飛行器控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì).doc

武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué)生姓名 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)教師 指導(dǎo)教師 工作單位 工作單位 題題 目目 飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 初始條件 初始條件 飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 2 361 4500 ss K sG 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為調(diào)節(jié)時(shí)間 單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差s01 0 相角裕度大于 84 度 000521 0 要求完成的主要任務(wù)要求完成的主要任務(wù) 包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求 以及說明書撰 寫等具體要求 1 設(shè)計(jì)一個(gè)控制器 使系統(tǒng)滿足上述性能指標(biāo) 2 畫出系統(tǒng)在校正前后的奈奎斯特曲線和波特圖 3 用 Matlab 畫出上述每種情況的階躍響應(yīng)曲線 并根據(jù)曲線分析系 統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 4 對(duì)上述任務(wù)寫出完整的課程設(shè)計(jì)說明書 說明書中必須寫清楚分析 計(jì)算的過程 給出響應(yīng)曲線 并包含 Matlab 源程序或 Simulink 仿 真模型 說明書的格式按照教務(wù)處標(biāo)準(zhǔn)書寫 時(shí)間安排 時(shí)間安排 任務(wù)時(shí)間 天 指導(dǎo)老師下達(dá)任務(wù)書 審題 查閱相關(guān)資 料 2 分析 計(jì)算 3 編寫程序 2 撰寫報(bào)告 2 論文答辯 1 指導(dǎo)教師簽名 指導(dǎo)教師簽名 年年 月月 日日 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 II 系主任 或責(zé)任教師 簽名 系主任 或責(zé)任教師 簽名 年年 月月 日日 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 目 錄 1 串聯(lián)滯后 超前校正的原理 1 2 飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程 2 2 1 飛行器控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 2 2 2 系統(tǒng)校正前的穩(wěn)定情況 2 2 2 1 校正前系統(tǒng)的波特圖 2 2 2 2 校正前系統(tǒng)的奈奎斯特曲線 2 2 2 3 校正前系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線 4 2 3 飛行器控制系統(tǒng)的串聯(lián)滯后 超前校正 4 2 3 1 確定校正網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù) 4 2 3 2 驗(yàn)證已校正系統(tǒng)的性能指標(biāo) 6 2 4 系統(tǒng)校正前后的性能比較 8 2 4 1 校正前后的波特圖 8 2 4 2 校正前后的奈奎斯特曲線 9 2 4 3 校正前后的單位階躍響應(yīng)曲線 11 3 設(shè)計(jì)總結(jié)與心得體會(huì) 12 參考文獻(xiàn) 13 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 I 摘 要 根據(jù)被控對(duì)象及給定的技術(shù)指標(biāo)要求 設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng) 既要保證所設(shè) 計(jì)的系統(tǒng)有良好的性能 滿足給定技術(shù)指標(biāo)的要求 還有考慮方案的可靠性和 經(jīng)濟(jì)性 本說明書介紹了在給定的技術(shù)指標(biāo)下 對(duì)飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 為 了達(dá)到給定要求 主要采用了串聯(lián)滯后 超前校正 在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正的時(shí) 采用了基于波特圖的串聯(lián)滯后 超前校正 對(duì)系 統(tǒng)校正前后的性能作了分析和比較 并用 MATLAB 進(jìn)行了繪圖和仿真 對(duì)已校正 系統(tǒng)的高頻特性有要求時(shí) 采用頻域法校正較其它方法更為方便 關(guān)鍵詞 飛行器 控制系統(tǒng) 校正 MATLAB 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 1 飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 串聯(lián)滯后 超前校正的原理 如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求滿足的性能指標(biāo)屬頻域特征量 則通常采用頻域校正方 法 在開環(huán)系統(tǒng)對(duì)數(shù)頻率特性基礎(chǔ)上 以滿足穩(wěn)態(tài)誤差 開環(huán)系統(tǒng)截止頻率和 相角裕度等要求為出發(fā)點(diǎn) 進(jìn)行串聯(lián)校正的方法 