自控課程設(shè)計報告

1、1 / 131 / 13 學(xué)號：0120806230114 課 程 設(shè) 計題目滯后校正控制系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)院自動化專業(yè)自動化班級0801 姓名陳云正指導(dǎo)教師譚思云2011 年01 月09 日2 / 132 / 13 課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：自動化 0803 指導(dǎo)教師：譚思云工作單位：自動化學(xué)院題目: 滯后校正控制系統(tǒng)設(shè)計初始條件：單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為調(diào)節(jié)時間5s，單位階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差 0.1，相角裕度大于 45 度。要求完成的主要任務(wù) :（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1） 設(shè)計一個滯后校正裝置，使系統(tǒng)滿足上述性能指標(biāo)；（2）

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)的動態(tài)性能指標(biāo)；（4） 對上述任務(wù)寫出完整的課程設(shè)計說明書，說明書中必須寫清楚分析計算的過程，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。時間安排：（1） 課程設(shè)計任務(wù)書的布置，講解（一天）（2） 根據(jù)任務(wù)書的要求進(jìn)行設(shè)計構(gòu)思。 （一天）（3） 熟悉 matlab 中的相關(guān)工具（一天）（4） 系統(tǒng)設(shè)計和仿真分析。 （四天）（5） 撰寫說明書。（兩天）（6） 課程設(shè)計答辯（一天）指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任（或責(zé)任教師）簽

3、名：年月日3 / 133 / 13 摘要為了使一個系統(tǒng)能夠按人們要求的方式運(yùn)行，除了精心設(shè)計，還要進(jìn)行校正，以使系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計擬定的性能指標(biāo)。系統(tǒng)矯正有超前校正、滯后校正、滯后- 超前校正等。只有對原系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了分析，并和擬定的性能指標(biāo)相比較，針對性的設(shè)計校正系統(tǒng)才能得到滿足要求的控制系統(tǒng)。本設(shè)計是對一個系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正，目的是使系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。在本設(shè)計中，通過一些原理、方案，使系統(tǒng)能夠達(dá)到一定的要求。并用matlab 軟件驗證自己的計算，并進(jìn)行校正和檢驗?？梢姡粌H要能夠掌握自動控制原理的一些基本知識，還要有熟練運(yùn)用matlab 軟件輔助設(shè)計的能力，因此在做設(shè)計之前

4、要查找充分的資料， 并在設(shè)計中也勤查資料， 只有這樣才能全面的、準(zhǔn)確的完成課程設(shè)計，并能運(yùn)用matlab 解決問題。作為學(xué)生，不要僅滿足于運(yùn)用 matlab 完成自己的任務(wù)， 自己要利用這樣的好機(jī)會， 全面的掌握 matlab 的運(yùn)用，為以后熟練運(yùn)用matlab 打下很好的基礎(chǔ)?？傊?，不能僅滿足于老師布置的任務(wù)，自己要想在課設(shè)中有很好的提高，就要勤查資料，嚴(yán)格要求自己，充分利用身邊的資源。4 / 134 / 13 目 錄1 設(shè)計要求 . 4 2 設(shè)計原理 . 43 設(shè)計方案 . 53 設(shè)計分析和計算 . 53.1 校正參數(shù) b的計算 . 53.2 參數(shù) a、t的計算 . 53.3 校正后系統(tǒng)的

5、檢驗 . 64 仿真程序、波形及結(jié)果分析. 64.1 校正前系統(tǒng)的奈奎斯特曲線和伯德圖. 64.2 校正后系統(tǒng)的奈奎斯特曲線和伯德圖. 74.3 校正前后系統(tǒng)動態(tài)性能的比較. 85 心得體會 . 10 參考文獻(xiàn) . 115 / 135 / 13 滯后矯正控制系統(tǒng)設(shè)計1. 設(shè)計要求已知一單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為要求控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)為調(diào)節(jié)時間5s, 單位階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差 0.1, 相角裕度大于 45 度。任務(wù)： （1）設(shè)計一個滯后校正裝置，使系統(tǒng)滿足上述性能指標(biāo)；（2）畫出系統(tǒng)在矯正前后的奈奎斯特曲線和伯德圖；（3）用 matlab 畫出校正前后的階躍響應(yīng)曲線，并根據(jù)曲線分析系統(tǒng)的動態(tài)性

