1、第14講系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正問題系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正問題常用校正裝置及其特性常用校正裝置及其特性串聯(lián)校正串聯(lián)校正控制系統(tǒng)的校正控制系統(tǒng)的校正一個(gè)控制系統(tǒng)可視為由控制器和被控對象兩大部分組成。一個(gè)控制系統(tǒng)可視為由控制器和被控對象兩大部分組成。當(dāng)被控對象確定后，對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)際上就歸結(jié)為對當(dāng)被控對象確定后，對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)際上就歸結(jié)為對控制器的設(shè)計(jì)，這項(xiàng)工作稱為：對控制系統(tǒng)的校正。控制器的設(shè)計(jì)，這項(xiàng)工作稱為：對控制系統(tǒng)的校正。第六章 控制系統(tǒng)的校正 前面幾章討論了分析控制系統(tǒng)性能的幾種基本方法。前面幾章討論了分析控制系統(tǒng)性能的幾種基本方法。掌握了這些基本方法，就可以對控制系統(tǒng)進(jìn)行定性分析和掌握了

2、這些基本方法，就可以對控制系統(tǒng)進(jìn)行定性分析和定量計(jì)算。定量計(jì)算。 本章討論另一命題，即如何根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先給定的性能指本章討論另一命題，即如何根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先給定的性能指標(biāo)，去設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足性能要求的控制系統(tǒng)。標(biāo)，去設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足性能要求的控制系統(tǒng)。Design and Compensation Techniques輸出量串串聯(lián)聯(lián)補(bǔ)補(bǔ)償償元元件件放放大大元元件件執(zhí)執(zhí)行行元元件件被被控控對對象象反反饋饋補(bǔ)補(bǔ)償償元元件件測測量量元元件件局部反饋為改善系統(tǒng)性能測量元件被控對象執(zhí)行元件局部反饋放大元件串聯(lián)補(bǔ)償主反饋反饋補(bǔ)償為改善系統(tǒng)性能輸入量輸出量在設(shè)計(jì)過程中，既要有理論知識，也要重視實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，往往在設(shè)計(jì)過程

3、中，既要有理論知識，也要重視實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，往往還要配合許多局部和整體的試驗(yàn)。還要配合許多局部和整體的試驗(yàn)。所謂校正：就是在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可根據(jù)需要而改變所謂校正：就是在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可根據(jù)需要而改變的機(jī)構(gòu)或裝置，使系統(tǒng)整個(gè)特性發(fā)生變化，從而滿足給定的的機(jī)構(gòu)或裝置，使系統(tǒng)整個(gè)特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項(xiàng)性能指標(biāo)。各項(xiàng)性能指標(biāo)。工程中常用的校正方法，串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合校工程中常用的校正方法，串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合校 正。正。校正方式串聯(lián)校正 )(sR)(sC)(sG)(sH)(sE)(sGc)(sGo反饋校正 )(sR)(sC)(sH)(sE)(sGo)(sGc校正裝置校正裝置

4、前饋校正復(fù)合校正 )(sR)(sC)(sG)(sH)(sE)(sG)(sGc)(sC)(sG)(sN)(sG)(sGc(b)前饋校正對擾動的補(bǔ)償）(a)前饋校正對給定值處理）+ +- - -+ +R(s)E(s)N(s)C(s)圖3-26 按擾動補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng))(2sG)(1sG)(sGn目前，工業(yè)技術(shù)界多習(xí)慣采用頻率法，對系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。對于時(shí)域指標(biāo)可通過換算得知。6.1 6.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正問題系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正問題6.1.1 6.1.1 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)時(shí)域指標(biāo)穩(wěn)態(tài): 型別、靜態(tài)誤差系數(shù)等動態(tài): 超調(diào)、調(diào)整時(shí)間等頻域指標(biāo)開環(huán)頻率、諧振峰值、諧振頻率增益穿越頻

5、率、幅值裕度和相位裕度 二階系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系707. 02201212rM諧振頻率諧振頻率221nr帶寬頻率帶寬頻率1)21 (21222nb剪切頻率剪切頻率24214(nc相位角裕度相位角裕度242142 arctg諧振峰值諧振峰值超調(diào)量超調(diào)量 %100%21e調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間nst5 . 3 tgtsc7諧振峰值諧振峰值sin1rM超調(diào)量超調(diào)量8 . 11) 1(4 . 016. 0rrMM調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間csKt8 . 11) 1(5 . 2) 1(5 . 122rrrMMMK(2)高階系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系既能以所需要的精度跟蹤輸入信號，又具有比較好的既能以所需要的精

