自動(dòng)原理課設(shè)

1、自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)專(zhuān) 業(yè)：自動(dòng)化設(shè)計(jì)題目:控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)班級(jí)0942學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：37指導(dǎo)教師：分院院長(zhǎng)：_教研室主任：電氣工程學(xué)院一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)1、設(shè)計(jì)內(nèi)容針對(duì)二階系統(tǒng)w （s） = K ，利用有源串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)（如圖所示） s （s + 1）W (s) = - K 以 Ts + 1 , cc Ts + 1其中K =c進(jìn)行系統(tǒng)校正。當(dāng)開(kāi)關(guān)S接通時(shí)為超前校正裝置，其傳遞函數(shù)a = 1 +23 1，R 4(R 2 + R 3)T = R4C，-”號(hào)表示反向輸入端。若Kc=1，且開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，該裝置相當(dāng) 于一個(gè)放大系數(shù)為1的放大器（對(duì)原系統(tǒng)沒(méi)有校正作用）。RcR2、設(shè)計(jì)要求1）引入該校正

2、裝置后，單位斜坡輸入信號(hào)作用時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差e（3） 0.1， 開(kāi)環(huán)截止頻率氣24.4弧度/秒，相位裕量佇45；2）根據(jù)性能指標(biāo)要求，確定串聯(lián)超前校正裝置傳遞函數(shù)；3）利用對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙手工繪制校正前、后及校正裝置對(duì)數(shù)頻率特性曲線(xiàn);4）設(shè)校正裝置R1=100K，R2=R3=50K，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定有源超前校正 網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)R4、C值；5）繪制引入校正裝置后系統(tǒng)電路圖（設(shè)給定的電阻和電容：R=100K，C=1rF、10rF 若干個(gè)）；6）利用Matlab仿真軟件輔助分析，繪制校正前、后及校正裝置對(duì)數(shù)頻 率特性曲線(xiàn)，并驗(yàn)算設(shè)計(jì)結(jié)果；7）在Matlab-Simulink下建立系統(tǒng)仿真模型，求校正前、后系統(tǒng)單位

3、階躍響應(yīng)特性，并進(jìn)行系統(tǒng)性能比較；8）利用自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱完成硬件設(shè)計(jì)過(guò)程，包括：搭建校正前后 系統(tǒng)電路、輸入階躍信號(hào)并通過(guò)示波器觀察校正前后系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線(xiàn)。課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求（1）設(shè)計(jì)報(bào)告包括內(nèi)容1）理論計(jì)算校正裝置的過(guò)程及手工繪制校正前、后對(duì)數(shù)頻率特性；2）繪制系統(tǒng)電路圖時(shí)各環(huán)節(jié)參數(shù)的計(jì)算過(guò)程（包括有源校正裝置R4和C 的計(jì)算過(guò)程）；3）利用Matlab仿真軟件輔助分析設(shè)計(jì)的程序及校正前、后對(duì)數(shù)頻率特性 曲線(xiàn)；4）利用Matlab-Simulink建立校正前、后系統(tǒng)仿真模型，求單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，并計(jì)算校正前后系統(tǒng)超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間，給出結(jié)論；5）硬件設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)結(jié)果，給出結(jié)論。（2）在設(shè)

4、計(jì)過(guò)程中遇到的軟、硬件問(wèn)題及解決的辦法（3）課程設(shè)計(jì)總結(jié)包括：本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中的收獲、體會(huì)，以及對(duì)該課程設(shè)計(jì)的意見(jiàn)、 建議等。（4）上交電子版設(shè)計(jì)報(bào)告（5）設(shè)計(jì)中參考文獻(xiàn)列表（6）報(bào)告使用B5紙打印目錄目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 緒論1 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求2 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 設(shè)計(jì)內(nèi)容2 HYPERLINK l bookmark71 o Current Doc

5、ument 設(shè)計(jì)要求2 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 理論分析設(shè)計(jì)4 HYPERLINK l bookmark87 o Current Document 確定原系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型4 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 繪制原系統(tǒng)對(duì)數(shù)頻率特性5 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 確定校正裝置傳遞函數(shù)Gc(s)5在同一坐標(biāo)系里繪制校正前、后、校正裝置對(duì)數(shù)頻率特性.7 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document M

