武漢科技大學(xué)自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)

1、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)： 自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 陳琳 二一三 年 十二 月一 、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)行分析和研究的技能。4.提高分析問題解決問題的能力。二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)題目一、（學(xué)號(hào)尾號(hào)為奇數(shù)學(xué)生選作）已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)被控制對(duì)象的開環(huán)傳遞函數(shù)為任務(wù)：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)性能指標(biāo)：1） 靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv30；2） 2）系統(tǒng)校正后，相

2、位裕量45；3）對(duì)于頻率=0.1，振幅為3的正弦輸入信號(hào)，穩(wěn)態(tài)誤差的振幅不大于0.1。2.2設(shè)計(jì)要求課程設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容應(yīng)包括以下6個(gè)部分：1)分析設(shè)計(jì)要求，說明串聯(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)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）；5)三種校正方法及裝置的比較；6)總結(jié)（包括課程設(shè)計(jì)過程中的學(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)校正結(jié)構(gòu)圖（1）串聯(lián)

3、校正的設(shè)計(jì)思路 1)校正前系統(tǒng)分析 因?yàn)轭}目要求靜態(tài)速度誤差系數(shù)大于30，所以K=30,所以開環(huán)傳遞函數(shù)為： 經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)的剪切頻率為：，相位裕度為 2)在MATLAB中編寫如下程序： h1=tf(30,1 0); h2=tf(1,0.1 1); h3=tf(1,0.2 1); h=h1*h2*h3; num,den=tfdata(h); mag,phase,w=bode(num,den); subplot(211); semilogx(w,20*log10(mag);grid subplot(212); semilogx(w,phase);grid gm,pm,wcg,wcp=margin(m

4、ag,phase,w)未校正前bode圖：由圖知，相位裕度為 -17.2054，截止頻率為 9.7680 rad/s.。因?yàn)橄到y(tǒng)不穩(wěn)定,不宜采用相位超前校正，故采用滯后校正。（2）詳細(xì)設(shè)計(jì) 1）根據(jù)系統(tǒng)相位裕度大于45度的要求，串聯(lián)校正后相角裕度應(yīng)為：又因?yàn)椋杭矗簞t可解的：當(dāng)時(shí)，令未校正系統(tǒng)的開環(huán)增益為，從而求出串聯(lián)滯后校正裝置的系數(shù)，由于未校正系統(tǒng)的增益在時(shí)為，故有解的： 選定： 則： 于是，滯后網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為： 2）對(duì)于頻率為，幅值為3的正弦輸入信號(hào)穩(wěn)態(tài)誤差的檢驗(yàn)：因?yàn)橄到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差傳遞函數(shù)為： 所以有： 其頻率特性為：把帶入得： 又因?yàn)檩斎胄盘?hào)的振幅為3，所以

5、穩(wěn)態(tài)誤差的振幅為，所以穩(wěn)態(tài)誤差的振幅為0.06570.1,故滿足題目要求。校正后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：即： 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)行結(jié)果 1）編程代碼 h1=tf(30,1 0); h2=tf(1,0.1 1); h3=tf(1,0.2 1); h4=tf(1 0.39,25.64 0.39) h=h1*h2*h3*h4; num,den=tfdata(h); mag,phase,w=bode(num,den); subplot(211); semilogx(w,20*log10(mag);grid subplot(212); semilogx(w

6、,phase);grid gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w)2） 運(yùn)行結(jié)果 相位裕度：pm = 52.1244；幅值穿越頻率：wcp = 1.1897校正后系統(tǒng)的bode圖（4）校正實(shí)現(xiàn)的電路圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （1)校正實(shí)現(xiàn)的電路圖 （2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1）校正前的單位階躍響應(yīng)： 在MATLAB中編寫如下程序： num=30; den=0.02,0.3,1,30; t=0:0.1:10; y,x,t=step(num,den,t); plot(t,y);grid; xlabel(Time sec t); ylabel(y); 校正前系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 2）校正后的單位階

7、躍響應(yīng)： 在MATLAB中編寫如下程序： num=30 11.7; den=0.5128,7.7,25.76,30.39,11.7; t=0:0.1:10; y,x,t=step(num,den,t); plot(t,y);grid; xlabel(Time sec t); ylabel(y); 校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)（5） 三種校正方法及裝置的比較：超前校正：因?yàn)樵到y(tǒng)不穩(wěn)定且開環(huán)相頻特性曲線在幅值穿越頻率附近有較大的負(fù)斜率,不宜采用相位超前校正;因?yàn)殡S著幅值穿越頻率的增加,原系統(tǒng)負(fù)相角增加的速度將超過超前校正裝置正相角增加的速度,超前網(wǎng)絡(luò)就起不到補(bǔ)償滯后相角的作用了。滯后校正:滯后校正裝

8、置具有低通濾波的特性，利用它的高頻衰減特性降低系統(tǒng)的幅值穿越頻率, 可以提高系統(tǒng)的相角裕度，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。滯后校正裝置還具有相位滯后的特性,它具有積分的特性，由于積分特性可以減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，因此滯后校正通常用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。此外，滯后校正裝置能夠在保持系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)不變的情況下，減小剪切頻率，從而增加了相角裕度，提高了系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性；在保持系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性不變的情況下，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；此題要求的穩(wěn)態(tài)性能較高，所以可以選用滯后校正。滯后超前校正：在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能都有待改善時(shí),單純采用超前或滯后校正往往難以奏效,在這種情況下采用滯后-超前校

9、正效果較好,利用校正裝置的滯后特性改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能提高系統(tǒng)精度,而利用它的超前作用來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能提高系統(tǒng)的相角裕度和響應(yīng)速度等。此題主要要求穩(wěn)態(tài)性能要好，因此用滯后裝置即可。四、總結(jié)通過本學(xué)期對(duì)自動(dòng)控制原理這門課程的學(xué)習(xí)，是我對(duì)自動(dòng)化專業(yè)有了更深的了解，同時(shí)極大的提高了我對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的興趣。課堂學(xué)習(xí)主要注重于理論知識(shí)，而我們要將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，在此階段，課程設(shè)計(jì)便是最好的選擇了，通過課程設(shè)計(jì)，我們可以溫習(xí)我們所學(xué)的理論知識(shí)，掌握自動(dòng)控制原理中各種校正裝置的作用及用法，學(xué)會(huì)根據(jù)不同的系統(tǒng)性能指標(biāo)要求進(jìn)行合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并調(diào)試滿足系統(tǒng)的指標(biāo)；對(duì)于串聯(lián)滯后校正，通過校正前后系統(tǒng)Bode圖的比較，我知道校正提高了系統(tǒng)相角裕度，降低了截止頻率，并且引入了開環(huán)零極點(diǎn)。此次課程設(shè)計(jì)讓我進(jìn)一步加深對(duì)MATLAB軟件的認(rèn)識(shí)和理解，學(xué)會(huì)了使用MATLAB語言來進(jìn)行基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，這讓我感覺到MATLAB這個(gè)軟件的優(yōu)越性，用它來解復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程式避免了傳統(tǒng)復(fù)雜的解答過程，這都給我們提供了極大的便捷。對(duì)于本次設(shè)計(jì)，我更加深入的了解了MATLAB中各種系統(tǒng)語言，學(xué)會(huì)了用