相角来增加系统的相位裕量 以改善系统的动态特性 利用频率法设计超前校正装置的步骤 37 1 根据性能指标对稳态误差系数的要求 确定开环增益K 2 利用确定的开环增益K 画出未校正系统开环传递函数GK s 的Bode图 并求出其相位裕量 和幅值裕量Kg 3 确定为使相位裕量达到要求值 所需增加的超前相位角 c 即 6 19 式中 0为要求的相位裕量 是因为考虑到校正装置影响剪切频率的位置而附加的相位裕量 当未校正系统中频段的斜率为 40dB dec时 取 50 150 当
18、未校正系统中频段斜率为 60dB dec时 取 150 200 38 4 令超前校正装置Gc s 的最大超前相位角 则由下式可求出校正装置的参数 6 20 5 若将校正装置的最大超前相位角处的频率 作为校正后系统的剪切频率 c 则有即可得 6 21 可见 未校正系统的对数幅频特性幅值等于时的频率 即为校正后系统的剪切频率 c 39 6 根据 c 利用下式求超前校正装置的参数T 6 22 由此可得 超前校正装置加放大器K 1 后的传递函数为 6 23 7 画出校正后系统的Bode图 检验性能指标是否已全部达到要求 若不满足要求 可增大 值 从第三步起重新计算 40 例6 1设有一单位反馈系统 其
19、开环传递函数为要求系统的稳态速度误差系数Kv 20 1 s 相位裕量 0 50 幅值裕量Kg 10dB 试确定串联校正装置 41 42 由图6 16可知 校正后系统的幅值穿越频率 rad s 相位穿越频率 相位裕量 幅值裕量 从本例看出 串联超前校正装置使得系统的相位裕量增大 从而降低了系统响应的超调量 增加了系统的频带宽度 使系统的响应速度加快 但是必须指出 在有些情况下 串联超前校正的应用受到限制 例如 当未校正系统的相位裕量和要求的相位裕量相差很大时 超前校正网络的参数 值将会过小 而使系统的带宽过大 不利抑制高频噪声 另外 未校正系统的相角在所需剪切频率附近急剧向负值增大时 采用串联超
20、前校正往往效果不大 此时应考虑其它类型的校正装置 dB 故系统满足性能指标的要求 43 6 3 2频率法的串联滞后校正当一个系统的动态响应是满足要求的 为改善稳态性能 而又不影响其动态响应时 可采用串联滞后校正装置 具体方法是增加一对相互靠得很近并且靠近坐标原点的开环零 极点 使系统的开环放大倍数提高 倍 而不影响中 高频段特性 串联滞后校正装置还可利用其低通滤波特性 将系统高频部分的幅值衰减 降低系统的剪切频率 提高系统的相位裕量 以改善系统的稳定性和其它动态性能 但应同时保持未校正系统在要求的开环剪切频率附近的相频特性曲线基本不变 44 滞后校正装置的主要作用是在高频段造成幅值衰减 降低系
21、统的剪切频率 以便能使系统获得充分的相位裕量 但应同时保证系统在新的剪切频率附近的相频特性曲线变化不大 利用频率法设计滞后校正装置的步骤为 1 根据性能指标对稳态误差系数的要求 确定开环增益K 2 利用已确定的开环增益K 画出未校正系统开环传递函数GK s 的Bode图 并求出其相位裕量 和幅值裕量Kg 45 3 如未校正系统的相位和幅值裕量不满足要求 寻找一新的剪切频率 c 在 c处的相位角应满足下式 GK j c 180 r0 6 24 式中 r0为要求的相位裕量 是为补偿滞后校正装置的相位滞后而附加的相位角 一般取 50 120 4 为使滞后校正装置Gc s 对系统的相位滞后影响较小 一
22、般限制在50 120 其最大滞后相角处的频率 m应远小于 c 即 m c 因此 一般取滞后校正装置的第二个穿越频率 2 1 T 1 2 1 10 c 2取得愈小 对系统的相位裕量影响愈小 但太小则校正装置的时间常数T将很大 这也是不允许的 46 5 确定使校正后系统的幅值曲线在新的剪切频率 c处下降到0dB所需的衰减量20lg GK j c 因 m c 所以滞后校正装置在新的剪切频率 c处有20lg Gc j c 20lg 根据在新的剪切频率 c处 校正后系统的对数幅值必为零 即20lg GK j c Gc j c 20lg GK j c 20lg Gc j c 0可得 GK j c 6 25