6、能指標(biāo)；（4）對上述任務(wù)寫出完整的課程設(shè)計說明書，說明書中必須寫清楚分析計算的過程， 給出響應(yīng)曲線， 并包含 matlab 源程序或 simulink 仿真模型， 說明書的格式按教務(wù)處標(biāo)準(zhǔn)書寫。2. 設(shè)計原理對于所給出的系統(tǒng)進(jìn)行分析可以知道，校正前的系統(tǒng)是穩(wěn)定的， 調(diào)節(jié)時間和相角裕度兩項性能指標(biāo)都滿足設(shè)計要求，只有單位階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差過大，需要通過矯正使它由32變得小于 0.1 。對于該系統(tǒng)，由于無差度v=0，可知單位階躍響應(yīng)下的穩(wěn)態(tài)誤差ess( )=。為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，必須增大穩(wěn)態(tài)位置誤差系數(shù)kp。由于 kp=)(limsgs，得知設(shè)計的滯后校正裝置必須能夠使穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)增大。由于滯后校正

7、裝置的傳遞函數(shù) a1 ，它的幅頻特征曲線如圖一所示。 串聯(lián)進(jìn)前向通道后能夠降低系統(tǒng)的截止頻率，提高系統(tǒng)的向位裕度， 改善系統(tǒng)的暫態(tài)性能，但不能改變穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)，即不能改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。因此，有必要再之后矯正網(wǎng)絡(luò)后串連一個放大倍數(shù)為b的放大器，如圖二所示的放大 b倍的滯后校正的伯德圖可知， 這樣做可以在在暫態(tài)性能不變的前提下提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。綜上所述，在原系統(tǒng)開環(huán)部分后串連一個滯后校正裝置，然后串連一個放大倍數(shù)為 b的放大器，檢驗校正后系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)，如符合設(shè)計要求， 則校正完成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖三所示。6 / 136 / 13 、3. 設(shè)計分析和計算3.1 校正參數(shù) b的計算由系統(tǒng)原開環(huán)

8、傳遞函數(shù)和放大倍數(shù)b 得到校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為g(s)= 得到階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差ess( )= 得到 b18，為方便計算，取b=20 3.2 校正參數(shù) a、t 的計算由于要求的相角裕度r=45在校正前系統(tǒng)的相頻特性曲線上做-180+45+10=125線，得到新系統(tǒng)的截止頻率cw =8.91 該頻率對應(yīng)原系統(tǒng)幅頻特性的交點(diǎn)為-13.1db 。由于校正后系統(tǒng)含有一個放大器會使系統(tǒng)幅頻特性向上平移，所以令-13.1+20lgb=20lga11得到 a=0.224 令at1=cw *cot(90 -10) 得到 t=2.847 l(w) 1/t1/at -20db/dec w l(w) 1/t

9、1/at w 圖一圖二- 圖三b 7 / 137 / 13 3.3 校正后系統(tǒng)的檢驗對 校 正 后 的 系 統(tǒng) 計 算 各 項 參 數(shù) ， 得 到 單 位 階 躍 輸 入 的 穩(wěn) 態(tài) 誤 差sse ( )=0.97 。借助校正后系統(tǒng)的伯德圖，得到校正后的相角裕度r=104。借助校正后系統(tǒng)的波形圖，得到校正后的調(diào)節(jié)時間ts=1.97s( 誤差為 2% 時) 。各項參數(shù)均符合設(shè)計要求。4. 仿真程序、結(jié)果及結(jié)果分析4.1 校正前系統(tǒng)的奈奎斯特曲線和伯德圖程序： num=1,10; den=1,2,20; nyquist(num,den) -1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.

10、81-1.5-1-0.500.511.50 db-20 db-10 db-6 db-4 db-2 db20 db10 db6 db4 db2 dbnyquist diagramreal axisimaginaryaxis校正前系統(tǒng)奈氏曲線程序：num=1,10;den=1,2,20;bode(num,den) 8 / 138 / 13 -60-50-40-30-20-10010magnitude(db)10-1100101102103-135-90-450phase(deg)bode diagramfrequency (rad/sec)校正前系統(tǒng)伯德圖4.2 校正后系統(tǒng)的奈奎斯特曲線和伯德圖程

11、序：num=12.76,147.6,200;den=2.847,19.454,206.54,220;nyquist(num,den)-1-0.500.511.5-1.5-1-0.500.511.50 db-20 db-10 db-6 db-4 db-2 db20 db10 db6 db4 db2 dbnyquist diagramreal axisimaginaryaxis校正后系統(tǒng)奈氏曲線9 / 139 / 13 程序：num=12.76,147.6,200;den=2.847,19.454,206.54,220;bode(num,den)-30-25-20-15-10-505magnitu

12、de(db)10-1100101102-135-90-450phase(deg)bode diagramfrequency (rad/sec)校正后系統(tǒng)伯德圖4.3 校正前后系統(tǒng)動態(tài)性能的比較00.511.522.533.5400.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5step responsetime (sec)amplitude校正前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的波形圖10 / 1310 / 13 00.511.522.5300.20.40.60.811.21.4system: systime (sec): 2.44amplitude: 0.896step response

