自控課程設(shè)計--自動控制原理課程設(shè)計

1、<p><b>　　信息科學與工程學院</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告書</b></p><p>　　課程名稱： 自動控制原理課程設(shè)計 </p><p>　　班 級： 自動化2009級1班 </p><p><b>　　課程設(shè)計題目：</b

2、></p><p>　　已知單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：，用Bode圖設(shè)計方法對系統(tǒng)進行串聯(lián)校正設(shè)計。</p><p><b>　　設(shè)計要求：</b></p><p>　　用Bode圖設(shè)計方法對系統(tǒng)進行串連校正設(shè)計，使系統(tǒng)滿足動態(tài)及靜態(tài)性指標：</p><p>　?。?）校正后，系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)；<

3、/p><p>　?。?）校正后，系統(tǒng)的相角裕度；</p><p>　　（3）校正后，系統(tǒng)的截止頻率。</p><p><b>　　報告要求：</b></p><p>　　課程設(shè)計任務(wù)完成后，每位同學必須獨立書寫一份課程設(shè)計報告，注意：不得抄襲他人的報告（或給他人抄襲），一旦發(fā)現(xiàn)，成績?yōu)榱惴?。課程設(shè)計報告的內(nèi)容應(yīng)包括以下四個部

4、分：</p><p>　?。?）設(shè)計要求分析，確定串聯(lián)校正的設(shè)計思路（滯后校正，超前校正或滯后-超前校正）；</p><p>　?。?）詳細設(shè)計（包括的圖形有：串聯(lián)校正結(jié)構(gòu)圖，校正前系統(tǒng)的波德圖，校正裝置的波德圖，校正后系統(tǒng)的波德圖，校正實現(xiàn)的電路圖）；</p><p>　?。?）MATLAB編程代碼及運行結(jié)果（包括圖形及運算結(jié)果）；</p><

5、p>　?。?）總結(jié)。包括課程設(shè)計過程中的學習體會與收獲、對本次課程設(shè)計的認識等內(nèi)容。</p><p><b>　　設(shè)計分析：</b></p><p>　　調(diào)節(jié)前已知已知單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　假定此時的系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)是符合要求的，即： 則有：</p><p><b>

6、　　故有，</b></p><p>　　通過MATLAB軟件，G(S)在單位階躍信號下的響應(yīng)曲線，為：</p><p>　　圖1.未校正前系統(tǒng)在單位階躍信號下的響應(yīng)曲線</p><p><b>　　相應(yīng)程序：</b></p><p>　　numg=[32];</p><p>　　den

7、g=[0.025 0.35 1 0];</p><p><b>　　numh=[1];</b></p><p><b>　　denh=[1];</b></p><p>　　[num,den]=feedback(numg,deng,numh,denh,-1);</p><p>　　t=[30:0.11

8、:40];</p><p>　　step(num,den,t);</p><p><b>　　grid</b></p><p>　　通過MATLAB軟件，繪制校正前系統(tǒng)的波特圖：</p><p>　　圖2. 未校正前系統(tǒng)的Bode圖</p><p><b>　　相應(yīng)程序：</b&g

9、t;</p><p>　　h1=tf([32],[1 0]);</p><p>　　h2=tf([1],[0.1 1]);</p><p>　　h3=tf([1],[0.25 1]);</p><p>　　h=h1*h2*h3;</p><p>　　[num,den]=tfdata(h);</p><

10、;p>　　sys=tf(num,den);</p><p>　　w=logspace(-1,2,100);</p><p>　　bode(sys,w);grid;</p><p>　　[gm,pm,wcg,wcp]=margin(sys)</p><p>　　margin(sys);</p><p>　　gmdb

11、=20*log10(gm);</p><p><b>　　運行結(jié)果：</b></p><p>　　gm =0.4375</p><p>　　pm = -19.5408</p><p>　　wcg =6.3246</p><p>　　wcp = 9.2795</p><p>

12、　　由圖1.可知，未校正前系統(tǒng)在單位階躍信號下的響應(yīng)曲線，很明顯的可以看出，未校正前系統(tǒng)是振蕩發(fā)散的，故系統(tǒng)不穩(wěn)定。此時增益裕度gm =0.4375，相位裕度pm =-19.5408，相角穿越頻率wcg =6.3246，幅值穿越平率wcp = 9.2795。系統(tǒng)不穩(wěn)定，而且相位裕度pm =-19.5408為負值，如果采用串聯(lián)超前校正，為了得到規(guī)定的相角裕度，將會需要超前網(wǎng)絡(luò)提高很大的相角超前量。這樣，超前網(wǎng)絡(luò)的a值必須選得很大，從而造成

