自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)方案對(duì)水箱流量控制系統(tǒng)

1、個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)目的：首先，通過對(duì)水箱流量控制系統(tǒng)分析，加強(qiáng)對(duì)水箱流量控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并掌握超前校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的方法。其次，通過設(shè)計(jì)，培養(yǎng)分析問題解決問題的能力。此外，使用 Matlab 軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，從而進(jìn)一步掌握 Matlab 的使用。 b5E2RGbCAP二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：初始條件：已知單位反饋水箱流量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為要求：試用Bode 圖設(shè)計(jì)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行超前串聯(lián)校正設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)滿足：<1）系統(tǒng)在單位斜坡信號(hào)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差<2）系統(tǒng)校正后，系統(tǒng)的相角裕量三、要求完成的主要任務(wù)：<1）手畫出滿足初始條件的

2、最小 值的系統(tǒng)的 Bode 圖<用漸近線表示），計(jì)算出系統(tǒng)的相角裕量；<2）在系統(tǒng)前向通道中插入一個(gè)相位超前校正網(wǎng)絡(luò)，確定校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)；<3）用 Matlab 畫出校正后的系統(tǒng)Bode 圖，并標(biāo)出開環(huán)剪切頻率及對(duì)應(yīng)的相角；<4）在 Matlab 下，用simulink 進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，在計(jì)算機(jī)上對(duì)人工設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，使其滿足技術(shù)要求；p1EanqFDPw<5）確定校正裝置的電路形式及電路參數(shù)；<6 ）對(duì)上述任務(wù)寫出完整的的課程設(shè)計(jì)說明書，說明書中必須進(jìn)行原理分析，寫清楚計(jì)算的過程及分析的結(jié)果。四、設(shè)計(jì)任務(wù)分析：雖然在頻域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是一種間接的

3、設(shè)計(jì)方法，因?yàn)樵O(shè)計(jì)結(jié)果滿足的是一些頻域指標(biāo)，而不是時(shí)域指標(biāo)。然而，在頻域內(nèi)設(shè)計(jì)又是一種簡(jiǎn)便的方法，在Bode 圖上雖不能嚴(yán)格定量地給出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，但卻能方便的根據(jù)頻域指標(biāo)確定校正裝置的參數(shù)，特別是對(duì)以校正系統(tǒng)的高頻特性有要求時(shí)，采用頻域法校正較其他方法更為方便。DXDiTa9E3d一般來說，開環(huán)頻率特性的低頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；開環(huán)頻率特性的中頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；開環(huán)頻率特性的高頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性和噪音抑制功能。因此，用頻域法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，就是在系統(tǒng)中加入頻率特性形狀合適的校正裝置，是開環(huán)系統(tǒng)的頻率形狀變成所期望的形狀：低頻段增益充分大，以保證穩(wěn)態(tài)誤差要求；

4、中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性斜率一般為，并占有充分寬的頻帶，以保證具備適當(dāng)?shù)南嘟窃６?；高頻段增益盡快減小，以削弱噪聲影響。RTCrpUDGiT五、設(shè)計(jì)步驟：<1）根據(jù)所要求的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，確定系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能要求的開環(huán)增益。1/10個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用由要求 <1）：系統(tǒng)在單位斜坡信號(hào)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。得， 取。<2）繪制 k=1000 值下的系統(tǒng)的Bode 圖，并求出系統(tǒng)的相角裕量。待校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)上式代表最小相位系統(tǒng)，因此，只需畫出其對(duì)數(shù)幅頻漸近線特性，如圖1 所示。圖 <1）：未校正系統(tǒng)的 Bode 圖由圖得待校正系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率可算出待校正系統(tǒng)的相角裕量

5、為相角裕度小的原因，是因?yàn)榇Ｕ到y(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性中頻區(qū)的斜率是，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性會(huì)有嚴(yán)重的振蕩，需要校正裝置校正。由于截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于指標(biāo)要求，2/10個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用故采用串聯(lián)超前校正是合適的。5PCzVD7HxA<3）確定為使相角裕量達(dá)到要求值，所需增的超前相角。加是考慮到校正裝置影響剪切頻率的位置而附加的相角裕量，未校正系統(tǒng)中頻段的斜率為 -40dB/dec ，故取該值。 jLBHrnAILg取<4）令超前校正網(wǎng)絡(luò)的最大超前相角，求校正裝置的參數(shù)。<5）確定未校正系統(tǒng)幅值為的頻率。校正后系統(tǒng)的剪切頻率，校正網(wǎng)絡(luò)的對(duì)數(shù)幅值可計(jì)算出未校正系統(tǒng)在該處的頻率，既可作為校

6、正后的系統(tǒng)的剪切頻率。<6）下面計(jì)算校正網(wǎng)絡(luò)的周期。是和的幾何中點(diǎn)，所以有令則3/10個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用<7）寫出校正裝置的傳遞函數(shù)。校正裝置的傳遞函數(shù)為<8）為補(bǔ)償超前校正網(wǎng)絡(luò)造成的幅值衰減，附加一個(gè)放大器則校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為做出校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和Bode 圖，如圖2 所示。4/10個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖<2 ）：校正后的系統(tǒng)的Bode 圖和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖<9）檢驗(yàn)系統(tǒng)的特性，校正后的相角裕量為：由于校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足要求。由Matlab 畫出校正后的Bode ，可以得到穩(wěn)定性裕量的精確值，。與上面求的值基本一致。由此可得，所選用的校正裝置