13、time (sec)amplitude校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)的波形圖有校正前后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的波形圖可知，校正后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值越是校正前系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值約三倍。校正前系統(tǒng)的超調(diào)量為49% ，校正后變?yōu)?19.5%。取=2，校正前系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間為2.7s ，校正后變?yōu)?1.97 秒。校正前系統(tǒng)的上升時間為0.22s ，校正后變?yōu)?0.20s 。校正前系統(tǒng)的峰值時間為0.48s, 校正后變?yōu)?0.30s ?？芍?，經(jīng)過校正，系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了改善。11 / 1311 / 13 5. 心得體會在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。自動控制是指在沒有人直接參和的情況下，利用外加的設(shè)

14、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)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于人類社會的各個領(lǐng)域。在工業(yè)方面，對于化工、機(jī)械制造等生產(chǎn)過程中遇到的各種物理量，包括溫度、流量、相位等，都有相應(yīng)的控制系統(tǒng)。在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用包括水位自動控制系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動操作系統(tǒng)等。此外，在辦公室自動化、圖書管理、交通管 理乃至日常家務(wù)方面，自動控制技術(shù)也都有著實際的應(yīng)用。隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展，自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)大，幾乎涉及生物、醫(yī)學(xué)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會等所有領(lǐng)域。自控涉及的只是很廣，所需的知識較多。當(dāng)然，由于本科

15、階段時間有限，我們不能很好的更深入的學(xué)習(xí)自動控制這門課。若想把它學(xué)好，在條件許可下，我們應(yīng)該考上研究生，在研究生階段更徹底的學(xué)習(xí)。通過半年的學(xué)習(xí)，我們對自動控制原理有了比較一定的認(rèn)識，并能簡單運(yùn)用自動控制解決一些簡單問題。我們運(yùn)用平時所學(xué)的一些基礎(chǔ)知識解決了課程設(shè)計的問題，深感欣慰、高興。通過本次的課程設(shè)計，我們又對自控有了一定的加深。并知道了在當(dāng)今的信息技術(shù)如此發(fā)達(dá)的世界中，我們必須運(yùn)用多種渠道，去學(xué)習(xí)研究。并要很好的運(yùn)用計算機(jī)和一些軟件，只有這樣，我們才能更好地、精確地、快速地解決問題。平時只有理論知識學(xué)習(xí)， 卻缺少必須的動手機(jī)會， 當(dāng)然在實驗課上， 也鍛煉了自己的動手能力?？墒?，畢竟課上

16、時間有限，不能深入的完成實驗。要把理論轉(zhuǎn)化為實踐是必須的， 學(xué)生必須盡力為自己尋找一些實驗，動手的機(jī)會。 課程設(shè)計為我們提供了這樣的機(jī)會。課設(shè)過程中，大家自己獨(dú)立思考，完成老師布置的題目，學(xué)習(xí)了很多東西，把自己所學(xué)用于實際，自己倍感有成就感。課設(shè)期間，遇到問題，獨(dú)立解決或同學(xué)在一起討論，大家很有目的的做課設(shè)，受益匪淺。12 / 1312 / 13 參考文獻(xiàn)胡壽松 . 自動控制原理 ( 第五版 ). 北京：科學(xué)出版社 ,2006. 魏克新，王云亮編著. matlab 語言和自動控制系統(tǒng)設(shè)計. 機(jī)械工業(yè)出版社,2000. 王正林，王勝開編著. matlab/simulink和控制系統(tǒng)仿真 . 電子

17、工業(yè)出版社. （美） 安德魯， （美）威廉斯編著 . 實用自動控制設(shè)計指南 . 化學(xué)工業(yè)出版社. 黃忠霖編著 . 自動控制原理的 matlab 實現(xiàn). 國防工業(yè)出版社 ,2007. 彭雪峰，劉建斌編著. 自動控制原理實踐教程. 中國水利水電出版社,2006. 13 / 1313 / 13 ：本科生課程設(shè)計成績評定表姓名陳云正性別男專業(yè)、班級自動化 0803 課程設(shè)計題目：滯后校正系統(tǒng)的設(shè)計課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄：1. 如果只在原系統(tǒng)開環(huán)部分后加一個放大器，而不加滯后校正裝置，可以嗎？不可以。因為放大器雖然不會改變系統(tǒng)的暫態(tài)性能，并有減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的作用。但是，它會改變系統(tǒng)的幅頻特性曲線，影響相角裕度。所以不能這樣做。2.參數(shù)計算中用 20lga-1=-13+20lgb 而