自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)2

1、物理與電子工程學(xué)院自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 設(shè)計(jì)題目： 控制系統(tǒng)根軌跡法串聯(lián)校正裝置設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 10級(jí)2班 學(xué)生姓名: 呂美青 學(xué) 號(hào): 2010341225 指導(dǎo)教師： 王曉旭 2013年 12月 08日物理與電子工程學(xué)院 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)： 自動(dòng)化 班級(jí)： 10級(jí)2班 學(xué)生姓名呂美青學(xué)號(hào)2010341225課程名稱自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì)題目控制系統(tǒng)根軌跡法串聯(lián)校正裝置設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的、主要內(nèi)容（參數(shù)、方法）及要求設(shè)計(jì)目的：1 培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用控制理論和相關(guān)課程知識(shí)的能力。2. 掌握自動(dòng)控制原理中根軌跡法串聯(lián)校正裝置的作用及用法，根據(jù)不同的系統(tǒng)性能指標(biāo)

2、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語言及Simulink動(dòng)態(tài)仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)仿真與調(diào)試。4. 鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考、動(dòng)手解決問題的能力。設(shè)計(jì)內(nèi)容：已知單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)被控制對象的傳遞函數(shù)用根軌跡法設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置。設(shè)計(jì)要求：1. 引入該校正裝置后，系統(tǒng)的超調(diào)量20，上升時(shí)間tr1s,當(dāng)輸入信號(hào)是單位斜坡函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的誤差ess0.05。2.用MATLAB仿真軟件輔助分析，畫出單位階躍響應(yīng)曲線，按主導(dǎo)極點(diǎn)法設(shè)計(jì)校正裝置，初步設(shè)計(jì)出校正裝置傳遞函數(shù)形式。3.利用MATLAB仿真軟件繪制校正后單位階躍響應(yīng)曲線，驗(yàn)算設(shè)計(jì)結(jié)果。4.在Matlab/Simulink下建

3、立系統(tǒng)仿真模型，求校正前、后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)特性，并進(jìn)行系統(tǒng)性能比較；5.完成設(shè)計(jì)報(bào)告。工作量2周時(shí)間，每天3學(xué)時(shí)，共計(jì)42學(xué)時(shí)進(jìn)度安排第1-5天：查閱資料，理論設(shè)計(jì)。第6-9天：Matlab/Simulink仿真設(shè)計(jì)。第10-14天：整理課程設(shè)計(jì)報(bào)告。主要參考資料1. 黃堅(jiān).自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用(第4版)M，北京：高等教育出版社,20042.王正林,王勝開.MATLAB/Simulink 與控制系統(tǒng)仿真(第2版)M.北京:電子工業(yè)出版社,2008指導(dǎo)教師簽字教研室主任簽字摘 要 根軌跡法將以時(shí)域參量描述的性能指標(biāo)要求轉(zhuǎn)化為一對期望主導(dǎo)極點(diǎn)位置的參數(shù),引入校正裝置改變原系統(tǒng)的根軌跡,使其通過或

4、接近期望主導(dǎo)極點(diǎn).對一個(gè)原來不穩(wěn)定的系統(tǒng),采用根軌跡方法設(shè)計(jì)校正裝置,使其滿足性能要求.設(shè)計(jì)過程通過MATLAB/Smulink輔助繪圖完成,根軌跡設(shè)計(jì)器既可以分析系統(tǒng)根軌跡，也能對系統(tǒng)進(jìn)行校正設(shè)計(jì)，而根軌跡主導(dǎo)極點(diǎn)法常用于估算高階系統(tǒng)的性能，用主導(dǎo)極點(diǎn)代替全部閉環(huán)極點(diǎn)繪制系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)曲線，形狀誤差僅出現(xiàn)在曲線的起始段，而主要決定性能指標(biāo)的曲線中、后段， 其形狀基本不變。在MATLAB中的命令窗口使用根軌跡分析與設(shè)計(jì)工具rltool對系統(tǒng)進(jìn)行校正分析即可。 關(guān)鍵詞：根軌跡；串聯(lián)校正；MATLAB/Smulink仿真模型 目 錄1系統(tǒng)的根軌跡法分析51.1根軌跡法設(shè)計(jì)定義51.2根軌跡法設(shè)計(jì)原理

