线性系统校正
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线性系统的校正试验报告
线性系统的校正试验报告一、引言线性系统是指输入与输出之间存在线性关系的系统。
在实际应用中，为了保证系统的准确性和可靠性，需要对线性系统进行校正。
本次试验的目标是校正线性系统，测试其输入与输出之间的线性关系，并验证其准确性和可靠性。
二、实验目的1.校正线性系统，获取其输入与输出之间的线性关系。
2.验证线性系统的准确性和可靠性。
三、实验仪器与材料1.线性系统2.信号发生器3.示波器4.电缆5.计算机四、实验步骤1.连接实验仪器与材料，确保信号发生器与示波器与线性系统的输入与输出正确连接。
2.设置信号发生器的输出信号频率和幅度，并记录相关参数。
3.将信号发生器输出信号连接至线性系统的输入端口，将示波器连接至线性系统的输出端口。
4.通过示波器观察线性系统的输出波形，并记录相关参数。
5.重复步骤2至4，获取多组输出波形数据。
6.根据信号发生器的输出信号和示波器的输出波形数据，绘制输入与输出之间的线性关系曲线。
7.分析曲线的线性程度，评估线性系统的准确性和可靠性。
五、实验结果与分析根据实验步骤所获得的数据，绘制输入与输出之间的线性关系曲线。
根据曲线的趋势和拟合度，可以判断线性系统的准确性和可靠性。
六、结论根据实验结果与分析，可以得出线性系统在一定范围内满足线性关系，但在较大输入幅度时可能存在非线性失真。
线性系统的准确性和可靠性需要根据具体应用场景进行评估，对于要求较高准确性和可靠性的应用，可能需要进行进一步校正或选择其他更适合的系统。
七、实验心得通过这次实验，我对线性系统的校正工作有了更深入的了解。
在实际应用中，校正线性系统是确保系统准确性和可靠性不可或缺的一步，对于研究和开发工作具有重要意义。
同时，实验过程中也学会了使用信号发生器和示波器进行测量和观察，提高了实验操作能力。
[1]系统校正方法与技术研究，XXX，XXX出版社，2024年。
[2]信号源与示波器的使用方法，XXX，XXX期刊，20XX年。
线性系统的校正 实验报告
线性系统的校正实验报告翻译：摘要：本实验通过给定的线性系统对其进行校正，在不同的频率下对系统进行稳态和瞬态测试，通过测试结果分析系统性能和误差，掌握线性系统的基本原理和校正方法。
引言：线性系统广泛应用于各种工业、科技领域，而线性系统的准确度和稳定性关系到整个系统的效率和安全性。
因此，对线性系统进行校正是保证其正常运行的必要手段。
本实验将针对一个给定的线性系统进行校正，分析其校正效果。
实验设计：1. 实验仪器本实验要求使用信号发生器、数字脉冲计数器和示波器。
2. 实验内容（1）信号发生器的设置设置输出波形类型和频率，使其跟线性系统的工作频率相同。
（2）数字脉冲计数器的设置通过数字脉冲计数器测试稳态和瞬态响应，并对脉冲计数器进行校准。
（3）示波器的设置观测线性系统的输出信号，分析系统的稳态和动态响应。
（4）线性系统的测试使用信号发生器输入不同频率的正弦波和方波信号，观测输出信号，并记录数字脉冲计数器的计数。
3.实验步骤（1）准备工作将信号发生器和示波器连接线性系统的输入和输出接口，调节信号发生器的频率和幅度。
（2）瞬态响应测试在信号发生器上输入方波信号，在示波器上观测输出信号的瞬态响应，通过计数器获取相关数据。
在信号发生器上输入正弦波信号，通过调整幅度和相位，使其和线性系统的工作频率相同，记录计数器的数据，并分析系统的稳态响应。
结果分析：通过本实验的测试，得到了不同频率下线性系统的稳态和瞬态响应。
观察稳态响应的幅频响应曲线，分析系统的性能。
通过瞬态响应和数字脉冲计数器的数据，计算误差，判断系统的准确度和稳定性。
运用基本的线性系统校准方法对系统进行校准，进一步提高系统的准确度和稳定性。
结论：。
线性系统校正方法-系统的设计与校正问题
γ 180 G(jωc ) 90 tg1
1 4ζ 4 2ζ 2 tg1
2ζ
2ζ 1 4ζ 4 2ζ 2
