《自動(dòng)控制原理》課程設(shè)計(jì)飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電氣0902 指導(dǎo)教師： 工作單位： 武漢理工大學(xué) 題 目: 飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 初始條件：飛行器控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：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(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）1. 分別用時(shí)域和頻域方法設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的控制器?？刂葡到y(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)為：?jiǎn)挝恍逼螺斎氲姆€(wěn)態(tài)誤差0.000443最大超調(diào)量5%上升時(shí)間0.005sec調(diào)節(jié)時(shí)間0.008sec控制系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)為：?jiǎn)挝恍逼螺斎氲姆€(wěn)態(tài)誤差0.000443相位裕量大于2. 用matlab對(duì)校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，畫(huà)出階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，計(jì)算其時(shí)域性能指標(biāo)。時(shí)間安排： 任務(wù)時(shí)間

2、（天）審題、查閱相關(guān)資料2分析、計(jì)算2編寫(xiě)程序2撰寫(xiě)報(bào)告1論文答辯0.5 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘要:根據(jù)被控對(duì)象及給定的技術(shù)指標(biāo)要求，涉及自動(dòng)控制系統(tǒng)，既要保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的性能，滿(mǎn)足給定的指標(biāo)要求，還有考慮方案的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，本課程設(shè)計(jì)是在給定的指標(biāo)下，分別用時(shí)域和頻域方法設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的控制器。本文首先從理論的方法分別用時(shí)域和頻域法求出控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)，再用matlab對(duì)校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，畫(huà)出階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，計(jì)算其時(shí)域性能指標(biāo)，經(jīng)驗(yàn)證，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞:飛行器 控制系統(tǒng) 時(shí)域 頻域 matlababstract：accor

3、ding to the controlled object and given the technical index requirements, involving the automatic control system, which not only have to guarantee the system designed has good performance, and meet given index requirement, also considering scheme reliability and economical efficiency, this course is

4、 designed in a given index, respectively for time domain and frequency domain method to design the system controller. this paper from the theoretical method respectively in time domain and frequency domain method for the control system of the time-domain performance index, reoccupy matlab before and

5、 after correction system simulation analysis and draw the laplace domain response curve, calculates the time-domain performance indicators, the verification, and meet the design requirements.key words: aircraft control system time-domain frequency domain matlab目 錄1設(shè)計(jì)要求1 1.1初始條件1 1.2設(shè)計(jì)任務(wù)12 用時(shí)域方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)控

6、制器1 2.1題目分析1 2.2超調(diào)量計(jì)算2 2.3穩(wěn)態(tài)誤差3 2.4上升時(shí)間3 2.5調(diào)節(jié)時(shí)間43 用頻域方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器 4 3.1理論分析4 3.2參數(shù)計(jì)算44 matlab仿真分析5 4.1 階躍響應(yīng)曲線(xiàn)及性能指標(biāo)5 4.2 matlab頻域分析75 心得體會(huì)10參考文獻(xiàn)飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)要求 1.1 初始條件：飛行器控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)：控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)為：?jiǎn)挝恍逼螺斎氲姆€(wěn)態(tài)誤差0.000443最大超調(diào)量5%上升時(shí)間0.005sec調(diào)節(jié)時(shí)間0.005sec控制系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)為：?jiǎn)挝恍逼螺斎氲姆€(wěn)態(tài)誤差0.000443相位裕量大于2 用時(shí)域方法設(shè)

7、計(jì)飛行器控制系統(tǒng)2.1 題目分析：已知系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可得：令= 所以開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差為所以，取 超調(diào)量 又因?yàn)?361.2 由于， 顯然條件不成立。所以說(shuō)一定要加入一定的性能改善環(huán)節(jié)。通過(guò)分析，要達(dá)到指定的時(shí)域性能指標(biāo)，需要加入一個(gè)測(cè)速反饋調(diào)節(jié)。如圖1所示： 圖1 測(cè)速反饋控制系統(tǒng) 其中，為測(cè)速反饋系數(shù) 開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) 加入測(cè)速反饋后開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)： 即： 閉環(huán)傳遞函數(shù) 2.2 超調(diào)量計(jì)算當(dāng)輸入為單位階躍函數(shù)時(shí) 對(duì)上式取拉氏反變換，求得單位階躍響應(yīng)為 式中， 將階躍響應(yīng)函數(shù)對(duì)求導(dǎo)，并令其為零，求得 即 將上式代入階躍響應(yīng)函數(shù)，得輸出量的最大值 按超調(diào)量定義式，求得 超調(diào)量 所以取=0.7 阻

