自控課設(shè)完全版

1、 分數(shù)：華南理工大學廣州學院課程設(shè)計報告題 目： 自動控制原理課程設(shè)計 課 程： 自動控制原理課程設(shè)計 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學 號： 電信學院自動控制原理課程設(shè)計指導老師評價表院（部）年級專業(yè)班級學生姓名學生學號題 目一、 指導老師評語 指導老師簽名： 2017年10 月二、 成績評定（分優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五個等次）第 一 部 分任務(wù)書自動控制原理課程設(shè)計任務(wù)書一、課題名稱 自動控制原理課程設(shè)計二、課程設(shè)計目的課程設(shè)計是課程教學中的一項重要內(nèi)容，是達到教學目標的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強的理論、實踐教學環(huán)節(jié)，它對幫助學生全面牢固地消化、鞏固、掌握課堂教學內(nèi)容、開拓思維、培養(yǎng)專

2、業(yè)素養(yǎng)、指導學生的實踐和動手環(huán)節(jié)、提高學生全面素質(zhì)具有很重要的意義。自動控制原理課程設(shè)計目的：1）利用電阻、電容、電感建立一階、二階、三階數(shù)學模型。2）掌握自動控制原理的時域分析法，根軌跡法，頻域分析法，以及各種補償（校正）裝置的作用及設(shè)計，能夠利用不同的分析法對給定系統(tǒng)進行性能分析，能根據(jù)不同的系統(tǒng)性能指標要求進行合理的系統(tǒng)設(shè)計，并調(diào)試滿足系統(tǒng)的指標。 3) 學會使用MATLAB語言及Simulink動態(tài)仿真工具進行系統(tǒng)仿真與調(diào)試。 三、課程設(shè)計任務(wù)和要求1、理論分析：用MATLAB進行系統(tǒng)時域、頻域分析，報告要有相應(yīng)程序和響應(yīng)曲線、結(jié)論。1）、時域分析：分析系統(tǒng)在典型輸入信號（單位階躍信號

3、、單位斜坡信號、脈沖信號、正弦信號）作用下，系統(tǒng)輸出響應(yīng)；畫出未校正系統(tǒng)的根軌跡圖，分析閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定。用MATLAB軟件進行系統(tǒng)時域分析，報告中要有程序和響應(yīng)曲線。（參考教材第三章第七節(jié) 基于MATLAB的控制系統(tǒng)時域分析）2）頻域分析：畫出未校正開環(huán)系統(tǒng)的Bode圖，分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定3）、根據(jù)設(shè)計系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)達到規(guī)定的性能指標根據(jù)給定的性能指標選擇合適的校正方式GC(s)對原系統(tǒng)進行校正（必須有校正過程計算過程），使其滿足工作要求。串聯(lián)校正利用MATLAB對校正后系統(tǒng)的性能進行分析，與未校正前系統(tǒng)進行比較分析。2、實物制作和調(diào)試利用面包板、電阻R、電容C、電感L建立一階、二

4、階、三階數(shù)學模型，面包板是由于板子上有很多小插孔，專為電子電路的無焊接實驗設(shè)計制造的。1） 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)和校正裝置傳遞函數(shù)數(shù)學模型制作一階系統(tǒng)數(shù)學模型可以利用RC電路設(shè)計。二階系統(tǒng)數(shù)學模型可以利用RLC或兩級RC電路設(shè)計。三階系統(tǒng)數(shù)學模型可以利用一階、二階系統(tǒng)串聯(lián)實現(xiàn)。2）典型輸入信號（單位階躍信號、單位斜坡信號、脈沖信號、正弦信號）建立單位階躍信號、脈沖信號：利用開關(guān)和直流穩(wěn)壓電源建立單位斜坡信號、正弦信號:利用利用RLC電器元件設(shè)計或信號發(fā)生器（icl8038信號發(fā)生模塊淘寶網(wǎng)單價20元）參考模擬電子技術(shù)相關(guān)書籍。3）調(diào)試：以上實物制作完成后進行輸出響應(yīng)曲線檢測，可利用示波器或萬用表觀