ωc ω n 1 4ζ 4 2ζ 2
系统的设计与校正问题
90
60
30
0
0 0.4 0.8
100
1.2 1.6 2.0
0 60
3 Mr
2 Mr
1
p
p
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
• 稳态特性－－反映了系统稳定后的精度，
• 动态特性－－反映了系统响应的快速性。
• 人们追求的是稳定性强，稳态精度高，动态响应快。
• 不同域中的性能指标的形式又各不相同：
• 1.时域指标：超调量σp、过渡过程时间t s、以及
•
峰值时间tp、上升时间tr等。
• 2.频域指标：（以对数频率特性为例）
• ① 开环：剪切频率ωc、相位裕量r及增益裕量 Kg等。
稳 由运动方程的系数 态 决定。
系统工作点处对应的 取决于系统低频段特
开环根轨迹增益K1越 性，型号数相同，低
大，ess越小。
频段幅值越大，ess越小
动 态
过渡过程时间： ts 最大超调量 ： σP （及tr、tP、td、振 荡次数u等）。
ts越短，σP越小， 动态特性越好。
主要取决于系统主导 主要取决于频率特性中
极点位置。
频段的特性。参数：
主要特性参数：
相位裕量：γ
阻尼比 ： ζ
无阻尼自然频率：ωn 主导极点距虚轴越近 ，系统振荡越厉害。
增益剪切频率：ωc γ越小，振荡越厉害，
ωc越大，响应速度越快
线性系统的校正方法>>系统的设计与校正问题
自动控制原理课件：线性系统的校正
1 s
U i (s) 1 ( R1 R2 )Cs 1 s
➢在整个频率范围内相位都
滞后，相位滞后校正。
滞后环节几乎不影响系统的高频相位；
但使系统的高频幅值衰减增大
19
01 滞后校正装置的频率特性：
20 lg Gc ( j )
1
m
j 1
Gc ( j )
线性系统的校正
CONTENTS
目
录
6.1
校正的基本概念
6.2
线性系统的基本控制规律
6.3
常用串联校正及特性
6.4
期望特性串联校正
6.5
MATLAB在线性控制系统校正
中的应用
6.1
校正的基本概念
为某种用途而设计的控制系统都必须满足一定的性能指标，如时域指标、
频域指标及广义的误差分析性能指标。
自动控制系统一般由控制器及被控对象组
m sin 1
1
1
1 sin m
1 sin m
11
03
小结
１．相位超前校正装置具有正的相角特性，利用这个特性，
可以使系统的相角裕量增大．
２．当 m 时，相角超前量最大．
３．最大超前角 m仅与 有关， 越小， m 越大．其关系可用
曲线表示．
13
02
3．选用相位超前校正装置．根据对相角裕量的要求，计算需
产生的最大相角超调量
0 40 15.52 5.52 30
4.
根据 m 确定 值
1 sin 30
0.333
1 sin 30
14
U i (s) 1 ( R1 R2 )Cs 1 s
➢在整个频率范围内相位都
滞后，相位滞后校正。
滞后环节几乎不影响系统的高频相位；
但使系统的高频幅值衰减增大
19
01 滞后校正装置的频率特性：
20 lg Gc ( j )
1
m
j 1
Gc ( j )
线性系统的校正
CONTENTS
目
录
6.1
校正的基本概念
6.2
线性系统的基本控制规律
6.3
常用串联校正及特性
6.4
期望特性串联校正
6.5
MATLAB在线性控制系统校正
中的应用
6.1
校正的基本概念
为某种用途而设计的控制系统都必须满足一定的性能指标，如时域指标、
频域指标及广义的误差分析性能指标。
自动控制系统一般由控制器及被控对象组
m sin 1
1
1
1 sin m
1 sin m
11
03
小结
１．相位超前校正装置具有正的相角特性，利用这个特性，
可以使系统的相角裕量增大．
２．当 m 时，相角超前量最大．
３．最大超前角 m仅与 有关， 越小， m 越大．其关系可用
曲线表示．
13
02
3．选用相位超前校正装置．根据对相角裕量的要求，计算需
产生的最大相角超调量
0 40 15.52 5.52 30
4.
