自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告_2

1、自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告.課程實(shí)習(xí)報(bào)告課程名稱：自動(dòng)控制原理及專業(yè)軟件課程實(shí)習(xí)題目名稱：三階系統(tǒng)分析與校正年級(jí)專業(yè)及班級(jí)：建電1001姓名： *學(xué)號(hào)： *指導(dǎo)教師： *評(píng)定成績：教師評(píng)語：指導(dǎo)老師簽名：年月日 揚(yáng)州大學(xué)自控原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 1課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)是綜合性與實(shí)踐性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)。本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是使學(xué)生初步掌握控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本方法，同時(shí)學(xué)會(huì)利用matlab語言進(jìn)行控制方針和輔助設(shè)計(jì)的基本技能。2課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)課題題目：三階系統(tǒng)的校正與分析設(shè)單位負(fù)反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為：g（s）=k/s(s+1)(s+5),設(shè)計(jì)校正裝置，使系統(tǒng)在階躍輸入下的超調(diào)量小于等于3

2、0%，調(diào)節(jié)時(shí)間小于等于5s，而單位斜坡輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差小于等于15%。要求：（1）確定采用何種校正裝置。仿真校正前系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性圖以及系統(tǒng)的根軌跡圖。（2）將校正前性能指標(biāo)與期望指標(biāo)進(jìn)行比較，確定串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)gc(s)的傳遞函數(shù)，仿真出校正網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)頻率特性曲線圖。仿真校正后豬呢哥哥系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性圖以及根軌跡仿真圖。（3）當(dāng)輸入r(t)=1時(shí)，仿真出校正前系統(tǒng)的的單位階躍響應(yīng)曲線h(t)。分析校正前后的單位階躍響應(yīng)曲線，得出結(jié)果分析結(jié)論。3課程設(shè)計(jì)的基本要求（1）學(xué)習(xí)掌握matlab語言的基本命令，基本操作和程序設(shè)計(jì)；掌握matlab語言在自 動(dòng)控制原理中的應(yīng)用；掌握simul

3、ink的基本操作，使用其工具建立系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。（2）應(yīng)用matlab/simulink進(jìn)行控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)。通過建立數(shù)學(xué)模型，在matlab 環(huán)境下對(duì)模型進(jìn)行仿真，使理論與實(shí)際得到最優(yōu)結(jié)合。 （3）撰寫自控原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告。目錄1.前言 (3)2.未校正系統(tǒng)分析 (4)2.1復(fù)域分析 (4)2.2時(shí)域分析 (5)2.3頻域分析 (6)2.4用simulink進(jìn)行仿真 (8)3.選定合適的校正方案 (9)3.1分析確定校正裝 (9)3.2設(shè)計(jì)串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)的步驟 (9)3.3參數(shù)計(jì)算 (9)3.4校正系統(tǒng)伯德圖 (10)4.校正后系統(tǒng)分析 (11)4.1復(fù)域分析. (11)4.2時(shí)域分析

4、 (12)4.3頻域分析 (13) 4.4用simulink進(jìn)行仿真 (14) 4.5校正后的實(shí)驗(yàn)電路圖 (15)5.致謝 (16)6.參考文獻(xiàn) (17)1.前言所謂自動(dòng)控制，是指沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控量）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（動(dòng)態(tài)過程響應(yīng)的快速性與相對(duì)穩(wěn)定性）。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、航空及航天等眾多產(chǎn)業(yè)部門，極大的提高了社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了人們的勞動(dòng)條件，豐富和提高了人民的生活水

5、平。在今天的社會(huì)生活中，自動(dòng)化裝置無所不在，為人類文明進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。以反饋控制原理為基礎(chǔ)的自動(dòng)控制理論已形成比較完整的體系。其特點(diǎn)相對(duì)言，生產(chǎn)技術(shù)水平較低，控制對(duì)象結(jié)構(gòu)較簡單，被控參數(shù)較單一，要求達(dá)到的預(yù)期效果（性能指標(biāo)）也不高。反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如經(jīng)濟(jì)學(xué)和生 物學(xué)中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。 本課程設(shè)計(jì)討論如何根據(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)。在工程實(shí)踐中，由于控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)不能滿足要求，需要在系統(tǒng)中加入一些適當(dāng)?shù)脑蜓b置去補(bǔ)償和提高系統(tǒng)的性能，以滿足性能指標(biāo)的要求。這一過程我們稱為校正。目前工程實(shí)踐中常用的校正方式有串聯(lián)校正、反饋校