5、測說明：凡是利用到實驗室設(shè)備的，將試大家實物完成情況統(tǒng)一時間開放實驗室。3、設(shè)計報告1）、理論分析：用MATLAB進行系統(tǒng)時域、頻域分析，報告要有相應(yīng)程序和響應(yīng)曲線、結(jié)論。2）、實物制作部分：設(shè)計報告要寫出詳細的設(shè)計步驟，包括元器件選型計算。3）、理論分析和實物運行結(jié)果對比和分析，誤差產(chǎn)生原因分析。4）、課程設(shè)計過程中遇到的問題及解決的方法；寫出心得體會與參考文獻等。 4、題目及分組本次課程設(shè)計題目共十小題，分組進行設(shè)計，每組最多5位同學，每組選其中一題題目完成，各組題目不能相同。當出現(xiàn)選題問題時，由學委協(xié)調(diào)分配。每組選定一名組長，負責協(xié)調(diào)組員工作分工。題目見附件1。 5、時間安排 1、每位同

6、學根據(jù)完成的題目，完成任務(wù)書及設(shè)計報告撰寫并用A4紙、宋體小四字體打印。封面和指導教師評價表作為第1、2頁(格式見后),與課程設(shè)計任務(wù)書和報告內(nèi)容一起裝訂。 2、設(shè)計時間安排：2017年9月14日2017年10月15日，驗收及答辯以小組為單位進行，時間待定。驗收通過后修改整理打印設(shè)計報告，于2017年10月20日前各班集中提交設(shè)計報告。6、經(jīng)費使用：每位同學每門課程設(shè)計費用20元人民幣，每個小組總費用不能超過小組組員人數(shù)×20元，選定題目后編制元器件購買清單。各組將購買清單交由學委，由班級統(tǒng)一采購。費用超出部分組員個人承擔。題三：設(shè)單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 1、畫出未校正系統(tǒng)的

7、Bode圖，分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定。2、畫出未校正系統(tǒng)的根軌跡圖，分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定。3、設(shè)計系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置，要求校正后的系統(tǒng)滿足指標：（1）相角裕度30°（2）幅值裕度h10dB。4、給出校正裝置的傳遞函數(shù)。5、分別畫出校正前，校正后和校正裝置的幅頻特性圖。計算校正后系統(tǒng)的穿越頻率、相角裕度和幅值裕度h。6、分別畫出系統(tǒng)校正前、后的開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖，并進行分析。7、應(yīng)用所學的知識分析校正器對系統(tǒng)性能的影響（自由發(fā)揮）。第 二 部 分課程設(shè)計報告1、 畫出未校正系統(tǒng)的Bode圖，分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定。程序：>>num=4;>>den=1 2 0;>>G

8、=tf(num,den);/求傳遞函數(shù)>>margin(G)>>Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(G) / margin函數(shù)可計算出幅值裕度、相角裕度及對應(yīng)頻率Gm =/幅值裕度 InfPm =/相角裕度 51.8273Wcg =/相角穿越頻率 InfWcp =/截至頻率1.5723未較正系統(tǒng)的Bode圖：在圖中可看出Lg（）>0的范圍內(nèi)相頻特性沒有穿越-180°線，較正前的相角裕度為51.8273，校正前的幅值裕度為inf，所以系統(tǒng)穩(wěn)定。對數(shù)判據(jù)是用穿越次數(shù)來判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性的。利用伯德圖進行穩(wěn)定性判定的判據(jù)是：幅值裕度GM>0且相角PM

9、裕度>0從伯德圖不能得知絕對穩(wěn)定性，只能得知相當穩(wěn)定性（例如PM，GM）。2、 畫出未校正系統(tǒng)的根軌跡圖，分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定。程序：>>num=4； /num為系統(tǒng)傳遞函數(shù)分子多項式系數(shù)>>den=1 2 0； /den為系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母多項式系數(shù)>>G=tf（num，den）； /開環(huán)傳遞函數(shù)模型>>rlocus（G）/  rlocus繪制開環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡未較正系統(tǒng)的根軌跡圖：由單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 可知，系統(tǒng)的臨界穩(wěn)定點K=4。由根軌跡圖可知：此時系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性很好，無論k怎么變，不會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。要求系統(tǒng)穩(wěn)定，