根据 m 确定 值
1 sin 30
0.333
1 sin 30
14
自动控制原理第六章线性系统的校正方法
对数幅频特性曲线如下图
16
10 3) 预选Gc(s)=τs+1，则 Gk ( s ) = (τs + 1) s ( s + 1)
′ 要求τ使系统满足 γ ′′ 和 ω c′ 的要求。 ′ 选择 ω c′=4.4dB/dec，求τ，则：
" L( wc ) = 20 lg 10 − 20 lg 4.4 − 20 lg 4.4 + 20 lg 4.4τ
1 / 2T 则 Gk ( s ) = s (Ts + 1)
其相频特性为： ϕ (ω ) = −90o − arctan Tω
1 = 63.5o γ (ωc ) = 180 + ϕ (ωc ) = 180 − 90 − arctan T ⋅ 2T
o o o
h=∞
21
∴由 ξ = 0.707 得性能指标为：
2
N R E
串联 校正 控制器 对象
已知被控对象数学模型 G p (s)，即根据生产要求而 得到的系统数学模型，称为 固有部分数学模型，在工程 实际中是不能改变的。
C
反馈 校正
根据固有数学模型和性能要求进行分析，若现有闭环情况 下没有满足的性能指标或部分没有满足要求的性能指标，则人 为的在固有数学模型基础上，另加一些环节，使系统全面满足 性能指标要求，这个方法或过程称为校正，也称为系统设计。 所附加的环节被称为控制器，其物理装置称为校正装置。 通常记为Gc(s)
2 2 典型二阶系统可表示为： ωn ωn Φ(s) = 2 Gk ( s) = 2 s ( s + 2ξω n ) s + 2ξω n s + ω n
ξ
19
2 ωn C ( jω ) Φ ( jω ) = = =1 2 2 R ( jω ) ( jω ) + 2ξωn ⋅ jω + ωn 2 ωn
第六章 线性系统的校正方法
L(ω)
60 40 20 0.01 0.24 0.1 0.27 1 2.7 10
L(ω)
-900
460
-1800
{
由 得 c ' =12rad / s,因 算 图 ω 而 得
γ = 900 arctg(0.1 c ' ) arctg(0.2ωc ' ) = 27.60 ω
说明未校正系统不稳定，此系统即为截止频率处 相角迅速减小的情况，不宜采用超前校正。
γ "= m + γ (ωc ")
若不满足要求，重选ω 增大， 若不满足要求，重选ωm=ωc”，使ωc”增大， 重复(3)(4) (3)(4)， 0， 重复(3)(4)，若算出 a >> 0，则超前校正已 无能为力，需另选它法。 无能为力，需另选它法。
例6-3.如下系统 要求ess≤0.1(在单位斜坡输入下 如下系统,要求 在单位斜坡输入下), 如下系统 要求 在单位斜坡输入下 开环截止频率ω ”≥4.4rad/s,相角裕度 开环截止频率ωc”≥4.4rad/s,相角裕度 γ”≥450,幅值裕度 幅值裕度h”≥10dB,试设计超前网络 试设计超前网络. 幅值裕度 试设计超前网络
要点：利用超前环节的相位超前特性,使交接频率 要点：利用超前环节的相位超前特性 使交接频率 1/aT 和 1/T 位于穿越频率的两旁，用 m 来补偿系统 位于穿越频率的两旁， 的相位裕量。 的相位裕量。 步骤： 步骤： (1)根据稳态误差要求，确定开环增益 K。 根据稳态误差要求， 。 根据稳态误差要求 (2)计算未校正系统的相角裕度。 计算未校正系统的相角裕度。 计算未校正系统的相角裕度 (3)根据 或设定试探 ωc”的要求，计算超前网络 根据(或设定试探 的要求， 根据 或设定试探) 的要求 的参数a和 。 的参数 和T。 ωc”的选定，一方面要根据系统响应速度来确定， 的选定， 的选定 一方面要根据系统响应速度来确定， 也要根据相角裕度等综合考虑。 也要根据相角裕度等综合考虑。
第六章线性系统的校正方法