23、 由此可得 滞后校正装置的传递函数为 6 26 47 6 画出校正后系统的Bode图 检验性能指标是否已全部达到要求 若不满足要求 可增大 值 从第三步起重新计算 48 例6 2设有一单位负反馈系统的开环传递函数为 要求系统的稳态速度误差系数Kv 5 1 s 相位裕量 0 40 幅值裕量Kg 10dB 试确定串联校正装置 49 50 6 3 3频率法的串联滞后 超前校正如果系统的动态特性和稳态特性均不满足要求 则需采用滞后 超前校正装置 其中滞后 超前校正装置中的超前部分可以提高系统的相位裕量 同时使频带变宽 改善系统的动态特性 而滞后校正部分则主要用来提高系统的稳态特性 51 滞后 超前校正
24、装置的超前校正部分 因增加了相位超前角 并且在幅值穿越频率 剪切频率 上增大了相位裕量 提高了系统的相对稳定性 滞后部分在幅值穿越频率以上 将使幅值特性产生显著的衰减 因此在确保系统有满意的瞬态响应特性的前提下 容许在低频段上大大提高系统的开环放大系数 以改善系统的稳态特性 利用频率法设计滞后 超前校正装置的步骤为 1 根据性能指标对稳态误差系数的要求 确定开环增益K 2 画出未校正系统开环传递函数GK s 的Bode图 并求出其相位裕量 和幅值裕量Kg 52 3 如果未校正系统的相位和幅值裕量不满足要求 则选择未校正系统相频特性曲线上相位角等于 1800的频率 即将原系统相位穿越频率 g作为
25、校正后系统的幅值穿越频率 c 4 利用 c确定滞后校正部分的参数T1和 通常选取滞后校正部分的第二个穿越频率 1 1 T1 1 10 c 并取 10 5 根据校正后系统在新的幅值穿越频率 c处的幅值必为0dB确定超前校正部分的参数T2 6 画出校正后系统的Bode图 并检验系统的性能指标是否已全部满足要求 53 例6 3设有单位负反馈系统 其开环传递函数为若要求Kv 10 1 s 相位裕量 0 50 幅值裕量Kg 10dB 试设计一个串联滞后超前 校正装置 来满足要求的性能指标 54 55 6 4根轨迹法串联校正 当系统的性能指标是以时域指标给出时 例如给定了要求的超调量Mp 上升时间tr 调
26、整时间ts 阻尼比 及无阻尼自然振荡频率 n 稳态误差ess等时域性能指标 则采用根轨迹法进行设计和校正系统是很有效的 利用根轨迹法进行校正 其实质就是将系统闭环极点位于根平面上希望的位置上 使系统满足所提出的性能指标 和 n的要求 56 6 4 1根轨迹法的串联超前校正设系统的开环传递函数为 6 27 则可得相应的开环放大系数 又称静态误差系数 为 6 28 57 假设一个系统在所要求的增益值K下是不稳定的 或者虽属稳定 但系统具有不理想的瞬态响应特性 超调量过大 调节时间过长 在这种情况下 就有必要在虚轴和原点附近对根轨迹进行修正 以便使闭环系统的极点位于根平面上希望的位置上 这个问题可以
27、通过在前向通道上串联一个适当的超前校正装置来解决 若串联超前校正装置的传递函数为 6 29 58 为补偿超前校正装置的幅值衰减 在串入一个放大倍数为Kc 1 的补偿放大器 这时 校正后的系统开环传递函数为 6 30 若s1是根据性能指标确定的希望闭环主导极点之一 则s1应在G s 的根轨迹上 它一定满足幅值和相角条件 即 6 31 和 6 32 59 最后再验证一下根据性能指标确定的闭环主导极点s1 2是否可作为系统校正后的真正主导极点 若可则说明按二阶系统性能指标设计的Gc s 可使闭环系统达到希望的性能指标 根据以上分析 可归纳出用根轨迹法设计超前校正装置的步骤为 1 根据要求的性能指标
28、确定希望主导极点s1 2的位置应用对二阶系统的分析 根据要求的 n 便可求得希望的闭环极点 6 33 60 2 绘制原系统根轨迹 确定希望主导极点s1 2是否落在根轨迹上 若已在根轨迹上 则表明原系统不需增加校正装置 只要调整增益就能满足给定要求 如果根轨迹不能通过希望的闭环主导极点 则表明仅调整增益不能满足给定要求 需增加校正装置 如果原系统根轨迹位于期望极点的右侧 则应串入超前校正装置 若串联超前校正装置的传递函数为 6 34 则校正后的系统开环传递函数 包括补偿放大器 为 6 35 61 3 由校正后系统的相位条件 计算超前校正装置应提供的超前相角 c根据校正后系统的相位条件 可得 6
