自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上二一二一一學(xué)年第 一 學(xué)期信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課程名稱： 自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 二一 年 十二 月目錄一 設(shè)計(jì)目的 -3二設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 -3 2.1設(shè)計(jì)任務(wù) -3 2.2設(shè)計(jì)要求 -3三 設(shè)計(jì)方法步驟及設(shè)計(jì)校正圖 -43.1校正前系統(tǒng)分析 -43.2滯后-超前校正系統(tǒng)設(shè)計(jì) -113.3滯后-超前校正系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式 -143.4系統(tǒng)校正前后階躍響應(yīng)比較 -15四總結(jié) -18一 設(shè)計(jì)目的1掌握控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正方法、步驟。2掌握對(duì)系統(tǒng)相角裕度、穩(wěn)態(tài)誤差和剪切頻率以及動(dòng)態(tài)特性分析。3掌握利用MATLAB對(duì)控制理論內(nèi)容進(jìn)行

2、分析和研究的技能。4提高分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。二設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：用用串聯(lián)校正的頻率域方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)滿足如下動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性指標(biāo)：1） 在單位斜坡信號(hào)作用下，系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)；時(shí)，諧波輸入的穩(wěn)態(tài)誤差；2） 系統(tǒng)校正后，相位裕量：；在幅值穿越頻率之前不允許有；3） 對(duì)的擾動(dòng)信號(hào)，輸出衰減到。2.2設(shè)計(jì)要求1) 分析設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明串聯(lián)校正的設(shè)計(jì)思路（滯后校正，超前校正或滯后-超前校正）；2) 詳細(xì)設(shè)計(jì)（包括的圖形有：串聯(lián)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）；3) MATLAB編程代碼及運(yùn)

3、行結(jié)果（包括圖形、運(yùn)算結(jié)果）；4) 校正實(shí)現(xiàn)的電路圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果（校正前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖MATLAB或SMULINK輔助設(shè)計(jì)）；5) 校正前后的系統(tǒng)性能指標(biāo)的計(jì)算；6） 總結(jié)（包括課程設(shè)計(jì)過(guò)程中的學(xué)習(xí)體會(huì)與收獲、對(duì)本次課程設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)等內(nèi)容）。三 設(shè)計(jì)方法步驟及設(shè)計(jì)校正圖3.1校正前系統(tǒng)分析 校正前系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：設(shè)計(jì)校正要求： 時(shí)，的 , 之前不允許有 的擾動(dòng)信號(hào)，輸出衰減到由 ，得： 當(dāng)時(shí)，由 ，得 ：而 ，所以 ，即 當(dāng) ，即 時(shí)：得： 已知開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，利用Matlab畫出以下Bode圖：Matlab代碼如下：h1=tf(100,1,0);h2=tf(1,0.1,1);h3=tf(

4、1,0.01,1);h=h1*h2*h3;num,den=tfdata(h);mag,phase,w=bode(num,den);subplot(211);semilogx(w,20*log10(mag);gridsubplot(212);semilogx(w,phase);gridgm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w)原系統(tǒng)Bode圖為：經(jīng)Matlab計(jì)算得出：增益裕度gm =1.1025相位裕度pm =1.6090相角穿越頻率wcg =31.6228幅值穿越頻率wcp =30.116530因?yàn)?，所以該系統(tǒng)不符合要求，需要校正。若引入超前校正，則：根據(jù)給定的相角裕

5、度，計(jì)算所需要的相角超前量為：令超前校正裝置的最大超前角，得：校正后的剪切頻率為： 超前校正裝置的交接頻率為：經(jīng)過(guò)超前校正后，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：利用Matlab畫出以下Bode圖：Matlab代碼如下：h1=tf(100,1,0);h2=tf(1/15.54,1,0.1,1);h3=tf(1,0.01,1);h4=tf(1,1/215.82,1);h=h1*h2*h3*h4;num,den=tfdata(h);mag,phase,w=bode(num,den);subplot(211);semilogx(w,20*log10(mag);gridsubplot(212);semilogx(w,

6、phase);gridgm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w)校正后的Bode圖：經(jīng)Matlab計(jì)算得出：增益裕度gm = 4.5238相位裕度pm =40.8982 相角穿越頻率wcg =140.8358幅值穿越頻率wcp =55.5287并且，由圖可知，當(dāng)時(shí)，。因?yàn)橄到y(tǒng)要求，而經(jīng)過(guò)超前校正后的系統(tǒng)相位裕度pm只有40.8982 ，所以此超前校正不符合要求。而且，當(dāng)時(shí)，大于。若想使相位裕度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，就必須增大附加相角位移，但同時(shí)，由于超前校正有抬高高頻段的效應(yīng)，即高頻段噪音抑制能力減弱。所以增大，高頻段的也會(huì)隨之增大，與任務(wù)中所要求的，即抑制60Hz以上的噪音信號(hào)背