5、52系統(tǒng)校正52.1已知條件及要求62.2對系統(tǒng)進(jìn)行分析73 MATLAB/Simulink仿真3.1未校正系統(tǒng)仿真73.2超前校正設(shè)計(jì)仿真83.4滯后校正設(shè)計(jì)仿真94 心得體會(huì)10參 考 文 獻(xiàn)11附 錄1 系統(tǒng)的根軌跡法分析1.1 根軌跡法系統(tǒng)設(shè)計(jì)定義在實(shí)際工程控制中，往往需要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)并選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)以滿足性能指標(biāo)的要求，或?qū)υ邢到y(tǒng)增加某些必要的元件或環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)能夠全面滿足性能指標(biāo)要求，此類問題就稱為系統(tǒng)校正與綜合，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.2 根軌跡法設(shè)計(jì)原理（1）根軌跡與穩(wěn)定性當(dāng)系統(tǒng)開環(huán)增益從變化時(shí)，若根軌跡不會(huì)越過虛軸進(jìn)入s右半平面，那么系統(tǒng)對所有的K值都是穩(wěn)定的；若根軌跡越過虛軸進(jìn)入

6、s右半平面，那么根軌跡與虛軸交點(diǎn)處的K值，就是臨界開環(huán)增益。應(yīng)用根軌跡法，可以迅速確定系統(tǒng)在某一開環(huán)增益或某一參數(shù)下的閉環(huán)零、極點(diǎn)位置，從而得到相應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。（2）根軌跡與系統(tǒng)性能的定性分析1）穩(wěn)定性。如果閉環(huán)極點(diǎn)全部位于s左半平面，則系統(tǒng)一定是穩(wěn)定的，即穩(wěn)定性只與閉環(huán)極點(diǎn)的位置有關(guān)，而與閉環(huán)零點(diǎn)位置無關(guān)。2）運(yùn)動(dòng)形式。如果閉環(huán)系統(tǒng)無零點(diǎn)，且閉環(huán)極點(diǎn)為實(shí)數(shù)極點(diǎn)，則時(shí)間響應(yīng)一定是單調(diào)的；如果閉環(huán)極點(diǎn)均為復(fù)數(shù)極點(diǎn)，則時(shí)間響應(yīng)一般是振蕩的。3）超調(diào)量。超調(diào)量主要取決于閉環(huán)復(fù)數(shù)主導(dǎo)極點(diǎn)的衰減率，并與其它閉環(huán)零、極點(diǎn)接近坐標(biāo)原點(diǎn)的程度有關(guān)。4）調(diào)節(jié)時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間主要取決于最靠近虛軸的閉環(huán)復(fù)數(shù)極點(diǎn)的

7、實(shí)部絕對值；如果實(shí)數(shù)極點(diǎn)距虛軸最近，并且它附近沒有實(shí)數(shù)零點(diǎn)，則調(diào)節(jié)時(shí)間主要取決于該實(shí)數(shù)極點(diǎn)的模值。5）實(shí)數(shù)零、極點(diǎn)影響。零點(diǎn)減小閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼，從而使系統(tǒng)的峰值時(shí)間提前，超調(diào)量增大；極點(diǎn)增大閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼，使系統(tǒng)的峰值時(shí)間滯后，超調(diào)量減小。而且這種影響將其接近坐標(biāo)原點(diǎn)的程度而加強(qiáng)。二、 系統(tǒng)校正2.1已知條件及要求2.1.1已知單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)被控制對象的傳遞函數(shù)2. 1.2設(shè)計(jì)串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，使得校正后系統(tǒng)：系統(tǒng)的超調(diào)量20上升時(shí)間tr1s當(dāng)輸入信號(hào)是單位斜坡函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的誤差ess0.05。2.2對系統(tǒng)進(jìn)行分析2.2.1根軌跡法設(shè)計(jì)步驟（1）根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，計(jì)算閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)1s和2s；

