自控課設(shè)完全版

1、 分?jǐn)?shù)：華南理工大學(xué)廣州學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì) 課 程： 自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 電信學(xué)院自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師評(píng)價(jià)表院（部）年級(jí)專業(yè)班級(jí)學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)題 目一、 指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ) 指導(dǎo)老師簽名： 2017年10 月二、 成績(jī)?cè)u(píng)定（分優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五個(gè)等次）第 一 部 分任務(wù)書(shū)自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、課題名稱 自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)二、課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強(qiáng)的理論、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對(duì)幫助學(xué)生全面牢固地消化、鞏固、掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、開(kāi)拓思維、培養(yǎng)專

2、業(yè)素養(yǎng)、指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)踐和動(dòng)手環(huán)節(jié)、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)目的：1）利用電阻、電容、電感建立一階、二階、三階數(shù)學(xué)模型。2）掌握自動(dòng)控制原理的時(shí)域分析法，根軌跡法，頻域分析法，以及各種補(bǔ)償（校正）裝置的作用及設(shè)計(jì)，能夠利用不同的分析法對(duì)給定系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，能根據(jù)不同的系統(tǒng)性能指標(biāo)要求進(jìn)行合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并調(diào)試滿足系統(tǒng)的指標(biāo)。 3) 學(xué)會(huì)使用MATLAB語(yǔ)言及Simulink動(dòng)態(tài)仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)仿真與調(diào)試。 三、課程設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1、理論分析：用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)域、頻域分析，報(bào)告要有相應(yīng)程序和響應(yīng)曲線、結(jié)論。1）、時(shí)域分析：分析系統(tǒng)在典型輸入信號(hào)（單位階躍信號(hào)

3、、單位斜坡信號(hào)、脈沖信號(hào)、正弦信號(hào)）作用下，系統(tǒng)輸出響應(yīng)；畫(huà)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(jìn)行系統(tǒng)時(shí)域分析，報(bào)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(shí)域分析）2）頻域分析：畫(huà)出未校正開(kāi)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(jì)系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)達(dá)到規(guī)定的性能指標(biāo)根據(jù)給定的性能指標(biāo)選擇合適的校正方式GC(s)對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行校正（必須有校正過(guò)程計(jì)算過(guò)程），使其滿足工作要求。串聯(lián)校正利用MATLAB對(duì)校正后系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，與未校正前系統(tǒng)進(jìn)行比較分析。2、實(shí)物制作和調(diào)試?yán)妹姘?、電阻R、電容C、電感L建立一階、二

4、階、三階數(shù)學(xué)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(wú)焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造的。1） 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)和校正裝置傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型制作一階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可以利用RC電路設(shè)計(jì)。二階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可以利用RLC或兩級(jí)RC電路設(shè)計(jì)。三階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可以利用一階、二階系統(tǒng)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。2）典型輸入信號(hào)（單位階躍信號(hào)、單位斜坡信號(hào)、脈沖信號(hào)、正弦信號(hào)）建立單位階躍信號(hào)、脈沖信號(hào)：利用開(kāi)關(guān)和直流穩(wěn)壓電源建立單位斜坡信號(hào)、正弦信號(hào):利用利用RLC電器元件設(shè)計(jì)或信號(hào)發(fā)生器（icl8038信號(hào)發(fā)生模塊淘寶網(wǎng)單價(jià)20元）參考模擬電子技術(shù)相關(guān)書(shū)籍。3）調(diào)試：以上實(shí)物制作完成后進(jìn)行輸出響應(yīng)曲線檢測(cè)，可利用示波器或萬(wàn)用表觀

5、測(cè)說(shuō)明：凡是利用到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的，將試大家實(shí)物完成情況統(tǒng)一時(shí)間開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。3、設(shè)計(jì)報(bào)告1）、理論分析：用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)域、頻域分析，報(bào)告要有相應(yīng)程序和響應(yīng)曲線、結(jié)論。2）、實(shí)物制作部分：設(shè)計(jì)報(bào)告要寫(xiě)出詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟，包括元器件選型計(jì)算。3）、理論分析和實(shí)物運(yùn)行結(jié)果對(duì)比和分析，誤差產(chǎn)生原因分析。4）、課程設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決的方法；寫(xiě)出心得體會(huì)與參考文獻(xiàn)等。 4、題目及分組本次課程設(shè)計(jì)題目共十小題，分組進(jìn)行設(shè)計(jì)，每組最多5位同學(xué)，每組選其中一題題目完成，各組題目不能相同。當(dāng)出現(xiàn)選題問(wèn)題時(shí)，由學(xué)委協(xié)調(diào)分配。每組選定一名組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)組員工作分工。題目見(jiàn)附件1。 5、時(shí)間安排 1、每位同

