自动化控制论文
对几种自动化控制校正方式和装置的适用性分析
根据被控对象及其技术指标要求设计控制系统，需要进行大量的分析计算，需要考虑的问题是多方面的。而控制系统的校正，则无疑是很重要的一个方面。本文将对几种校正方式和装置的适用性，作出一些分析。
一、串联校正
采用无源超前网络进行串联校正时，校正后的系统开环放大系数将会下降，这样就满足不了稳态误差的要求，因此网络对开环放大系数的衰减需由提高放大器放大系数来补偿。
利用超前网络进行串联校正的原理，是利用超前网络的相角超前特性。只要正确的将超前网络的交接频率1/aT和1/T选在待校正系统截止频率的两旁，并适当选择参数a和T，就可以使已校正网络的截止频率和相角裕度满足性能指标要求，从而改善闭环系统的动态性能。而闭环系统的稳态性能要求，可通过选择已校正系统的开环增益来保证。
然而，在有些情况下，采用串联超前校正是无效的。由于串联超前校正受闭环带宽的要求，因此，若未校正系统不稳定，为了得到规定的相角裕度，需要超前网络提供很大的相角超前量。这样，超前网络的a值必须选的很大，从而造成已校正系统带宽过大，使得通过系统的高频噪声电平很高，很可能使系统失控。除此之外，在截止频率附近相角迅速减小的未校正系统，一般不宜采用串联超前校正。因为
随着截止频率的增大，未校正系统相角迅速减小，使已校正系统的相角裕度改善不大，很难得到足够的相角超前量。此时，系统可采用其它方法进行校正，如：采用多级的串联超前网络进行串联超前校正，或采用一个迟后网络进行串联迟后校正，也可以采用测速反馈校正。
迟后网络对低频信号不产生衰减，而对高频信号有削弱作用，相频特性呈迟后特性。采用无源迟后网络进行串联校正时，主要是利用其高频幅值衰减的特性，以降低系统的开环截止频率，提高系统的相角裕度。因此，力求避免最大迟后角发生在已校正系统开环截止频率附近。在系统影响速率要求不高而抑制噪声电平性能要求较高的情况下，可考虑采用串联迟后校正，如果未校正系统已具备满意的动态性能，仅稳态误差不满足动态要求，也可以采用串联迟后校正以提高系统的稳态精度，同时保持其动态性能基本不变。
串联迟后---超前校正兼有迟后校正合和超前校正的优点，即已校正系统响应速度较快，超调量较小，抑制高频噪声的性能也比较好。当未校正系统不稳定，且要求校正后系统的响应速度、相角裕度和稳态精度较高时，以采用串联迟后---超前校正为宜，其基本原理是利用迟后---超前网络的超前部分来增大系统的相角裕度，同时利用迟后部分来改善系统的稳态性能。
二、反馈校正
反馈校正后系统的特性几乎与被反馈校正装置包围的环节无关，或者已校正系统与未校正系统特性一致。因此，使用反馈校正装置，可以使已校正系统的特性发生期望的变化。反馈校正的原理是：用反
馈校正装置包围未校正系统中对动态性能改善有重大妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路，在局部反馈回路的开环幅值远大于1的条件下，局部反馈回路的特性主要取决于反馈校正装置，而与被包围的部分无关，适当选择反馈校正装置的形式和参数，可以使已校正系统的性能满足给定指标的要求。
由于反馈控制中负倒数性的优点，在系统控制的许多地方都应用了局部反馈。主要的应用包括用于改变固有特性、降低前向通路中元部件参数的灵敏度、加大元件的频带宽度、削弱系统的非线性影响，正反馈增益提升等。
三、前置校正
控制系统的稳定与精度在设计中往往是矛盾的。稳定与精度这对矛盾，靠在回路内部全面解决会给控制元件的选择和校正环节的配置带来很大困难。而采用前置校正，为解决这一矛盾提供了有效的方法。采用前置校正后，可以用较少的积分环节，以较小的开环增益，得到较高的稳定精度。换句话说，在保证稳定裕度的同时，获得了满意的稳态精度，较好的解决了稳定与精度这一矛盾。
校正部分在回路之外，和反馈回路的稳定性毫无关系。因此，本来是相互矛盾和牵连的两个问题---稳定与精度却被孤立分离了，完全可以单独考虑。反馈系统的设计保证系统的稳定性，前置校正的配置着重于系统的精度。采用前置校正时，反馈回路常希望设计成过阻尼，这样，在串入微分型前置校正后，系统的总的幅频特性仍无明显峰值，而频带却能稍有展宽，这是系统的稳定性及快速性都是有利的。
系统的抗干扰能力与跟踪输入信号的能力往往也是牵连和矛盾的。如果采用前置校正，则抗干扰与跟踪着两个问题可以分别考虑。反馈回路的设计主要保证抗干扰能力，使其对主要干扰有较大的阻尼和抑制效果。而前置校正元件的配置着重改善总体系统的跟踪能力不会妨碍镇定干扰，有效的解决了抗干扰与跟踪这一矛盾。