6、atlab仿真設(shè)計(jì)9 HYPERLINK l bookmark118 o Current Document 繪制原系統(tǒng)對(duì)數(shù)頻率特性9 HYPERLINK l bookmark146 o Current Document 求校正裝置Gc(s)(即Gc)傳遞函數(shù)10 HYPERLINK l bookmark149 o Current Document 求校正后系統(tǒng)傳遞函數(shù)G (s)(即Ga)11 HYPERLINK l bookmark161 o Current Document 求校正后系統(tǒng)對(duì)數(shù)頻率特性11求校正后系統(tǒng)截止頻率wcp、相位裕量Pm、幅值裕量Gm12 HYPERLINK l boo

7、kmark185 o Current Document Simulink 仿真分析14 HYPERLINK l bookmark188 o Current Document 原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)14 HYPERLINK l bookmark192 o Current Document 校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)15 HYPERLINK l bookmark196 o Current Document 校正前、后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比較16 HYPERLINK l bookmark199 o Current Document 確定有源超前校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)R、C值18 HYPERLINK l bookmark2

8、03 o Current Document 硬件調(diào)試20 HYPERLINK l bookmark207 o Current Document 總結(jié)與展望22參考文獻(xiàn)24第一章緒論1.緒論科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得各種系統(tǒng)的建模與仿真變得日益復(fù)雜起來(lái)。如何 快速有效地構(gòu)建系統(tǒng)并進(jìn)行系統(tǒng)仿真，已經(jīng)成為各領(lǐng)域?qū)W者急需解決的核 心問(wèn)題。特別是近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字仿真技術(shù) 在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。而MATLAB作為當(dāng)前國(guó)際控制界最 流行的面向工程與科學(xué)計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言，它可輕易地再現(xiàn)C或FORTRAN語(yǔ) 言幾乎全部的功能，并設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大、界面優(yōu)美、穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量程 序來(lái)，而

9、且編程效率和計(jì)算效率極高。MATLAB是以復(fù)數(shù)矩陣作為基本編程單元的一種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，主 要適用于矩陣運(yùn)算及控制和信息處理領(lǐng)域的分析設(shè)計(jì)，它很容易由用戶(hù)自 行擴(kuò)展而且集科學(xué)與工程計(jì)算、圖形可視化、圖象處理、多媒體處理于一 身，并提供了實(shí)用的Windows圖形界面設(shè)計(jì)方法，使用戶(hù)能設(shè)計(jì)出友好的圖 形界面。SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展,它主要用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真。由 于其強(qiáng)大的仿真功能，目前MATLAB在自動(dòng)控制系統(tǒng)校正中的應(yīng)用發(fā)展的越 來(lái)越快。自動(dòng)控制技術(shù)中的校正部分的靈活性大，為了滿(mǎn)足同樣的性能指 標(biāo)，可以采取不同的校正方法。分別從建模、編程、結(jié)果分析及比較等方 面進(jìn)行了非常詳細(xì)

10、的分析。建立的傳遞函數(shù)和得到的校正結(jié)果和圖形都在 文章中得以體現(xiàn)。串聯(lián)超前校正就是利用超前校正網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行串聯(lián)校正。串聯(lián)超前校正就是利用超前 校正裝置的這一性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)校正，1即在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇校正裝置的參數(shù)a和T， 使校正裝置的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率aT和T落在原系統(tǒng)截止頻率兩旁，即使校正后系統(tǒng)穿越 頻率等于校正裝置的最大超前角頻率，這樣可提高原系統(tǒng)中頻段特性的高度，增大系 統(tǒng)的截止頻率，提高系統(tǒng)的相位裕度，從而達(dá)到改變系統(tǒng)暫態(tài)性能的目的。設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求設(shè)計(jì)內(nèi)容利用有源串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)(虛線(xiàn)框所示)進(jìn)行系統(tǒng)校正。開(kāi)關(guān)s斷開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)校正前情況，接通時(shí)對(duì)應(yīng)校正后情況。圖2-1原系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)要求開(kāi)關(guān)s閉合