6、度跟蹤輸入信號，又具有比較好的抑制噪聲能力。在控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，輸入信號一般抑制噪聲能力。在控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，輸入信號一般是低頻信號，噪聲信號一般是高頻信號。是低頻信號，噪聲信號一般是高頻信號。6.1.2系統(tǒng)帶寬的選擇頻帶寬度是系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。頻帶寬度是系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。如果輸入信號的帶寬為如果輸入信號的帶寬為M0那么Mb)105(請看系統(tǒng)帶寬的選擇的示意圖請看系統(tǒng)帶寬的選擇的示意圖選擇要求：選擇要求：dB)(L0帶寬b330M1n)(j)(jR)(jN)0(j) 0(707. 0j圖圖6-1 6-1 系統(tǒng)帶寬的選擇系統(tǒng)帶寬的選擇噪聲輸入信號6.1.4 基本控制規(guī)律基本控制規(guī)律（

7、1比例比例P控制規(guī)律控制規(guī)律)()(teKtmp(6-1)- -)(tr)(tm)(tc)(tepK - -)(sR)(sE)(sM)(sC)1 (sKp(a)P控制器(b) PD控制器（2 2比例比例- -微分微分PDPD控制規(guī)律控制規(guī)律dttdeKteKtmpp)()()(6-2)提高系統(tǒng)開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤提高系統(tǒng)開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。差，但會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。PD控制規(guī)律中的微分控制規(guī)律能反映輸入信號的變化趨勢，產(chǎn)控制規(guī)律中的微分控制規(guī)律能反映輸入信號的變化趨勢，產(chǎn)生有效的早期修正信號，以增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系生有效的早期修正信號，以增加

8、系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正時(shí)，使系統(tǒng)增加一個(gè)統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正時(shí)，使系統(tǒng)增加一個(gè) 的開環(huán)零點(diǎn)，的開環(huán)零點(diǎn)，使系統(tǒng)的相角裕度提高，因此有助于系統(tǒng)動態(tài)性能的改善，具使系統(tǒng)的相角裕度提高，因此有助于系統(tǒng)動態(tài)性能的改善，具有預(yù)見性。有預(yù)見性。1具有積分具有積分I控制規(guī)律的控制器，控制規(guī)律的控制器，稱為稱為I控制器。控制器。tidtteKtm0)()(6-3)輸出信號輸出信號)(tm與其輸入信號的積分成比例。與其輸入信號的積分成比例。iK為可調(diào)比例系數(shù)為可調(diào)比例系數(shù))(te消失后，輸出信號消失后，輸出信號)(tm有可能是一個(gè)不為零的常量。有可能是一個(gè)不為零的常量。90不宜采用單

9、一的不宜采用單一的I控制器控制器 （3積分積分I控制規(guī)律控制規(guī)律- -)(sR)(sE)(sM)(sCsKi(c)I控制器 當(dāng) 在串聯(lián)校正中，采用在串聯(lián)校正中，采用I控制器可以提高系統(tǒng)的型別無控制器可以提高系統(tǒng)的型別無差度），有利提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。差度），有利提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。 但積分控制增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，使信號產(chǎn)但積分控制增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，使信號產(chǎn)生生 的相角滯后，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。的相角滯后，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。具有比例具有比例-積分控制規(guī)律的控積分控制規(guī)律的控制器，稱為制器，稱為PI控制器。控制器。 - -)(sR)(sE)(sM)(sC)11 (sTKip(d

10、)PI控制器tippdtteTKteKtm0)()()(輸出信號輸出信號)(tm同時(shí)與其輸入信號及輸入信號的積分成比例。同時(shí)與其輸入信號及輸入信號的積分成比例。pK為可調(diào)比例系數(shù)為可調(diào)比例系數(shù)iT 在串聯(lián)校正中，在串聯(lián)校正中，PIPI控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的極點(diǎn)和開環(huán)零點(diǎn)。開環(huán)極點(diǎn)，提高系統(tǒng)的類型，減小穩(wěn)原點(diǎn)的極點(diǎn)和開環(huán)零點(diǎn)。開環(huán)極點(diǎn)，提高系統(tǒng)的類型，減小穩(wěn)態(tài)誤差；開環(huán)零點(diǎn)，提高系統(tǒng)的阻尼程度，緩和態(tài)誤差；開環(huán)零點(diǎn)，提高系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PIPI對系統(tǒng)產(chǎn)生對系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響。的不利影響。（4比例-積分PI控制規(guī)律(6-4)為可調(diào)積分時(shí)間系數(shù)為可調(diào)積分時(shí)間系數(shù) PI控制器主要用來改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。（5比例PID控制規(guī)律- -)(sR)(sE)(sM)(sC)11 (ssTKip具有比例具有比例-積分積分-微分控制規(guī)律的微分控制規(guī)律的控制器，稱為控制器，稱為PID控制器。控制器。dttdeKdtteTKteKtmptipp)()()()(0(6-5)11 ()(ssTKsGipc)1(2ssTsTTKiiipsssTKip) 1)(1(21(6-6)411 (211iiTT)411 (212iiTT假設(shè)14iT(e) PID控制器I