在伯德圖上雖然不能嚴(yán)格定量地給出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 但卻能方便地根據(jù) 頻域指標(biāo)確定校正裝置的形式和參數(shù) 特別是對(duì)已校正系統(tǒng)的高頻特性有要求 時(shí) 采用頻域法校正較其它方法更方便 串聯(lián)滯后 超前校正兼有滯后校正和超前校正的優(yōu)點(diǎn) 當(dāng)待校正系統(tǒng)不穩(wěn) 定 且要求校正后系統(tǒng)的響應(yīng)速度 相角裕度和穩(wěn)態(tài)精度要求較高時(shí) 應(yīng)采用 串聯(lián)滯后 超前校正 其基本原理是利用滯后 超前網(wǎng)絡(luò)的超前部分來(lái)增大系 統(tǒng)的相角裕度 同時(shí)利用滯后部分來(lái)改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能 串聯(lián)滯后 超前校 正的設(shè)計(jì)步驟如下 1 根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能要求確定開環(huán)增益 K 2 繪制待校正系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線 求出待校正系統(tǒng)的截止頻率相 c 角裕度及幅值裕度 h dB 3 在待校正系統(tǒng)對(duì)數(shù)幅頻特性上 選擇斜率從 20dB dec 變?yōu)?40dB dec 的 交接頻率作為校正網(wǎng)絡(luò)超前部分的交接頻率 的這種選法 可以降低已 b b 校正系統(tǒng)的階次 且可保證中頻區(qū)斜率為期望的 20dB dec 并占據(jù)較寬的頻帶 4 根據(jù)響應(yīng)速度要求 選擇系統(tǒng)的截止頻率和校正網(wǎng)絡(luò)衰減因子 1 a 要 c 保證已校正系統(tǒng)的截止頻率為所選的 下列等式成立 c 1 0lg20 lg20 cbc TLa 5 根據(jù)相角裕度要求 估算校正網(wǎng)絡(luò)滯后部分的交接頻率 a 6 校驗(yàn)已校正系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo) 根據(jù)滯后 超前校正的原理和步驟 可以在純超前校正及純滯后校正都不 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 2 宜采用時(shí) 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)滯后 超前校正 2 飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程 2 1 飛行器控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 2 2 361 4500 ss K sG 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為調(diào)節(jié)時(shí)間 單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差 s ts01 0 ss e 相角裕度大于 84 度 000521 0 根據(jù)單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差 可以得出 ss e 000521 0 3 ss s v e K ssGK 1 2 361 4500 lim 0 155 K 2 2 系統(tǒng)校正前的穩(wěn)定情況 2 2 1 校正前系統(tǒng)的波特圖 根據(jù)原有的飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 在 MATLAB 中繪制出校正前的 波特圖 如圖 2 1 所示 繪制校正前波特圖的 MATLAB 源程序如下 num 697500 den 1 361 2 0 校正前系統(tǒng)參數(shù) bode num den 繪制波特圖 grid 2 2 2 校正前系統(tǒng)的奈奎斯特曲線 根據(jù)原有的飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 在 MATLAB 中繪制出校正前的 奈奎斯特曲線 如圖 2 2 所示 繪制校正前波特圖的 MATLAB 源程序如下 num 697500 den 1 361 2 0 校正前系統(tǒng)參數(shù) 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 3 nyquist num den 繪制奈奎斯特曲線 圖 2 1 系統(tǒng)校正前的波特圖 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 4 圖 2 2 系統(tǒng)校正前的奈奎斯特曲 2 2 3 校正前系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線 校正前系統(tǒng)的單位反饋閉環(huán)傳遞函數(shù)為 4 697500 2 361 697500 2 sssR sC 用 MATLAB 繪制系統(tǒng)校正前的的單位階躍響應(yīng)曲線如圖 2 3 所示 MATLAB 源程序如下所示 num 697500 den 1 361 2 697500 校正前系統(tǒng)參數(shù) step num den 繪制階躍響應(yīng)曲線 圖 2 3 系統(tǒng)校正前的單位階躍響應(yīng)曲線 2 3 飛行器控制系統(tǒng)的串聯(lián)滯后 超前校正 2 3 1 確定校正網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù) 通過編寫 MATLAB 源程序求系統(tǒng)校正前的穩(wěn)定裕度 程序如下 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 5 num 697500 den 1 361 