11、引入校正網(wǎng)絡(luò)后，在單位斜坡輸入信號(hào)作用時(shí)，開(kāi)環(huán)截止頻率cN4.4孤度/秒，相位裕量yN45；根據(jù)性能指標(biāo)要求，確定串聯(lián)超前校正裝置傳遞函數(shù)；手工繪制校正前、后及校正裝置對(duì)數(shù)頻率特性曲線(xiàn)；利用Matlab仿真軟件輔助分析設(shè)計(jì)，并驗(yàn)算設(shè)計(jì)結(jié)果，繪制校正前、后及校正裝置對(duì)數(shù)頻率特性曲線(xiàn)；在Matlab-Simulink下建立系統(tǒng)仿真模型，求校正前、后系統(tǒng) 單位階躍響應(yīng)特性，并進(jìn)行系統(tǒng)性能比較；根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定有源超前網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)R、C值；設(shè)計(jì)完成后提交設(shè)計(jì)報(bào)告，內(nèi)容包括：理論計(jì)算設(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié) 果、仿真設(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié)果、確定校正裝置參數(shù)的過(guò)程，最后說(shuō) 明校正裝置的作用；理論分析設(shè)計(jì)確定原系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型當(dāng)開(kāi)

12、關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，求原模擬電路的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)個(gè)G(s)。圖中第一環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為：Ui (t) = 10 -6 dU (t)100000 dt10 Ui (t)=dU (t)dt拉氏變換得:10 R (s) = sC (s)C (s)10R (s) s第二環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為:Ur (t)- 10 - 5dU 0( t)U 0( t)100000 = dt100000u r (t)=-dU 0(t)dt-U 0( t)拉氏變換得：R (s) = 一 sC (s) 一 C (s)10G (s) = G 1( s) G 2( s)= - -(繪制原系統(tǒng)對(duì)數(shù)頻率特性確定原系統(tǒng)性能：3C、y(wc)w圖3-1原系統(tǒng)

13、對(duì)數(shù)頻率特性確定校正裝置傳遞函數(shù)Gc(s)驗(yàn)算設(shè)計(jì)結(jié)果令 A (w ) w = 1c c得原系統(tǒng)幅值穿越頻率wc = 31小于要求的截止頻率4.4 校正前系統(tǒng)相位裕量為：Y = 180 o + 9 (w )=180 o + (一 90 o 一 arctan w ,)=17.9o 1若校正后系統(tǒng)的截止頻率w； = 4.4，原系統(tǒng)在皿，處的對(duì)數(shù)幅值為 L(wc)，則：-L(w ) = 20 lg 10 - 20 lg 4.4 - 20 lg 4.4 牝 6dB即在w = 4.4處應(yīng)由校正裝置提供6dB的幅值。從而使校正后系統(tǒng)對(duì) 數(shù)幅頻特性L(fǎng)(w ) = 0 即-L(w ) = 10 lg a由此得

14、：L (W ) a = 1010解得：a 4由w =，得時(shí)間常數(shù)T為:1T = 0.114m超前校正裝置的傳遞函數(shù)為GaTs + 10.456 s + 1Ts + 10.114 s + 1驗(yàn)算系統(tǒng)校正后的相位裕量。校正后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:g =100.456 s +1s(s + 1) 0.114 s + 1相位裕量”為：Y = 180。+ 9 (w c)=180 + (arctan 0.456 x 4.4 一 90。一 arctan 4.4 一 arctan 0.114 x 4.4)=49.8。 45。而幅值裕量h = 3，系統(tǒng)性能完全得到滿(mǎn)足。在同一坐標(biāo)系里繪制校正前、后、校正裝置對(duì)數(shù)頻率特