6、正和復(fù)合校正三種?？刂葡到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的分析可以運(yùn)用時(shí)域分析法、根軌跡法和頻域法；如果系統(tǒng)系統(tǒng)模型是狀態(tài)空間模型，可以運(yùn)用狀態(tài)空間分析與設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)可定性或定量分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；根軌跡法是利用圖解法求系統(tǒng)的根軌跡并用于系統(tǒng)的分析與綜合；控制系統(tǒng)中的信號(hào)可由不同頻率正弦信號(hào)來合成。而控制系統(tǒng)中的頻率特性反映了正弦信號(hào)作用下系統(tǒng)響應(yīng)的性能。應(yīng)用頻率特性研究線性系統(tǒng)的經(jīng)典方法稱為頻率分析法。通過分析確定系統(tǒng)是不是穩(wěn)定并制定合適的校正方案。2.未校正系統(tǒng)分析2.1復(fù)域分析由穩(wěn)態(tài)誤差小于等于0.15 即1/k=33.3 所以選擇k=40 繪畫根軌跡，分析未校正系統(tǒng)隨著根軌跡增益變化

7、的性能（穩(wěn)定性、快速性）。（1）繪畫根軌跡 未校正系統(tǒng)根軌跡圖（k=40）：num=8;den=conv(1 0,conv(1 1,0.2 1);g=tf (num,den);rlocus(g);title(未校正系統(tǒng)的根軌跡圖)xlabel(實(shí)軸x)ylabel(虛軸j)圖1 未校正系統(tǒng)的根軌跡圖（2）根據(jù)根軌跡分析未校正系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析0.2s3+1.2s2+s+0.2k 分析：閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程：d（s）=0.2s3+1.2s2+s+0.2k 列出勞斯表：由勞斯穩(wěn)定判據(jù)有： 0.2k0 且 1.2-0.04k0 ，即0又k=4030，所以系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)快速性分析系統(tǒng)的

8、快速性要好，則閉環(huán)極點(diǎn)均應(yīng)遠(yuǎn)離虛軸y，以便使階躍響應(yīng)中的每個(gè)分量都衰減得更快。由圖1可知，當(dāng)系統(tǒng)根軌跡在s左半平面時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)距s平面上虛軸越近，阻尼角增加，變小，振蕩程度加劇，超調(diào)量變大，若特征根進(jìn)一步靠近虛軸，衰減振蕩過程變得很緩慢，系統(tǒng)的快速性減小。2.2時(shí)域分析num=8;den=conv(1 0,conv(1 1,0.2 1);g=tf (num,den);g=feedback(g,1);step(g) xlabel(t); ylabel(y(t);title(校正前系統(tǒng)階躍響應(yīng))grid on圖2 未校正系統(tǒng)的階躍響應(yīng)由圖2可知，系統(tǒng)在單位階躍輸入下，振蕩程度加劇，超調(diào)量變大，系統(tǒng)

9、的動(dòng)態(tài)性能不佳，不穩(wěn)定。2.3頻域分析num=8;den=conv(1 0,conv(1 1,0.2 1);g=tf (num,den);bode(g) xlabel(w); title(校正前系統(tǒng)伯德圖)grid on圖3 未校正系統(tǒng)的伯德圖num=8;den=conv(1 0,conv(1 1,0.2 1);g=tf (num,den);margin(g) 圖4 未校正系統(tǒng)的margin圖校正前系統(tǒng)參數(shù):由圖4得校正前系統(tǒng)的幅值裕度gm=-2.5、相位裕度pm =-6.02、穿越頻率wg=2.24,截止頻率wp=2.572.4用simulink進(jìn)行仿真系統(tǒng)框圖系統(tǒng)仿真圖 圖5 未校正系統(tǒng)的simulink仿真圖由圖5知系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)在單位階躍輸入下，開始時(shí)振蕩比較大，超調(diào)量也比較大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不佳。3.選定合適的校正方案3.1分析確定校正裝置系統(tǒng)的快速性要