13、已校正系統(tǒng)帶寬過大，使得通過系統(tǒng)的高頻噪聲電平很高，很可能使系統(tǒng)失控。而串聯(lián)滯后校正是利用滯后網(wǎng)絡(luò)或PID控制器進行串聯(lián)校正的基本原理，利用其具有負相移和負幅值的特斜率的特點，幅值的壓縮使得有可能調(diào)大開環(huán)增益，從而提高穩(wěn)定精度，也能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。在系統(tǒng)響應(yīng)速度要求不高而抑制噪聲電平性能要求較高的情況下，可以考慮采用串聯(lián)滯后校正。由于設(shè)計題目僅僅對系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)，系統(tǒng)的相角裕度，以及系統(tǒng)的截止頻率有限制條件，并未對響應(yīng)速度作

14、要求，只要響應(yīng)速度在能接受的范圍就行了，因此本次設(shè)計完全可以采用串聯(lián)滯后網(wǎng)絡(luò)來作為校正環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　校正環(huán)節(jié)的設(shè)計：</b></p><p>　　設(shè)計分析已確定了，串聯(lián)滯后環(huán)節(jié)理論上的可行性，現(xiàn)在就需要確定滯后環(huán)節(jié)的各參數(shù)。 滯后校正裝置的電路圖：</p><p>　　圖3.相位滯后RC網(wǎng)絡(luò)</p><

15、p>　　假設(shè)輸入信號源的內(nèi)阻為零，輸出負載為無窮大，可求的其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　由設(shè)計分析過程中可知，在 處，系統(tǒng)的開環(huán)增益為20lg32dB,</p><p>　　穿過剪切頻率= wcp = 9.

16、2795 ，相應(yīng)的相角穩(wěn)定裕度 pm =-19.5408，顯然未校正前的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。</p><p>　　計算未校正系統(tǒng)相頻特性中對應(yīng)于相角裕度為時的頻率 。由于</p><p><b>　　解得： </b></p><p>　　此值不符合的要求，因此不能選擇的。我們不妨，先設(shè)定，然后再檢驗所設(shè)定的值是否符合要求，也是一種思路。經(jīng)過多次

17、檢測之后，選定，顯然這個值符對截止頻率的要求。當時，令未校正系統(tǒng)的開環(huán)增益為，從而求出串聯(lián)校正裝置滯后的系數(shù)。由于未校正系統(tǒng)的增益在 處為20lg32dB，故有：</p><p>　　于是選擇： =11.0345，:；</p><p>　　從而選定： </p><p>　　于是u，滯后校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：</p><p>

18、　　所以，電路的相關(guān)參數(shù)為：</p><p><b>　　，</b></p><p>　　校正裝置的Bode圖為：</p><p>　　圖4. 校正裝置的Bode圖</p><p><b>　　相應(yīng)程序：</b></p><p>　　h=tf([1 0.3625],[11.0

19、345 0.3625]);</p><p>　　[num,den]=tfdata(h);</p><p>　　[mag,phase,w]=bode(num,den);</p><p>　　subplot(211);</p><p>　　semilogx(w,20*log10(mag));grid;</p><p>　　

20、subplot(212);</p><p>　　semilogx(w,phase);grid</p><p>　　xlabel('w');</p><p><b>　　校正后系統(tǒng)分析：</b></p><p>　　串聯(lián)滯后校正環(huán)節(jié)后的結(jié)構(gòu)圖為：</p><p>　　圖5. 串聯(lián)滯后

21、校正環(huán)節(jié)后的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　由此，可以的得出校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　繪出校正后系統(tǒng)在單位階躍信號下的響應(yīng)曲線，為：</p><p>　　圖6. 校正后系統(tǒng)在單位階躍信號下的響應(yīng)曲線</p><p>　　由曲線，可以看出串聯(lián)滯后校正環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)變穩(wěn)定了，其相關(guān)參數(shù)為：</p><p>

22、;　　超調(diào)量： ； 調(diào)節(jié)時間：，這些參數(shù)雖不是很理想，但在一定條件下是可以接受的。</p><p><b>　　相應(yīng)程序：</b></p><p><b>　　m=[32];</b></p><p>　　n=[1 0.29];</p><p>　　numg=conv(m,n);</p>

23、<p><b>　　a=[1 0];</b></p><p>　　b=[0.1 1];</p><p>　　c=[0.25 1];</p><p>　　d=[11.0345 0.29];</p><p>　　deng=conv(a,conv(b,conv(c,d)));</p><p&g