第六章线性系统的校正方法第六章线性系统的校正方法一、教学目的与要求：通过对本章内容的讲述，要让学生懂得校正的目的，校正的基本方式。
掌握控制系统的基本控制规律，常用校正装置的特点与功能，串联超前、滞后、滞后- 超前校正的设计步骤。
关键是通过这些知识的学习，将前面几章的内容综合起来加以运用，本章知识是在实际应用中的指导思想。
二、授课主要内容：1．系统的设计与校正问题1）性能指标2）校正方式3）基本控制规律2．常用校正装置及其特性1）无源校正装置2）有源校正装置3．串联校正1）串联超前校正2）串联滞后校正3）串联滞后—超前校正（详细内容见讲稿）三、重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）（1）重点掌握的内容1）掌握用解析法设计一阶、二阶串联校正装置的方法。
2）掌握本书介绍的两大类利用Bode 图设计串级校正装置的频率域方法。
3）掌握本书中介绍的前馈校正装置（包括前置滤波器）的设计方法。
（2）一般掌握的内容1）掌握用解析法设计串联PID 控制器的方法。
2）掌握用解析法设计并联校正装置的方法。
（3）一般了解的内容1）了解校正的四大方式及其作用。
2）了解校正装置的RC 网络实现的物理构成。
3）了解解析法设计一般二次校正装置的思想。
4）了解频率域与时域指标间的互换公式。
四、主要外语词汇性能指标performance specification 校正方式compensation mode 基本控制规律basic control rule 串联校正series compensation 反馈校正feedbackcompensation 超前校正lead compensation 滞后校正lag compensation 超前-滞后校正lag-lead compensation 复合校正complex compensation五、辅助教学情况（见课件）六、复习思考题1. 什么是控制系统的校正？什么是串联校正方式？校正装置的选取原则是什么？2. 简述串联校正方式中调节器的设计方法并说明各设计方法的特点？3. 比例微分控制规律对改变系统的性能有什么作用？4. 比例积分控制规律对改变系统的性能有什么作用？5. Kc、Ti 及Td 改变后对系统控制质量的影响如何?6. 分析积分作用的强弱，对系统有何影响？7. 将PID 环节中的微分部分改为不完全微分形式，曲线形状如何？七、参考教材（资料）1．《自动控制理论与设计》曹柱中徐薇莉编上海交通大学出版社2．《自动控制原理》翁思义杨平编著中国电力出版社参考两书第六章有关内容。
线性系统的校正方法《自动控制原理》
(1) 反向端输入的有源调节器
反向端输入有源调节器的电路如下图:
图中:
是输入阻容网络的等效阻抗,
是反馈阻容网络的等效
阻抗, 传递函数为:
用不同的阻容网络构成
﹑
就可得到不同的调节规律. 可见教材
P.233表6-2典型的有源调节器. (2) 同向端输入的有源调节器 同向端输入有源调节器的电路 如右图:
设
产生一个小偏差
, 则
变为
, 其相对增量为:
, 采用位置反馈后, 变化前的传递系数为
变化后的增量
, 其相对增量为:
2. 复合控制 工程实际中的系统往往受各种干扰的影响, 当控制系统对在 干扰影响的动静态性能提出很高要求时, 单纯用反馈控制一般难 以满足要求, 此时可考虑采用复合控制的手段. 下面简要介绍针 对干扰作用下的复合控制的方法和特点.
4
特性法设计系统, 都是通过闭环系统的开环特性进行的, 用对数
5
频率特性法设计系统, 就需通过闭环系统的开环对数频率特性进
6
行设计. 下面还是通过具体例子加以说明.
7
6-3 串联校正
例1 设单位负反馈系统的开环传递函数为:
若要求系统的速度误差系数KV =20, 相角裕量
,幅
值裕量
, 试设计串联超前校正装置.
解: (1)确定系统的开环放大倍数.并画开环对数幅频特性曲线
2.串联超前校正
分析当K=20时, 原系统是否满足动态要求.