8、尼比 （） 2.3 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差 將代入式中得到 取=3161，得：k=2220.4由式可解得=0.00040675 2.4 上升時(shí)間對(duì)上式令，求得 所以上升時(shí)間1），叫時(shí)間常數(shù)。3.2參數(shù)計(jì)算單位斜坡輸入穩(wěn)態(tài)誤差 k取182 開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) 令 （為截止頻率） 求得 相角裕度 超前網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻率在至之間的輸入信號(hào)有明顯的微分作用，在該頻率范圍內(nèi)，輸出信號(hào)相角比輸入信號(hào)相角超前，在最大超前角頻率處，具有最大超前角，且正好處于頻率和的幾何中心。為補(bǔ)償角是用于補(bǔ)償因超前校正裝置的引入，使系統(tǒng)截止頻率增大而增加的相角滯后量。未校正系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性在截止頻率處的斜率為，故取。所以有 所以最大超前角

9、 所以a=16 根據(jù)解得 所以加入校正為： 所以加入校正后： 4 matlab仿真分析 4.1 階躍響應(yīng)曲線(xiàn)及性能指標(biāo)校正后系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為matlab編程如下： k=2257.857;num=1;den=conv(1,0,0.000226 1);sys=tf(k*num,den);lsys=feedback(sys,1,-1);y,t,x=step(lsys);plot(t,y);結(jié)果如圖2所示 圖2 階躍響應(yīng)曲線(xiàn) 在matlab提示符后，輸入ltiview，啟動(dòng)該圖形軟件。從file的下拉菜單中選中import選項(xiàng)選擇需要仿真的系統(tǒng)。選擇窗口中的lsys系統(tǒng)，并用鼠標(biāo)點(diǎn)擊ok。在畫(huà)面中點(diǎn)

10、擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“characteristics”選項(xiàng)，再選擇“peak time”項(xiàng)可得階躍響應(yīng)曲線(xiàn)中的峰值時(shí)間為0.00139。在畫(huà)面中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“characteristics”選項(xiàng)，再選擇“settling time”、“rise time”、“steady state”選項(xiàng)可得階躍響應(yīng)曲線(xiàn)中的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.00189，上升時(shí)間為0.000643,穩(wěn)態(tài)值為1（穩(wěn)態(tài)誤差為0）。結(jié)果如圖3所示： 圖 3 階躍響應(yīng)曲線(xiàn)性能指標(biāo) 4.2 matlab頻域分析 未校正前的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 matlab編程如下： num=819000; den=1 361.2 0; sys=tf(num,d

11、en); margin(sys) 結(jié)果如圖4所示： 圖 4 未校正開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖 校正后的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 matlab編程如下： num=1834.56 819000; den=0.00014 1.050568 361.2 0; sys=tf(num,den); margin(sys) 結(jié)果如圖5所示： 圖5 校正后開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖經(jīng)驗(yàn)證，校正后的系統(tǒng)滿(mǎn)足：?jiǎn)挝恍逼螺斎氲姆€(wěn)態(tài)誤差0.000443相位裕量為所以加入串聯(lián)超前校正可行。5心得體會(huì)自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航天及航空等眾多產(chǎn)業(yè)部門(mén)，極大地提高了社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了人們的勞動(dòng)環(huán)境，豐富和提高了人們的生活水平。在

12、今天的社會(huì)生活中，自動(dòng)化裝置無(wú)處不在，為人類(lèi)文明進(jìn)步做出了極大的貢獻(xiàn)。這次自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)中也讓我了解到了自動(dòng)控制在多方面的應(yīng)用。平常我們上自動(dòng)控制原理課時(shí)，老師講的都是理論知識(shí)，沒(méi)有試驗(yàn)的驗(yàn)證與對(duì)比，我感覺(jué)很難理解這些知識(shí)，為了應(yīng)付作業(yè)和考試，我也只是略微了解了些原理，把公式記牢就夠了。然而在這次自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)中，就暴露了許多問(wèn)題。我開(kāi)始在做飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，按部就班的套用書(shū)上的公式，算完系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)時(shí)域性能指標(biāo)后，在matlab中仿真分析，發(fā)現(xiàn)得到的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)與理想中的有差距，從圖中就可以看出來(lái)只滿(mǎn)足了部分時(shí)域性能指標(biāo)，在與校正前的曲線(xiàn)比較就很容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采用數(shù)型結(jié)合的方法很快得到正確的參數(shù)。雖然這次自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)只有一周的時(shí)間，由于這一周里還有自控考試，我為了準(zhǔn)備考試雖然沒(méi)有花太多的時(shí)間，但通過(guò)我在做課程設(shè)計(jì)時(shí)，翻書(shū)、上網(wǎng)查資料，與同學(xué)討論，讓我的實(shí)際動(dòng)手能力增強(qiáng)的很多，讓我對(duì)自動(dòng)控制原理這門(mén)課程所學(xué)的知識(shí)有了進(jìn)一步的理解，加深了對(duì)理論基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，讓我們學(xué)以致用，使我們的知識(shí)掌握的更加牢固，感謝老師們耐心的輔導(dǎo)和參考模板，感謝老師們能理解我們有考試的苦衷，感謝老師們給我們時(shí)間獨(dú)立的思考。這激發(fā)了