任云自控課設(shè)

1、自 動(dòng) 控 制 原 理 課 程 設(shè) 計(jì)題 目 自來(lái)水廠(chǎng)水流控制系統(tǒng) 校正裝置設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) 姓 名 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 職 稱(chēng) 專(zhuān)業(yè)鄭 州 航 空 工 業(yè) 管 理 學(xué) 院機(jī) 電 工 程 學(xué) 院2015 年 01 月自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)提綱一、設(shè)計(jì)目的通過(guò)課程設(shè)計(jì)，在掌握自動(dòng)控制理論基本原理、一般電學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)控制方法的基礎(chǔ)上，用MATLAB實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真與調(diào)試。二、設(shè)計(jì)要求收集和查閱有關(guān)技術(shù)資料，獨(dú)立完成所承擔(dān)的設(shè)計(jì)課題的全部?jī)?nèi)容，初步掌握設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用；對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行選擇和分析；繪制設(shè)計(jì)圖；撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)。具體要求如下：1、根據(jù)所學(xué)控制

2、理論知識(shí)（頻率法、根軌跡法等）進(jìn)行人工設(shè)計(jì)校正裝置，初步設(shè)計(jì)出校正裝置傳遞函數(shù)形式及參數(shù)；2、使用MATLAB和Simulink，對(duì)加入的校正裝置的系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并在計(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(mǎn)足技術(shù)要求；3、確定校正裝置的電路形式及電路參數(shù)（選作）；4、完成設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)的撰寫(xiě)。具體內(nèi)容包括如下五個(gè)部分。1） 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2）設(shè)計(jì)過(guò)程人工設(shè)計(jì)過(guò)程包括計(jì)算數(shù)據(jù)、系統(tǒng)校正前后及校正裝置的Bode圖（在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上）、校正裝置傳遞函數(shù)、性能指標(biāo)驗(yàn)算數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程包括Simulink仿真框圖、Bode圖、階躍響應(yīng)曲線(xiàn)、性能指標(biāo)要求的其他曲線(xiàn)。3）校正裝置電路圖4

3、）設(shè)計(jì)結(jié)論5）設(shè)計(jì)后的心得體會(huì)，6）參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程與步驟（1）系統(tǒng)分析，計(jì)算系統(tǒng)性能指標(biāo)。（2）按系統(tǒng)指標(biāo)要求人工設(shè)計(jì)校正系統(tǒng)。利用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙手工繪制系統(tǒng)校正前、后及校正裝置的Bode圖或根軌跡圖；確定校正裝置的傳遞函數(shù)；驗(yàn)算校正后的系統(tǒng)是否滿(mǎn)足要求性能指標(biāo)。（3）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)利用MATLAB語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試。（4） 確定校正裝置的電路形式及其參數(shù)。本課程設(shè)計(jì)以設(shè)計(jì)報(bào)告的形式提交，要求論點(diǎn)清楚，論據(jù)充分，結(jié)構(gòu)合理；分析問(wèn)題有層次。包括設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)過(guò)程，繪圖（曲線(xiàn)），數(shù)字仿真和總結(jié)，列出參考文獻(xiàn)。摘要：自動(dòng)控制（automatic control）是指在沒(méi)有人直接參與的

4、情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制是相對(duì)人工控制概念而言的。自動(dòng)控制技術(shù)的研究有利于將人類(lèi)從復(fù)雜、危險(xiǎn)、繁瑣的勞動(dòng)環(huán)境中解放出來(lái)并大大提高控制效率。自動(dòng)控制是工程科學(xué)的一個(gè)分支。它涉及利用反饋原理的對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的自動(dòng)影響，以使得輸出值接近我們想要的值。從方法的角度看，它以數(shù)學(xué)的系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)。我們今天稱(chēng)作自動(dòng)控制的是二十世紀(jì)中葉產(chǎn)生的控制論的一個(gè)分支。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，在掌握自動(dòng)控制理論基本原理、一般電學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)控制方法的基礎(chǔ)上，用MATLAB實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真與調(diào)試。全文包括目錄，正文，結(jié)論和參考文獻(xiàn)等內(nèi)容，因?qū)W識(shí)有限以及各方

