自動(dòng)操縱原理課程設(shè)計(jì)三階系統(tǒng)分析與校正

1、課程實(shí)習(xí)報(bào)告課程名稱：自動(dòng)控制原理及專業(yè)軟件課程實(shí)習(xí)題目名稱：三階系統(tǒng)分析與校正年級(jí)專業(yè)及班級(jí)：建電1001姓名：業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) *學(xué)號(hào)：業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) *指導(dǎo)教師：業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) *評(píng)定成績：教師評(píng)語：指導(dǎo)教師簽名:揚(yáng)州大學(xué)自控原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)自動(dòng)操縱原理課程設(shè)計(jì)是綜合性與實(shí)踐性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)。本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是使 學(xué)生初步把握操縱系統(tǒng)數(shù)字仿真的大體方式，同時(shí)學(xué)會(huì)利用MATLAB語言進(jìn)行操縱方 針和輔助設(shè)計(jì)的大體技術(shù)。2課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)課題題目：三階系統(tǒng)的校正與分析設(shè)單位負(fù)反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G（s）=K/S（S+1）（S+5），設(shè)計(jì)校正裝置，使

2、系統(tǒng)在 階躍輸入下的超調(diào)量小于等于30%，調(diào)劑時(shí)刻小于等于5s，而單位斜坡輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤 差小于等于15%。要求：（1）確信采納何種校正裝置。仿真校正前系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性圖和系統(tǒng) 的根軌跡圖。（2）將校正前性能指標(biāo)與期望指標(biāo)進(jìn)行比較，確信串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)Gc（s）的傳遞函數(shù)， 仿真出校正網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)頻率特性曲線圖。仿真校正后豬呢哥哥系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 圖和根軌跡仿真圖。（3）當(dāng)輸入r（t）=1時(shí)，仿真出校正前系統(tǒng)的的單位階躍響應(yīng)曲線h（t）。分析校正前 后的單位階躍響應(yīng)曲線，得出結(jié)果分析結(jié)論。3課程設(shè)計(jì)的大體要求（1）學(xué)習(xí)把握MATLAB語言的大體命令，大體操作和程序設(shè)計(jì)；把握MATLAB語

3、言 在自動(dòng)操縱原理中的應(yīng)用；把握SIMULINK的大體操作，利用其工具成立系統(tǒng)模型進(jìn) 行仿真。（2）應(yīng)用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行操縱系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)。通過成立數(shù)學(xué)模型，在 MATLAB環(huán)境下對(duì)模型進(jìn)行仿真，使理論與實(shí)際取得最優(yōu)結(jié)合。（3）撰寫自控原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告。目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 前言3 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 未校正系統(tǒng)分析4 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 復(fù)域分析4 HY

4、PERLINK l bookmark40 o Current Document 時(shí)域分析5 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 頻域分析6 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 用SIMULINK進(jìn)行仿真8 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 選定適合的校正方案9 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 分析確信校正裝9 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 設(shè)計(jì)串

5、聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)的步驟9 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 參數(shù)計(jì)算9 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 校正系統(tǒng)伯德圖10校正后系統(tǒng)分析11 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 復(fù)域分析11時(shí)域分析12頻域分析13 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 用SIMULINK進(jìn)行仿真14 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 校正后的實(shí)驗(yàn)電路圖15致謝16 HY

6、PERLINK l bookmark86 o Current Document 參考文獻(xiàn)171.前言所謂自動(dòng)操縱，是指沒有人直接參與的情形下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱操縱裝 置或操縱器），使機(jī)械、設(shè)備或生產(chǎn)進(jìn)程（統(tǒng)稱被控量）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被 控量）自動(dòng)地依照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)操縱系統(tǒng)的大體要求能夠歸結(jié)為穩(wěn)固性（長期穩(wěn)固性）、準(zhǔn)確性（精度）和快 速性（動(dòng)態(tài)進(jìn)程響應(yīng)的快速性與相對(duì)穩(wěn)固性）。自動(dòng)操縱技術(shù)已普遍應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航空及航天等眾多產(chǎn)業(yè)部門，極 大的提高了社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了人們的勞動(dòng)條件，豐碩和提高了人民的生活水平。 在今天的社會(huì)生活中，自動(dòng)扮裝置無所不在，為人類文

