自動控制原理課程設計85556

1、揚州大學水利與能源動力工程學院課程實習報告揚州大學水利與能源動力工程學院課程實習報告課 程 名 稱：自動控制原理題 目 名 稱：二階系統(tǒng)校正年級專業(yè)及班級：姓 名：學 號： 指 導 教 師：評 定 成 績：教 師 評 語： 指導老師簽名： 年 月 日目 錄摘要1一 緒論2二 設計的目的、任務及內容31 課程實習的目的32 課程實習任務3（三）課程實習內容3三 系統(tǒng)的分析5 1 未校正系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)零極點圖5 2 未校正系統(tǒng)根軌跡圖6 3 未校正系統(tǒng)時域分析7四 系統(tǒng)的校正111 校正方案的選擇112 校正裝置的確定及性能指標的檢驗113 校正前、后系統(tǒng)的時域分析比較124 校正前、后系統(tǒng)的頻

2、域分析比較13五 SIMULINK仿真171 校正前單位階躍響應仿真172 校正后單位階躍響應仿真24六 電路設計171 典型環(huán)節(jié)電路圖17(1) 比例環(huán)節(jié)（P）17(2) 積分環(huán)節(jié)（I）18(3) 比例積分環(huán)節(jié)（PI）19(4) 慣性環(huán)節(jié)（T）20(5) 比例微分環(huán)節(jié)（PD）21(6) 比例積分微分環(huán)節(jié)（PID）232 校正裝置電路圖24七 總結25八 參考文獻26摘要通過對未校正系統(tǒng)進行分析，得知系統(tǒng)需要校正才能滿足要求。根據對原系統(tǒng)的時域、復域和頻域分析結果，這里采用串聯(lián)滯后超前校正裝置對其進行校正，理論計算得到校正裝置的參數。分析、校正過程中借助了Matlab語言、Simulink工具

3、箱仿真工具。經檢驗，校正后的系統(tǒng)滿足性能指標的要求。一 緒論 自動控制作為一種重要的技術手段，在工程技術和科學研究中起著極為重要的作用。 對于一個已經完成的系統(tǒng)，它的各個參數是確定的，穩(wěn)定性也是確定的。當某一系統(tǒng)不穩(wěn)定或者不滿足設計要求時，就需要我們來對系統(tǒng)進行校正以使得系統(tǒng)穩(wěn)定或者滿足設計要求。 自動控制系統(tǒng)是否能夠很好地工作，是否能精確地保持被控制量按照預定的要求規(guī)律變化，這取決于被控對象和控制及各元器件的結構和特性參數是否設計得當。 在理想情況下，控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量在任何時候均相等，系統(tǒng)完全無誤差，且不受干擾影響。然而，在實際系統(tǒng)中，由于各種原因，系統(tǒng)

4、在受到輸入信號（也包括擾動信號）的激勵時，被控制量將偏離輸入信號作用前的初始值，經歷一段冬天過程（過度過程），則系統(tǒng)控制性能的好壞，可以從動態(tài)過程比較充分地表現出來。 控制精度是衡量系統(tǒng)技術性能指標的重要尺度。一個高品質的系統(tǒng)，在整個運行過程中，被控量對給定的偏差應該是最小的。 考慮動態(tài)過程在不同階段中的特點，工程上通常從穩(wěn)、準、快三個方面來衡量自動控制系統(tǒng)。 對不同的控制對象，系統(tǒng)對穩(wěn)、準、快的要求有所側重。統(tǒng)一系統(tǒng)中，穩(wěn)、準、快是相互制約的。提高過程的快速性，可能會加速系統(tǒng)振蕩；改善了平穩(wěn)性，控制過程又可能拖長，甚至使最終精度也變差。本文將對一個簡單系統(tǒng)的性能

5、進行評價。二 設計的目的、任務及內容1 課程實習的目的（1）培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的設計思想，訓練綜合運用經典控制理論和相關課程知識的能力；（2）掌握自動控制原理的時域分析法、根軌跡法、頻域分析法，以及各種校正裝置的作用及用法，能夠利用不同的分析法對給定系統(tǒng)進行性能分析，能根據不同的系統(tǒng)性能指標要求進行合理的系統(tǒng)設計，并調試滿足系統(tǒng)的指標；（3）學會使用MATLAB語言及Simulink動態(tài)仿真工具進行系統(tǒng)仿真與調試；（4）學會使用硬件搭建控制系統(tǒng)；（5）鍛煉獨立思考和動手解決控制系統(tǒng)實際問題的能力，為今后從事控制相關工作打下較好的基礎。2 課程實習任務某單位反饋控制系統(tǒng)，其被控制對象的開環(huán)傳遞函數

