飛行器控制系統(tǒng)設計

1、學 號： 課 程 設 計題 目飛行器控制系統(tǒng)設計學 院自動化學院專 業(yè)自動化班 級自動化1002班姓 名指導教師肖純2012年12月19日課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級：自動化1003班指導教師： 肖 純 工作單位： 自動化學院 題 目: 飛行器控制系統(tǒng)設計 初始條件：飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 要求設計控制系統(tǒng)性能指標為調節(jié)時間ts秒，單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，相角裕度大于75度。要求完成的主要任務:（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1） 設計一個控制器，使系統(tǒng)滿足上述性能指標；（2） 畫出系統(tǒng)在校正前后的奈奎斯特曲線和波特圖；（3） 用Matlab畫出上

2、述每種情況的階躍響應曲線，并根據曲線分析系統(tǒng)的動態(tài)性能指標；（4） 對上述任務寫出完整的課程設計說明書，說明書中必須寫清楚分析計算的過程，給出響應曲線，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，說明書的格式按照教務處標準書寫。時間安排： 任務時間（天）指導老師下達任務書，審題、查閱相關資料2分析、計算2編寫程序1撰寫報告2論文答辯1指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日摘要隨著經濟的發(fā)展，自動控制技術在國民經濟中發(fā)揮著越來越重要的作用。自動控制就是在沒有人的參與下，系統(tǒng)的控制器自動的按照人預訂的要求控制設備或過程，使之具有一定的狀態(tài)和性能。在實際中常常要求在

3、達到制定性能指標的同時能更加節(jié)約成本、能具有更加優(yōu)良的效果。本次飛行器設計中，采用頻域校正的方法使系統(tǒng)達到指定的性能指標，同時采用matlab仿真軟件更加直觀的進行仿真分析和驗證。在此設計中主要采用超前校正的方法來對系統(tǒng)進行性能的改進，通過分析、設計、仿真、寫實驗報告書的過程，進一步加深了對自動控制原理基本知識的理解和認識，同時通過仿真系統(tǒng)的奈奎斯特圖、bode圖、單位階躍響應曲線，進一步理解了系統(tǒng)的性能指標的含義，同時也加深了對matlab仿真的掌握，培養(yǎng)了認識問題、分析問題、解決問題的能力。目錄1理論分析與計算1 1.1初始條件及設計要求1 1.2 分析與計算12 校正前后系統(tǒng)的matla

4、b仿真32.1校正前系統(tǒng)的仿真32.1.1 校正前系統(tǒng)bode圖32.1.2 校正前系統(tǒng)奈奎斯特曲線32.1.3 校正前系統(tǒng)單位階躍響應曲線42.2校正后系統(tǒng)matlab仿真6校正后系統(tǒng)的bode圖62.2.2 校正后系統(tǒng)奈奎斯特曲線6校正后系統(tǒng)單位階躍響應曲線73校正前后系統(tǒng)性能比較93.1校正前后系統(tǒng)bode圖比較93.2校正前后系統(tǒng)那奎斯特曲線比較103.3校正前后系統(tǒng)單位階躍響應比較114課程設計小結135 參考文獻141理論分析與計算 1.1初始條件及設計要求飛行器控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 主要性能指標： 調節(jié)時間ts=0.008秒， 單位斜坡輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差， 相角裕度大于75度

5、。1.2 分析與計算由系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)以及系統(tǒng)需要達到的性能指標要求可知需對系統(tǒng)進行校正，采用頻域矯正法對系統(tǒng)進行校正。根據給定的穩(wěn)態(tài)性能指標，首先確定符合要求的開環(huán)增益K。設計要求中要求在單位斜坡信號作用下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，故校正后的系統(tǒng)還是1型系統(tǒng)。單位斜坡輸入下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差求法如下：=又有：解得，所以應取=182從而將系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)化為：計算校正前系統(tǒng)的截止頻率：=1又有： 計算得出。要求校正后的系統(tǒng)的相位裕度 ，因此可知補充的相位裕度不超過，因此可以采用超前校正的方法。此時有： 取，則： 令：-10lg15.4dB=20lg計算得=1770，因此：=0.000144所以得出超前校正環(huán)

6、節(jié)為： 得到校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 2 校正前后系統(tǒng)的matlab仿真2.1校正前系統(tǒng)的仿真 校正前系統(tǒng)bode圖校正前系統(tǒng)Bode圖源程序如下： num=819000 den=1,316.2,0 bode(num,den)圖1 校正前系統(tǒng)bode圖 校正前系統(tǒng)奈奎斯特曲線校正前系統(tǒng)奈奎斯特圖源程序如下： num=819000 den=1,361.2,0 nyquist(num,den)圖2 校正前系統(tǒng)奈奎斯特曲線 校正前系統(tǒng)單位階躍響應曲線校正前系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：校正前系統(tǒng)單位階躍響應源程序如下： num=819000 den=1,361.2,819000 step(num,den)圖

7、3 校正前系統(tǒng)的單位階躍響應曲線由系統(tǒng)的響應曲線可知系統(tǒng)的調節(jié)時間為0.0217s遠大于0.008s，系統(tǒng)的超調時間為0.00349s、超調量為0.527，都比較大。2.2校正后系統(tǒng)matlab仿真校正后系統(tǒng)的bode圖校正后系統(tǒng)bode圖源程序如下：G=tf(819000*0.00222,1,conv(1,361.2,0.0001444,1,0),bode(G)G = 1818 s + 819000 - 0.0001444 s3 + 1.052 s2 + 361.2 s 圖4 校正后系統(tǒng)bode圖由校正后系統(tǒng)bode圖可以看出校正后系統(tǒng)相位裕度達到，滿足系統(tǒng)設計要求。 校正后系統(tǒng)奈奎斯特曲線