7、明進(jìn)步做出了重要奉獻(xiàn)。以反饋操縱原理為基礎(chǔ)的自動(dòng)操縱理論已形成比較完整的體系。其特點(diǎn)相對(duì)言，生 產(chǎn)技術(shù)水平較低，操縱對(duì)象結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，被控參數(shù)較單一，要求達(dá)到的預(yù)期成效（性能 指標(biāo)）也不高。反饋操縱系統(tǒng)不限于工程范圍，在各類非工程范圍內(nèi)，諸如經(jīng)濟(jì)學(xué)和生 物學(xué)中，也存在著反饋操縱系統(tǒng)。本課程設(shè)計(jì)討論如何依照被控對(duì)象及給定的技術(shù)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)自動(dòng)操縱系統(tǒng)。在 工程實(shí)踐中，由于操縱系統(tǒng)的性能指標(biāo)不能知足要求，需要在系統(tǒng)中加入一些適當(dāng)?shù)脑?件或裝置去補(bǔ)償和提高系統(tǒng)的性能，以知足性能指標(biāo)的要求。這一進(jìn)程咱們稱為校正。 目前工程實(shí)踐中經(jīng)常使用的校正方式有串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合校正三種。操縱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)

8、態(tài)性能的分析能夠運(yùn)歷時(shí)域分析法、根軌跡法和頻域法； 若是系統(tǒng)系統(tǒng)模型是狀態(tài)空間模型，能夠運(yùn)用狀態(tài)空間分析與設(shè)計(jì)方式。系統(tǒng)的時(shí)域響 應(yīng)可定性或定量分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；根軌跡法是利用圖解法求系統(tǒng)的根軌跡并用于系 統(tǒng)的分析與綜合；操縱系統(tǒng)中的信號(hào)可由不同頻率正弦信號(hào)來合成。而操縱系統(tǒng)中的頻 率特性反映了正弦信號(hào)作用下系統(tǒng)響應(yīng)的性能。應(yīng)用頻率特性研究線性系統(tǒng)的經(jīng)典方式 稱為頻率分析法。通過度析確信系統(tǒng)是不是穩(wěn)固并制定適合的校正方案。未校正系統(tǒng)分析復(fù)域分析由穩(wěn)態(tài)誤差小于等于即1/k= 因此選擇k=40繪畫根軌跡，分析未校正系統(tǒng)隨著根軌跡增益轉(zhuǎn)變的性能（穩(wěn)固性、快速性）。（1）繪畫根軌跡未校正系統(tǒng)根軌跡圖

9、（K=40）：num=8;den=conv（1 0,conv（1 1, 1）;G=tf （num,den）;rlocus（G）;title（未校正系統(tǒng)的根軌跡圖）xlabel（實(shí)軸 x）ylabel（虛軸 j）圖1未校正系統(tǒng)的根軌跡圖（2）依照根軌跡分析未校正系統(tǒng)穩(wěn)固性和快速性系統(tǒng)穩(wěn)固性分析人3+2+s+分析：閉環(huán)傳遞函數(shù)的特點(diǎn)方程：D (s)事3+人2+s+列出勞斯表：由勞斯穩(wěn)固判據(jù)有：0且， 即0k30，因此系統(tǒng)不穩(wěn)固系統(tǒng)快速性分析系統(tǒng)的快速性要好，那么閉環(huán)極點(diǎn)均應(yīng)遠(yuǎn)離虛軸y，以便使階躍響應(yīng)中的每一個(gè)分量 都衰減得更快。由圖1可知，當(dāng)系統(tǒng)根軌跡在s左半平面時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)距，平面上虛軸 越近，

10、阻尼角增加，E變小，振蕩程度加重，超調(diào)量變大，假設(shè)特點(diǎn)根進(jìn)一步靠近虛軸， 衰減振蕩進(jìn)程變得很緩慢，系統(tǒng)的快速性減小。時(shí)域分析num=8;den=conv(1 0,conv(1 1, 1);G=tf (num,den);g=feedback(G,1);step(g)xlabel(t);ylabel(Y(t);title(校正前系統(tǒng)階躍響應(yīng))grid on-1E校正前系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖2-1E校正前系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖2未校正系統(tǒng)的階躍響應(yīng)由圖2可知，系統(tǒng)在單位階躍輸入下，振蕩程度加重，超調(diào)量變大，系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)性能不佳，不穩(wěn)固。頻域分析num=8;den=conv(1 0,conv(1 1, 1);G=tf

