水溫控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上自動控制原理課程設(shè)計(jì)題目：水溫控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計(jì)專業(yè)：電氣工程及其自動化姓名：班級：學(xué)號：指導(dǎo)教師：職稱：專業(yè)鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院2017年12月目錄1、設(shè)計(jì)目的1、收集和查閱有關(guān)資料，獨(dú)立完成所承擔(dān)的設(shè)計(jì)課題的全部內(nèi)容；2、通過課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步掌握自動控制原理課程的相關(guān)知識與運(yùn)用，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力；3、理解自動控制系統(tǒng)中可采用合適的方法，使系統(tǒng)性能達(dá)到要求；4、初步掌握設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用；5、初步掌握對工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行選擇和分析的方法，繪圖，撰寫報(bào)告。6、水溫控制系統(tǒng)為一單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，其中被控制對象的傳遞函數(shù)為 ,用

2、串聯(lián)校正的頻率域方法對系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)(用超前、滯后和滯后-超前校正三種方法并進(jìn)行三種方法的比較)，校正后的系統(tǒng)滿足在單位斜坡信號作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù),相位裕量的要求。2、設(shè)計(jì)思路對于一個(gè)控制系統(tǒng)，人們期望它能滿足一定的性能指標(biāo)需求。如果系統(tǒng)達(dá)不到期望的性能指標(biāo)，就需要對其進(jìn)行校正。所謂的控制系統(tǒng)校正，就是指在系統(tǒng)的基本部分（通常指對象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測量元件等主要部件）已經(jīng)確定的條件下，設(shè)計(jì)校正裝置的傳遞函數(shù)或調(diào)整系統(tǒng)放大倍數(shù)，使系統(tǒng)性能得到改善，從而滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)是滿足要求的，為改善穩(wěn)態(tài)性能，而又不影響其動態(tài)響應(yīng)時(shí)，可采用超前、滯后和滯后-超前校正等方式,

3、通過串聯(lián)校正裝置，改善其帶寬和幅頻特性最終改善動態(tài)性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。按照模擬出來的仿真圖在進(jìn)行對比。3、設(shè)計(jì)步驟3.1、串聯(lián)超前校正法3.1.1用頻率法設(shè)計(jì)用超前校正裝置的步驟為：1、根據(jù)所要求的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，確定系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能要求的開環(huán)增益2、繪制滿足由步驟（1）確定的值下的系統(tǒng)Bode圖，并求出系統(tǒng)的相角裕量。3、確定為使相角裕量達(dá)到要求值，所需增加的超前相角，即式中，為要求的相角裕量；是因?yàn)榭紤]到校正裝置影響剪切頻率的位置而附加的相角裕量：當(dāng)未校正系統(tǒng)中頻段的斜率為-40dB/dec時(shí)，??；當(dāng)未校正系統(tǒng)中頻段斜率為-60dB/dec時(shí)，取。4、令超前校正網(wǎng)絡(luò)的最大超前相角，則由下

4、式求出校正裝置的參數(shù)5、在Bode圖上確定未校正系統(tǒng)幅值為時(shí)的頻率，該頻率作為校正后系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率，即。6、由確定校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率超前校正裝置的傳遞函數(shù)為7、將系統(tǒng)放大倍數(shù)增大倍，已補(bǔ)償超前校正裝置引起的幅值衰減，即。8、畫出校正后系統(tǒng)的Bode圖，校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為9、檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，若不滿足要求，可增大值，從第（3）步起重新計(jì)算。 3.1.2要求系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)，可以確定，作出時(shí)未矯正的Bode圖，如圖1所示。圖1校正前系統(tǒng)的Bode圖（2）用MATLAB程序繪制校正前系統(tǒng)的Bode圖，如圖2所示。MATLAB程序： num=20;f1=1,0;f2=0.1,1;

5、den=conv(f1,f2); f=tf (num,den); bode(f) S=allmargin(f)圖2 MATLAB繪制校正前系統(tǒng)的Bode圖（3）由程序可以看出系統(tǒng)的剪切頻率為，相應(yīng)的相角裕量為，幅值裕量。說明系統(tǒng)的相角裕量小于要求值，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)會有嚴(yán)重的振蕩，為達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)采用串聯(lián)超前校正。校正后在系統(tǒng)剪切頻率處的超前相角為因此校正后系統(tǒng)的剪切頻率處，校正網(wǎng)絡(luò)的對數(shù)幅值, 可計(jì)算出未校正系統(tǒng)對數(shù)幅值為處的頻率，即可作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率校正網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)用MATLAB程序繪制校正后系統(tǒng)Bode圖，如圖1-3所示：MATLAB程序：