7、道而馳，所以不能只引用超前校正。若引入滯后校正，則：根據(jù)已知的條件，求得相角裕度為：根據(jù) ，求得為：令未校正系統(tǒng)的Bode圖在處的增益等于，由此確定滯后網(wǎng)絡(luò)的 為：由此選定交接頻率和為：于是，滯后校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：故校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：利用Matlab畫出以下Bode圖：Matlab代碼如下：h1=tf(100,1,0);h2=tf(1/1.53,1,0.1,1);h3=tf(1,0.01,1);h4=tf(1,1/0.09,1);h=h1*h2*h3*h4;num,den=tfdata(h);mag,phase,w=bode(num,den);subplot(211);semil

8、ogx(w,20*log10(mag);gridsubplot(212);semilogx(w,phase);gridgm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w)校正后的Bode圖：經(jīng)Matlab計(jì)算得出：增益裕度gm = 15.7615相位裕度pm = 43.4546相角穿越頻率wcg = 28.9921幅值穿越頻率wcp = 5.3684并且，由圖可知，當(dāng)時(shí)，。因?yàn)橄到y(tǒng)要求，而經(jīng)過(guò)滯后校正后的系統(tǒng)相位裕度pm只有43.4546 ，所以此滯后校正不符合要求。而且，當(dāng)時(shí)，小于。若想使相位裕度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，就必須增大附加相角位移，但同時(shí)，由于滯后校正有壓低低頻段的效應(yīng)，即低頻段

9、的穩(wěn)態(tài)誤差變大。所以增大，低頻段的也會(huì)隨之減小，與任務(wù)中所要求的，即低頻段穩(wěn)態(tài)誤差背道而馳，所以不能只引用滯后校正。鑒于以上分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，此系統(tǒng)必須采用滯后-超前校正網(wǎng)絡(luò)，單純的使用超前校正或滯后校正均只能改善系統(tǒng)暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)一個(gè)方面的性能，并不能同時(shí)滿足該系統(tǒng)對(duì)低頻段和高頻段的要求。3.2滯后-超前校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)由開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可得出下圖：4020110100由此圖可知，是對(duì)數(shù)幅頻特性曲線從十倍頻轉(zhuǎn)折至十倍頻的轉(zhuǎn)折頻率。所以，可取，又因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)高頻段抑制噪音有要求，即希望當(dāng)時(shí)，仍保持有十倍頻，所以，校正后的穿越頻率最好在選取，又由于原系統(tǒng)穿越頻率，所以我選則為。根據(jù)選定的和，求得校正網(wǎng)絡(luò)衰減

10、因子為：此時(shí)，滯后-超前校正網(wǎng)絡(luò)的頻率特性可寫為：相應(yīng)的已校正系統(tǒng)的頻率特性為：根據(jù)上式，利用相角裕度指標(biāo)，可以確定校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為：于是，校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：已校正系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：利用Matlab畫出以下Bode圖：Matlab代碼如下：h1=tf(100,1,0);h2=tf(1/5,1,0.01,1);h3=tf(1,0.02,1);h4=tf(1,1,1);h=h1*h2*h3*h4;num,den=tfdata(h);mag,phase,w=bode(num,den);subplot(211);semilogx(w,20*log10(mag);gridsubplot(212);se

11、milogx(w,phase);gridgm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w)校正后系統(tǒng)的Bode圖：經(jīng)Matlab計(jì)算得出：增益裕度gm = 6.6046相位裕度pm = 46.4675 相角穿越頻率wcg = 66.3325幅值穿越頻率wcp = 18.9531并且，由圖可知，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相位裕度pm = 46.4675大于45，滿足的要求。同時(shí)，當(dāng)時(shí)，滿足時(shí)，的 的要求。當(dāng)時(shí)，滿足的擾動(dòng)信號(hào)，輸出衰減到的要求。并且，由上圖可知，在穿越頻率之前，沒(méi)有。所以，該校正系統(tǒng)正確。3.3滯后-超前校正系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式由滯后-超前校正裝置的傳遞函數(shù)：得：

12、令，則求得以下參數(shù)：所以，實(shí)現(xiàn)電路為：3.4系統(tǒng)校正前后階躍響應(yīng)比較系統(tǒng)校正前，閉環(huán)傳遞函數(shù)為利用Matlab畫出其階躍響應(yīng)圖：Matlab代碼如下：num=100;den=0.001,0.11,1,100;step(num,den);grid;其階躍響應(yīng)圖為：由上圖可知，原系統(tǒng)的超調(diào)量很大，并且調(diào)節(jié)時(shí)間也很長(zhǎng)。系統(tǒng)校正后，閉環(huán)傳遞函數(shù)為：其約為46.5 ，約為19。所以，根據(jù)和，求得校正后的系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間為：利用Matlab畫出其階躍響應(yīng)圖：Matlab代碼如下：num=20,100;den=0.0002,0.0302,1.03,21,100;step(num,den);grid;階躍響應(yīng)圖為：由以上的計(jì)算結(jié)果和圖形可知，經(jīng)校正后的系統(tǒng)無(wú)論是超調(diào)量還是調(diào)節(jié)時(shí)間都得到很大的改善，使之能穩(wěn)定工作。四總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)，我收獲了很多。不僅熟練了Matlab編程，對(duì)自動(dòng)控制理論中的一些結(jié)論也有了更深的體會(huì)。對(duì)于我校正的這個(gè)系統(tǒng)，它有1.609的相位裕度