6、學(xué)根據(jù)完成的題目，完成任務(wù)書(shū)及設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)并用A4紙、宋體小四字體打印。封面和指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)表作為第1、2頁(yè)(格式見(jiàn)后),與課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)和報(bào)告內(nèi)容一起裝訂。 2、設(shè)計(jì)時(shí)間安排：2017年9月14日2017年10月15日，驗(yàn)收及答辯以小組為單位進(jìn)行，時(shí)間待定。驗(yàn)收通過(guò)后修改整理打印設(shè)計(jì)報(bào)告，于2017年10月20日前各班集中提交設(shè)計(jì)報(bào)告。6、經(jīng)費(fèi)使用：每位同學(xué)每門(mén)課程設(shè)計(jì)費(fèi)用20元人民幣，每個(gè)小組總費(fèi)用不能超過(guò)小組組員人數(shù)×20元，選定題目后編制元器件購(gòu)買(mǎi)清單。各組將購(gòu)買(mǎi)清單交由學(xué)委，由班級(jí)統(tǒng)一采購(gòu)。費(fèi)用超出部分組員個(gè)人承擔(dān)。題三：設(shè)單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 1、畫(huà)出未校正系統(tǒng)的

7、Bode圖，分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定。2、畫(huà)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(jì)系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置，要求校正后的系統(tǒng)滿足指標(biāo)：（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(huà)出校正前，校正后和校正裝置的幅頻特性圖。計(jì)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(huà)出系統(tǒng)校正前、后的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖，并進(jìn)行分析。7、應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)分析校正器對(duì)系統(tǒng)性能的影響（自由發(fā)揮）。第 二 部 分課程設(shè)計(jì)報(bào)告1、 畫(huà)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(jì)算出幅值裕度、相角裕度及對(duì)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(méi)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(duì)數(shù)判據(jù)是用穿越次數(shù)來(lái)判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性的。利用伯德圖進(jìn)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(duì)穩(wěn)定性，只能得知相當(dāng)穩(wěn)定性（例如PM，GM）。2、 畫(huà)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(xiàng)式系數(shù)>>den=1 2 0； /den為系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母多項(xiàng)式系數(shù)>>G=tf（num，den）； /開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)模型>>rlocus（G）/  rlocus繪制開(kāi)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(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) 可知，系統(tǒng)的臨界穩(wěn)定點(diǎn)K=4。由根軌跡圖可知：此時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性很好，無(wú)論k怎么變，不會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。要求系統(tǒng)穩(wěn)定，

10、閉環(huán)極點(diǎn)都必須在s左半平面。（s=0,-2）3、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置，要求校正后的系統(tǒng)滿足指標(biāo)：（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(shí)相角裕量滿足對(duì)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(huà)出校正前，校正后和校正裝置的幅頻特性圖。計(jì)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(jì)算出幅值裕度、相角裕度及對(duì)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(huà)出系統(tǒng)校正前、后的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖，并進(jìn)行分析系統(tǒng)較正前的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖：nyquist(G)系統(tǒng)校正后的開(kāi)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(diǎn)包圍，故系統(tǒng)是穩(wěn)定的。7、應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)分析校正器對(duì)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(dòng)態(tài)性能,實(shí)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(dòng)態(tài)性能.通過(guò)加入超前校正環(huán)節(jié),利用其相位超前特性來(lái)增大系統(tǒng)的相位裕度,改變系統(tǒng)

13、的開(kāi)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(diǎn).2.滯后校正通過(guò)加入滯后校正環(huán)節(jié),使系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益有較大幅度增加,同時(shí)又使校正后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)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(dá)到增加系統(tǒng)相位裕度的目的.8、總結(jié) 通過(guò)本次設(shè)計(jì)，鞏固了課堂上所學(xué)到的知識(shí)，熟練的掌握了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能的各種分析方法，加深了對(duì)控制原理有關(guān)知識(shí)的理解和應(yīng)用?；菊莆樟薓ATLAB軟件的有關(guān)功能和使用方法。學(xué)會(huì)使用MATLAB軟件進(jìn)行系統(tǒng)性能分析，了解了MATLAB幾個(gè)工具箱的使用方