自動控制原理課程設(shè)計報告控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計

1、自動控制原理課程設(shè)計專 業(yè)： 自動化 設(shè)計題目： 控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計 班級：自動化0943學(xué)生姓名：xxx學(xué)號：xx指導(dǎo)教師： xx 分院院長： xxx 教研室主任： xx 電氣工程學(xué)院目錄目錄第一章 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析11.1設(shè)計內(nèi)容11.2 設(shè)計要求11.3 matlab軟件21.3.1基本功能21.3.2應(yīng)用3第二章 控制系統(tǒng)程序設(shè)計42.1 校正裝置計算方法42.2 課程設(shè)計要求計算4第三章 利用matlab仿真軟件進(jìn)行輔助分析63.1校正系統(tǒng)的傳遞函數(shù)63.2用matlab仿真63.3利用matlab/simulink求系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)103.2.1原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)103.2.

2、2校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)113.2.3校正前、后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比較123.4硬件設(shè)計133.4.1在計算機(jī)上運(yùn)行出硬件仿真波形圖14課程設(shè)計心得體會16參考文獻(xiàn)18第一章 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析第一章 課程設(shè)計內(nèi)容與要求分析1.1設(shè)計內(nèi)容針對二階系統(tǒng)，利用有源串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)（如圖所示）進(jìn)行系統(tǒng)校正。當(dāng)開關(guān)s接通時為超前校正裝置，其傳遞函數(shù)，其中，“-”號表示反向輸入端。若kc=1，且開關(guān)s斷開，該裝置相當(dāng)于一個放大系數(shù)為1的放大器（對原系統(tǒng)沒有校正作用）。r1+urucr0r2r3r4cs1.2 設(shè)計要求1）引入該校正裝置后，單位斜坡輸入信號作用時穩(wěn)態(tài)誤差，開環(huán)截止頻率wc4.4弧度/秒，

3、相位裕量45；2）根據(jù)性能指標(biāo)要求，確定串聯(lián)超前校正裝置傳遞函數(shù)；3）利用對數(shù)坐標(biāo)紙手工繪制校正前、后及校正裝置對數(shù)頻率特性曲線；4）設(shè)校正裝置r1=100k，r2=r3=50k，根據(jù)計算結(jié)果確定有源超前校正網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)r4、c值；5）繪制引入校正裝置后系統(tǒng)電路圖（設(shè)給定的電阻和電容：r=100k，c=1mf、10mf若干個）；6）利用matlab仿真軟件輔助分析，繪制校正前、后及校正裝置對數(shù)頻率特性曲線,并驗算設(shè)計結(jié)果；7）在matlab-simulink下建立系統(tǒng)仿真模型，求校正前、后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)特性，并進(jìn)行系統(tǒng)性能比較；8）利用自動控制原理實驗箱完成硬件設(shè)計過程，包括：搭建校正前后系

4、統(tǒng)電路、輸入階躍信號并通過示波器觀察校正前后系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線。1.3 matlab軟件1.3.1基本功能 matlab是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如c、fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。 matlab和mathematica、maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。

5、它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。matlab可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 matlab開發(fā)工作界面接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。 matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用matlab來解算問題要比用c，fortran等語言完成相同的事情簡捷得多，并且matlab也吸收了像maple等軟件的優(yōu)點，使matlab成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對c，fortran，c+，java的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可

6、以將自己編寫的實用程序?qū)氲絤atlab函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的matlab愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。1.3.2應(yīng)用1、matlab 產(chǎn)品族可以用來進(jìn)行以下各種工作： 數(shù)值分析 數(shù)值和符號計算 工程與科學(xué)繪圖 控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 數(shù)字圖像處理技術(shù) 數(shù)字信號處理技術(shù) 通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真財務(wù)與金融工程 2、matlab在通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真的應(yīng)用matlab 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨提供的專用matlab 函數(shù)集）擴(kuò)展了matlab 環(huán)境，以解決

7、這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。3第二章 控制系統(tǒng)程序設(shè)計第二章 控制系統(tǒng)程序設(shè)計2.1 校正裝置計算方法設(shè)超前校正裝置傳遞函數(shù)為：，rd1若校正后系統(tǒng)的截止頻率wc=wm，原系統(tǒng)在wc處的對數(shù)幅值為l(wc)，則：由此得：由，得時間常數(shù)t為： 2.2 課程設(shè)計要求計算解答過程：對于型系統(tǒng)，得 故取 k=10。因此要求?。簞t有l(wèi))+10lg rd=0。即 20lg10-20lg-20lg+10lg rd=0 其相位欲度：。校正后傳遞函數(shù)：d=因此 c=88第三章 利用matlab仿真軟件進(jìn)行輔助分析第三章 利用matlab仿真軟件進(jìn)行輔助分析3.1校正系統(tǒng)的傳遞函數(shù)設(shè)：原系統(tǒng)傳遞函數(shù)為，校正裝置