7、能夠達(dá)到目的。xHAQX74J0X<10）在 Simulink 仿真環(huán)境下對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與校正前比較。加校正環(huán)節(jié)前后的仿真模型如圖3 所示。其中校正前和校正后的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4、 5 所示。LDAYtRyKfE5/10個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 <3）： 加校正環(huán)節(jié)前后的仿真模型6/10個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 <4）：校正前的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線圖 <5）：校正后的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線通過仿真曲線可以看出，校正前系統(tǒng)不穩(wěn)定，單位階躍響應(yīng)振蕩劇烈。而校正后的系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，其時(shí)域指標(biāo)性能指標(biāo)：無論是超調(diào)量還是調(diào)整時(shí)間都較小，故該校正裝置能夠很好的

8、達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以取用。Zzz6ZB2Ltk超前校正裝置實(shí)質(zhì)是一個(gè)微分型補(bǔ)償器，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)，校正裝置可近似為超前校正增加了系統(tǒng)的相位裕量和頻帶寬度，即增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加速了動(dòng)態(tài)過程。<11）確定無源超前校正裝置。如圖 6 所示為 RC 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無源超前校正裝置，該裝置的傳遞函數(shù)為7/10個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 <6 ）： RC 超前網(wǎng)絡(luò)令則可求得各參數(shù)為，。取可得。<12）該題還可采用Matlab 來設(shè)計(jì)校正裝置，其程序如下：%頻率特性的超前校正設(shè)計(jì)程序%ng=1000。dg=0.0001 0.101 1 0。g0=tf(ng,dg>。kc=1 。dpm=4

9、0+10。mag,phase,w=bode(g0*kc>。 hold onMag=20*log10(mag> 。Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(g0*kc>。phi=(dpm-Pm>*pi/180。alpha=(1+sin(phi>>/(1-sin(phi>>。Mn=-10*log10(alpha>。Wcgn=spline(Mag,w,Mn> 。T=1/Wcgn/sqrt(alpha>。Tz=alpha*T 。 Gc=tf(Tz 1,T 1>。bode(Gc> 。 hold onfigure(1>8/

10、10個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用bode(g0*kc*Gc> 。 maRgin(g0*kc*Gc> 。hold onGc則校正裝置的傳遞函數(shù)為校正前、校正后和校正裝置的頻率特性如圖<7）所示。圖 <7）：校正前、后和校正裝置的頻率特性讀圖可得，系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率，相角裕量。滿足系統(tǒng)要求。六、設(shè)計(jì)小結(jié)本次設(shè)計(jì)表明，系統(tǒng)經(jīng)串聯(lián)校正后，中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性斜率為，并具有足夠的寬度，從而系統(tǒng)的相角裕量增大，動(dòng)態(tài)過程超調(diào)量下降。因此，在實(shí)際運(yùn)行的控制系統(tǒng)中，其中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性大多具有的斜率。 dvzfvkwMI1此次設(shè)計(jì)還讓我了解了自動(dòng)控制原理中校正系統(tǒng)的基本概念及其對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)

11、應(yīng)用，通過對(duì)初步知識(shí)的了解，對(duì)校正系統(tǒng)各種方案的比較，進(jìn)一步了解了校正系統(tǒng)的合理性和實(shí)用性。什么樣的課程設(shè)計(jì)都離不開理論與實(shí)際相結(jié)合的真理，設(shè)計(jì)過程中的方案選擇和參數(shù)設(shè)定使我進(jìn)一步深刻認(rèn)識(shí)到自控原理中校正環(huán)節(jié)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的重要作用。一個(gè)細(xì)小的參數(shù)設(shè)定出現(xiàn)偏差，可能導(dǎo)致最后的性能指標(biāo)不和標(biāo)準(zhǔn)。所以選擇一個(gè)優(yōu)良的方案結(jié)于實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。9/10個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用我認(rèn)為，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該怎樣少走一些彎路，怎樣能夠非常透徹的理解系統(tǒng)并用簡(jiǎn)單方法設(shè)計(jì)校正裝置，我想這是這次課程設(shè)計(jì)最鍛煉人的地方。然而這也要求我們有相當(dāng)厚實(shí)的理論基礎(chǔ)，并能很好地運(yùn)用到實(shí)際中去。這是我們學(xué)習(xí)和掌握好自控原理最重要的。我們運(yùn)用

12、Matlab 軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，這不僅對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)帶來了方便，也能很準(zhǔn)確地為我們改動(dòng)參數(shù)提供依據(jù)，同時(shí)也讓我們對(duì)Matlab 軟件進(jìn)行了又一步的學(xué)習(xí)，也為我們?cè)俅问炀氝\(yùn)用Matlab打下了基礎(chǔ)。這次課程設(shè)計(jì)也鍛煉了我們的細(xì)心和耐心，這尤其體現(xiàn)在我們課程設(shè)計(jì)報(bào)告的格式上，很多人格式上不過關(guān)，關(guān)鍵是他們太浮躁，不能細(xì)心地對(duì)待。格式很重要，不然，美觀切不說，報(bào)告看上去很混亂，不易于閱讀。嚴(yán)格的格式要求也是在培養(yǎng)我們的做事態(tài)度。我也很感謝有課程設(shè)計(jì)這次機(jī)會(huì)，讓我明白了這么多從前不知道的東西。這些對(duì)我日后的工作都是十分寶貴的。同時(shí)也讓我看清了自己，明白了自己哪里欠缺。理論知識(shí)的不足在這次課程設(shè)計(jì)中給我?guī)砹撕芏嗦闊@也算是提醒。今后，在學(xué)習(xí)中，我要端正自己的態(tài)度努力學(xué)習(xí)，只有這樣我們才能真正的掌握好知識(shí)。最后，還要特別感謝何琳琳老師，在她的幫助和指導(dǎo)下，才讓我最終完成了這次設(shè)計(jì)！rqyn14ZNXI七、參考文獻(xiàn)：【 1】胡壽松 自動(dòng)控制原理 ( 第四版 > 北京：科學(xué)出版社 .2002【 2】謝克明