四、复合校正
复合校正的前馈装置是按不变性原理进行设计的。复合校正，即为把负荷控制的死刑用于系统设计。在系统的反馈控制回路中加入前馈通路，组成一个前馈控制与反馈控制相结合的系统，只要参数选择得当，不但可以保持系统稳定，极大的减小乃至消除稳态误差，而且可以控制几乎所有的可测扰动，其中包括低频扰动。
在反馈控制的基础上，增加抵消扰动信号影响的复合控制系统，从结构上利用扰动信号来构成补偿信号，是一种对于可测扰动信号来说，简单、易行、有效的抗扰动方案，是工程中常用的方法。在实际使用时，多在对系统性能其主要影响的频率内采用近似全补偿，或采用稳态全补偿，以使前馈补偿装置易于物理实现。从补偿原理来看，由于前馈补偿实际上是采用开环控制方式去补偿可测的扰动信号，因此，潜亏补偿并不改变反馈控制系统的特性。从抑制扰动的角度来看，前馈控制可以减轻反馈控制的负担，所以反馈控制的增益可以取的小一些，以有利于系统的稳定性。这都是符合矫正方法设计控制系统的有利因素。
采用前馈控制系统补偿扰动信号对系统输出的影响，是提高系统
控制准确度的有效措施。然而，前馈控制沙鸥现要求扰动信号可以测量，其次要求前馈补偿装置在物理上是可实现的，并力求简单。在实际应用中，多采用近似全补偿或稳态全补偿的方案。在稳态时，系统输出完全不受扰动的影响，它在物理上更易于实现。一般来说，主要扰动引起的误差，由前馈控制进行全部或部分补偿，次要扰动引起的误差，由反馈控制予以抑制。这样，在不提高开环增益的情况下，各种扰动引起的误差均可得到补偿，从而有利于同时兼顾提高系统稳定性和减小系统稳态误差的要求。此外，由于前馈控制是一种开环控制，因此要求构成前馈补偿装置的元部件具有较高的参数稳定性。同时，复合校正还包括按输入补偿的复合校正。
五、PID控制器
比例（P）控制器是一个放大倍数可调整的放大器，控制器的输出信号与输入信号成比例，提高比例控制器的增益就是提高开环系统的放大系数，这样可以减小系统的稳态误差。对于一阶系统，提高放大系数还可以降低系统的惯性。提高比例控制增益，对数幅频特性曲线平行向上移动，幅值穿越频率提高，响应速度提高，小时间常数的环节起作用，它们的负相位角将使相对裕量减小，甚至变成负角。这些会导致系统稳定裕度变小，震荡增强，甚至导致不稳定。因此，采用比例控制器提高他的放大系数，可以减小稳态误差，提高响应速度，但可能降低稳定性，甚至造成系统不稳定。
由一阶微分环节组成的比例加微分控制器（ＰＤ控制器）能降低最大超调，改善动态性能。从频率特性看，相角裕度增大，将使系统
震荡减弱。ＰＤ控制器的相位角大于零，它使相位裕度增加，减弱系统震荡。然而，ＰＤ控制器是物理上不可实现的环节，只能近似实现。并且，ＰＤ控制器会放大有害的噪声信号，噪声信号数值可能不大，但变化率大，经ＰＤ控制器中的纯微分环节后，这些噪声会有较大的数值，对系统很不利。
积分（Ｉ）控制器的输出信号与输入信号的积分成比例。积分控制器可以提高系统的型别，减小稳态误差。但它的相位角是负九十度，这将明显减小相位裕度，使系统震荡变强，甚至导致系统不稳定。比例积分（ＰＩ）控制器的输出信号同时与输入信号和它的积分成比例。改变积分时间常数只能调积分控制规律，而改变比例系数可同时调整比例和积分控制规律。
比例积分微分（PID）控制器的输出信号与输入信号和它的积分、微分成比例。PID控制器可以提高系统的开环放大系数，提高系统型别，从而减小稳态误差，并可提高响应速度。只要参数选择得当，PID控制器可使相位裕度增加，不但有利于系统稳定，还可减弱系统震荡程度，改善动态性能。PID控制器所具有的这些功能使得它在工程中获得了非常广泛的应用。实际中的PID控制器的传递函数往往和标准形式略有不同并略为复杂，以使控制器在物理上可以实现和容易实现。随着计算机技术的发展，PID数字控制算法已能用微型机或单片机实现。如果对模拟PID控制器的等式进行离散化，就可以得到数字PID控制器的脉冲传递函数。而采用增量PID算法的控制系统中，增量式算法中不需要进行累加，增量只与最近几次的输入和输出有关。
计算机只输出控制量增量，对应执行机构位置的变化部分，计算机误动作时，对系统的影响小，在控制方式的手动——自动切换时，控制量冲击小，易于实现较平滑的过渡，即无扰动切换。
ＰＤ——PID双模控制又称积分分离PID算法。积分分离PID算法在大偏差时采用ＰＤ控制，在小偏差时再加入积分采用PID控制。积分分离PID算法要选择一个偏差量的阀值ε。当e(kT)> ε,即大偏差时，采用PD控制，利用PD控制响应速度快的特点，迅速减小偏差而又不引起过大超调的趋势。当e(kT)