8、傳遞函數(shù)為，則校正后傳遞函數(shù)為3.2用matlab仿真num=10;den=1,1,0;w=tf(num,den); %求原系統(tǒng)傳遞函數(shù)w(s)bode(w); %繪制原系統(tǒng)對數(shù)頻率特性margin(w); %求原系統(tǒng)幅值裕度、相位裕度、相位穿越頻率和幅值穿越頻率gm,pm,wj,wc=margin(w);grid; %繪制網(wǎng)格線令a=1:進(jìn)行仿真，得到下圖：校正前系統(tǒng)伯德圖圖3-1 校正前系統(tǒng)伯德圖numc=b,1;denc=c,1;wc=tf(numc,denc); %求校正裝置傳遞函數(shù)wc(s)bode(wc); %繪制校正裝置對數(shù)頻率特性 grid; %繪制網(wǎng)格線（該條指令可有可無）已

9、知求得：b=1/2.412（0.46）,c=1/7.236。進(jìn)行仿真得下圖：系統(tǒng)校正裝置伯德圖。圖3-2 系統(tǒng)校正裝置伯德圖numh=conv(num,numc); denh=conv(den,denc);wh=tf(numh,denh); %求校正后系統(tǒng)傳遞函數(shù)w(s)bode(wh); %繪制校正后系統(tǒng)對數(shù)頻率特性margin(wh); %求校正后系統(tǒng)幅值裕度、相位裕度、相位穿越頻率和幅值穿越頻率gm,pm,wj,wc=margin(wh); grid; %繪制網(wǎng)格線（該條指令可有可無第三章 利用matlab仿真軟件進(jìn)行輔助分析圖3-3 校正后系統(tǒng)伯德圖bode(w,:); %繪制原系統(tǒng)對

10、數(shù)頻率特性hold on; %保留曲線，以便在同一坐標(biāo)系內(nèi)繪制其他特性bode(wc,-.); %繪制校正裝置對數(shù)頻率特性hold on; %保留曲線，以便在同一坐標(biāo)系內(nèi)繪制其他特性bode(wh); %繪制校正后系統(tǒng)對數(shù)頻率特性grid; %繪制網(wǎng)格線（該條指令可有可無）圖3-4 校正前、后校正裝置伯德圖3.3利用matlab/simulink求系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)3.2.1原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)原系統(tǒng)仿真模型如圖3-5所示。圖3-5 校正前系統(tǒng)圖系統(tǒng)運(yùn)行后，其輸出階躍響應(yīng)如圖3-6所示：圖3-6 校正前輸出階躍響應(yīng)曲線3.2.2校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)校正后系統(tǒng)仿真模型如圖3-7所示：圖3-7 矯正

11、后系統(tǒng)圖系統(tǒng)運(yùn)行后，其輸出階躍響應(yīng)如圖3-8所示：圖3-8 校正后系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形圖3.2.3校正前、后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比較仿真模型如圖3-9所示：圖3-9 校正前、后系統(tǒng)仿真模型系統(tǒng)運(yùn)行后，其輸出階躍響應(yīng)如圖3-10所示：圖3-10 校正前、后系統(tǒng)輸出階躍響應(yīng)波形圖3.4硬件設(shè)計繪制硬件校正裝置原理圖：圖3-11 硬件校正裝置原理圖3.4.1在計算機(jī)上運(yùn)行出硬件仿真波形圖未校正系統(tǒng)硬件波形：圖3-12 未校正系統(tǒng)硬件仿真波形圖校正后系統(tǒng)硬件波形：圖3-13 校正后系統(tǒng)硬件波形圖19課程設(shè)計心得體會課程設(shè)計心得體會通過自動控制原理課程設(shè)計，加強(qiáng)了我們動手、思考和解決問題的能力。這個方案使用了m

12、atlab軟件，使我們有掌握了一個軟件的應(yīng)用。我覺得做課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個原理的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我們了解了很多原理的功能。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。認(rèn)識來源于實踐，實踐是認(rèn)識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個期末的課程設(shè)計對我們的作用是非常大的。我想說，設(shè)計確實有些困難，但苦中也有樂，在如今單一的理論學(xué)習(xí)中，很少有機(jī)會能有實踐的機(jī)會。也許有人不喜歡這類的工作，也許有人認(rèn)為設(shè)計的工作有些枯燥，但我

13、認(rèn)為無論干什么，只要認(rèn)真去做，一定會有好結(jié)果的。對我們而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。雖然不是第一次做課程設(shè)計了，但是設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多專業(yè)知識問題，通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。同時，在老師的身上我們學(xué)也到很多實用的知識，在次我們表示感謝！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！此次課程設(shè)計，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現(xiàn)差錯的隨機(jī)應(yīng)變。在此，感謝于老師的細(xì)心指導(dǎo)，也同樣謝謝其他各組同學(xué)的無私幫助！總結(jié)人：徐玉潔2011.12.4參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 史國生主編. 電氣控制與可編程控制器技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社.20042 王永華.現(xiàn)代電氣及可編程控制技術(shù). 北京:北京航空航天大學(xué)出版社.20023 鄧則名.電器與可編程控制器應(yīng)用技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.19974 徐世許.可編程序控制