8、（2）按閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)條件，選取動(dòng)態(tài)特性校正環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)Gc；依據(jù)校正后系統(tǒng)特征多項(xiàng)式與期望特征多項(xiàng)式相 等，計(jì)算出校正環(huán)節(jié)的參數(shù)；（3）根據(jù)開環(huán)增益K，計(jì)算增益校正環(huán)節(jié)Gc參數(shù)，為使根軌跡(起始段除外)形狀基本不變，即閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)基本不變，又要有較高的開環(huán)增益，校正環(huán)節(jié)的零點(diǎn)和極點(diǎn)必須相互接近，且接近原點(diǎn)。 （4）檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果；主要檢驗(yàn)是否滿足閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)條件。 2.2.2根軌跡法設(shè)計(jì)過程已知單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)被控制對象的傳遞函數(shù)系統(tǒng)的超調(diào)量20上升時(shí)間tr1s當(dāng)輸入信號(hào)是單位斜坡函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的誤差ess0.05。1) 根據(jù)要求的速度靜態(tài)誤差，確定系統(tǒng)開環(huán)增益 K=又K= ,于是得出，當(dāng)K時(shí)，可以

9、滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的要求。2）分析未校正系統(tǒng)的性能指標(biāo)作系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)得出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)為：超調(diào)量=76%，上升時(shí)間tr0.192s,峰值時(shí)間t=0.544s,調(diào)節(jié)時(shí)間t=7.67s。超調(diào)量過大,需要對系統(tǒng)進(jìn)行校正。3）確定系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)將系統(tǒng)需求的性能指標(biāo)（超調(diào)量20%，上升時(shí)間tr1.0s，取=15%，tr=1.0s）轉(zhuǎn)換成希望的系統(tǒng)閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)或相應(yīng)的阻尼比和自然頻率。根據(jù)= ，tr=1.0s 求得阻尼比= 0.517 ，自然頻率=2.47則希望的系統(tǒng)閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)為：=-1.227j 2.11434)利用rltool設(shè)計(jì)工具完成校正裝置的設(shè)計(jì)，得到串聯(lián)超前校正補(bǔ)償器的傳數(shù)為5）檢驗(yàn)

10、校正后系統(tǒng)性能指標(biāo)是否滿足要求加入此超前校正后閉環(huán)系統(tǒng)的= 0.536，=2.47；=14%，tr=0.667s。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)基本滿足要求，但是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不滿足要求，而且無論怎樣調(diào)整超前校正裝置零極點(diǎn)位置，都無法滿足系統(tǒng)所有的性能要求，因此加入滯后校正裝置。6）加入滯后校正裝置設(shè)計(jì)，得到超前-滯后校正補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為三、MATLAB/Simulink仿真3.3.1未校正系統(tǒng)仿真已知單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)被控制對象的傳遞函數(shù)=160/s(s+2)(s+40)1）>> rltool>> num=1600;>> den=conv(1 2,1 40),0den =

11、 1 42 80 0>> G=tf(num,den);>> rltool(G) 圖1 階躍響應(yīng)圖3.3.2超前校正設(shè)計(jì)仿真k=1.7625;z=-2.128;p=-3.125;G=zpk(z,p,k);rlocus(G);hold off 圖2 超前校正設(shè)計(jì)根軌跡圖與伯德圖 圖3 超前校正設(shè)計(jì)階躍響應(yīng)圖3.3.3滯后校正設(shè)計(jì)仿真（這不是僅僅滯后裝置，是兩者的綜合運(yùn)用。這是超前-滯后校正裝置加入后的仿真）>> k=0.146;z=-2.21 -0.1;p=-3.11-0.01;rlocus(G);holdon 圖4 滯后校正裝置根軌跡圖 圖5 滯后校正設(shè)計(jì)根軌

