自动控制理论 第三章 控制系统的时域分析 3.3 二阶系统的瞬态响应

4.7 控制器的设计

4.7.1 控制系统的校正在控制工程中，为了满足特定任务的要求，总是预先给出系统的性能指标，要求设计出一个良好性能的控制系统。控制系统的性能指标，主要反映了对控制系统的稳定性，控制过程的快速性、超调量和控制精度方面的要求。

组成控制系统的被控对象、传感器、信号变换器、执行机构等是控制系统的重要设备和装置。但这些设备和装置的性能往往不可变动或只能允许稍作变动。我们可以认为这是控制系统的不可变部分。如果只由这些设备组成控制系统，控制系统的性能当然也是不可变动的。这个系统的性能很难满足预先给定的性能指标，但又无法调整。解决这个问题的办法就是在系统中人为引入一个可以调整的附加装置，称为控制器。通过调整控制器的参数，使系统最终满足性能指标的要求。控制器有些情况下也称为校正装置。由此可见，控制器的设计是控制系统设计的核心。确定控制器的功能、结构和参数的过程称为控制系统的校正。

图4.31是系统的结构示意图。图中的是被控对象的传递函数，代表了系统的不可调整部分。图中的就是控制器。由于控制器和串联在系统的前向通道上，我们称这种连接方法为串联校正。

图4.31 串联校正

有时，把校正装置连接成系统内部反馈回路，也可以起到校正作用。如图4.32所示。图中，,是系统的固定部分。通过引入一局部反馈，把校正装置在局部反馈的反馈通道中，改变系统局部动态特性从而使系统的整体性能获得改善。由于校正装置是在局部反馈回路中，所以称这种方法为局部反馈校正或并联校正。

图4.32 局部反馈校正

系统校正的方法可以采用时域法、根轨迹法或频率法。当所设计的控制系统的性能指标是以频域指标形式给出时，一般都采用频率法校正。本节只讨论频率法校正问题。读者若想了解更多的校正方法，请参阅其他书籍。

频率法校正的过程是:根据给定的性能指标，找出与性能指标相对应的开环频率特性，称之为预期频率特性，然后与系统的不可变部分的频率特性相比较，根据两者的差别，确定校正装置的频率特性和参数。总之，最终应使加入校正装置的频率特性与预期的频率特性一致。

4.7.2 串联校正在控制工程中，串联校正应用比较广泛。串联校正装置主要有三种形式，即超前校正、迟后校正和迟后超前校正。串联校正装置的物理实现，有气动式、液压式、机械式、电子式等多种结构形式。其中，以电阻、电容和集成运算放大器构成的无源或有源校正装置最为普遍。