29、36 4 由校正后系统的幅值条件 求校正装置零 极点位置以及参数 和T对于给定的 c 校正装置的零 极点位置不是唯一的 在此常采用使系数 为最大可能值的方法确定零 极点的 根据图6 19所示的超前校正装置的超前相角 c与pc和zc间的几何关系图 由 zcos1和 pcos1可得 62 6 37 6 38 则 6 39 由得 63 由此 便可根据式 6 37 式 6 38 和式 6 39 确定校正装置零 极点位置以及参数 和T 即 6 40 5 校验系统的性能指标 如果系统不满足要求指标 适当调整零 极点位置 如果需要大的静态误差系数 则应采用其它方案 64 例6 4设单位反馈系统开环传递函数为
30、要求系统超调量Mp 25 过渡过程时间ts 0 7s 静态速度误差系数Kv 12 1 s 试确定超前校正装置Gc s 65 66 6 4 2根轨迹法的串联滞后校正如果系统已具有满意的动态特性 但是其稳态性能不能满意要求 这时的校正的目的主要是为了增大开环增益 并且不应使瞬态特性有明显的变化 这意味着系统在引入滞后校正装置后 根轨迹在闭环极点附近不应有显著改变 同时又能较大幅度地提高系统的开环增益 这个问题可通过在前向通道上串联一个适当的滞后校正装置来解决 67 1 为了避免原系统在闭环极点附近的根轨迹有显著改变 滞后校正装置的相位角应当限制在不大的角度内 一般限制在50左右 为此应使滞后校正装
31、置的零 极点尽量靠近在一起 并且使它们靠近s平面的坐标原点 这样已校正系统的闭环极点 将从它们的原来位置稍稍离开 因而系统的瞬态特性将基本上保持不变 2 当滞后校正装置零 极点靠得很近时 有这表明可以把系统的开环放大系数大约增加到 倍 而不影响系统的瞬态特性 68 3 如果滞后校正装置的零 极点距离坐标原点很近 在满足s1 1 T s1 1 T的条件下 值可以取的较大 一般取 10左右 4 增大开环增益意味着增大静态误差系数 减少稳态误差设原系统的开环传递函数为Gk s 则静态误差系数K为 如果滞后校正装置为 6 41 69 则校正后系统的静态速度误差系数为 6 42 它表明校正后系统静态误差
32、系数增加Kc 倍 静态误差减小Kc 倍 根据以上分析 可归纳出用根轨迹法设计滞后校正的设计步骤为 1 画出原系统的根轨迹 根据要求的瞬态响应性能指标 在根轨迹上确定希望的闭环主导极点s1 2 如果系统要求的阻尼比为 则可根据根轨迹与 的交点求出系统希望的闭环主导极点s1 2 70 2 根据幅值条件 确定与闭环主导极点s1 2对应的开环增益设系统的开环传递函数为则根据幅值条件 得 6 43 71 原系统的静态误差系数为 6 44 3 确定满足性能指标而应增大的误差系数值 从而确定 取值范围的最小值若原系统的静态误差系数为K 要求的静态误差系数为K 则应增大的误差系数值为K K 则串联放大器的增益
33、Kc 应大于K K 即 值应大于K K 72 4 确定滞后校正装置的零 极点为了能使校正后系统的静态误差系数增加 而又不使校正前后系统在闭环极点附近的根轨迹有显著改变 滞后校正装置的零 极点应靠近坐标原点选取 5 绘出校正后系统的根轨迹 并求出它与的交点 将其作为新的希望的闭环极点s1 2 6 由新的希望的闭环极点 根据幅值条件 确定串联放大器的增益Kc 7 校验校正后系统各项性能指标 如不满足要求 可适当调整校正装置零 极点 73 例6 5已知单位反馈系统开环传递函数为要求系统满足阻尼比 0 45 静态速度误差系数K v 7 1 s 试确定滞后校正装置Gc s 74 75 6 4 3根轨迹法
34、的串联滞后 超前校正从上述可看到 超前校正适用于改善系统动态特性 而对稳态性能只能提供有限的改进 如果稳态性能相当差 超前校正就无能为力 而滞后校正常用于改善系统的稳态性能 而保持原系统的动态特性不变 如果系统的动态和稳态特性均较差时 通常采用滞后 超前校正 滞后 超前校正装置设计步骤为 1 根据要求的性能指标 确定希望主导极点s1 2的位置 76 2 为使闭环极点位于希望的位置 计算滞后 超前校正中超前部分应产生的超前相角 c 根据校正后系统的相位条件 可得 6 45 3 若滞后 超前校正装置的传递函数为 6 46 77 则校正后系统开环传递函数 6 47 稳态误差系数 6 48 根据要求的