2 0 系統(tǒng)校正前的參數(shù) mag phase w bode num den gm pm wcg wcp margin mag phase w 求系統(tǒng)校正前的穩(wěn)定裕度 運(yùn)行后 得出相角裕度 pm 24 4 截止頻率 wcp 797rad s 由此可得 若 采用超前校正 需補(bǔ)償超前角為 m 5 00000 60 6 655 4 2485 m 顯然一級(jí)串聯(lián)超前網(wǎng)絡(luò)不能達(dá)到要求 又由于要求校正后系統(tǒng)的響應(yīng)速度 相角裕度要求較高 所以采用串聯(lián)滯后 超前校正 從圖 2 1 及校正前系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可以看出 斜率從 20dB dec 變?yōu)?40dB dec 的交接頻率為 361 2rad s 即校正網(wǎng)絡(luò)超前部分的交接頻率 rad s 2 361 b 由高階系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時(shí)域的關(guān)系 有如下的公式 6 c s K t 0 7 2 0 1 5 2 1 5 12 rr MMK 8 sin 1 r M 根據(jù)飛行器控制系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間的要求 可以得出校正以后系統(tǒng)的截止頻 率為 630 c 在校正前的波特圖 2 1 可以讀出待校正系統(tǒng)對(duì)數(shù)幅頻特性的 20dB dec 延長(zhǎng) 線在處的數(shù)值為 24 則有 c 9 024lg20 a 9 15 a 設(shè)校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 6 10 1 1 1 1 ba ba c a sas ss sG 根據(jù)飛行器控制系統(tǒng)的相角裕度要求 得出 11 b c a c a c a arctg a arctgarctg 0 0 90180 考慮到rad s 求得 9 5 rad s 求得已校正系統(tǒng)的開環(huán) 2 361 ba a 傳遞函數(shù)為 12 2 361 9 15 1 5 9 9 15 1 2 361 2 361 5 9 1 697500 0 ss ss s s s sGsGc 13 sss s sGsGc 2 36188 606105 0 69750073421 23 0 2 3 2 驗(yàn)證已校正系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù)校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 驗(yàn)證校正后系統(tǒng)的相角裕度 編寫 MATLAB 遠(yuǎn)程序如下 num 73421 697500 den 0 105 606 88 361 2 0 校正后系統(tǒng)參數(shù) mag phase w bode num den gm pm wcg wcp margin mag phase w 求系統(tǒng)校正后的穩(wěn)定裕度 運(yùn)行后得出校正后系統(tǒng)的相角裕度 pm 84 6 符合給定的相位裕度要求 編寫 MATLAB 程序 繪制已校正系統(tǒng)的波特圖 如圖 2 4 所示 相應(yīng)的 MATLAB 源程序如下 num 73421 697500 den 0 105 606 88 361 2 0 校正后系統(tǒng)參數(shù) bode num den grid 繪制校正后的波特圖 編寫 MATLAB 程序 繪制已校正系統(tǒng)的奈奎斯特曲線 如圖 2 5 所示 相應(yīng) 的 MATLAB 源程序如下 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 7 num 73421 697500 den 0 105 606 88 361 2 0 校正后系統(tǒng)參數(shù) Nyquist num den 繪制校正后的奈奎斯特曲線 圖 2 4 系統(tǒng)校正后的波特圖 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 8 圖 2 5 系統(tǒng)校正后的奈奎斯特曲線 編寫 MATLAB 程序 繪制已校正系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線 如圖 2 6 所示 相應(yīng)的 MATLAB 源程序如下 num 73421 697500 den 0 105 606 88 737822 2 697500 系統(tǒng)校正后的參數(shù) step nun den grid 繪制校正后的單位階躍響應(yīng) 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 9 圖 2 6 校正后的單位階躍響應(yīng)曲線 2 4 系統(tǒng)校正前后的性能比較 2 4 1 校正前后的波特圖 確定了校正網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù) 經(jīng)過驗(yàn)證已校正系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo) 基本達(dá)到 標(biāo)準(zhǔn)后 可以將校正前后的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比 系統(tǒng)校正前后的波特圖如圖 2 7 所示 藍(lán)色線為校正前的波特圖 綠色線為 校正后的波特圖 從圖中可以看出 飛行器控制系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性有了明顯的改變 在中 頻段 校正網(wǎng)絡(luò)的超前環(huán)節(jié)增加了系統(tǒng)的帶寬 而校正網(wǎng)絡(luò)的滯后部分利用了 