控制系統的滯后校正設計

1、牡丹江師范學院本科學生課程設計指導書題 目 控制系統的滯后校正設計 班 級 11級工業(yè)電氣 學 號 姓 名 指導教師 王 淑 玉 牡丹江師范學院2013 年11 月 15 日自控原理課程設計指導書課程名稱：自動控制原理學時數：2周學分數：開課院、系（部）、教研室： 物理與電子工程學院 電子信息教研室執(zhí)筆人： 王淑玉編寫時間：2013.11.10設計目的學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經驗，掌握自控原理設計的基本方法、設計步驟，培養(yǎng)綜合設計與調試能力。二、設計任務（1） 畫出系統在校正前后的奈奎斯特曲線和波特圖；（2） 用Matlab畫出上述每種情況的階躍響應曲線，并根據曲線分析系統的動態(tài)性能

2、指標；三、設計內容與要求根據設計要求和已知條件，確定主要參數，計算并選取外電路的元件參數。四、 設計資料及有關規(guī)定 字體符合要求，正確使用編程五、設計成果要求 設計論文六、物資準備1.到圖書館、物理系資料室查閱相關資料2.到實驗室準備器件作好實驗準備七、 主要圖式、表式電路圖、表要規(guī)范，符合設計要求八、 時間安排2013.11.1 設計動員，發(fā)放設計任務書2013.11.2-2013.11.3 查閱資料、擬定設計程序和進度計劃2013.11.4-2013.11.10 確定設計方案、實驗、畫圖、編寫設計說明書2013.11.11 完成設計，交指導教師審閱2013.11.14 成績評定九、考核內容

3、與方式考核的內容包括：學習態(tài)度；技術水平與實際能力；論文(計算書、圖紙)撰寫質量；創(chuàng)新性；采取審定與答辯相結合的方式，成績評定按百分制記分。十、參考書目1. 田思慶， 梁春英 自動控制理論 中國水利水電出版社 2013 2. 魏克新，王云亮編著. MATLAB語言與自動控制系統設計.機械工業(yè)出版社,2000.3. 王正林，王勝開編著. MATLAB/Simulink與控制系統仿真.電子工業(yè)出版社.4. （美）安德魯，（美）威廉斯編著. 實用自動控制設計指南.化學工業(yè)出版社.5. 黃忠霖編著. 自動控制原理的MATLAB實現.國防工業(yè)出版社,2007.6. 彭雪峰，劉建斌編著. 自動控制原理實踐

4、教程.中國水利水電出版社,2006.牡丹江師范學院本科學生課程設計任務書程名稱：自控原理課程設計課程設計題目控制系統的滯后校正院、系工學院專業(yè)電氣工程及其自動化年級2011已知參數和設計要求：a) 計算參數A ,Tb) 用Matlab畫出上述每種情況的階躍響應曲線，并根據曲線分析系統的動態(tài)性能指標；學生應完成的工作：1、了解原理，選擇元件，計算確定元件參數，利用仿真軟件畫出相關曲線。2、完成設計報告目前資料收集情況（含指定參考資料）：1. 田思慶 , 梁春英 自動控制理論 中國水利水電出版社 , 2013 2. 魏克新，王云亮編著. MATLAB語言與自動控制系統設計.機械工業(yè)出版社,2000

5、.課程設計的工作計劃：2013.11.1 設計動員，發(fā)放設計任務書2013.11.2-2013.11.3 查閱資料、擬定設計程序和進度計劃2013.11.4-2013.11.10 確定設計方案、實驗、畫圖、編寫設計說明書2013.11.11 完成設計，交指導教師審閱2013.11.14 成績評定任務下達日期 2013 年11 月 1 日 完成日期 2013 年 11月 14 日指導老師 王淑玉 （簽名） 學生 （簽名）目 錄1.設計要求12.設計原理13.設計分析與計算23.1校正參數B的計算23.2校正參數a、T的計算33.3校正后系統的檢驗34.仿真程序、結果及結果分析34.1校正前系統的