15、性90-904020-180w圖3-2校正后對(duì)數(shù)頻率特性4. Matlab仿真設(shè)計(jì)完成以下任務(wù)：確定校正裝置；繪制校正前、后、校正裝置對(duì)數(shù)頻率特性；確定校正后性能指標(biāo)。從而達(dá)到利用Matlab輔助分析設(shè)計(jì)的目 的。利用Matlab進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)(校正)，就是借助MATLAB相關(guān)語(yǔ)句進(jìn)行 上述運(yùn)算，(1)(2)(3)例：已知單位反饋線(xiàn)性系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:10G (s)= s(s + 1)要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入信號(hào)作用時(shí)，開(kāi)環(huán)截止頻率wc，N4.4孤度/秒， 相位裕量y，N450，幅值裕量h10dB，利用Matlab進(jìn)行串聯(lián)超前校正。繪制原系統(tǒng)對(duì)數(shù)頻率特性并求原系統(tǒng)幅值穿越頻率wcp(wc)、相位

16、穿越頻率wcg、相位裕量Pm即y(wc)、幅值裕量Gmnum=10;den=1,1,0;%求原系統(tǒng)傳遞函數(shù)%繪制原系統(tǒng)對(duì)數(shù)頻率特性%求原系統(tǒng)相位裕度、幅值裕度、G=tf(num,den);bode(G);margin(G);截止頻率Gm,Pm,wcg,wcp=margin(G);%繪制網(wǎng)格線(xiàn)grid;原系統(tǒng)伯德圖如圖1所示，其截止頻率、相位裕量、幅值裕量從圖中 可見(jiàn)。另外，在MATLAB Workspace下，也可得到此值。由于截止頻率和 相位裕量都小于要求值，故采用串聯(lián)超前校正較為合適。然后進(jìn)行仿真，如圖所示:100rad/sec)Bode Diagram l/sec) 一 Fm = 18

17、deg-180 10-210-1100101Frequency (rad/sec)o OO 9-53kDO(auinaM .resanp102圖4-1校正前系統(tǒng)伯德圖4.2.求校正裝置Gc(s)(即Gc)傳遞函數(shù)L=20*log10(10/(4.4*sqrt(4.4人2+1);值La=10A(-L/10);wc=4.4;T=1/(wc*sqrt(a);numc=a*T,1;denc=T,1;Gc=tf(numc,denc);%求原系統(tǒng)在w=4.4處的對(duì)數(shù)幅%求校正裝置參數(shù)a%求校正裝置參數(shù)T%求校正裝置傳遞函數(shù)Gc150403020100100101102Frequency (rad/sec)

18、05 kDO(aurLnas10-1103w=logspace(-1,2);bode(Ga);性hold on;繪制其他特性bode(G:,w);hold on;圖4-2校正系統(tǒng)伯德圖4.3.求校正后系統(tǒng)傳遞函數(shù)G (s)(即Ga )numa=conv(num,numc);dena=conv(den,denc);Ga=tf(numa,dena);%求校正后系統(tǒng)傳遞函數(shù)Ga求校正后系統(tǒng)對(duì)數(shù)頻率特性并與原系統(tǒng)及校正裝置頻率特性進(jìn)行比較。%在對(duì)數(shù)空間定義角頻率范圍%繪制校正后系統(tǒng)對(duì)數(shù)頻率特%保留曲線(xiàn)，以便同一坐標(biāo)系內(nèi)%繪制原系統(tǒng)對(duì)數(shù)頻率特性%保留曲線(xiàn)，以便同一坐標(biāo)系內(nèi)繪制其他特性bode(Gc,-.

19、 )繪制校正裝置對(duì)數(shù)頻率特性grid;%繪制網(wǎng)格線(xiàn)校正前后伯德圖如圖2所示，校正裝置參數(shù)a=3.9417, T=0.11447, 校0.45122 s + 1正裝置傳遞函數(shù)為G c(S) 一 0.11447 s + 1。之后進(jìn)行仿真：-45-900kDO(auinaM-135-18010-210-1100101102Frequency (rad/sec)10305104圖4-3校正前、后、校正裝置伯德圖求校正后系統(tǒng)截止頻率wcp、相位裕量Pm、幅值裕量Gmbode(Ga);margin(Ga);Gm,Pm,wcg,wcp=margin(Ga);grid;校正后系統(tǒng)伯德圖如圖所示，從圖中可見(jiàn)其截