11、 (num,den);bode(G)xlabel(w);title(校正前系統(tǒng)伯德圖)grid on校正前系統(tǒng)伯話圖I21LI-1010w (rad/sec)I21LI-1010w (rad/sec)圖3圖3未校正系統(tǒng)的伯德圖num=8;den=conv(1 0,conv(1 1, 1);G=tf (num,den);margin(G)Bode DiagramGrn = -2.5 dB at 2.24 rad/sec)i 5 Pm = -6.2 deg (at Z.57 rad/sec1 VOFrequency (radfsec)Frequency (radfsec)校正前系統(tǒng)參數(shù)：由圖4得校

12、正前系統(tǒng)的幅值裕度gm=、相位裕度pm 二、穿越頻率wg=，截止頻率wp=用SIMULINK進(jìn)行仿真系統(tǒng)框圖系統(tǒng)仿真圖系統(tǒng)仿真圖圖5未校正系統(tǒng)的SIMULINK仿真圖由圖5知系統(tǒng)不穩(wěn)固系統(tǒng)在單位階躍輸入下，開始時(shí)振蕩比較大，超調(diào)量也比較大， 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不佳。選定適合的校正方案分析確信校正裝置系統(tǒng)的快速性要好，那么閉環(huán)極點(diǎn)均應(yīng)遠(yuǎn)離虛軸y,以便使階躍響應(yīng)中的每一個(gè)分量 都衰減得更快。由系統(tǒng)的根軌跡圖可知，當(dāng)系統(tǒng)根軌跡在s左半平面時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)距s 平面上虛軸越近，阻尼角增加，g變小，振蕩程度加重，超調(diào)量變大，假設(shè)特點(diǎn)根進(jìn)一 步靠近虛軸，衰減振蕩進(jìn)程變得很緩慢，系統(tǒng)的快速性減小。故用串聯(lián)超前校正。

13、設(shè)計(jì)串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)的步驟（1）依照穩(wěn)態(tài)誤差要求，確信開環(huán)增益K=100；（2）利用已確信的開環(huán)增益，繪制未校正系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性，確信截止頻率wc、 相角裕度r和幅值裕度h；（3） 選擇不同的wc”，計(jì)算或查出不同的r，在伯德圖上繪制r（wc”）曲線；（4）依照相角裕度r”要求，選擇己校正系統(tǒng)的截止頻率wc”；考慮滯后網(wǎng)絡(luò)在wc” 處會(huì)產(chǎn)生必然的相角滯后Wc（wc”），因此r”=r（wc”）+Wc（wc”）；（5）確信滯后網(wǎng)絡(luò)參數(shù)a和T： 10lga+L（wc”）=0； o =-L-m aT（6）校驗(yàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。參數(shù)計(jì)算（1）因?yàn)轭}目要求在單位斜坡輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差為ess V因此有 es

14、s=lim 1 / sG0（s）=1/kV，k，因此這次取定 K=40。（2）由圖4得校正前系統(tǒng)的幅值裕度gm=、相位裕度pm =、穿越頻率wg=，截止頻率wp=（3）確信超前校正裝置的傳遞函數(shù)Gc=（1+aTs）/（1+Ts）由計(jì)算得wc=，取 wc=，由波德圖讀出對(duì)應(yīng)的相位欲度為，計(jì)算得a=，丁=故Gc=（1+/（1+校正系統(tǒng)伯德圖z=；P=；k=1;sys=zpk(z,p,k);g=feedback(sys,1);bode(g)xlabel(w);title(校正系統(tǒng)伯德圖)grid onmp) wpacffsnWPJ校正系統(tǒng)伯德圖10w (radfsec)W2圖6校正系統(tǒng)的伯德圖4.校