6、 num=20*0.121,1; f1=1,0;f2=0.1,1;f3=0.059,1; den=conv(f3,conv(f1,f2); f=tf (num,den); bode(f) S=allmargin(f)圖3 MATLAB繪制校正后系統(tǒng)的Bode圖校正后系統(tǒng)的相角裕量幅值裕量，滿足要求的性能指標(biāo)。3.2、串聯(lián)滯后校正3.2.1 用頻率法設(shè)計(jì)用超前校正裝置的步驟為：1、根據(jù)所要求的穩(wěn)態(tài)性能確定系統(tǒng)的開環(huán)增益2、根據(jù)已確定的值，繪制未校正系統(tǒng)的Bode圖，并求出系統(tǒng)的相角裕量、幅值裕量。3、在Bode圖上求出未校正系統(tǒng)相角裕量處的頻率，作為系統(tǒng)校正后的剪切頻率，用來補(bǔ)償校正滯后校正網(wǎng)絡(luò)

7、處的相角滯后，通常取。4、令未校正系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在的幅值為，由此可以確定滯后網(wǎng)絡(luò)的值。5、為保證滯后校正網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)在處的相頻特性基本不受影響，按下式確定滯后校正網(wǎng)絡(luò)的第二個(gè)轉(zhuǎn)折頻率為6、校正裝置的傳遞函數(shù)為7、畫出校正后系統(tǒng)的Bode圖，并檢驗(yàn)性能指標(biāo)。若不滿足要求，可改變或值重新設(shè)計(jì)3.2.2 （1）當(dāng)時(shí)繪制出未校正系統(tǒng)的Bode圖，如圖1所示。（2）用MATLAB程序繪制校正前系統(tǒng)的Bode圖，如圖2所示。計(jì)算未校正系統(tǒng)的剪切頻率，系統(tǒng)的相角裕量為幅值裕量未校正系統(tǒng)中對應(yīng)相角裕量為時(shí)的頻率，此頻率作為校正后系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率。當(dāng)時(shí)，令未校正系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅值為，從而可求出校正裝置的參數(shù)，即得選取

8、滯后校正裝置的傳遞函數(shù)為：校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為繪出校正后系統(tǒng)的Bode圖，如圖4所示。MATLAB程序： num=20*1.42,1; f1=1,0;f2=0.1,1;f3=4.2,1; den=conv(f3,conv(f1,f2); f=tf (num,den); bode(f) S=allmargin(f)圖4繪出校正后系統(tǒng)的Bode 圖校驗(yàn)校正后系統(tǒng)的相角裕量為滿足要求。3.3、串聯(lián)滯后-超前校正作出未校正系統(tǒng)的Bode圖，其漸近線如圖2所示。由圖可以求得未校正系統(tǒng)的相角裕量為，故系統(tǒng)不是穩(wěn)定的。若串入超前校正，雖然可以增大相角裕量，滿足對的要求，幅值裕量卻無法同時(shí)滿足。若串入滯后校

9、正，利用它的高頻幅值衰減使剪切頻率前移，能夠滿足對的要求，但要同時(shí)滿足的要求，則很難實(shí)現(xiàn)，故采用滯后-超前校正。首先確定校正后系統(tǒng)的剪切頻率，一般可選未校正系統(tǒng)相頻特性上相角為的頻率作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率。從圖2中可以得出。確定超前部分的參數(shù)，由圖可知，未校正系統(tǒng)在，對數(shù)幅值為，為使校正后系統(tǒng)剪切頻率為，校正裝置在處產(chǎn)生的增益，在，點(diǎn)處畫一條斜率為，該直線與分貝線交點(diǎn)即為超前校正部分的第二個(gè)轉(zhuǎn)折頻率，從圖上可得取。選取，則超前部分的傳遞函數(shù)為為補(bǔ)償超前校正帶來的幅值衰減，可傳入一放大器，放大倍數(shù)。確定滯后校正部分的參數(shù)如下：滯后校正部分一般從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)估算，為使滯后部分對剪切頻率附近的相角影響

10、不大，選擇滯后校正部分的第二個(gè)轉(zhuǎn)折頻率為并選取，這滯后部分的第一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率為滯后部分的傳遞函數(shù)為滯后超前校正裝置的傳遞函數(shù)為校正后系統(tǒng)的Bode圖如圖5所示MATLAB程序： num=20*0.847,1; f1=1,0;f2=0.001,1;f3=8.47,1; f=tf (num,den); den=conv(f3,conv(f1,f2);f=tf (num,den); bode(f)圖5校正后系統(tǒng)的Bode圖校正后的系統(tǒng)的相角裕量是滿足需求。4.仿真驗(yàn)證4.1、串聯(lián)超前校正仿真圖6串聯(lián)超前校正Simulink模型圖圖7未校正的單位階躍相應(yīng)曲線圖8校正后的單位階躍相應(yīng)曲線4.2、串聯(lián)滯后校