5、面因素造成的錯(cuò)誤在所難免，希望老師予以指出糾正。課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)一：設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)題目：自來(lái)水廠(chǎng)水流控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計(jì)某自來(lái)水廠(chǎng)水流控制系統(tǒng)的控制對(duì)象的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為，設(shè)計(jì)校正裝置的傳遞函數(shù)，使校正后系統(tǒng)滿(mǎn)足如下動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能指標(biāo)；（1）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)；（2）階躍響應(yīng)超調(diào)量%30%，調(diào)整時(shí)間0.25s二、設(shè)計(jì)任務(wù)分析 首先通過(guò)人工計(jì)算數(shù)據(jù)， 由系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)可以確定增益K 根據(jù)題目中的要求對(duì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，畫(huà)出Simulink仿真圖，二：三、設(shè)計(jì)過(guò)程1、 利用根軌跡法進(jìn)行人工校正裝置，初步設(shè)計(jì)出校正裝置傳遞函數(shù)的形式及參數(shù)；2、 根據(jù)所給的要求驗(yàn)證原系統(tǒng)是否符合要求，再按照

6、校正裝置的知識(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正；3、 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(mǎn)足技術(shù)要求；4、 確定校正裝置的電路形式及電路參數(shù)并進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證所添加的校正裝置是否滿(mǎn)足指標(biāo)。四、手工繪制開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡圖： 1）系統(tǒng)有三個(gè)開(kāi)環(huán)極點(diǎn)；分別為，沒(méi)有開(kāi)環(huán)零點(diǎn)，所以根軌跡有三條，分別起始于，終止于無(wú)窮遠(yuǎn)處； 2）根軌跡對(duì)稱(chēng)于實(shí)軸且連續(xù)變化； 3）漸近線(xiàn)有3條，漸近線(xiàn)與實(shí)軸的交點(diǎn)為：漸近線(xiàn)的傾角為： 4）實(shí)軸上的根軌跡段位于和上； 5）根軌跡分離點(diǎn)和會(huì)和點(diǎn)的公式：解得：s=-0.554 6)分離角為： 7)根軌跡與虛軸的交點(diǎn)：得：所以原系統(tǒng)的根軌跡

7、如下圖所示：五、數(shù)據(jù)計(jì)算由題意可知，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)在單位斜坡信號(hào)r(t)= t作用下，要滿(mǎn)足系統(tǒng)的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)Kv1000/s和階躍響應(yīng)超調(diào)量Mp%30%。題目中要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，則可取=，則校正環(huán)節(jié)要求的放大系數(shù)為：則此時(shí)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：由%30%，0.25s，可取=30%，=0.25s可由公式：，得則由公式可得出由此可由看出原系統(tǒng)根軌跡需要加以修正，可以在前串入超前校正裝置，校正裝置的確定，應(yīng)使串入超前校正裝置后的主極點(diǎn)通過(guò)希望的主導(dǎo)極點(diǎn)，也就是必須滿(mǎn)足校正裝置產(chǎn)生的超前相角：由題目要求得系統(tǒng)在希望主導(dǎo)極點(diǎn)上的相角為：又由公式：則可得：令可得=-20.25=-103.57故校正裝置的

8、傳遞函數(shù)為：由前面算得=1000，為補(bǔ)償超前校正裝置的衰減，再傳入一個(gè)放大倍數(shù)為的補(bǔ)償放大器。校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為1） 校正后的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)極點(diǎn)有有4個(gè)，分別為，一個(gè)開(kāi)環(huán)零點(diǎn)，為根軌跡有4條，分別起始于，其中一條終止于，另外三條均終止于無(wú)窮遠(yuǎn)處。2） 根軌跡對(duì)稱(chēng)于實(shí)軸且連續(xù)變化3） 實(shí)軸上的根軌跡段位于，4） 漸近線(xiàn)三條，漸近線(xiàn)與實(shí)軸的交點(diǎn)為漸近線(xiàn)的傾角為： 5）根軌跡分離點(diǎn)和會(huì)和點(diǎn)的公式：解得：s=-0.354 6)分離角為：所以原系統(tǒng)的根軌跡如下圖所示：手工畫(huà)出校正后的根軌跡如圖所示：矯正前的單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如下圖校正后的單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如下圖：由系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)圖可以得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能

