系统校正问题的综述与优化

1.系统校正的基本概念

一个好的控制系统应该具有如下特性：稳定性好；对各类有用输入信号能产生预期的响应；有较小的稳态跟踪误差；对系统内部的扰动不敏感；能有效抑制外界干扰的影响等。一个反馈控制系统不经任何必要的调整就能具备上述优良性能的现象还是很少见的，而且在实际工程中想使系统所有的性能指标都最优也是不可能的。通常我们需要兼顾彼此冲突的性能指标要求，对它们进行折中处理，使系统的性能既满足实际需要，又具有技术可行性，另外还要求经济性好，可靠性高。

从前面各章可以看到，有时调整系统参数就能使闭环控制系统具备预期的性能，但我们也发现，有时仅仅调整系统参数是远远不够的，还需要重新考察控制系统的结构并做出必要的修改，才能综合出一个满足实际需要的系统。这就是说，闭环控制系统的设计应该包括重新规划与调整系统结构、配置合适的校正装置和选取适当的系统参数值等多项工作。为了实现预期性能而对控制系统结构进行的修改或调整称为校正。换句话说，校正就是为弥补系统的不足而进行的系统结构调整。校正装置可以是电路、机械装置、液压装置、气动装置或数字计算机等。

需要注意的是，在工程实践中，只要条件允许，都是尽可能通过改进被控对象自身的品质特性来提高控制系统的性能，这是最简单有效的办法。例如，为了提高位置伺服控制系统的动态性能，事半功倍的办法是尽量选用高性能的电机；在飞行控制系统中，改进飞机自身的气动设计，能够最显著地改善飞机的动态飞行品质。作为一个控制系统设计人员，应该清醒地认识到，改进被控对象的品质特性，是提高反馈控制系统性能的根本途径。当被控对象或者无法更改、或者已经经过了充分的改进而仍然得不到满意的系统性能时，就有必要为系统引入附加的校正装置，以提高系统的性能。这种附加的校正装置，也称为校正器或者控制器。

2.控制系统的校正方式

控制系统校正方式是指校正装置在控制系统中的连接方式，图6.1.1给出了几种常见的系统校正方式。

（1）串联校正：串联校正是最常用的校正方式，校正装置与被控对象串联，放置在系统的前向通道之中，如图6.1.1（a）所示。

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图6.1.1　控制系统的各种校正方式

（a）串联校正；（b）局部反馈校正；（c）串联-反馈校正；（d）前馈-串联校正；（e）按输入补偿的复合校正（前馈-串联校正）；（f）按扰动补偿的复合校正（前馈-串联校正）

（2）反馈校正：反馈校正装置一般接在系统局部反馈通路之中，如图6.1.1（b）所示。

在图6.1.1（a）和（b）中，因为系统中只有一个控制器，所以称为单自由度控制系统。单自由度控制器的缺点是系统所能达到的性能指标是有限度的，例如我们设计了控制器的结构和参数使得闭环系统的特征根具有较好的阻尼特性，但是由于闭环系统中的零点，系统阶跃响应的超调量可能依然很大，这时可能就需要两个自由度的控制系统结构，图6.1.1（c）、（d）、（e）和（f）就是双自由度控制系统。

（3）串联-反馈校正：如图6.1.1（c）所示，系统使用了一个串联控制器和一个反馈控制器，是双自由度控制系统。

（4）前馈-串联校正：如图6.1.1（d）、（e）和（f）所示。前馈校正又称顺馈校正，是在系统主反馈回路之外采用的校正方式，可以选择前馈控制器Gcf（s）的极点和零点来增加或者抵消系统闭环传递函数的极点和零点，前馈校正的主要特点是前馈控制器Gcf（s）不在系统的回路中，所以它不影响原系统的闭环根。在图6.1.1（d）中，前馈控制器Gcf（s）与闭环系统串联，这种校正装置的作用相当于对给定输入信号进行整形或滤波后，再送入反馈系统，因此又称为前置滤波器。在图6.1.1（e）和（f）中，前馈控制器Gcf（s）与前向通路中的串联控制器并联，它们分别又被称为按输入补偿的复合校正和按扰动补偿的复合校正，这种双自由度校正方式，又称为双通道控制。

以上为比较常用的几种校正方式，究竟选用哪种校正方式，取决于系统中的信号性质、技术实现的方便性、可供选用的元件、抗扰性要求、经济性要求、环境使用条件及设计者的经验等因素。本章将首先重点介绍串联校正设计方法，然后介绍反馈校正，最后对复合校正进行简要介绍。