自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)專 業(yè)：自動(dòng)化設(shè)計(jì)題目：控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)班級(jí)：自動(dòng)化0943學(xué)生姓名：XXX學(xué)號(hào)：XX指導(dǎo)教師：XX分院院長：XXX教研室主任：XX電氣工程學(xué)院目錄目錄第一章課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求分析 11.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容11.2 設(shè)計(jì)要求11.3 Matlab 軟件21.3.1 基本功能21.3.2 應(yīng)用3第二章控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)42.1 校正裝置計(jì)算方法42.2 課程設(shè)計(jì)要求計(jì)算 4第三章利用Matlab仿真軟件進(jìn)行輔助分析 63.1 校正系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 63.2 用 Matlab 仿真63.3 利用 Matlab/Simulink 求系統(tǒng)單位階躍響應(yīng) 103.3.1 原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng) 1

2、03.3.2 校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng) 113.3.3 校正前、后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比較 123.4 硬件設(shè)計(jì)133.4.1 在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行出硬件仿真波形圖 14課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)16參考文獻(xiàn)18第一章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求分析第一章課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求分析1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容針對二階系統(tǒng)W(s)Ks(s 1)3利用有源串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)（如圖所示）進(jìn)行系統(tǒng)校正。當(dāng)開關(guān) S接通 時(shí)為超前校正裝置，其傳遞函數(shù)Wc(s)KcR2 R3R1其中R2R3.1R4(R2 R3)T R4c“-”號(hào)表示反向輸入端Kc=1,且開關(guān)S斷開，該裝置相當(dāng)于個(gè)放大系數(shù)為1的放大器（對原系統(tǒng)沒有校正作用）1.2 設(shè)計(jì)要求1）引入該校正

3、裝置后，單位斜坡輸入信號(hào)作用時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差e（ ） 0.1,開環(huán)截止頻率 c' >4.4弧度/秒，相位裕量丫 >45° ;2）根據(jù)性能指標(biāo)要求，確定串聯(lián)超前校正裝置傳遞函數(shù)；3）利用對數(shù)坐標(biāo)紙手工繪制校正前、后及校正裝置對數(shù)頻率特性曲線；4）設(shè)校正裝置R1=100K R2=R3=50K根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定有源超前校正 網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)R4 C值；5）繪制引入校正裝置后系統(tǒng)電路圖（設(shè)給定的電阻和電容：R=100KC=1 F、10 F 若干個(gè)）；6）利用Matlab仿真軟件輔助分析，繪制校正前、后及校正裝置對數(shù) 頻率特性曲線，并驗(yàn)算設(shè)計(jì)結(jié)果；7）在Matlab-Simulink

4、下建立系統(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；8）利用自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱完成硬件設(shè)計(jì)過程，包括：搭建校正前后 系統(tǒng)電路、輸入階躍信號(hào)并通過示波器觀察校正前后系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線。1.3 Matlab 軟件1.3.1 基本功能MATLA是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以 及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù) 據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易 于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算 的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng) 非交互式程序

5、設(shè)計(jì)語言（如 G Fortran ）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科 學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLA國口 Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技 應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLABT以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 matlab開發(fā)工作界面接其他編 程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖 像處理、信號(hào)檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB勺基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用 的形式十分相似，故用MATLAB解算問題要比用C, FORTRA儺語言完成 相同的事情簡捷得多，并且 MA

6、TLA他吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使 MATLA成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C, FORTRANC+, JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)?到MATLA畫數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的 MATLAEg好者都編寫 了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。1.3.2 應(yīng)用1、MATLAB產(chǎn)品族可以用來進(jìn)行以下各種工作：數(shù)值分析數(shù)值和符號(hào)計(jì)算工程與科學(xué)繪圖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真數(shù)字圖像處理技術(shù)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真財(cái)務(wù)與金融工程2、MATLAB在通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的應(yīng)用MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊

7、、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測 試和測量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提 供的專用MATLAB函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類 型的問題。第二章控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)第二章控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)2.1 校正裝置計(jì)算方法設(shè)超前校正裝置傳遞函數(shù)為:46若校正后系統(tǒng)的截止頻率Wc(s)Ts 1匚dc = m,原系統(tǒng)在rd>1c處的對數(shù)幅值為L( c),則:L( c) 101g由此得:L( c)d 10k得時(shí)間常數(shù)T為:2.2 課程設(shè)計(jì)要求計(jì)算解答過程：對于I型系統(tǒng),e(ss)10,1kk0.1得kk 10故取K=10因此要求c 4.4?。篶4.4(s)1)

8、則有 L( c)+101g rd=0即 201g10-201gc-201gc +101g rd=0rdd 5.74 ,10410其相位欲度:wc c1 rdT .rd4.40.450.45s校正后傳遞函數(shù):0.45s410(0.45s 1)s(s 1)(0.45s 1)因此1R2R34D= R4(R3 R2)50 50 3 100 R4R48.3T 0.453c=k44 8.3 103 _0.014 10 F 14 F第三章利用Matlab仿真軟件進(jìn)行輔助分析第三章利用Matlab仿真軟件進(jìn)行輔助分析3.1 校正系統(tǒng)的傳遞函數(shù)設(shè)：原系統(tǒng)傳遞函數(shù)為W(s)Ks(s a)811校正裝置傳遞函數(shù)為W

9、c(s)bs 1cs 1則校正后傳遞函數(shù)為W(s) W(s)Wc(s)K bs 1s(s a) cs 1num=10;den=1,1,0;W=tf(num,den);bode(W);margin(W);%繪制網(wǎng)格線3.2 用Matlab仿真麻原系統(tǒng)彳遞函數(shù)W%繪制原系統(tǒng)對數(shù)頻率特性%求原系統(tǒng)幅值裕度、相位裕度、相位穿越頻率和幅值穿越 頻率Gm,Pm,wj,wc=margin(W);grid；令a=1:進(jìn)行仿真，得到下圖：校正前系統(tǒng)伯德圖Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec), Pm = 18 deg (at 3.08 rad/sec)500-50-10

10、0-90100IRCTrednoa M-13510-210-1Frequency、0ad/sec)11010-1802LUBdTesanp圖3-1校正前系統(tǒng)伯德圖%求校正裝置傳遞函數(shù) Wc(s)%繪制校正裝置對數(shù)頻率特性%繪制網(wǎng)格線(該條指令可有可無)(0.46) ,c=1/7.236 。進(jìn)行仿真得下圖：系統(tǒng)校正裝numc=b,1;denc=c,1;Wc=tf(numc,denc);bode(Wc);grid;已知求得：b=1/2.412置伯德圖。-11001021010110Frequency (rad/sec)edFn9a MLyeQesanp33-2系統(tǒng)校正裝置伯德圖%求校正后系統(tǒng)傳遞函

11、數(shù)W(s)%繪制校正后系統(tǒng)對數(shù)頻率特性%求校正后系統(tǒng)幅值裕度、相位裕度、相位 穿越頻率和幅值穿越頻率numh=conv(num,numc);denh=conv(den,denc);Wh=tf(numh,denh);bode(Wh);margin(Wh);Gm,Pm,wj,wc=margin(Wh);grid;%繪制網(wǎng)格線(該條指令可有可無第三章利用Matlab仿真軟件進(jìn)行輔助分析Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec) , Pm = 50.1 deg (at 4.42 rad/sec)-135XJRWdredwr naaM10-210-1Frequenc