6、奈奎斯特曲線與伯德圖44.2校正后系統的奈奎斯特曲線與伯德圖54.3校正前后系統動態(tài)性能的比較75.參考文獻96.心得體會10滯后校正控制系統設計1.設計要求已知一單位負反饋系統的開環(huán)傳遞函數為 要求控制系統的性能指標為調節(jié)時間<5s,單位階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差<0.1,相角裕度大于45度。任務：（1）設計一個滯后校正裝置，使系統滿足上述性能指標； （2）畫出系統在矯正前后的奈奎斯特曲線和伯德圖； （3）用Matlab畫出校正前后的階躍響應曲線，并根據曲線分析系統的動態(tài)性能指標； （4）對上述任務寫出完整的課程設計說明書，說明書中必須寫清楚分析計算的過程，給出響應曲線，并包含Matla

7、b源程序或Simulink仿真模型，說明書的格式按教務處標準書寫。3. 設計原理對于所給出的系統進行分析可以知道，校正前的系統是穩(wěn)定的，調節(jié)時間與相角裕度兩項性能指標都滿足設計要求，只有單位階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差過大，需要通過矯正使它由變得小于0.1。對于該系統，由于無差度v=0，可知單位階躍響應下的穩(wěn)態(tài)誤差ess()=。為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，必須增大穩(wěn)態(tài)位置誤差系數Kp。由于Kp=，得知設計的滯后校正裝置必須能夠使穩(wěn)態(tài)誤差系數增大。由于滯后校正裝置的傳遞函數 a<1，它的幅頻特征曲線如圖一所示。串聯進前向通道后能夠降低系統的截止頻率，提高系統的向位裕度，改善系統的暫態(tài)性能，但不能改變穩(wěn)態(tài)誤差系

8、數，即不能改善系統穩(wěn)態(tài)精度。因此，有必要再之后矯正網絡后串連一個放大倍數為B的放大器，如圖二所示的放大B倍的滯后校正的伯德圖可知，這樣做可以在在暫態(tài)性能不變的前提下提高系統的穩(wěn)態(tài)精度。綜上所述，在原系統開環(huán)部分后串連一個滯后校正裝置，然后串連一個放大倍數為B的放大器，檢驗校正后系統的各項性能指標，如符合設計要求，則校正完成。系統的結構圖如圖三所示。B、L(w)1/T1/aT-20dB/decwL(w)1/T1/aTw圖一圖二-圖三3.設計分析與計算3.1校正參數B的計算由系統原開環(huán)傳遞函數和放大倍數B 得到校正后系統的開環(huán)傳遞函數為G(s)=得到階躍響應的穩(wěn)態(tài)誤差ess()=得到B18，為方便

9、計算，取B=203.2校正參數a、T的計算由于要求的相角裕度r=45°在校正前系統的相頻特性曲線上做-180°+45°+10°=125°線，得到新系統的截止頻率=8.91該頻率對應原系統幅頻特性的交點為-13.1dB。由于校正后系統含有一個放大器會使系統幅頻特性向上平移，所以令-13.1+20lgB=20lg1得到a=0.224令=*cot(90°-10°)得到T=2.8473.3校正后系統的檢驗對校正后的系統計算各項參數，得到單位階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差()=0.97。借助校正后系統的伯德圖，得到校正后的相角裕度r=104

10、76;。借助校正后系統的波形圖，得到校正后的調節(jié)時間ts=1.97s(誤差為2%時)。各項參數均符合設計要求。4.仿真程序、結果及結果分析4.1校正前系統的奈奎斯特曲線與伯德圖 程序：num=1,10;den=1,2,20;nyquist(num,den) 校正前系統奈氏曲線程序：num=1,10;den=1,2,20;bode(num,den) 校正前系統伯德圖4.2校正后系統的奈奎斯特曲線與伯德圖程序：num=12.76,147.6,200;den=2.847,19.454,206.54,220;nyquist(num,den)校正后系統奈氏曲線程序：num=12.76,147.6,200

11、;den=2.847,19.454,206.54,220;bode(num,den)校正后系統伯德圖4.3校正前后系統動態(tài)性能的比較校正前系統單位階躍響應的波形圖校正后系統的單位階躍響應的波形圖 有校正前后系統單位階躍響應的波形圖可知，校正后系統的穩(wěn)態(tài)值越是校正前系統穩(wěn)態(tài)值約三倍。 校正前系統的超調量為49%，校正后變?yōu)?9.5%。取=2，校正前系統的調節(jié)時間為2.7s，校正后變?yōu)?.97秒。校正前系統的上升時間為0.22s，校正后變?yōu)?.20s。校正前系統的峰值時間為0.48s,校正后變?yōu)?.30s。可知，經過校正，系統的動態(tài)性能得到了改善。參考文獻 田思慶， 梁春英編著. 自動控制理論 .