由于超前网络的放大倍数为
态误差系数降低, 故需再串接一放大倍数为
由上计算可知, 原系统当K=20时, 闭环虽稳定, 但相角裕量仅为 18度, 将会有较大的超调, 不满足相角裕量大于等于50度的动态 要求, 可采用串联超前网络给以校正. 设计网络参数超前网络的传递函数为:
线性系统的校正方法
-5
-10
20 lg b
m
1 T b
-15
-20 -1 10
10
0
0
1 T
10
1
1 bT
10
2
1 b m arcsin 1 b
-10 -20 -30 -40 -50 -60 -1 10
0 1 2
m
10
m
10
10
3.滞后－超前网络
C1 R1
网络的传函:
(1 R1C1s)(1 R2C2 s) Gc ( s) (1 R1C1s)(1 R2C2 s) R1C2 s
如果输入信号的带宽为 则系统带宽频率
0 ~ M
b (5 ~ 10)M
dB 0 0.707 ( j 0) 3
( j 0)
L()
( j)
3
带宽
b
输入 信号
R( j) N ( j)
噪声
0
M
1
n
图6-1 系统带宽的选择
三、校正方式(按照校正装置在系统中的连接 方式)
m
1 T
φm
滞后网络对数坐标图
二、有源校正网络
实际控制系统中无源校正网络被广泛采 用，但由于负载效应问题和复杂网络设计与 调整困难问题，有时采用有源校正网络对系 统进行校正，把无源网络接在运算放大器的 反馈通路中，就构成有源校正网络。
超前 滞后
滞后－超前网络的零、极点分布
1 1 T 1 T 1
1 bT2
1 T2
0
j
超前
滞后
{
{
二、有源校正装置
Z1 Z2
A
第六章_线性系统的校正方法
若输入信号的带宽：
中频区
0 ~ M
噪声信号主要作用的频带为：
1 ~ n
而且使
1 ~ n
b (5 ~ 10) M
处于
0 ~ b 之外。
0
M
1
n
b
第一节 系统的设计与校正问题 三、 校正方式 串联校正、反馈校正、前馈校正、复合校正 1、串联校正与反馈校正
R( s )
N (s)
(Ta s 1)( T20 1)a b s log Gc ( s) , (T1s 1 Ts ()( Ta 1)1) 2s 网络的滞后 T1T2 TaTb , ( aTa s 1) 部分： T1 T2 Ta Tb Tab
a
T2 1 T1 Ta , , T1 Tb a Tb T1 aTa , T2 a (Ta s 1) (Tb s 1) Gc ( s) , (aTa s 1) Tb ( s 1) a
1 4 2
4
2
第一节 系统的设计与校正问题 相角裕度
arctg
2 1 4 4 2 2
1 2
超调量
% e
ts
100%
调节时间
3.5
n
7 c t s tg
第一节 系统的设计与校正问题 二、 系统带宽的确定
一般要求系统的稳定裕度在45o左右 的斜率为-20dB/dec
2
第三节 串联校正
2．超前校正装置的设计
超前校正是利用相位超前特性来增加系 统的相角稳定裕量，利用幅频特性曲线的正斜 率段增加系统的穿越频率。从而改善系统的平 稳性和快速性。为此，要求校正装臵的最大超 前角出现在系统校正后的穿越频率处。
中频区
0 ~ M
噪声信号主要作用的频带为：
1 ~ n
而且使
1 ~ n
b (5 ~ 10) M
处于
0 ~ b 之外。
0
M
1
n
b
第一节 系统的设计与校正问题 三、 校正方式 串联校正、反馈校正、前馈校正、复合校正 1、串联校正与反馈校正
R( s )
N (s)
(Ta s 1)( T20 1)a b s log Gc ( s) , (T1s 1 Ts ()( Ta 1)1) 2s 网络的滞后 T1T2 TaTb , ( aTa s 1) 部分： T1 T2 Ta Tb Tab
a
T2 1 T1 Ta , , T1 Tb a Tb T1 aTa , T2 a (Ta s 1) (Tb s 1) Gc ( s) , (aTa s 1) Tb ( s 1) a
1 4 2
4
2
第一节 系统的设计与校正问题 相角裕度
arctg
2 1 4 4 2 2
1 2
超调量
% e
ts
100%
调节时间
3.5
n
7 c t s tg
第一节 系统的设计与校正问题 二、 系统带宽的确定
一般要求系统的稳定裕度在45o左右 的斜率为-20dB/dec
2
第三节 串联校正
2．超前校正装置的设计
