自動控制原理課程設(shè)計室溫控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計

1、室溫控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計一、設(shè)計目的通過課程設(shè)計，在掌握自動控制理論基本原理、一般電學系統(tǒng)自動控制方法的基礎(chǔ)上，用 MATLA實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真與調(diào)試。二、設(shè)計要求收集和查閱有關(guān)技術(shù)資料，獨立完成所承擔的設(shè)計課題的全部內(nèi)容，初步掌握設(shè)計原則、設(shè)計方法、設(shè)計步驟和設(shè)計規(guī)范的應(yīng)用；對 工程設(shè)計方案進行選擇和分析；繪制設(shè)計圖；撰寫說明書。要求如下：1、根據(jù)所學控制理論知識（頻率法、根軌跡法等）進行人工設(shè)計校正 裝置，初步設(shè)計出校正裝置傳遞函數(shù)形式及參數(shù)；2、使用MATLA和Simulink，對加入的校正裝置的系統(tǒng)進行動態(tài)仿真，并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；3、確定校正裝置的電

2、路形式及電路參數(shù)（選作）；4、完成設(shè)計報告。三、設(shè)計任務(wù)已知某室溫控制系統(tǒng)為單位負反饋，某開環(huán)傳遞函數(shù)為：kG圖設(shè)計法對系統(tǒng)進行滯后串聯(lián)校正 Bode，試用 ）so（）o 1.2S 0S（.1S1）（設(shè)計，使系統(tǒng)滿足；1SK 系統(tǒng)在斜坡信號作用下，系統(tǒng)的速度誤差系數(shù) 30V 1S系統(tǒng)校正后的剪切頻率2.3 c040系統(tǒng)校正后，系統(tǒng)的相角裕量2.2設(shè)計要求 分析設(shè)計要求，說明校正的設(shè)計思路(滯后校正分析 詳細設(shè)計(包括的圖形有：校正結(jié)構(gòu)圖，校正前系統(tǒng)的Bode圖，校正裝置的Bode圖，校正后系統(tǒng)的Bode圖) 用MATLABS程代碼及運行結(jié)果(包括圖形、運算結(jié)果) 校正前后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)圖。

3、三、設(shè)計方法步驟及設(shè)計校正構(gòu)圖3.1校正前系統(tǒng)分析校正前系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：kG)(soS(O.1S 1)(0.2S 1)。4°1 1 ss K ,，>> 2.330c 設(shè)計校正要求：vKGKKIimlim k 30ks s ，所以因為=vv)S0(S(0.1S 1)(0.2S 1)0 sso所以，原系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)變?yōu)椋?0G)(S0S(0.1S 1)(0.2S 1)利用MATLA繪畫未校正系統(tǒng)的Bode圖,見圖1在MATLAB編寫如下程序：num = 30;f1 = 1,0;f2 =0.1,1;f3 = 0.2,1;den = con v(f1,c on v(f2,

4、f3);bode( nu m,de n)原系統(tǒng)Bode圖SBSOJ5EL-L1DDPaJfJrnluBE 巨-270System: sysFrequency (rad/se c): 2.3Priase (deg)>12fiSystem: &y£Fr&qL&ney sd/sec: 7.04Riase (deg): -13(System gygFrequency (ratl/5ec)i 9.75Phase (deg-1974十1Q'Frequency (rade c)1圖2 MATLAB繪制未校正系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，見圖利用中編寫如下程序:在 M

5、ATLABnum=30;f仁1,0;f2=0.1,1;f3=0.2,1;G=tf(f1,co nv(f2,f3);G仁 feedback(G,1);t=0:0.1:10;step(G1,t); grid);'c(t)' );ylabel(xlabel( 't');原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)” title( 階躍響應(yīng)曲 線為：2圖。17 ，此時系統(tǒng)的相角裕度不符合要求，可以看出，相角欲度由圖io故該系統(tǒng)需要校正。由于校正前系統(tǒng)已有一定的相角欲度， 因此可以考慮引系統(tǒng)在階躍 輸入下是不能由圖2入串聯(lián)滯后校正裝置以滿足相角欲度的要；穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)的動態(tài)性能不佳。3.2 校正

6、方法 中設(shè)計滯后網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的性能，決 定采用串聯(lián)滯后校正。在 MATLAB的步驟如下：K 1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差要求確定開 環(huán)增益（KGKKIimlim 30 kks s ，所以因為=vv）0（s）l.2S1（0.1S ）（OSooss，讀）Bode圖（見圖1（ 2）利用確定的開環(huán)增益并在 MATLAB中繪制原系統(tǒng)00017180 197）（。出原系統(tǒng)的相角裕度0 。在此頻率上開環(huán)傳遞函數(shù)的相位裕3）確定校正后的系統(tǒng)剪切頻率（ M0。512） 補償滯后校正量應(yīng)等于要求的相位裕量再加上（處的相位滯后。網(wǎng)絡(luò)本身在C040為了補償滯后校正網(wǎng)絡(luò)本身的相位，現(xiàn)要求校正后系統(tǒng)的相位裕量。512的補償角，所以取