11、正仿真圖9串聯(lián)滯后校正Simulink模型圖圖10校正后的單位階躍曲線4.3、串聯(lián)滯后-超前校正仿真圖11串聯(lián)滯后-超前校正Simulink模型圖圖12校正后的單位階躍響應(yīng)曲線5、方法比較串聯(lián)超前校正裝置使得系統(tǒng)的相角裕量增大，從而降低了系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量；增加了系統(tǒng)的頻帶寬度，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快。在保持穩(wěn)態(tài)精度不變的前提下，滯后校正裝置減小了未校正系統(tǒng)在開環(huán)剪切頻率上的幅值，從而增大了系統(tǒng)的相角裕量，減小了動態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量。應(yīng)用頻率法設(shè)計(jì)滯后超前校正裝置，其中超前校正部分可以提高系統(tǒng)的相角裕量，同時(shí)使頻帶變寬，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。滯后校正部分則主要用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。6、設(shè)計(jì)結(jié)論串聯(lián)滯后校

12、正和串聯(lián)超前校正雖然都具有改善系統(tǒng)動態(tài)性能的能力，但二者所用的方法完全不同，超前校正是利用超前校正裝置的超前相角來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性滯后校正是利用滯后校正裝置的高頻幅值衰減特性來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。而滯后-超前校正去兩者之長補(bǔ)兩者之短。通過這次課程設(shè)計(jì)，鞏固了課堂上學(xué)到的知識，彌補(bǔ)了一些知識空白，同時(shí)也提高了自己的自學(xué)能力和翻閱資料的能力及獨(dú)立思考的能力，為后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)7、參考文獻(xiàn)1 胡壽松.自動控制原理.修訂版.北京：國防工業(yè)出版社，1987.2 謝克明.現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ).2版.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2000.3 金以慧.過程控制.北京:清華大學(xué)出版社,1993.4

13、薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)MATLAB語言應(yīng)用北京：清華大學(xué)出版社，1996.成績評定標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目分值A(chǔ)優(yōu)秀（100X90）B良好（90X80）C中等（80X70）D及格70X60E不及格（X60）評分參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)B參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)態(tài)度15學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真?？茖W(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)時(shí)間并按任務(wù)書中規(guī)定的進(jìn)度開展各項(xiàng)工作學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真?？茖W(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，能按期圓滿完成任務(wù)書規(guī)定的任務(wù)學(xué)習(xí)態(tài)度尚好，遵守組織紀(jì)律，基本保證設(shè)計(jì)時(shí)間完成各項(xiàng)工作學(xué)習(xí)態(tài)度尚好，能遵守組織紀(jì)律，能按期完成任務(wù)學(xué)習(xí)馬虎，紀(jì)律渙散，工作作風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn)，不能保證設(shè)計(jì)時(shí)間和進(jìn)度技術(shù)水平與實(shí)際能力35設(shè)計(jì)合理、設(shè)計(jì)任務(wù)能夠全部較

14、好完成且?guī)缀鯖]有錯(cuò)誤，對相關(guān)工作原理的分析透徹，所畫電路圖完整無誤，計(jì)算過程完整且基本沒有錯(cuò)誤，對設(shè)計(jì)結(jié)果的分析正確，有很強(qiáng)的實(shí)際動手能力、調(diào)查調(diào)研非常合理、可信。設(shè)計(jì)合理、設(shè)計(jì)任務(wù)能夠較好完成但有少量錯(cuò)誤，對相關(guān)工作原理的分析完善，所畫電路圖完整但有少量錯(cuò)誤，計(jì)算過程完整但有少量錯(cuò)誤，對設(shè)計(jì)結(jié)果的分析合理，有較強(qiáng)的實(shí)際動手能力、調(diào)查調(diào)研比較合理、可信。設(shè)計(jì)合理、設(shè)計(jì)任務(wù)能夠完成但有一定錯(cuò)誤，對相關(guān)工作原理的分析基本完善，所畫電路圖基本完整，計(jì)算過程基本完整但有一定錯(cuò)誤，對設(shè)計(jì)結(jié)果的分析基本合理，有一定的實(shí)際動手能力、調(diào)查調(diào)研比較可信。設(shè)計(jì)基本合理，設(shè)計(jì)工作基本完成但錯(cuò)誤較多，基本能分析相關(guān)工作原理，所畫電路圖錯(cuò)誤較多，能完成主要計(jì)算過程基本完整但錯(cuò)誤較多，未對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)不合理，基本上屬抄襲，實(shí)際動手能力