超前校正是利用相位超前特性来增加系 统的相角稳定裕量，利用幅频特性曲线的正斜 率段增加系统的穿越频率。从而改善系统的平 稳性和快速性。为此，要求校正装臵的最大超 前角出现在系统校正后的穿越频率处。
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➢通过引入积分控制作用以改善系统的稳态性能。 ➢通过比例控制作用来调节积分作用所导致相角滞 后对系统的稳定性所带来的不利影响。
线性系统校正
四、PID控制
(1s1)(1s1)
G c(s)U E((ss))KpT 1 isTdsT1
T2 T2s
T1,2
1 2Td
[Kp
K24Td ] T p
i
一个纯积分环节 两个负实部零点
二、比例微分（PD）控制 U(s)
Gc(s)E(s)KpTds
微分控制具有预测特性。 Td 就是微分控制作用超前于比例控制作用效 果的时间间隔。
！微分控制不可能预测任何不存在的作用。
线性系统校正
若取 K p =1
Gc(s)U E((ss)) 1Tds
G c(j)1jT d
Lc()20lg1Td22
第六章 自动控制系统的校正
第一节 线性系统校正的概念 第二节 线性系统基本控制规律 第三节 常用校正装置及特点 第四节 校正装置设计的方法和依据 第五节 串联校正的设计 第六节 反馈校正的设计 第七节 反馈和前馈复合控制 第八节 MATLAB在线性系统校正中的应用
线性系统校正
第一节 线性系统校正的概念
近似有：
Lc
(
)
20lg i
0, (i
,( d
i
)
)
20 lg
d
, (
d
)
线性系统校正
90,( 0)
c() 0,( id )
90
,
(
)
第三节 常用校正装置及特点
校正装置
无源校 正装置
无相移校正装置 相位超前校正装置 相位滞后校正装置 相位滞后—超前校正装置
有源校 正装置
开环增益Ｋ，积分环节个数 相角裕量
增益裕量 GM
谐振峰值 截止频率
线性系统校正
Mr b c
四、校正方式
串联校正
并联校正（反馈校正） 复合（前馈、顺馈）校正
线性系统校正
➢校正方式选择需要考虑的因素 系统中信号的性质；技术方便程度；可供选择的元件；其它
性能要求（抗干扰性、环境适应性等）； 经济性…
➢串联校正的特点 设计较简单，容易对信号进行各种必要的变换， 但需注意负载效应的影响。
➢反馈校正的特点 可消除系统原有部分参数对系统性能的影响， 元件数也往往较少。
➢同时采用串、并联校正 性能指标要求较高的系统。
线性系统校正
第二节 线性系统基本控制规律
PID (Proportional Integral Derivative )控制： 对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后 形成的一种控制规律。
态性能没有变化。
单独的微分控制仅仅在 系统的瞬态过程中起作 用，一般不单独使用。
三、比例积分（PI）控制 G c(s)U E((ss))KpT 1 isKpT Tiis s1
调节Ti 影响积分控制作用； 调节Kp既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。
由于存在积分控制，PI控制器具有记忆功能。
线性系统校正
Gc(s)
U(s) E(s)
Kp
Lc()20lgKp
Gc(j)Kp c() 0
比例控制器实质是一种增益可调的放大器
线性系统校正
Kp>1 开环增益加大，稳态误差减小；幅值穿越频率增大，过渡 过程时间缩短；系统稳定程度变差。 原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。
Kp<1
对系统性能的影响正好相反。 线性系统校正
若取 K p =1
Gc(s)U E((ss))
1 1 Tis
Gc(
j)
1 jTi jTi
Lc()2l0g1T i222g 0i T
c()artc giT 90
转折频率1=1/Ti
一个积分环节 提高系统的稳态精度 一个开环零点弥补积分环节对系统稳定性的不利影响
线性系统校正
线性系统校正
Kp＝1
➢系统型次提高， 稳态性能改善。
无相移校正装置 相位超前校正装置 相位滞后校正装置
一、控制系统的组成 控制系统
不可变部分
执行机构 被控对象 检测装置
可变部分
放大器、校正装置
(设计系统)
迫使系统满足给定的性能
线性系统校正
二、控制系统的设计任务