7、滯后，需要再加上oooo524O512()。12 (補償角取)S/.3 2。128(即在附近的相位角等于上可找得，Bode圖(圖1)在C052),故取此頻率為校正后系統(tǒng)的增益剪切頻率。即：相位裕量為2.3/sc 處的幅值下降到0dB值。確定原系統(tǒng)頻率特性在時所必 4()求c ，求 取值。需的衰減量=20Lg_ 處的頻率增益為由圖21.2dB，為了保證系統(tǒng)的增益 剪切1得原系統(tǒng)在c處，滯后校正裝置應(yīng)產(chǎn)生頻率21.2dB的衰減量：=21.2dB，即L c 1220=20Lg( 5)選取T值。為了使滯后校正裝置產(chǎn)生的相位滯后對校正后系統(tǒng)的增益=10/T處的影響足夠小，應(yīng)滿足，一般取剪切頻率cc =4

8、.35取T=10/c(6)確定滯后校正裝置的傳遞函數(shù)4.35S 1G)s(c4.35 12 S 1 利用 MATLAB繪畫校正裝置的bode圖，見圖3在MATLAB編寫如下程序：G=tf(4.35 1,52.2 1);figure(l)margi n( G); gridgm,pm,wg,wp=margi n( G);title('校正裝置);校正裝置Bode圖如下:校正裝墨10101FtMuenw3圖3.3校正裝置1采用RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成無源滯后校正裝置如下圖：R1 R2RCC其傳遞函數(shù)為：CRcs i s i)(sG2R(R )c(si sRi)Cs)®RR R21 c ，,()

9、其中 i R22由校正裝置傳遞函數(shù)得如下關(guān)系：RR RiiR2i =i2，即 R2i2R C =4.352RR、C且滿足兩關(guān)系式的參數(shù)值即可確定校正裝置。選取適當?shù)?13.4校正后系統(tǒng)分析 經(jīng)超前校正后，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:30(4.35S dGGGI| ) Sc0(S)(S)1 )(0. S1 .)(2S 143512S.(S01(1)利用MATLAB繪畫系統(tǒng)校正前、后的bode圖(見圖4)及校正前、后系統(tǒng)對單位 階躍響應(yīng)(見圖5)的對比在MATLAB編寫如下程序：num = 627;f1 = 1,0;f2 =0.1,1;f3 = 0.2,1;den = con v(f1,c on v(f2

10、,f3);g0 = tf(nu m,de n);pm = 627;dpm = pm+5;mag,phase,w = bode(gO);magdb = 20*log10(mag);wcg=2.4gr = -spli ne(w',magdb(1,:),wcg);alpha = 10A(gr/20);T = 10/(alpha*wcg);gc = tf(alpha* T 1,T 1);F0 = feedback(g0,1);F = feedback(g0*gc,1);figure(1); bode(g0,g0*gc);figure(2);step(F0,F);校正前、后系統(tǒng)的Bode圖對比:

11、S8S囂旻CLBode DiagramSystem. gOFrFKiJi Pnnv i "FirL&fir!:0 0&&校 1EJSSystem: untrtled 1 Frequency (rVec): 2.6 Phase i tfeg): -137Syst&m:衛(wèi)口Frequ ency (ratVsee): 9.74 . Ptiase -T97System: uniitledlFr時be“円 isee: B 7T .Phase deg): -1BOfluOJ圖4校正前、后系統(tǒng)對單位階躍響應(yīng)對比:圖5,四、在MATLABF，用Simulink 進行動

12、態(tài)仿真在Simulink仿真環(huán)境下采用串聯(lián)滯后校正，校正前結(jié)構(gòu)圖（見圖6）,對原系統(tǒng)仿真，得系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線（見圖 7）6見圖校正前系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線:Time offset 07圖可看出，系統(tǒng)對單位階躍響應(yīng)的輸出極不穩(wěn)定，系統(tǒng)不能滿足設(shè)計要7由圖求, 需要對系統(tǒng)進行校正。1S 4.35G環(huán)節(jié)進行滯后校正，校正后在原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖上 串加上網(wǎng)1 12 S.435，對校正后系統(tǒng)仿真，得系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線（見8）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（見圖）圖98圖：校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線9圖可看出，系統(tǒng)對單位階躍響能夠穩(wěn)定的應(yīng)輸出， 系統(tǒng)的最大超調(diào)量9由圖tM 附近，對于本溫度控制系統(tǒng)以上參數(shù) 2.5s在在25%左右，過渡