9、指標(biāo)為：超調(diào)量：調(diào)整時(shí)間：而且系統(tǒng)化的穩(wěn)態(tài)誤差為：計(jì)算可得校正裝置基本滿(mǎn)足題目要求在Simulink下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校正： 加校正環(huán)節(jié)前的仿真模型示波器輸出的波形如下圖 加校正環(huán)節(jié)后的仿真模型此時(shí)示波器輸出的波形如下校正后的Bode圖六、結(jié)論對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)而言，當(dāng)系統(tǒng)的控制對(duì)象確定并確定了系統(tǒng)的執(zhí)行部件，那么系統(tǒng)的傳遞函數(shù)也就確定了，因而對(duì)于一個(gè)確定的系統(tǒng)其傳遞函數(shù)是確定不變的。為了能夠使控制系統(tǒng)的性能參數(shù)能夠進(jìn)一步提高，那么就需要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的控制器來(lái)滿(mǎn)足要求。在系統(tǒng)中加入了合適的控制裝置后，系統(tǒng)性能明顯提高。Matlab具有強(qiáng)大的集成功能與運(yùn)算能力，是設(shè)計(jì)更加便捷，而且Matlab集合了各

10、類(lèi)軟件編程的優(yōu)越性，使用Smulink進(jìn)行仿真更是大大的提高了形象化設(shè)計(jì)7、 設(shè)計(jì)心得體會(huì)本次自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)校正有了更深層次的理解以及對(duì)MATLAB在自控方面的應(yīng)用有了更多的了解，熟悉了matlab的編程方法與Smulink的仿真方法，控制器設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用，加深了對(duì)Matlab知識(shí)的運(yùn)用，同時(shí)培養(yǎng)解決現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題的能力。雖然在對(duì)校正前函數(shù)各方面的參數(shù)用MATLAB仿真計(jì)算編程時(shí)遇到了一些困難，但在查閱大量資料之后，使自己的設(shè)計(jì)思路逐漸明朗。在對(duì)設(shè)計(jì)校正函數(shù)時(shí)經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)校驗(yàn)才使獲得的參數(shù)與期望的參數(shù)相匹配。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，拓寬了知識(shí)面，鍛煉了能力，綜合素質(zhì)得到較大提高。安排課程

11、設(shè)計(jì)的基本目的，在于通過(guò)理論與實(shí)際的結(jié)合，分析問(wèn)題。尤其是觀察、分析和解決問(wèn)題的實(shí)際工作能力。它的一個(gè)重要功能，在于運(yùn)用學(xué)習(xí)成果，檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果。運(yùn)用學(xué)習(xí)成果，把課堂上學(xué)到的系統(tǒng)化的理論知識(shí)，嘗試性地應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)工作，并從理論的高度對(duì)設(shè)計(jì)工作的現(xiàn)代化提出一些有針對(duì)性的建議和設(shè)想。檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果，看一看課堂學(xué)習(xí)與實(shí)際工作到底有多大距離，并通過(guò)綜合分析，找出學(xué)習(xí)中存在的不足，以便為完善學(xué)習(xí)計(jì)劃，改變學(xué)習(xí)內(nèi)容與方法提供實(shí)踐依據(jù)。對(duì)我們電子專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，實(shí)際能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，而這種實(shí)際能力的培養(yǎng)單靠課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須從課堂走向?qū)嵺`。這也是一次預(yù)演和準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，讓我們找出自身狀況與實(shí)際需要的差距，并在以后的學(xué)習(xí)期間及時(shí)補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)，為求職與正式工作做好充分的知識(shí)、能力準(zhǔn)備，從而縮短從校園走向社會(huì)的心理轉(zhuǎn)型期。在一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)之后，我們普遍感到不僅實(shí)際動(dòng)手能力有所提高，更重要的是通過(guò)對(duì)軟件開(kāi)發(fā)流程的了解，進(jìn)一步激發(fā)了我們對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的興趣，并能夠結(jié)合實(shí)際存在的問(wèn)題在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)。同時(shí)，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，使我認(rèn)識(shí)到自己這學(xué)期對(duì)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還沒(méi)有較好地將書(shū)本中的知識(shí)較好地融合，這為我在以后的學(xué)習(xí)中敲了一記警鐘。在此次設(shè)計(jì)中，我學(xué)會(huì)了用