12、y (rad/sec) 102-18031019bode(W,':');hold on;制其他特性 bode(Wc,'-.'); hold on;制其他特性 bode(Wh); grid;圖3-3校正后系統(tǒng)伯德圖%繪制原系統(tǒng)對數(shù)頻率特性嘛留曲線，以便在同一坐標(biāo)系內(nèi)繪%繪制校正裝置對數(shù)頻率特性嘛留曲線，以便在同一坐標(biāo)系內(nèi)繪%繪制校正后系統(tǒng)對數(shù)頻率特性%繪制網(wǎng)格線（該條指令可有可無）LyeTesanpo o o Q 105-50 5 0 510504 4 9 31 - - 1IO-1100101102Frequency (rad/sec)圖3-4校正前、后校正裝置伯

13、德圖-2310Matlab/Simulink求系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)3.2.1 原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)原系統(tǒng)仿真模型如圖3-5所示,0 Jt1圖3-5校正前系統(tǒng)圖系統(tǒng)運(yùn)行后，其輸出階躍響應(yīng)如圖 3-6所示:3.2.2 校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)校正后系統(tǒng)仿真模型如圖3-7所示:Out!圖3-7矯正后系統(tǒng)圖系統(tǒng)運(yùn)行后，其輸出階躍響應(yīng)如圖 3-8所示:圖3-8校正后系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形圖3.2.3 校正前、后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比較仿真模型如圖3-9所示：Step圖3-9校正前、后系統(tǒng)仿真模型系統(tǒng)運(yùn)行后，其輸出階躍響應(yīng)如圖 3-10所示:圖3-10校正前、后系統(tǒng)輸出階躍響應(yīng)波形圖3.4硬件設(shè)計(jì)繪制硬件校正裝置原理圖:圖

14、3-11硬件校正裝置原理圖3.4.1 在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行出硬件仿真波形圖未校正系統(tǒng)硬件波形：圖3-12未校正系統(tǒng)硬件仿真波形圖校正后系統(tǒng)硬件波形：圖3-13校正后系統(tǒng)硬件波形圖課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)通過自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決 問題的能力。這個(gè)方案使用了 Matlab軟件，使我們有掌握了一 個(gè)軟件的應(yīng)用。我覺得做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于 課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各 個(gè)原理的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過程中， 我們了解了很多原理的功能。平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問題老是弄不 懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問題就迎刃而

15、解了。而且還可以記住很 多東西。認(rèn)識(shí)來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐 是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個(gè)期末的課程設(shè)計(jì)對我們的作用 是非常大的。我想說，設(shè)計(jì)確實(shí)有些困難，但苦中也有樂，在如今單一的 理論學(xué)習(xí)中，很少有機(jī)會(huì)能有實(shí)踐的機(jī)會(huì)。也許有人不喜歡這類 的工作，也許有人認(rèn)為設(shè)計(jì)的工作有些枯燥，但我認(rèn)為無論干什 么，只要認(rèn)真去做，一定會(huì)有好結(jié)果的。對我們而言，知識(shí)上的 收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財(cái)富，經(jīng)歷是一 份擁有。雖然不是第一次做課程設(shè)計(jì)了，但是設(shè)計(jì)的過程中遇到問 題，可以說得是困難重重，難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí) 在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所

16、學(xué)過的知識(shí)理 解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了， 在設(shè)計(jì)中遇到了很多專業(yè)知識(shí)問題，通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得 了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的， 只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論， 才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考 的能力。同時(shí)，在老師的身上我們學(xué)也到很多實(shí)用的知識(shí)，在次我們表示感謝！同時(shí)，對給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！此次課程設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨(dú)立思 考解決問題，出現(xiàn)差錯(cuò)的隨機(jī)應(yīng)變。在此，感謝于老師的細(xì)心指導(dǎo)，也同樣謝謝其他各組同學(xué)的無私幫助！總結(jié)人：徐玉潔2011.12.421參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1史國生主編.電氣控制與可編程控制器技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版 社.20042王永華.現(xiàn)代電氣及可編程控制技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.20023鄧則名.電器與可編程控制器應(yīng)用技術(shù).北京：機(jī)械工