自動控制課程設(shè)計-- 自動控制系統(tǒng)的校正

1、<p><b>　　《自動控制原理》</b></p><p>　　課 程 設(shè) 計 報 告</p><p>　　題 目： 自動控制系統(tǒng)的校正 </p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　班 級：

2、 14級自動化（專升本） </p><p><b>　　電氣工程學(xué)院</b></p><p>　　2015 年 6月10 日</p><p>　　課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書3</p><p>　?。ㄒ唬┰O(shè)計的目的3</p><p><b>　?。ǘ?/p>

3、）設(shè)計任務(wù)3</b></p><p>　?。ㄈ┰O(shè)計具體要求3</p><p><b>　　報告正文：4</b></p><p><b>　　摘要4</b></p><p>　?。ㄋ模┪葱Ｕ南到y(tǒng)分析4</p><p>　　（五）系統(tǒng)校正設(shè)計7<

4、/p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】13</b></p><p><b>　　【附錄】14</b></p><p>　　課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書</p><p><b>　?。ㄒ唬┰O(shè)計的目的</b></p><p>　　1．理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)對自動控

5、制理論的理解。增強(qiáng)分析問題、解決問題的能力。 </p><p>　　2．熟悉MATLAB軟件，掌握它在控制系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中的應(yīng)用，能熟練進(jìn)行系統(tǒng)建 模、性能分析、模型仿真等操作。 </p><p>　　3．用單片機(jī)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)PID的控制算法，了解控制算法的具體實(shí)現(xiàn)及單片 機(jī)軟件仿真過程。 </p><p>　　4．開發(fā)創(chuàng)新意識，增進(jìn)對科學(xué)技術(shù)的興趣。</p

6、><p>　　5．培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。 </p><p><b>　　（二）設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)試用頻率法設(shè)計串聯(lián)超前校正裝置，使系統(tǒng)的相角裕量，在單位斜坡輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差，截止頻率不低于。</p><p><b>　?。ㄈ┰O(shè)計具體要

7、求</b></p><p>　　1． 能用MATLAB解復(fù)雜的自動控制理論題目。</p><p>　　2． 能用MATLAB設(shè)計控制系統(tǒng)以滿足具體的性能指標(biāo)。</p><p>　　3． 能靈活應(yīng)用MATLAB分析系統(tǒng)的性能。</p><p><b>　　報告正文：</b></p><p&g

8、t;<b>　　摘要 </b></p><p>　　根據(jù)被控對象及給定的技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計自動控制系統(tǒng)，既要保證所設(shè)計的系統(tǒng)有良好的性能，滿足給定技術(shù)指標(biāo)的要求，還要考慮方案的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。由系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖建立數(shù)學(xué)模型，通過對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的分析，其均不滿足給定技術(shù)指標(biāo)，主要采用了串聯(lián)滯后校正。 在對系統(tǒng)進(jìn)行校正時，采用了基于根軌跡的串聯(lián)滯后校正，對系統(tǒng)校正前后的性能進(jìn)行了分析和比較

9、，并visio軟件繪制系統(tǒng)物理模擬圖和結(jié)構(gòu)框圖，以及用MATLAB軟件進(jìn)行仿真和計算。確定了校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，根據(jù)所確定的傳遞函數(shù)，計算物理模擬圖的參數(shù)，最后確定了系統(tǒng)的物理模擬圖。</p><p>　?。ㄋ模┪葱Ｕ南到y(tǒng)分析</p><p>　　1．利用Simulink進(jìn)行仿真：</p><p>　　在輸入端施加斜坡信號，通過Scope檢測未加校正環(huán)節(jié)系統(tǒng)的階躍

10、響應(yīng)曲線</p><p>　　圖1 原系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的系統(tǒng)模型</p><p>　　2． 利用Matalab畫出校正前系統(tǒng)的伯德圖：</p><p>　　根據(jù)取定的K值，利用MATLAB畫出未校正系統(tǒng)的開環(huán)漸進(jìn)對數(shù)幅頻特性和相頻特性曲線。（如下Bode圖） </p><p><b>　　源代碼: </b>

11、</p><p>　　G=tf([15],[1 1 0])</p><p><b>　　figure(1)</b></p><p><b>　　margin(G)</b></p><p>　　圖2 校正前系統(tǒng)的伯德圖</p><p>　　運(yùn)行結(jié)果：相角裕量 Pm =14.

