自動控制原理課程設(shè)計對水箱流量控制系統(tǒng)

1、自動控制原理課程設(shè)計報告一、 設(shè)計目的通過對水箱流量控制系統(tǒng)分析，加強對水箱流量控制系統(tǒng)的認識，并掌握超前串聯(lián)校正設(shè)計的方法。通過設(shè)計，加深自己對自動控制基本原理的理解，掌握自動控制理論基本原理及一般電學系統(tǒng)的自動控制方法，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力。此外，使用Matlab軟件進行系統(tǒng)仿真，從而進一步掌握Matlab的使用方法。 二、課程設(shè)計題目及要求已知單位反饋水箱流量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 要求：試用Bode圖設(shè)計法對系統(tǒng)進行超前串聯(lián)校正設(shè)計，使系統(tǒng)滿足： （1）系統(tǒng)在單位斜坡信號作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（2）系統(tǒng)校正后，系統(tǒng)的相角裕量三、設(shè)計的主要流程（1）手畫出滿足初始條件的最

2、小值的系統(tǒng)的Bode圖，并計算出系統(tǒng)的剪切頻率和相角裕量；（2）在系統(tǒng)前向通道中插入一個相位超前校正網(wǎng)絡(luò)，確定校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)；（3）用Matlab畫出校正后的系統(tǒng)Bode圖，并標出開環(huán)剪切頻率及對應(yīng)的相角裕量；（4）在Matlab下，用simulink進行動態(tài)仿真，在計算機上對人工設(shè)計系統(tǒng)進行仿真調(diào)試，使其滿足技術(shù)要求；四、設(shè)計理論指導為了使系統(tǒng)滿足一定的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)要求，對開環(huán)對數(shù)幅頻區(qū)現(xiàn)有以下要求：開環(huán)頻率特性的低頻段的要有一定的高度和斜率；開環(huán)頻率特性的中頻段的斜率一般要求在，并且具有一定的寬度；開環(huán)頻率特性的高頻段采用迅速衰減的特性，以抑制不必要的高頻干擾；因此，用頻域法設(shè)計控制系統(tǒng)

3、的實質(zhì)，就是在系統(tǒng)中加入頻率特性形狀合適的校正裝置，是開環(huán)系統(tǒng)的頻率形狀變成所期望的形狀。五、設(shè)計步驟：（1）根據(jù)所要求的穩(wěn)態(tài)性能指標，確定系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能要求的開環(huán)增益。由要求（1）：系統(tǒng)在單位斜坡信號作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。我們可以得出：我們知道通過以上兩式求出， 因此取。（2）繪制值下的系統(tǒng)的Bode圖，并求出系統(tǒng)的相角裕量。如圖一所示 101001000 20 40601-20dB/dec-40dB/dec-60dB/dec圖一：未校正的對數(shù)幅頻曲線待校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)上式是最小相位系統(tǒng)，只需畫出其對數(shù)幅頻特性，就可以求出系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率。由公式 由已知條件知，系統(tǒng)為單位斜坡作用，

4、得出由以上三式可求出未校正前對應(yīng)的相角裕量。 圖二：未校正系統(tǒng)的Bode圖由圖二得待校正系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率 可算出待校正系統(tǒng)的相角裕量為 相角裕量偏小，這是因為待校正系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性中頻區(qū)的斜率是，系統(tǒng)動態(tài)特性存在嚴重的衰減振蕩，這就需要我們對該系統(tǒng)加以校正。由于剪切頻率遠遠低于指標要求，故采用串聯(lián)超前校正裝置。 （3）確定為使相角裕量達到要求值，所需增的超前相角。 在和之間，是考慮到校正裝置影響剪切頻率的位置而附加的相角裕量，未校正系統(tǒng)中頻段的斜率為-40dB/dec，故取該值。可取，則 （4）令超前校正網(wǎng)絡(luò)的最大超前相角，求校正裝置的參數(shù)。 （5）確定未校正系統(tǒng)幅值為的頻率。校正后系統(tǒng)的

5、剪切頻率，校正網(wǎng)絡(luò)的對數(shù)幅值 可計算出未校正系統(tǒng)在該處的頻率，也可作為校正后的系統(tǒng)的剪切頻率。（6）下面計算校正網(wǎng)絡(luò)的周期。是和的幾何中點，所以有令由以上各式子求出（7）寫出校正裝置的傳遞函數(shù)。校正裝置的傳遞函數(shù)為（8）為補償超前校正網(wǎng)絡(luò)造成的幅值衰減，附加一個放大器則校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 傳遞函數(shù)如圖三所示R(s)C(s)校正裝置被控對象圖三：校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)接下來做出校正后的系統(tǒng)Bode圖，如圖四所示。圖四：校正后的系統(tǒng)的Bode圖（9）檢驗系統(tǒng)的特性，校正后的相角裕量為： 由于校正后系統(tǒng)的性能指標滿足要求。由Matlab畫出校正后的Bode，可以得到穩(wěn)定性裕量的精確值，。與上面求的

6、值基本保持一致。由此可得，所選用的校正裝置能夠達到目的。（10）在Simulink仿真環(huán)境下對校正后的系統(tǒng)進行仿真，并與校正前比較。加校正環(huán)節(jié)前后的仿真模型如圖五所示。其中校正前和校正后的單位階躍響應(yīng)曲線如圖六、七所示。 圖五： 加校正環(huán)節(jié)前后的仿真模型圖六：校正前系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖七 ：校正后系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線通過仿真曲線可以看出，校正前系統(tǒng)不穩(wěn)定，單位階躍響應(yīng)振蕩劇烈。而校正后的系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，其時域指標性能指標：無論是超調(diào)量還是調(diào)整時間都較小，故該校正裝置能夠很好的達到設(shè)計要求，可以取用。六、設(shè)計小結(jié)通過本次課程設(shè)計使我明白了當開環(huán)傳遞函數(shù)中頻段對數(shù)幅頻特性斜率為，并具有足夠的寬度時，

7、系統(tǒng)的相角裕量將會增大，動態(tài)過程超調(diào)量才會下降，系統(tǒng)才會區(qū)域穩(wěn)定。這就要求我們在實際運行的控制系統(tǒng)中，使中頻段對數(shù)幅頻特性維持在的斜率，并且具有一定的寬度。這次設(shè)計讓我了解了自動控制原理中校正系統(tǒng)的基本概念及其對系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)應(yīng)用，學會了運用Matlab軟件進行簡單的系統(tǒng)校正。這次課程設(shè)計使我深刻體會到了理論聯(lián)系實際的重要性。這就要求我們有相當厚實的理論基礎(chǔ)，并能很好的運用到實際中去。這次課程設(shè)計還讓我明白了許多從前不知道的知識，培養(yǎng)了自己運用計算機進行實際操作的能力，熟悉了Matlab的基本操作功能，提高了自己分析問題、解決問題的能力。最后，感謝老師給我這次課程設(shè)計的機會，讓我從中受益匪淺。 七、參考文獻：【1】謝克明. 自動控制原理(第2版). 北京：電子工業(yè)出版社. 2009【2】李友善. 自動控制原理. 北京：國防工業(yè)出版社，1981【3】胡壽松. 自動控制原