15、正后系統(tǒng)分析復(fù)域分析z=;p=0 -1 -5 ;k=40;g=zpk（z,p,k）;rlocus（g）;title（校正后系統(tǒng)的根軌跡圖）xlabel（實(shí)軸 x）ylabel（虛軸 j）校正后系統(tǒng)的根軌跡圖實(shí)軸*圖7校正后系統(tǒng)根軌跡圖由圖7知系統(tǒng)的閉環(huán)特點(diǎn)根均在S平面左半平面，系統(tǒng)始終穩(wěn)固。z=;p=0 -1 -5 ;k=40;sys=zpk(z,p,k);g=feedback(sys,1);step(g)xlabel(t);ylabel(Y(t);title(校正后系統(tǒng)階躍響應(yīng))y,x=step(g);max(y)ans =圖8校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)由圖8知現(xiàn)在超調(diào)量小于等于30%和調(diào)劑時(shí)

16、刻小于等于5s均知足要求。頻域分析num=,40;den=conv(,1,conv(1,0,conv(1,1,1,5);sys=tf(num,den);bode(sys)xlabel(w);title(校正后系統(tǒng)伯德圖)grid on校正后系統(tǒng)伯德圖msoiuMWW10w (rad/sec)msoiuMWW10w (rad/sec)圖9校正后系統(tǒng)伯德圖num=,40;den=conv(,1,conv(1,0,conv(1,1,1,5);sys=tf(num,den);margin(sys)mp) WPBC.ES(昌)供籍 IIBode DiagramGm = 5j66 dB (at 5.04

17、rad/sec：) , Pm = 16.6 deg (at 3.51 rad/sec 100Frequency rad/sec圖10校正后系統(tǒng)margin圖校正后系統(tǒng)參數(shù)：得校正前系統(tǒng)的幅值裕度gm=、相位裕度pm 二、穿越頻率wg=，截止頻率wp=和之前 所取的截止頻率大體相同，因此校正正確。用SIMULINK進(jìn)行仿真系統(tǒng)框圖系統(tǒng)仿真圖圖11校正后系統(tǒng)SIMULINK仿真圖校正后的實(shí)驗(yàn)電路圖輸入輸出5.致謝每一個(gè)課程設(shè)計(jì)都是一個(gè)挑戰(zhàn)！第一要由衷感激咱們的指導(dǎo)教師李喆教師，你指導(dǎo) 了我順利的獨(dú)立地完成了這一次的課程設(shè)計(jì)。期間，讓我學(xué)到了許多在實(shí)踐中需注意的 問題。包括如何依照課題制定方案，如何

18、試探問題，然后如何去搜集整理資料，以后如 何組織材料撰寫論文等等，這為咱們即將面臨的畢業(yè)設(shè)計(jì)等各類課題的設(shè)計(jì)打下了必然 的基礎(chǔ)。乃至在以后的工作和學(xué)習(xí)生活中也會(huì)受益。盡管我學(xué)了 MATLAB，很多講義上也有提到過MATLAB，可是我仍是不怎么熟練， 通過這次自動(dòng)操縱原理課設(shè)讓我更好地學(xué)會(huì)了如何去利用那個(gè)軟件。自動(dòng)操縱原理的知 識(shí)在課堂上把握的也不是很好，因此這次課程設(shè)計(jì)關(guān)于我來講真是難度不小啊。在很多 人眼中為期一周的課程設(shè)計(jì)或許是一種煎熬，這是能夠明白得的，在這一周當(dāng)中，咱們 不僅要完成那個(gè)課程設(shè)計(jì)，而且還要學(xué)習(xí)其他專業(yè)課。關(guān)于MATLAB的學(xué)習(xí)，咱們先從以前教材中翻看相關(guān)的內(nèi)容，因?yàn)檫@些書上講的 比較精簡(jiǎn)易懂，看完以后便對(duì)MATLAB有了更深地了解和知道了一些簡(jiǎn)單編程，接下 來我再去圖書館借相關(guān)的書籍進(jìn)行借鑒和參考，當(dāng)要用什么功能時(shí)，就在書上翻看相應(yīng) 部份的內(nèi)容，如此MATLAB就應(yīng)用起來了。關(guān)于自動(dòng)操縱原理的相關(guān)知識(shí)，我從頭翻看好幾遍教材，專門是第六章作了詳細(xì)地 了解，對(duì)校正有了較好的熟悉以后才開始進(jìn)行單位負(fù)反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)。校正設(shè)計(jì)時(shí)候，在 試取值時(shí)需要對(duì)校正原理有較好的明白得才能掏出適合的參數(shù)，期間我也不是一次就成 功，選了幾回才選出比較適合的參數(shù)。這種不斷嘗試的經(jīng)歷讓咱