12、7 deg 截止頻率 Wcp = 3.81 rad/sec</p><p>　　3．單位階躍響應(yīng)分析 </p><p>　　在MATLAB中編寫如下程序:</p><p>　　num=[15];den=[1 1 15];</p><p>　　sys=tf(num,den);</p><p>　　t=0:0.01:3

13、</p><p><b>　　u=t</b></p><p>　　lsim(sys,u,t,0);grid</p><p>　　圖3 系統(tǒng)單位斜波響應(yīng)</p><p>　　波得圖上量取原系統(tǒng)的相角和幅值裕量，并找出符合相角裕量要求的相應(yīng)頻率作為wc</p><p>　　從圖2可看出，未校正系統(tǒng)

14、的增益交界頻率wc≈3.81rad/s，其相角裕度γ≈, 顯然，未校正系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。</p><p><b>　　（五）系統(tǒng)校正設(shè)計</b></p><p>　　1． 利用Simulink進(jìn)行仿真：</p><p>　　在輸入端施加斜坡信號，通過Scope檢測未加校正環(huán)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線；通過Scope1來檢測加入校正環(huán)節(jié)后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲

15、線 </p><p>　　圖4 校正系統(tǒng)與原系統(tǒng)模型的比較 </p><p><b>　?、僭O(shè)計思路</b></p><p>　　?根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的值，確定開環(huán)增益K。</p><p>　　?利用已確定的開環(huán)增益K，確定校正前系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，畫出其bode圖，從圖上看出校正前系統(tǒng)的相位裕度和剪切頻率

16、。</p><p>　　?根據(jù)相位裕度的要求，計算出滯后校正裝置的參數(shù)a和T。即得校正裝置的傳遞函數(shù)，然后得到校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。</p><p>　　?驗(yàn)證已校正系統(tǒng)的相位裕度和剪切頻率。</p><p><b>　　②設(shè)計步驟</b></p><p><b>　　1）手工計算：</b>&l

17、t;/p><p>　　由在單位斜坡輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差為＜ rad，所以有</p><p>　　=＜ ，k＞15，所以此次取定k=15。計算原系統(tǒng)的相角裕度和截止頻率：由A（w）=，可得：=；由，當(dāng)=時；</p><p>　　=。由于截止頻率和相角裕度均低于指標(biāo)要求，故采用串聯(lián)超前校正正是合適。</p><p>　　下面計算超前網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。試選，&l

18、t;/p><p>　　得a=14.3125 </p><p><b>　　得T=0.0352</b></p><p>　　因此，超前網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為</p><p>　　超前網(wǎng)絡(luò)參數(shù)確定后，已校正系統(tǒng)的開環(huán)傳函為</p><p>　　2）利用Matlab畫出校正裝置的Bode圖</p>&

19、lt;p><b>　　源代碼：</b></p><p><b>　　K=15</b></p><p>　　G0=zpk([],[0 -1],K)</p><p>　　[h0,r,wx,wc]=margin(G0)</p><p><b>　　wm=7.5</b></

20、p><p>　　L=bode(G0,wm)</p><p>　　Lwc=20*log10(L)</p><p>　　a=10^(-0.1*Lwc)</p><p>　　T=1/(wm*sqrt(a))</p><p>　　phi=asin((a-1)/(a+1))</p><p>　　Gc=(1/a

21、)*tf([a*T 1],[T 1])</p><p><b>　　Gc=a*Gc</b></p><p><b>　　G=Gc*G0</b></p><p>　　bode(G,'r',G0,'b--');grid</p><p>　　[h,r,wx,wc]=marg

22、in(G)</p><p>　　圖5 校正前后和校正裝置bode圖 </p><p>　　圖5中虛線部分為系統(tǒng)校正前的對數(shù)幅頻特性曲線，實(shí)線部分為系統(tǒng)校正后的對數(shù)幅頻特性曲線。由圖得，校正后系統(tǒng)截止頻率=7.86，。滿足設(shè)計指標(biāo)要求。</p><p><b>　　評語表</b></p><p><b&g

23、t;　　【參考文獻(xiàn)】</b></p><p>　　胡壽松 自動控制原理（第六版） 科學(xué)出版社 2013年 </p><p>　　何衍慶. MATLAB語言的運(yùn)用. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003年</p><p>　　張德豐.MATLAB自動控制系統(tǒng)設(shè)計. 機(jī)械工業(yè)出版社，2010年1月第1版</p><p>　　楊庚辰.自動控制

24、原理.西安電子科技大學(xué)出版社.1994.4</p><p>　　吳麒.自動控制原理.北京:清華大學(xué)出版社，1990年</p><p><b>　　【附錄】：</b></p><p><b>　　源代碼: </b></p><p>　　G=tf([15],[1 1 0])</p><

25、;p><b>　　figure(1)</b></p><p><b>　　margin(G)</b></p><p>　　在MATLAB中編寫如下程序:</p><p>　　num=[15];den=[1 1 15];</p><p>　　sys=tf(num,den);</p>

26、<p>　　t=0:0.01:3</p><p><b>　　u=t</b></p><p>　　lsim(sys,u,t,0);grid</p><p><b>　　源代碼：</b></p><p><b>　　K=15</b></p><p&

27、gt;　　G0=zpk([],[0 -1],K)</p><p>　　[h0,r,wx,wc]=margin(G0)</p><p><b>　　wm=7.5</b></p><p>　　L=bode(G0,wm)</p><p>　　Lwc=20*log10(L)</p><p>　　a=10^

28、(-0.1*Lwc)</p><p>　　T=1/(wm*sqrt(a))</p><p>　　phi=asin((a-1)/(a+1))</p><p>　　Gc=(1/a)*tf([a*T 1],[T 1])</p><p><b>　　Gc=a*Gc</b></p><p><b>