2022年自动控制原理课程设计报告单位负反馈系统设计校正 .pdf

自 动 控 制 原 理 课 程 设 计 报 告题目：单位负反馈系统设计校正学生姓名丁超然班级四院别机电专业电气工程与自动化学号631224060402 指导老师杜健荣设计时间2014.12 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 12 页 - - - - - - - - - 目录一、设计题目3 二、设计目的和要求3 1、设计目的3 2、设计要求3 三、设计总体思路4 四、详细设计步骤4 五、设计总结12 六、参考文献12 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 12 页 - - - - - - - - - 一、设计题目：设单位负反馈系统的开环传递函数为) 12. 0)(11 .0()(0sssKsG用相应的频率域校正方法对系统进行校正设计，使系统满足如下动态和静态性能：(1) 相角裕度045；(2) 在单位斜坡输入下的稳态误差05.0sse；(3) 系统的剪切频率s/rad3c。题目要求：（1） 分析设计要求， 说明校正的设计思路 （超前校正， 滞后校正或滞后超前校正） ；（2） 详细设计（包括的图形有：校正结构图，校正前系统的Bode图，校正装置的 Bode图，校正后系统的Bode图） ；（3） 用 MATLAB 编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）；（4） 校正前后系统的单位阶跃响应图。二、设计目的和要求1、设计目的（1） 、通过课程设计进一步掌握自动控制原理课程的有关知识，加深对所学内容的理解，提高解决实际问题的能力。（2） 、理解在自动控制系统中对不同的系统选用不同的校正方式，以保证名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 12 页 - - - - - - - - - 得到最佳的系统。（3） 、理解相角裕度，稳态误差，剪切频率等参数的含义。（4） 、学习 MATLAB 在自动控制中的应用，会利用MATLAB 提供的函数求出所需要得到的实验结果。（5） 、从总体上把握对系统进行校正的思路，能够将理论运用于实际。2、设计要求（1） 、能用 MATLAB 解复杂的自动控制理论题目。（2） 、能用 MATLAB 设计控制系统以满足具体的性能指标。（3） 、能灵活应用 MATLAB 分析系统的性能。三、设计总体思路（1） 、根据稳态误差sse 的值，确定开环增益K。（2） 、利用已确定的开环增益K，确定校正前系统的传递函数，画出其bode图，从图上看出校正前系统的相位裕度和剪切频率c。（3） 、根据相位裕度的要求，计算出滞后校正装置的参数a 和 T。即得校正装置的传递函数，然后得到校正后系统的开环传递函数。（4） 、验证已校正系统的相位裕度和剪切频率c。四、详细设计步骤1、由设计思路可知（1）按要求的稳态误差系数，求出系统的开环放大系数K。因为题目要求在单位斜坡输入下的稳态误差为ess 0.05 所以有 ess=lim 1 s G0(s)=1/k0.05 k20，所以此次取定 K=21 。（2）将 k 值代入原函数并令s=jw, 得系统的开环频率特性为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 12 页 - - - - - - - - - G0（jw）=21/jw （jw+1） （3）此次选择滞后校正对系统进行校正。利用 Matalab 画出校正前系统的伯德图如图一：源代码： no=21; do=0.02 0.3 1 0; syso=tf(no,do); margin(syso); grid 运行结果：相角裕量 Pm =8.74 截止频率 Wcp = 8.32 （4）根据滞后校正装置的最大幅值和原系统在wc上的幅值相等条件，求出b和 T 值并确定校正装置的传递函数。（5）研究已校正系统的伯德图，检查全部性能指标是否满足要求。图一2、详细设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 12 页 - - - - - - - - - 、校正前的系统分析（1）单位阶跃响应分析源代码： G=tf(21,0.02 0.3 1 0 ); G1=feedback(G,1); t=0:0.01:5; step(G1,t);grid xlabel （t ）;ylabel(c(t) ); title(校正前单位阶跃响应)；在 Matlab 中运行得到单位阶跃响应图如图二图二 校正前单位阶跃响应由图二可知，系统在单位阶跃输入下，开始时振荡比较大，超调量也比较大，系统的动态性能不佳。