35、稳态误差系数 确定放大系数Kc 4 当滞后 超前校正中滞后部分的T1选择足够大时 为了便于在实际中能够实现 滞后部分的最大时间常数 T1不宜取得太大 可使得 78 这时根据校正后系统的幅值和相位条件 可得超前部分的T2和 的关系式为 6 49 79 5 利用求得的 值 选择滞后部分的T1 使 6 50 6 检验性能指标 80 例6 6已知单位反馈系统开环传递函数为要求系统满足阻尼比 0 5 无阻尼自然振荡频率 n 5rad s 静态速度误差系数K v 50 1 s 试确定滞后 超前校正装置Gc s 81 82 6 5反馈校正 在实际控制系统中 为改善控制系统的性能 除可选用前述的串联校正方式外
36、 也常常采用反馈校正方式 当校正装置出在被校正对象的反向通道中 就称为反馈校正 6 5 1反馈校正的原理反馈校正是采用校正装置反馈包围系统前向通道中的一部分环节或全部环节以实现改善系统的性能 其结构框图如图6 23所示 83 对于如图6 23所示的反馈校正系统 是校正装置 其余环节为系统的固有部分 被校正装置反馈包围部分的传递函数为 整个系统的开环传递函数为 6 51 84 由式 6 51 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l 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
37、下降l 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 由式 6 51 可得其频率特性为 85 6 52 若选择结构参数 使则式 6 52 可近似为 86 在这种情况下 G2 j 部分的特性几乎被反馈校正环节的特性取代 这说明通过选择校正装置Gc s 能在一定的频率范围内改变系统的原有特性 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 87 6 5 2反馈校正的设计从控制的观点来看 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
38、出优点 如反馈校正不仅能有效地改变被包围环节的动态结构和参数 而且在一定条件下 反馈校正装置的特性可以完全取代被包围环节的特性 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 提高系统的整体性能 下面仅讨论比例反馈校正和微分反馈校正的设计方法 88 1 比例反馈校正如果反馈回路为一比例环节 称为比例反馈校正 图6 24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 89 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 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
39、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 90 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 2 微分反馈校正图6 25所示为微分负反馈校正包围振荡环节 其闭环传递函数 91 6 6复合校正 采用串联校正或反馈校正在一定程度上能够使系统满足要求的性能指标 但是 如果对系统动态和静态性能的要求都很高时 或者系统存在强干扰时 工程中往往在串联校正或局部反馈校正的同时 再附加前馈校正和干扰补偿而组成控制系统的复合校
40、正 92 6 6 1按输入补偿的复合校正前馈校正加反馈控制的复合校正系统如图6 26所示 由图可知系统的输出Y s 为 6 53 93 若选择前馈校正装置的传递函数为则Y s R s 表明输出y t 完全复现了输入信号r t 前馈校正装置完全消除了输入信号作用时产生的误差 达到了完全补偿 由于G2 s 一般形式比较复杂 所以实现完全补偿是比较困难的 但做到满足跟踪精度的部分补偿是完全可能的 这样 不仅能满足系统对稳态精度的要求 而且前馈校正装置在结构上具有较简单的形式 便于实现 94 将式 6 53 代入误差函数表达式 6 54 中 得则系统的稳态误差为 6 55 由式 6 55 在给定信号作