12、中國水利水電出版社 , 2013 魏克新，王云亮編著. MATLAB語言與自動控制系統設計.機械工業(yè)出版社,2000. 王正林，王勝開編著. MATLAB/Simulink與控制系統仿真.電子工業(yè)出版社. （美）安德魯，（美）威廉斯編著. 實用自動控制設計指南.化學工業(yè)出版社. 黃忠霖編著. 自動控制原理的MATLAB實現.國防工業(yè)出版社,2007. 彭雪峰，劉建斌編著. 自動控制原理實踐教程.中國水利水電出版社,2006.心得體會 在現代科學技術的眾多領域中，自動控制技術起著越來越重要的作用。自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器，設備或生產

13、過程（統稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數（即被控制量）自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制系統已被廣泛應用于人類社會的各個領域。在工業(yè)方面，對于化工、機械制造等生產過程中遇到的各種物理量，包括溫度、流量、相位等，都有相應的控制系統。在農業(yè)方面的應用包括水位自動控制系統、農業(yè)機械的自動操作系統等。此外，在辦公室自動化、圖書管理 、交通 管 理乃至日常家務方面，自動控制技術也都有著實際的應用。隨著控制理論和控制技術的發(fā)展，自動控制系統的應用領域還在不斷擴大，幾乎涉及生物、醫(yī)學、生態(tài)、經濟、社會等所有領域。自控涉及的只是很廣，所需的知識較多。當然，由于本科階段時間有限，我們不能很好的更深入的學習自動控

14、制這門課。若想把它學好，在條件許可下，我們應該考上研究生，在研究生階段更徹底的學習。通過半年的學習，我們對自動控制原理有了比較一定的認識，并能簡單運用自動控制解決一些簡單問題。我們運用平時所學的一些基礎知識解決了課程設計的問題，深感欣慰、高興。通過本次的課程設計，我們又對自控有了一定的加深。并知道了在當今的信息技術如此發(fā)達的世界中，我們必須運用多種渠道，去學習研究。并要很好的運用計算機和一些軟件，只有這樣，我們才能更好地、精確地、快速地解決問題。平時只有理論知識學習，卻缺少必須的動手機會，當然在實驗課上，也鍛煉了自己的動手能力?？墒?，畢竟課上時間有限，不能深入的完成實驗。要把理論轉化為實踐是必

15、須的，學生必須盡力為自己尋找一些實驗，動手的機會。課程設計為我們提供了這樣的機會。課設過程中，大家自己獨立思考，完成老師布置的題目，學習了很多東西，把自己所學用于實際，自己倍感有成就感。課設期間，遇到問題，獨立解決或同學在一起討論，大家很有目的的做課設，受益匪淺.- 10 -課程設計指導教師評定成績表項目分值優(yōu)秀(100>x90)良好(90>x80)中等(80>x70)及格(70>x60)不及格(x<60)評分參考標準參考標準參考標準參考標準參考標準學習態(tài)度15學習態(tài)度認真，科學作風嚴謹，嚴格保證設計時間并按任務書中規(guī)定的進度開展各項工作學習態(tài)度比較認真，科學作風

16、良好，能按期圓滿完成任務書規(guī)定的任務學習態(tài)度尚好，遵守組織紀律，基本保證設計時間，按期完成各項工作學習態(tài)度尚可，能遵守組織紀律，能按期完成任務學習馬虎，紀律渙散，工作作風不嚴謹,不能保證設計時間和進度技術水平與實際能力25設計合理、理論分析與計算正確，實驗數據準確，有很強的實際動手能力、經濟分析能力和計算機應用能力，文獻查閱能力強、引用合理、調查調研非常合理、可信設計合理、理論分析與計算正確，實驗數據比較準確，有較強的實際動手能力、經濟分析能力和計算機應用能力，文獻引用、調查調研比較合理、可信設計合理，理論分析與計算基本正確，實驗數據比較準確，有一定的實際動手能力，主要文獻引用、調查調研比較可信設計基本合理，理論分析與計算無大錯，實驗數據無大錯設計不合理，理論分析與計算有原則錯誤，實驗數據不可靠，實際動手能力差，文獻引用、調查調研有較大的問題創(chuàng)新10有重大改進或獨特見解，有一定實用價值有較大改進或新穎的見解，實用性尚可有一定改進或新的見解有一定見解觀念陳舊論文(計算書、圖紙)撰寫