12、跡圖與伯德圖 圖6 滯后校正設(shè)計(jì)階躍響應(yīng)圖4 心得體會(huì)通過這次的實(shí)驗(yàn)讓我掌握系統(tǒng)的根軌跡主導(dǎo)極點(diǎn)法校正過程，掌握用根軌跡法設(shè)計(jì)校正裝置的方法，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證校正裝置的正確性，了解MATLAB中根軌跡設(shè)計(jì)器的應(yīng)用，了解零點(diǎn)和極點(diǎn)對一個(gè)根軌跡系統(tǒng)的影響。在這次課程設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用到了以前所學(xué)的知識(shí)，如：MATLAB仿真軟件、數(shù)學(xué)公式編輯器等。雖然過去從未獨(dú)立應(yīng)用過它們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計(jì)的又一收獲。要做好一個(gè)課程設(shè)計(jì)，就必須做到：在設(shè)計(jì)程序之前，對自動(dòng)控制理論知識(shí)有一個(gè)系統(tǒng)的了解，要有一個(gè)清晰的思路和一個(gè)完整的的流程圖；在設(shè)計(jì)程序時(shí)，不能妄想一次就將整個(gè)

13、程序設(shè)計(jì)好，反復(fù)修改、不斷改進(jìn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成獨(dú)立思考的好習(xí)慣，一個(gè)設(shè)計(jì)的完美與否不僅僅是實(shí)現(xiàn)功能，而應(yīng)該讓人一看就能明白你的思路，這樣也為資料的保存和交流提供了方便；在設(shè)計(jì)課程過程中遇到問題是很正常的，但我們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚。在進(jìn)行對系統(tǒng)分析和系統(tǒng)校正中，我體會(huì)到使用根軌跡設(shè)計(jì)器使得分析系統(tǒng)的性能非常直觀，同時(shí)使得進(jìn)行系統(tǒng)校正更為方便。從計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)移到關(guān)注自動(dòng)控制原理中系統(tǒng)分析和校正的概念、思想和方法中來，提高分析和解決實(shí)際問題的思維能力。參 考 文 獻(xiàn)1趙文峰 MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真M 西安電子科技大學(xué)出版社.20022黃忠霖 自動(dòng)控制原理的MAT

14、LAB實(shí)現(xiàn) 北京國防工業(yè)出版社.20073胡壽松 自動(dòng)控制原理 科學(xué)出版社4楊宏基 葛云龍 根軌跡串聯(lián)校正設(shè)計(jì)的研究 附 錄課程設(shè)計(jì)成績評定表院系： 物理與電子工程學(xué)院 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 項(xiàng)目分值優(yōu)秀(x90%)良好(90%>x80%)中等(80%>x70%)及格(70%>x60%)不及格(x<60%)評分參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)平時(shí)考核20學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)時(shí)間并按任務(wù)書中規(guī)定的進(jìn)度開展各項(xiàng)工作。學(xué)習(xí)態(tài)度比較認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)良好，能按期圓滿完成任務(wù)書規(guī)定的任務(wù)。學(xué)習(xí)態(tài)度尚好，遵守組織紀(jì)律，基本保證設(shè)計(jì)時(shí)間，按期完成各項(xiàng)工作。學(xué)

15、習(xí)態(tài)度尚可，能遵守組織紀(jì)律，能按期完成任務(wù)。學(xué)習(xí)馬虎，紀(jì)律渙散，工作作風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn),不能保證設(shè)計(jì)時(shí)間和進(jìn)度。課程設(shè)計(jì)報(bào)告報(bào)告內(nèi)容組織書寫20結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，層次清晰，語言準(zhǔn)確，文字流暢，完全符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計(jì)算機(jī)打印成文；圖紙非常工整、清晰。結(jié)構(gòu)合理，符合邏輯，文章層次分明，語言準(zhǔn)確，文字流暢，符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計(jì)算機(jī)打印成文；圖紙工整、清晰。結(jié)構(gòu)合理，層次較為分明，文理通順，基本達(dá)到規(guī)范化要求，書寫比較工整；圖紙比較工整、清晰。結(jié)構(gòu)基本合理，邏輯基本清楚，文字尚通順，勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)范化要求；圖紙比較工整。內(nèi)容空泛，結(jié)構(gòu)混亂，文字表達(dá)不清，錯(cuò)別字較多，達(dá)不到規(guī)范化要求；圖紙不工整或不清晰。技術(shù)水平20設(shè)計(jì)合理、理論分析與計(jì)算正確，文獻(xiàn)查閱能力強(qiáng)、引用合理、調(diào)查調(diào)研非常合理、可信。