（2）开环传递函数 bode 图分析由图一可看出， 相角裕量 =17.50截止频率 wc=2.46rad/s 。此时相角裕名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 12 页 - - - - - - - - - 量不符合要求。、系统校正过程（1） 根据相角裕量 450的要求，再考虑到串接滞后校正装置的相角滞后，从未校正系统的频率特性曲线图1 上，找出对应相角 1800+（450+50）=1300处的频率 wc2.46rad/s 。wc将作为校正后系统的增益交界频率。（2） 确定滞后装置的传递函数 Gc=(1+aTs)/(1+Ts) 根据滞后校正装置的最大幅值和原系统在wc上的幅值相等条件， 求出a 值。在 wc=wc处，从未校正的对数幅频特性曲线上求得 : 20lg|G0(jwc)|=17.5dB 再由 20lg 1/a=17.5dB 计算出 a=0.133 由 1/ （aT）=1/10wc所以当 wc2.46rad/s a=0.133时，可求得T=30.56s 将所求的 a 值和 T 值代入式得校正装置的传递函数为： ，Gc(s)=(1+4.06448s)/(1+30.56s) 利用 Matlab 画出校正装置的 Bode图 如图三源代码： G0=tf(4.06448 1, 30.56 1); margin(G0); 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 12 页 - - - - - - - - - 图三校正装置 bode 图(3) 已校正后系统的开环传递函数为G （s）= G0（s） Gc(s) =21(1+4.06448s)/s(0.1s+1)（0.2s+1）(1+30.56s) 利用 Matalab 画出校后系统的伯德图如图四源代码 : n1=21; d1=0.02 0.3 1 0 s1=tf(n1,d1); s2=tf(4.06448 1, 30.56 1); s=s1*s2; Gm,Pm,Wcm,Wcp=margin(s) margin(s) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 12 页 - - - - - - - - - 图四校正后 bode 图运算结果：相角裕量Pm =45.2 截止频率 Wcp =2.45 、校正后验证（1）校正后伯德图分析由图三可知校正后的相角裕量 =45.2450 截止频率 wc=2.45rad/s0.0229rad/s 的频率范围内，滞后装置衰减了 G （jw）的幅值，使系统的 wc左移到 wc, 使系统的快速性下降。五、设计总结本次设计是我是运用了滞后校正装置控制系统。在自动控制原理课程中校正系统有多种形式， 特定的情况需要使用特定的校正装置，通过学习， 我们应能够正确的将合适的校正装置应用于给定的系统，而本次课程设计三种方法都是可以的。而本次设计中主要运用的是MATLAB ，之前虽然接触过但是对它的运用不怎么熟悉，通过这次课程设计，使我对MATLAB 的运用有了进一步的了解。此次课程设计也进一步的培养了我们的动手能力，课堂学习主要注重于理论知识，而我们要将所学知识应用于实际，在此阶段，课程设计便是最好的选择了，通过课程设计，我们可以温习我们所学的理论知识，同时为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 12 页 - - - - - - - - - 将理论知识运用于实际搭建了一个很好的平台，不仅如此，通过这次的课程设计，使我知道了在当今的信息技术如此发达的世界中，我们必须运用多种渠道，去学习研究。并要很好的运用计算机和一些软件，只有这样，我们才能更好地、精确地、快速地解决问题。还有就是提高了自主解决问题的能力。六、参考文献1 杨庚辰 . 自动控制原理 . 西安电子科技大学出版社 .1994.4 2 朱衡君 .MATLAB 语言及实践教程 ( 第二版 ). 清华大学出版社 .2009.8 3 张静.MATLAB 在控制系统中的应用 . 电子工业出版社 .2007 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 12 页 - - - - - - - - -