41、用下 系统稳态误差为零可确定前馈校正装置Gc s 在给定信号r t 作用下 图6 26所示系统的误差函数 6 54 95 6 6 2按扰动补偿的复合校正反馈控制与干扰补偿校正构成复合校正的另一种形式 如图6 27所示 控制系统的输出为 6 58 96 式 6 58 等号右边第一项为反馈系统产生的输出 第二项为干扰信号N s 及前馈控制产生的输出 适当选择前馈控制校正装置的传递函数Gc s 使其满足 则干扰信号对系统输出的影响可以得到完全补偿 干扰补偿的实质是利用双通道原理 利用干扰来补偿干扰 达到消除干扰对系统输出的影响 应当注意 应用干扰补偿校正时 首先干扰信号必须是可测量的 其次校正装置应
42、是物理上可实现的 另外 由于干扰补偿是一种开环控制 所以 校正装置还应具有较高的参数稳定性 97 6 7基于MATLAB的控制系统校正 MATLAB提供了多种求取并绘制系统频率特性曲线的函数 使用它们可以很方便地绘制控制系统的频率特性曲线 并对系统进行频域设计 6 7 1利用MATLAB实现频率法的串联超前校正例6 9针对例6 1所给系统和要求 试利用MATLAB确定串联超前校正装置 98 解根据例6 1所求原系统的开环传递函数 利用下列语句 num0 40 den0 conv 1 0 1 2 Gm Pm Wcg Wcp margin num0 den0 可得 未校正系统的幅值穿越频率 c 6
43、 1685rad s 相位穿越频率 g rad s 幅值裕量为Kg dB 相位裕量 17 9642 由于相位裕量远远小于要求值 为达到所要求的性能指标 根据频率法串联超前校正的设计步骤 编写MATLAB程序如 ex6 9 m 99 执行后可得如下结果及图6 28所示曲线 num den 0 22541s 1 0 053537s 1校正后 幅值穿越频率 8 8802rad s 相位穿越频率量 Infrad s校正后 幅值裕量 InfdB 相位裕量 50 7196 100 由此可见 利用MATLAB所得结果与例6 1所求结果一致 101 6 7 2利用MATLAB实现频率法的串联滞后校正例6 10
44、针对例6 21所给系统和要求 试利用MATLAB确定串联超前校正装置 解根据例6 21所求原系统的开环传递函数 利用下列语句 num0 5 den0 conv 1 0 conv 1 1 0 25 1 Gm Pm Wcg Wcp margin num0 den0 可得 未校正系统的幅值穿越频率 c 2rad s 相位穿越频率 g 2rad s 幅值裕量为Kg 0dB 相位裕量 0 它们均不满足要求 为达到所要求的性能指标 根据频率法串联滞后校正的设计步骤 编写MATLAB程序如 ex6 10 m 102 由此可见 利用MATLAB所得结果与例6 2所求结果基本一致 103 执行后可得如下结果及图
45、6 29所示曲线 numc denc 8 3842s 1 59 7135s 1num den 41 9208s 5 14 9284s 4 74 918s 3 60 9635s 2 s校正后 幅值穿越频率 0 60508rad s 相位穿越频率量 1 8675rad s校正后 幅值裕量 15 8574dB 相位裕量 40 6552 由此可见 利用MATLAB所得结果与例6 2所求结果基本一致 104 6 7 3利用MATLAB实现频率法的串联滞后 超前校正例6 11针对例6 3所给系统和要求 试利用MATLAB确定串联超前校正装置 解根据例6 3所求原系统的开环传递函数 利用下列语句 numo
46、10 deno conv 1 0 conv 1 1 0 5 1 Gm Pm Wcg Wcp margin numo deno 105 执行后可得如下结果及图6 30所示曲线num den s 0 14142 s 0 014142num den s 0 53142 s 5 3142校正后 幅值穿越频率 1 3175rad s 相位穿越频率量 3 6027rad s校正后 幅值裕量 13 7848dB 相位裕量 52 4219 106 由此可见 利用MATLAB所得结果与例6 3所求结果一致 107 本章小结在控制系统中常常需要通过增加附加装置来改控制系统的性能 这种方法称为系统的设计或校正 校正装置的引入是解决系统动态性能和稳态性能相互矛盾的有效方法 本章主要介绍了系统的校正方式 校正装置的特性和校正系统的设计方法