6、為：利用根軌跡分析選擇合適的K值，并分析系統(tǒng)是否需要滿足如下動靜態(tài)性能指標要求：（1）截止頻率不低于50rad/s；（2）相角裕度。如不滿足，試為其設計串聯(lián)校正裝置。3 課程實習內容（1）未校正系統(tǒng)的分析：1）利用MATLAB繪畫未校正系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)零極點圖2）繪畫根軌跡，分析未校正系統(tǒng)隨著根軌跡增益變化的性能（穩(wěn)定性、快速性）。3）作出單位階躍輸入下的系統(tǒng)響應，分析系統(tǒng)單位階躍響應的性能指標。4）繪出系統(tǒng)開環(huán)傳函的bode圖，利用頻域分析方法分析系統(tǒng)的頻域性能指標（相角裕度和幅值裕度，開環(huán)振幅）。（2）利用頻域分析方法，根據題目要求選擇校正方案，要求有理論分析和計算。并與Matlab計算值

7、比較。（3）選定合適的校正方案（串聯(lián)滯后/串聯(lián)超前/串聯(lián)滯后-超前），理論分析并計算校正環(huán)節(jié)的參數，并確定何種裝置實現。（4）繪畫已校正系統(tǒng)的bode圖，與未校正系統(tǒng)的bode圖比較，判斷校正裝置是否符合性能指標要求，分析出現大誤差的原因。（5）求此系統(tǒng)的階躍響應曲線。分析采用的校正裝置的效果。（6）繪畫模擬電路，提出校正的實現方式及其參數。（7）總結（包括課程設計過程中的學習體會與收獲、對本次課程實習的認識等內容）三 系統(tǒng)的分析1 未校正系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)零極點圖 開環(huán)零極點圖>> num=15;>> den=conv(1 0,0.1 1);>> sys=t

8、f(num,den);>> pzmap(sys)圖3.1 校正前系統(tǒng)的開環(huán)零極點圖閉環(huán)零極點圖>> num=15;>> den=conv(1 0,0.1 1);>> sys=tf(num,den);>> sysc=feedback(sys,1);>> pzmap(sysc) 圖3.2 校正前系統(tǒng)的閉環(huán)零極點圖2 未校正系統(tǒng)根軌跡圖>> num=1;>> den=conv(1 0,0.1 1);>> sys=tf(num,den);>> rlocus(sys)>>

9、k1,p1=rlocfind(sys)Select a point in the graphics windowselected_point = -4.9952 + 0.0000ik1 = 2.5000p1 = -5.0048 -4.9952圖3.3未校正系統(tǒng)的根軌跡圖k>0即可，取k=15由上圖，系統(tǒng)根軌跡都在負半平面，開環(huán)系統(tǒng)一定是穩(wěn)定的，由于根軌跡是直線，系統(tǒng)響應快速性高，隨著K值的增加，系統(tǒng)響應時間的快速性會慢慢減小3 未校正系統(tǒng)時域分析>> num=15;>> den=conv(1 0,0.1 1);>> sys=tf(num,den);&g

10、t;> sysc=feedback(sys,1);>> step(sysc)圖3.4未校正系統(tǒng)的階躍響應圖>> y,t,x=step(sysc);>> max(y)ans = 1.2449>> tp=spline(y,t,max(y)tp =0.2761畫±2%誤差帶>> plot(t,0.98*ones(length(t)>> plot(t,1.02*ones(length(t)畫±5%誤差帶>> plot(t,0.95*ones(length(t)>> plot(t,1

11、.05*ones(length(t)4 未校正系統(tǒng)頻域分析編寫程序，繪出未校正系統(tǒng)的Bode圖>> num=15;>> den=conv(1 0,0.1 1);>> sys=tf(num,den);>> margin(sys)圖3.5未校正系統(tǒng)的Bode圖>> m,p,w=bode(sys);>> gm,pm,wg,wp=margin(m,p,w)gm = 2.6671e+004pm = 43.9174wg = 2.0003e+003wp = 10.3876由bode圖可知：系統(tǒng)的相位裕度為y=43.9174°&

12、lt;50°，截止頻率。所以選用串聯(lián)超前校正。四 系統(tǒng)的校正1 校正方案的選擇20lg(20/w)=0 ,w<10 算得w=15 不符20lg(20/w2*0.1)=0, w>10 算得w=12.24符合因為Wc=12.24<50V=180°-90°-arctan(0.1Wc)=39.25°<50°所以選用串聯(lián)超前校正2 校正裝置的確定及性能指標的檢驗圖4.2系統(tǒng)對數幅頻特性圖題目中要求Wc>50,取Wc=100, 算得L(Wc)=-36.49- L(Wc)=36.49=10lga算得a=4456.6校正函數 校正