20、止頻率、相位裕量、幅值裕量，校正后各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到要求。結(jié)果進(jìn)行仿真：102103io0io1Frequency (rad/sec)圖4-4校正后系統(tǒng)伯德圖5. Simulink仿真分析線(xiàn)性控制系統(tǒng)校正過(guò)程不僅可以利用Matlab語(yǔ)句編程實(shí)現(xiàn)，而且也可 以利用Matlab-Simulink工具箱構(gòu)建仿真模型，分析系統(tǒng)校正前、后單位階 躍響應(yīng)特性。原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)原系統(tǒng)仿真模型如圖5-1所示：圖5-1原系統(tǒng)仿真模型系統(tǒng)運(yùn)行后，其輸出階躍響應(yīng)如圖5-2所示:圖5-2原系統(tǒng)階躍向應(yīng)曲線(xiàn)校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)校正后系統(tǒng)仿真模型如圖5-3所示：圖5-3校正后系統(tǒng)仿真模型 系統(tǒng)運(yùn)行后，其輸出階躍響應(yīng)如

21、圖5-4所示：圖5-4校正后系統(tǒng)階躍向應(yīng)曲線(xiàn)5.3.校正前、后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比較仿真模型如圖5-5所示:圖5-5校正前、后系統(tǒng)仿真模型系統(tǒng)運(yùn)行后，其輸出階躍響應(yīng)如圖5-6所示：1.61.41.210.80.60.40.20012345678910圖5-6校正前、后系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)確定有源超前校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)R、C值有源超前校正裝置如圖6-1所示:R圖6-1有源超前校正網(wǎng)絡(luò)R當(dāng)放大器的放大倍數(shù)很大時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為:a Ts + 1 G (s) = - Kc Ts + 1其中,3 1R 4( R 2 + R 3)T = R 4C10:= 1A( )=c 牘cA2 + 1 ”2( ”2 + 1)

22、= 100”4 + ”2 - 100 = 0 TOC o 1-5 h z 1 土 v1 + 40019c人2 =22V38 c = 3.082Y = 180。+ /中(co)= 180。 90。 arctan 3.08 = 18。L (4.4 )= 20 12.87 13.08 = 5.95 c = 4.4L (OC，) a = 10= 10 0.595 = 3.94111=0.115varam3.94 * 4.48.73Ta T = 0.453Gc (s) = G (s) - Gc (s)=100.453 S + 1-s(s + 1) 0,115 S + 150 - 501 += 3.94R

23、 -10025R = = 8.5 k Q2.94T _ 0.115R 8.5=13.5 口 F從而得出R、C的值。硬件調(diào)試根據(jù)要求和所求得的值進(jìn)行硬件連接和調(diào)試;矯正后波形：圖7-2矯正后波形總結(jié)與展望控制系統(tǒng)的校正是自動(dòng)控制原理研究的兩個(gè)問(wèn)題之一，是控制理論研 究的目的。串聯(lián)校正是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的常用的方法，它們都是根據(jù)系統(tǒng)提出的 穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)域和動(dòng)態(tài)時(shí)域性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)一校正裝置，串在前向通 道中，達(dá)到改善原有系統(tǒng)性能的目的。其校正的實(shí)質(zhì)是通過(guò)適當(dāng)選擇校正 裝置，改變?cè)瓉?lái)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性形狀，校正后系統(tǒng)頻率特 性為校正前頻率特性和校正裝置頻率特性的疊加。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，讓我更加的認(rèn)識(shí)到這個(gè)學(xué)科的知識(shí)。讓我 可以通過(guò)自己的學(xué)習(xí)，去解決實(shí)際問(wèn)題，讓我了解了我的專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)， 通過(guò)自己的努力學(xué)習(xí)的解決問(wèn)題很有成就感。今后我會(huì)更加認(rèn)識(shí)到這個(gè)專(zhuān) 業(yè)的學(xué)習(xí)方式與方法。通過(guò)這次的學(xué)習(xí)要看到了自己身上的不足，知道了掌握知識(shí)不能靠記 憶，紙上談兵是不可取的。在今后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，我要嚴(yán)格要求自己不讓 自己有松