6-2 串联超前(微分)校正
一、RC超前网络
RC超前网络如图6-3所示,其传递函数为
式中
为了讨论问题的方便,在网络前(或后)附加一个放大器,使其放大系数等于a。这样的超前网络作为校正装置,其传递函数可看成为
其对数频率特性曲线如图6-4所示。显然,超前网络对频率在1/aT~1/T之间的输入信号有明显的微分作用,在该频率范围内,输出信号的相角超前于输入信号的相角。超前网络的名称也由此而来。由图6-4可见,当频率等于最大超前角频率
因此
最大超前角为
根据三角函数两角求和公式,可解得
上式表明,
此外,
a与
二、串联超前校正
利用超前网络进行串联校正的基本原理,乃是利用超前网络相角超前特性。只要正确地将超前网络的交接频率1/aT和1/T设置在待校正系统截止频率
串联超前校正设计的一般步骤为
(1)根据稳态误差要求,确定开环增益K。
(2)在已确定K值条件下,计算未校正系统的相裕量。
(3)根据指标要求,确定在系统中需要增加的相角超前量。
(4)由式(6-2)或查图6-5确定a值及
(5)确定超前网络的交接频率
(6)验算。
下面举例说明。
【例6-1】 设控制系统的结构图如图6-6所示。其开环传递函数
若要使系统速度误差系数
解 (1)设计时,首先调整开环增益K。本例未校正系统为一型系统,所以有
(2)作
(3)为了满足指标要求(
应当指出,加入超前校正在增加相角超前量的同时,对数幅频特性曲线的斜率将由-40dB/dec增加为-20dB/dec,从而使校正后的截至频率
本例为
(4)由(6-2)式或查图6-5确定
在校正前的对数幅频特性曲线
(5)在
校正装置的对数频率特性曲线
(6)验算
作出校正后系统的开环对数频率特性曲线
校正后系统的开环对数幅频特性为
相频特性为
可见,串连校正后系统的开环对数频率特性曲线,为校正前系统开环对数频率特性曲线与校正装置对数频率特性曲线之和,如图6-7中的实线所示。校正后系统的相裕量为50°,满足要求。幅值裕量,因校正后的相频特性曲线总大于-180°,故幅值裕量为无穷大。
校正后系统开环传递函数为
如果验算结果,不满足指标要求,则从第三步开始,适当加大角度修正量,重复计算直到满足要求为止。
三、超前校正的优缺点
综上分析,串联超前校正的特点可归纳如下。
(1)串联超前校正主要是对未校正系统在中频段的频率特性进行校正。确保校正后系统中频段斜率等于-20dB/dec,使系统具有45°~60°的相角裕量。
(2)超前校正可以加快系统的反应速度。从【例6-1】中看到,由于采用了串联超前校正,使系统截止频率增大了,即
(3)串联超前校正的使用范围 如果在未校正系统的截止频率
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