13、后函數 V=180°-90°+arctan(0.668Wc)-arctan(Wc)-arctan(1.5*10-4Wc)=88.86°>50°3 校正前、后系統(tǒng)的時域分析比較編寫程序，繪出校正前、后系統(tǒng)的單位階躍響應比較圖。（a）校正前系統(tǒng)的單位階躍響應（b）校正后系統(tǒng)的單位階躍響應圖4.6校正前、后系統(tǒng)的單位階躍響應比較由校正前、后的階躍響應圖像可以看出：校正后，系統(tǒng)穩(wěn)定，響應的振蕩減弱，更快達到穩(wěn)態(tài)值，且超調量變小，動態(tài)性能優(yōu)化。4 校正前、后系統(tǒng)的頻域分析比較編寫程序，繪出校正前、后系統(tǒng)的頻域的比較圖。>> num1=conv(1

14、5,0.67 1);>> den=conv(1 0,conv(0.1 1,0.00015 1);>> den1=conv(1 0,conv(0.1 1,0.00015 1);>> sys1=tf(num1,den1);>> margin(sys1)>> m1,p1,w1=bode(sys1);>> gm1,pm1,wg1,wp1=margin(m1,p1,w1)gm1 = 8.7603e+004pm1 = 93.9961wg1 = 2.4261e+005wp1 = 100.0011相角裕度pm1 = 93.9961

15、6;>50° 截止頻率wp1 =100.0011>50圖4.7校正前、后系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖由校正前、后的bode圖像可以看出：校正后，截止頻率變大，相角裕度增加，利用了串聯(lián)超前校正的相角超前特性，提高系統(tǒng)的快速性，改善系統(tǒng)動態(tài)性能。26五、SIMULINK仿真1 校正前單位階躍響應仿真圖5.1 校正前單位階躍響應仿真2 校正后單位階躍響應仿真圖5.2 校正后單位階躍響應仿真由校正前、后的階躍響應圖像可以看出：校正后，系統(tǒng)穩(wěn)定，響應的振蕩減弱，更快達到穩(wěn)態(tài)值，且超調量變小，動態(tài)性能優(yōu)化。六、電路設計1典型環(huán)節(jié)電路圖(1) 比例環(huán)節(jié)（P）圖6.1比例環(huán)節(jié)方框圖傳遞函數：，其中圖

16、6.2比例環(huán)節(jié)模擬電路(2) 積分環(huán)節(jié)（I）圖6.3積分環(huán)節(jié)方框圖傳遞函數：，其中圖6.4積分環(huán)節(jié)模擬電路圖(3) 比例積分環(huán)節(jié)（PI）圖6.5比例積分環(huán)節(jié)方框圖傳遞函數：，其中，圖6.6比例積分環(huán)節(jié)模擬電路圖(4) 慣性環(huán)節(jié)（T）圖6.7慣性環(huán)節(jié)方框圖傳遞函數：，其中，圖6.8慣性環(huán)節(jié)模擬電路圖(5) 比例微分環(huán)節(jié)（PD）圖6.9比例微分環(huán)節(jié)方框圖傳遞函數：，其中，圖6.10比例微分環(huán)節(jié)模擬電路圖(6) 比例積分微分環(huán)節(jié)（PID）圖6.11比例積分微分環(huán)節(jié)方框圖傳遞函數：，其中，圖6.12比例積分微分環(huán)節(jié)模擬電路圖2 校正裝置電路圖校正函數 慣性環(huán)節(jié)1中微分環(huán)節(jié)1中，七 總結通過這次對控制系

17、統(tǒng)的滯后校正設計的分析，讓我對串聯(lián)滯后校正環(huán)節(jié)有了更清晰的認識，同時也學會了公式編輯器的基本使用方法，加深了對課本知識的進一步理解。 在這次課程設計的過程中，真正地做到把理論運用于實際。通過查找資料以及復習課本，在設計中的問題得到了解決，在尋找答案的過程中，我加深了對平時上課時學到的知識的理解，也體會到將理論結合實際設計、分析的成就感，還使自己看到平時學習的漏洞，因為有一些看似不起眼的小知識點有時也是需要考慮的重點。 同時，這次課程設計讓自己對Matlab軟件的應用更加熟練，用它對控制系統(tǒng)進行頻域分析，大大簡化了計算和繪圖步驟，計算機輔助設計已經成為現在設計各種系統(tǒng)的主要方法和手段，因此熟練掌握各種繪圖軟件顯得尤為重要。在今后的學習中，需要發(fā)揮積極主動的精神，把所學知識與實踐結合起來，努力掌握Matlab等相關軟件的使用方法。 在這次課程設計過程，也讓我深深地體會團隊精神的重要性。從課程設計的入手到最后分析，對于一個人來說可能是個不小的挑戰(zhàn)，注意到每個細節(jié)更是不易，遇到問題和班上的同學一起討論，使各種難題得到了解決。 通過