8、校正后系統(tǒng)奈奎斯特圖源程序如下： G=tf(819000*0.00222,1,conv(1,361.2,0.0001444,1,0),nyquist(G)G = 1818 s + 819000 - 0.0001444 s3 + 1.052 s2 + 361.2 s圖5校正后系統(tǒng)奈奎斯特曲線校正后系統(tǒng)單位階躍響應曲線校正后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 校正后系統(tǒng)單位階躍響應源程序如下：num=1818.18,819000 den=0.000144,1.052,2179.38,819000 step(num,den) 由校正后系統(tǒng)單位階躍響應曲線可知系統(tǒng)調節(jié)時間tss，小于給定值0.008s，能夠滿足系統(tǒng)

9、動態(tài)性能指標要求。圖6 校正后系統(tǒng)單位階躍響應曲線3校正前后系統(tǒng)性能比較31校正前后系統(tǒng)bode圖比較校正前后系統(tǒng)比較的bode圖源程序如下，其中g1函數(shù)表示校正前系統(tǒng)，g2函數(shù)表示校正后系統(tǒng)： num=819000den=1,361.2,0g1=tf(num,den)g1 = 819000 - s2 + 361.2 s g2=tf(819000*0.00222,1,conv(1,361.2,0.0001444,1,0)g2 = 1818 s + 819000 - 0.0001444 s3 + 1.052 s2 + 361.2 s bode(g1,g2)由校正前后系統(tǒng)bode圖可以看出，校正后

10、系統(tǒng)截止頻率變大，系統(tǒng)的相相位裕度變大，滿足系統(tǒng)設計要求。圖7 校正前后系統(tǒng)bode圖比較3.2校正前后系統(tǒng)奈奎斯特曲線比較校正前后系統(tǒng)比較的奈奎斯特圖源程序如下，其中g1函數(shù)表示校正前系統(tǒng)，g2函數(shù)表示校正后系統(tǒng)： num=819000 den=1,361.2,0 g1=tf(num,den)g1 = 81900 - s2 + 361.2 s g2=tf(819000*0.00222,1,conv(1,361.2,0.000144,1,0)g2 = 181.8 s + 81900 - 0.000144 s3 + 1.052 s2 + 361.2 s nyquist(g1,g2)圖8 校正前后

11、系統(tǒng)奈奎斯特曲線比較3.3校正前后系統(tǒng)單位階躍響應比較校正前后系統(tǒng)比較的單位階躍響應源程序如下，其中g1函數(shù)表示校正前系統(tǒng)，g2函數(shù)表示校正后系統(tǒng)： num=819000 den=1,361.2,819000 g1=tf(num,den)g1 = 819000 - s2 + 361.2 s + 819000 num1=1818.18,819000 den1=0.000144,1.052,2179.38,819000 g2=tf(num1,den1)g2 = 1818 s + 819000 - 0.000144 s3 + 1.052 s2 +2179 s + 819000 step(g1,g2)

12、圖9 校正前后系統(tǒng)單位階躍響應比較由響應曲線可以看出校正后系統(tǒng)的超調量大為減少，而且響應速度大大加快，基本滿足系統(tǒng)設計要求。4課程設計小結課程設計對學生而言是其對所學課程內容掌握情況的一次自我驗證，從而有著極其重 要的意義。通過課程設計能提高學生對所學知識的綜合應用能力，能全面檢查并掌握所學內容。伴隨著課設說明書的完成為期兩周的自動控制原理課程設計圓滿完成。俗話說“功夫 不負有心人，鐵杵也能磨成繡花針”，通過自己的努力，我也在今天完成了，看著老師仔細的驗收，并成功的完成任務，有種如釋重負的感覺，同時，看到成功的運用所學知識獨立完成課設要求，心中更多的是一種成就感。當然，通過這次實踐我也受益匪淺

13、，從中學到了不少在書本中沒有的東西，明白了實踐與理論的結合是極其重要的，以及同學之間互相幫助的重要性，在遇到困難時運用學過的相關知識和恰當?shù)姆椒ūM力去解決各個難題，通過自己不懈的努力與搭檔的配合來完成 這項任務。當然，在整個課程設計中，我也遇到了許多的難題。例如階躍響應函數(shù)讀取錯誤，剛開始我還以為是數(shù)據問題，經過仔細檢查還是未得到解決，后來猜想可能是編程本身出錯， 經過認真檢查后，重新輸入數(shù)據，matlab 終于得到正確結果。致使問題得到了解決，同時也松了一口氣。過程是艱辛的，但結果是令人興奮的，看著自己寫的課設說明書，心理覺得非常有成就感，這幾天的努力并沒有付諸東流。雖然課設已經告一段落，但是我們學習的道路還很長。此次課設讓我明白不論是在做實驗還是在今后的學習中，都應該有一種堅定不移不達目的不罷休的信念，只有這樣才能達到自己的最終目標！5 參考文獻1 薛定宇. 控制系統(tǒng)計算機輔助設計. 北京：清華大學出版社，2006 2 胡壽松. 自動控制原理(第四版). 北京：科學出版社，20013 李道根. 自動控制原理. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，20074 吳曉燕，張雙選. MATLAB 在自動控制中的應用. 西安：電子科技出版社，20065 王萬良.自動控制原理，北京：高等教育出版社，2008本科生課程設計成