➢根据被控对象及其控制要求，选择适当的控制器及 控制规律设计一个满足给定性能指标的控制系统。
校正(补偿)：通过改变系统结构，或在系统中增加 附加装置或元件对已有的系统（固有部分）进行再 设计使之满足性能要求。
(校正装置)
控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置
线性系统校正
三、控制系统的性能指标
在前面几章中我们详细讨论了分析控制系统的 方法，同时也了解了衡量一个系统性能好坏的标准。 如果系统是稳定的，那么衡量系统性能的标准有两 个方面：稳态性能指标和暂态性能指标。
时域
频域
稳态 暂态
稳态误差 e sr 上升时间 t r 超调量 M p 峰值时间 t p 调节时间 t s
提高稳态精度 提高动态性能
线性系统校正
Kp＝1
2
1j
Gc(j)1j1TijTd
i id j
i
i
1 Ti
,d
1 Td
Lc()2l0g(1 i 2d)2 i2 22l0g i
c()Biblioteka tg11i 2
90
id
线性系统校正
通常PID 控制器中 i < d（即Ti > Td ）
➢在低频段，PID控制器通过积分控制作用,改善了系统的稳态性能； ➢在中频段，PID控制器通过微分控制作用,有效地提高了系统的动态性能。
➢相位裕量减小， 稳定程度变差。
Kp< 1
➢系统型次提高， 稳态性能得到改善
➢系统从不稳定变为 稳定（稳定性变好） ➢c减小,快速性变差
线性系统校正
由于 c() tg 1 T i 90 0 导致引入PI控制器
后，系统的相位滞后增加，因此，若要通过PI控制 器改善系统的稳定性，必须有Kp< 1，以降低系统 的幅值穿越频率。
c()artg c（ Td） 转折频率1=1/Td
预先作用抑制阶跃响应的超调 缩短调节时间
线性系统校正
线性系统校正
PD控制通过引入微 分作用改善了系统的 动态性能
➢高频段增益上升，可 能导致执行元件输出 饱和，并且降低了系 统抗干扰的能力；
➢相位裕量增加，稳定 性提高；
➢c增大，快速性提高 ➢Kp＝1时，系统的稳
线性系统 基本控制 规律
比例控制（P） 积分控制（I） 微分控制（D）
Proportion Integral Derivative
➢ P、PI、PD 或PID 控制
➢ 适用于数学模型已知及大多数数学模型难以确 定的控制系统或过程。
➢ PID 控制参数整定线方性系便统校，正结构灵活
一、比例控制（P）
线性系统校正
四、PID控制
(1s1)(1s1)
G c(s)U E((ss))KpT 1 isTdsT1
T2 T2s
T1,2
1 2Td
[Kp
K24Td ] T p
i
一个纯积分环节 两个负实部零点
二、比例微分（PD）控制 U(s)
Gc(s)E(s)KpTds
微分控制具有预测特性。 Td 就是微分控制作用超前于比例控制作用效 果的时间间隔。
！微分控制不可能预测任何不存在的作用。
线性系统校正
若取 K p =1
Gc(s)U E((ss)) 1Tds
G c(j)1jT d
Lc()20lg1Td22
第六章 自动控制系统的校正
第一节 线性系统校正的概念 第二节 线性系统基本控制规律 第三节 常用校正装置及特点 第四节 校正装置设计的方法和依据 第五节 串联校正的设计 第六节 反馈校正的设计 第七节 反馈和前馈复合控制 第八节 MATLAB在线性系统校正中的应用
线性系统校正
第一节 线性系统校正的概念
近似有：
Lc
(
)
20lg i
0, (i
,( d
i
)
)
20 lg
d
, (
d
)
线性系统校正
90,( 0)
c() 0,( id )
90
,
(
)
第三节 常用校正装置及特点
校正装置
无源校 正装置
无相移校正装置 相位超前校正装置 相位滞后校正装置 相位滞后—超前校正装置
有源校 正装置
开环增益Ｋ，积分环节个数 相角裕量
增益裕量 GM
谐振峰值 截止频率
线性系统校正
Mr b c
四、校正方式
串联校正
并联校正（反馈校正） 复合（前馈、顺馈）校正
线性系统校正
➢校正方式选择需要考虑的因素 系统中信号的性质；技术方便程度；可供选择的元件；其它
性能要求（抗干扰性、环境适应性等）； 经济性…
➢串联校正的特点 设计较简单，容易对信号进行各种必要的变换， 但需注意负载效应的影响。
➢反馈校正的特点 可消除系统原有部分参数对系统性能的影响， 元件数也往往较少。