10、閉環(huán)極點都必須在s左半平面。（s=0,-2）3、設(shè)計系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置，要求校正后的系統(tǒng)滿足指標：（1）相角裕度30°（2）幅值裕度h10dB。該系統(tǒng)采取串聯(lián)較正裝置，滯后較正網(wǎng)絡(luò)如下：采取滯后較正。c=1 rad/s y=60°/c=1 rad/s時相角裕量滿足對數(shù)幅值為5 page249 例6-24、 給出校正裝置的傳遞函數(shù)Gc（s）=（1+10s）/(1+16.7s)5、分別畫出校正前，校正后和校正裝置的幅頻特性圖。計算校正后系統(tǒng)的穿越頻率、相角裕度和幅值裕度h。較正前的bode圖：margin（G）較正后的bode圖：較正裝置的bode圖：校正前的根軌跡圖：rloc

11、us（G）較正后的根軌跡圖：較正裝置的根軌跡圖：較正后系統(tǒng)為：G(s)=（40s+4）/（16.7s³+34.4s²+2s）校正后系統(tǒng)的穿越頻率、相角裕度和幅值裕度h：程序：>> num=40 4;/分子系數(shù)>> den=16.7 34.4 2 0; /分母系數(shù)>> G=tf(num,den);/傳遞函數(shù)>> margin(G)/>>Gm，Pm，Wcg，Wcp=margin（G） /計算出幅值裕度、相角裕度及對應(yīng)頻率Gm =/幅值裕度 InfPm =/相角裕度 59.9010Wcg =/ 截至頻率 InfWcp =

12、/穿越頻率 1.0609Wcp為穿越頻率，Pm為相角裕度，Gm為幅值裕度。所以校正后系統(tǒng)的穿越頻率為1.0609、相角裕度=59.9°，,幅值裕度h=Inf6、 分別畫出系統(tǒng)校正前、后的開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖，并進行分析系統(tǒng)較正前的開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖：nyquist(G)系統(tǒng)校正后的開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖：由圖可得，奈氏曲線不能將（-1，j0）點包圍，故系統(tǒng)是穩(wěn)定的。7、應(yīng)用所學的知識分析校正器對系統(tǒng)性能的影響（自由發(fā)揮） 1.超前校正的目的是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能,實現(xiàn)在系統(tǒng)靜態(tài)性能不受損的前提下,提高系統(tǒng)的動態(tài)性能.通過加入超前校正環(huán)節(jié),利用其相位超前特性來增大系統(tǒng)的相位裕度,改變系統(tǒng)

13、的開環(huán)頻率特性.一般使校正環(huán)節(jié)的最大相位超前角出現(xiàn)在系統(tǒng)新的穿越頻率點.2.滯后校正通過加入滯后校正環(huán)節(jié),使系統(tǒng)的開環(huán)增益有較大幅度增加,同時又使校正后的系統(tǒng)動態(tài)指標保持原系統(tǒng)的良好狀態(tài).它利用滯后校正環(huán)節(jié)的低通濾波特性,在不影響校正后系統(tǒng)低頻特性的情況下,使校正后系統(tǒng)中高頻段增益降低,從而使其穿越頻率前移,達到增加系統(tǒng)相位裕度的目的.8、總結(jié) 通過本次設(shè)計，鞏固了課堂上所學到的知識，熟練的掌握了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能的各種分析方法，加深了對控制原理有關(guān)知識的理解和應(yīng)用。基本掌握了MATLAB軟件的有關(guān)功能和使用方法。學會使用MATLAB軟件進行系統(tǒng)性能分析，了解了MATLAB幾個工具箱的使用方