其高頻幅值衰減的特性 可以避免系統(tǒng)受噪聲干擾的影響 讓校正之后的系統(tǒng) 有足夠大的相位裕度 在中頻段產(chǎn)生了足夠大的超前相角 以補(bǔ)償原系統(tǒng)過大 的滯后相角 繪制圖 2 7 的 MATLAB 源程序如下 num 697500 den 1 361 2 0 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 10 g1 tf num den 生成校正前系統(tǒng)的傳遞函數(shù) num1 73421 697500 den1 0 105 606 88 361 2 0 g2 tf num1 den1 構(gòu)造校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù) bode g1 g2 grid 繪制波特圖 圖 2 7 校正前后波特圖對(duì)比 2 4 2 校正前后的奈奎斯特曲線 參照繪制波特圖的 MATLAB 程序 可以很快寫出用 MATLAB 繪制系統(tǒng)校 正前后的奈奎斯特曲線的源程序 如下 num 697500 den 1 361 2 0 g1 tf num den 生成校正前系統(tǒng)的傳遞函數(shù) num1 73421 697500 den1 0 105 606 88 361 2 0 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 11 g2 tf num1 den1 構(gòu)造校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù) nyquist g1 g2 grid 繪制奈奎斯特圖 系統(tǒng)校正前后的奈奎斯特曲線如圖 2 8 所示 綠色曲線是已校正系統(tǒng)的奈奎 斯特圖 藍(lán)色曲線是未校正系統(tǒng)的奈奎斯特圖 通過比較可以看出 已校正系統(tǒng)的相位裕度比未校正系統(tǒng)的相位裕度增大 了 幅值裕度也有了提高 可見 滯后部分的高頻衰減特性可以保證系統(tǒng)在有較大開環(huán)放大系數(shù)的情 況下 獲得滿意的相角裕度或穩(wěn)態(tài)性能 圖 2 8 校正前后的奈氏曲線對(duì)比 2 4 3 校正前后的單位階躍響應(yīng)曲線 為了便于分析系統(tǒng)在校正前后的動(dòng)態(tài)性能 可以把校正前后系統(tǒng)的單位階 躍響應(yīng)曲線繪制在一起 繪制校正前后的單位階躍響應(yīng)曲線的 MATLAN 程序如下 num 697500 den 1 361 2 697500 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 12 g1 tf num den 生成校正前系統(tǒng)的傳遞函數(shù) num 73421 697500 den 0 105 606 88 737822 2 697500 g2 tf num den 構(gòu)造校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù) step g1 b g2 r grid 繪制單位階躍響應(yīng)曲線 校正前后的單位階躍響應(yīng)曲線如圖 2 9 所示 從圖中可以看出 校正后系統(tǒng) 的調(diào)節(jié)時(shí)間達(dá)到了指定的要求 而且響應(yīng)速度比校正前的加快了 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能在加入了串聯(lián)滯后 超前網(wǎng)絡(luò)后 有了明顯的改善 可見 加入串聯(lián)滯后 超前校正后 不僅改善了系統(tǒng)的靜態(tài)性能 還改善了系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)性能 符合了給定的飛行器控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求 達(dá)到了校正的目的 圖 2 9 校正前后的單位階躍響應(yīng)曲線對(duì)比 3 設(shè)計(jì)總結(jié)與心得體會(huì) 通過這次自動(dòng)控制原理的課程設(shè)計(jì) 讓我對(duì)串聯(lián)滯后 超前校正的原理和 步驟有了深刻的印象 剛看到題目的時(shí)候 覺得只是一道校正的題目 不用做 實(shí)物 以為會(huì)很簡(jiǎn)單 但經(jīng)過幾天的計(jì)算 編程 畫圖 我才發(fā)現(xiàn) 原來(lái)把理 論知識(shí)靈活地用到實(shí)際的設(shè)計(jì)中 有一定的難度 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)控制原理 課程設(shè)計(jì)說明書 13 多虧指導(dǎo)老師肖老師在分配課程設(shè)計(jì)任務(wù)書的時(shí)候 把涉及的 MATLAB 函數(shù) 給了我們 對(duì)于 MATLAB 的使用 雖然上過一些關(guān)于 MATLAB 的實(shí)驗(yàn)課 但是要 掌握到 MATLAB 的各種使用方法 還是有困難的 有了老師給的相關(guān)函數(shù) 我可 以很快學(xué)會(huì)怎么編寫 MATLAB 程序繪制波特圖 奈奎斯特曲線等相關(guān)圖像 這對(duì) 我進(jìn)行飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了很大的幫助 在設(shè)計(jì)的過程中 我犯了不少錯(cuò)誤 比如 在計(jì)算校正后系統(tǒng)的截止頻率 的時(shí)候 起初我誤用了二階系統(tǒng)的相關(guān)公式 后來(lái)經(jīng)過與同學(xué)交流 才糾正了 錯(cuò)誤 還有 在用 MATLAB 繪圖時(shí) 一些由于粗心大意造成的標(biāo)點(diǎn) 括號(hào)出錯(cuò)的 問題也有發(fā)生 雖然最后都得到了改正 但從中我認(rèn)識(shí)到 做事應(yīng)該仔細(xì)認(rèn)真 特別是有關(guān)