➢同时采用串、并联校正 性能指标要求较高的系统。
线性系统校正
第二节 线性系统基本控制规律
PID (Proportional Integral Derivative )控制： 对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后 形成的一种控制规律。
态性能没有变化。
单独的微分控制仅仅在 系统的瞬态过程中起作 用，一般不单独使用。
三、比例积分（PI）控制 G c(s)U E((ss))KpT 1 isKpT Tiis s1
调节Ti 影响积分控制作用； 调节Kp既影响控制作用的比例部分，又影响积分部分。
由于存在积分控制，PI控制器具有记忆功能。
线性系统校正
Gc(s)
U(s) E(s)
Kp
Lc()20lgKp
Gc(j)Kp c() 0
比例控制器实质是一种增益可调的放大器
线性系统校正
Kp>1 开环增益加大，稳态误差减小；幅值穿越频率增大，过渡 过程时间缩短；系统稳定程度变差。 原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。
Kp<1
对系统性能的影响正好相反。 线性系统校正
若取 K p =1
Gc(s)U E((ss))
1 1 Tis
Gc(
j)
1 jTi jTi
Lc()2l0g1T i222g 0i T
c()artc giT 90
转折频率1=1/Ti
一个积分环节 提高系统的稳态精度 一个开环零点弥补积分环节对系统稳定性的不利影响
线性系统校正
线性系统校正
Kp＝1
➢系统型次提高， 稳态性能改善。
无相移校正装置 相位超前校正装置 相位滞后校正装置
一、控制系统的组成 控制系统
不可变部分
执行机构 被控对象 检测装置
可变部分
放大器、校正装置
(设计系统)
迫使系统满足给定的性能
线性系统校正
二、控制系统的设计任务
➢根据被控对象及其控制要求，选择适当的控制器及 控制规律设计一个满足给定性能指标的控制系统。
校正(补偿)：通过改变系统结构，或在系统中增加 附加装置或元件对已有的系统（固有部分）进行再 设计使之满足性能要求。
(校正装置)
控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置
线性系统校正
三、控制系统的性能指标
在前面几章中我们详细讨论了分析控制系统的 方法，同时也了解了衡量一个系统性能好坏的标准。 如果系统是稳定的，那么衡量系统性能的标准有两 个方面：稳态性能指标和暂态性能指标。
时域
频域
稳态 暂态
稳态误差 e sr 上升时间 t r 超调量 M p 峰值时间 t p 调节时间 t s
提高稳态精度 提高动态性能
线性系统校正
Kp＝1
2
1j
Gc(j)1j1TijTd
i id j
i
i
1 Ti
,d
1 Td
Lc()2l0g(1 i 2d)2 i2 22l0g i
c()Biblioteka tg11i 2
90
id
线性系统校正
通常PID 控制器中 i < d（即Ti > Td ）
➢在低频段，PID控制器通过积分控制作用,改善了系统的稳态性能； ➢在中频段，PID控制器通过微分控制作用,有效地提高了系统的动态性能。
➢相位裕量减小， 稳定程度变差。
Kp< 1
➢系统型次提高， 稳态性能得到改善
➢系统从不稳定变为 稳定（稳定性变好） ➢c减小,快速性变差
线性系统校正
由于 c() tg 1 T i 90 0 导致引入PI控制器
后，系统的相位滞后增加，因此，若要通过PI控制 器改善系统的稳定性，必须有Kp< 1，以降低系统 的幅值穿越频率。
c()artg c（ Td） 转折频率1=1/Td
预先作用抑制阶跃响应的超调 缩短调节时间
线性系统校正
线性系统校正
PD控制通过引入微 分作用改善了系统的 动态性能
➢高频段增益上升，可 能导致执行元件输出 饱和，并且降低了系 统抗干扰的能力；
➢相位裕量增加，稳定 性提高；
➢c增大，快速性提高 ➢Kp＝1时，系统的稳
线性系统 基本控制 规律
比例控制（P） 积分控制（I） 微分控制（D）
Proportion Integral Derivative
➢ P、PI、PD 或PID 控制
➢ 适用于数学模型已知及大多数数学模型难以确 定的控制系统或过程。
➢ PID 控制参数整定线方性系便统校，正结构灵活
一、比例控制（P）