24、t;<b>　　numh=[1];</b></p><p><b>　　denh=[1];</b></p><p>　　[num,den]=feedback(numg,deng,numh,denh,-1);</p><p>　　t=0:0.1:30;</p><p>　　step(num,den,t

25、)</p><p><b>　　grid</b></p><p>　　校正后系統(tǒng)的Bode圖為：</p><p>　　圖7. 校正后系統(tǒng)的Bode圖</p><p><b>　　相應(yīng)程序：</b></p><p>　　h1=tf([32],[1 0]);</p>

26、<p>　　h2=tf([1],[0.1 1]);</p><p>　　h3=tf([1],[0.25 1]);</p><p>　　h4=tf([1 0.3625],[11.0345 0.3625])</p><p>　　h=h1*h2*h3*h4;</p><p>　　[num,den]=tfdata(h);</p&g

27、t;<p>　　sys=tf(num,den);</p><p>　　w=logspace(-1,2,100);</p><p>　　bode(sys,w);grid;</p><p>　　[gm,pm,wcg,wcp]=margin(sys)</p><p>　　margin(sys);</p><p>

28、;　　gmdb=20*log10(gm);</p><p><b>　　運行結(jié)果：</b></p><p>　　Transfer function:</p><p>　　s + 0.3625</p><p>　　----------------</p><p>　　11.03 s + 0.3625

29、</p><p>　　gm = 4.2682</p><p>　　pm = 37.3077</p><p>　　wcg = 5.9477</p><p>　　wcp = 2.4336</p><p><b>　　校正后相角裕度為：</b></p><p><b>

30、　　pm =</b></p><p><b>　　系統(tǒng)的截止頻率：</b></p><p>　　系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)</p><p>　　選定，是完全符合題目的要求的。</p><p><b>　　收獲與體會：</b></p><p>　　在本次課程設(shè)計中，通過

31、對校正前系統(tǒng)性能的分析，結(jié)合超前校正環(huán)節(jié)和滯后校正環(huán)節(jié)各自的優(yōu)缺點，以及他們的適用范圍的綜合考慮下，選擇了</p><p>　　采用滯后校正環(huán)節(jié)作為這次課程設(shè)計主要方法。</p><p>　　在這次課程設(shè)計的過程中，真正地做到把理論運用于實際。雖說平時我們也做過實驗，但實驗的局限性很難然我們?nèi)娴牧私庾詣涌刂圃O(shè)計的實質(zhì)，加上實驗是在指導老師反復說明之下著手做的，因此，想在實驗中發(fā)現(xiàn)知識的缺

32、漏貌似有點勉強。但在這次課程設(shè)計過程中，完全是自己思考，自己設(shè)計，完全沒有他人的干預，將自己的想法表現(xiàn)出來，我覺得這樣很好。遇到問題通過查找資料以及復習課本，在設(shè)計中的問題得到了解決，在尋找答案的過程中，我加深了對平時上課時學到的知識的理解，也體會到將理論結(jié)合實際設(shè)計、分析的成就感，還使自己看到平時學習的漏洞，因為有一些看似不起眼的小知識點有時也是需要考慮的重點。就比如說吧，在解得 不符合的要求，因此不能選擇的時，我陷入了盲區(qū)，不僅書上

33、的例題，我查了好多資料都是符合要求的情況，可在這里卻偏偏遇到了相反的情況，慣性思維讓我有點不知所措。好在后來想到了先確定符合條件的，然后再檢驗其他條件，在這個過程中我嘗試了好多次，才找到我能接受的值。</p><p>　　這次課程設(shè)計中Matlab軟件的應(yīng)用起到了很大的幫助，以前學習這門課程的時候，覺得貌似不是很重要，直到現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)他的重要性。尤其是在自動控制領(lǐng)域中，用它對控制系統(tǒng)進行頻域分析，大大簡化了計算和繪

34、圖步驟。在今后的學習中，需要發(fā)揮積極主動的精神，把所學知識與實踐結(jié)合起來，努力掌握Matlab等相關(guān)軟件的使用方法。</p><p>　　這次課程設(shè)計還是很有意義的。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，僅有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。</p><p><b>　　參考文

35、獻:</b></p><p>　　[1] 吳懷宇 廖家平.自動控制原理.華中科技大學出版社.2007年</p><p>　　[2] 胡壽松.自動控制原理.科學出版社.2000年</p><p>　　[3] 胡壽松.自動控制原理解題題典.西北工業(yè)大學出版社.2003年</p><p>　　[4] 鄭阿奇 曹弋. MATLAB實用