2022年自动控制原理课程设计电动车控制系统校正赫思尧组 .pdf

自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正1 电动车车速控制系统校正指导老师： 李建勇小组成员： 赫思尧13221067 石旭东13221077 吴 恺13221084 邓攀13221061 李宗凯13221070 答辩时间：2015 年 12 月 16日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正2 目 录一、研究内容 . 31、研究内容 . 32、控制原理图 . 3二、系统建模 . 41、系统分析 . 42、简化系统模型 . 4三、时域分析 . 51、稳定性分析 . 52、稳态误差分析 . 53、动态特性指标 . 64、调整系统 . 7四、根轨迹分析 . 101、根轨迹 . 102、系统特性分析 . 11五、频域分析 . 141、系统伯德图、奈奎斯特图 . 142、系统性能分析 . 15六、小组分工 . 17七、感受心得 . 17名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正3 一、研究内容1、研究内容通过车手柄转手产生不同扭矩，电源输入不同的电压值（不稳定） ，改变直流电机的电流输出值，从而影响电机的转速，改变车速。车速通过转速计反馈给输入的电压值，然后进一步稳定输出车速，如此反复，直到车速达到一定的稳定状态（在一定范围内变化） ，表现为和输入的扭矩呈线性关系。2、控制原理图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正4 二、系统建模1、系统分析控制对象：直流电机扰动量：电机的负载阻力转矩输入量：电压 U （转矩）输出量：输出车速 n 2、简化系统模型由电路图可知系统由一个积分环节、 一个一阶微分环节、 两个性环节组成，故其传递函数和方框图有： R（ s）C(s) -1 R （s）C(s) -1 Wk=Kk(0S+1)/s(1S+1)(2S+1)WB=Wk/(1+ Wk Wf) G1(sG2(sG3(sG4(sWf(s S+1 1/S K1/T1S+1 K2/T2S+1 1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正5 三、时域分析取单位反馈，令 0=0.5， 1=1， 2=4 对系统进分析1、稳定性分析特征方程有：12S3+(1+2)S2+(0 Kk+1)S+ Kk = 0 S3 4 0.5K+1 S2 5 K S1 1-0.3K 0 S0 K 故开环增益0 Kk3.333 2、稳态误差分析系统为 1 型系统 故Kv = Kk，输入信号为 x(t)=a*1+b*t+0.5*c*t eSS = a*0 + b/K + c* 由此可以得出，增大K或者提升系统的型别可以减少系统稳态误差名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正6 3、动态特性指标在 Metlab 中编程可得其性能参数由此可知系统的开环放大系数K k越大系统就越趋于不稳定状态，过小则会使系统反应较慢，此系统合适的Kk在 0.1 附近。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正7 4、调整系统由于 Kk 的值太小，没有实现信号的放大，加入微分环节调大Kk，此时系统开环函数为Wk=Kk(0S+1)(aS+1) /S(1S+1)( 2S+1) 令 a=0.5，特征方程有：12S3+(1+2+0*a)S2+(a+0 )Kk+1)S+ Kk = 0 S3 4 K+1 S2 5+0.25K K S1 (0.25K2+1.25K+5)/(5+0.25K) S0 K K 可以使任意正数，系统都保持稳定。稳态误差 : eSS = a*0 + b/K + c* 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正8 由此可知，加入微分环节会增大Kk,系统的超调量会先增加后减小，同时会使系统的响应速度提高，tr 、tp 、ts 都会减小，但 K太大，系统可控性就会减弱，调整a, 使 K在合理范围内。使 K=15 ，改变 a，在 Metlab 中编程，得出性能指数和图形名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正9 随着 a 的增大，系统的震荡性减弱，超调量下降，选取a=2.5 此时放大倍数有开始的 0.1 调大到 15，系统的各项参数都达到很好的范围。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正10 四、根轨迹分析1、根轨迹Wk=Kk(0S+1)/s(1S+1)(2S+1) 取单位反馈，令 0=0.5， 1=1， 2=4 对系统进分析临界稳定的增益和极点：K=2.89 -p1= -1.2306 + 0.0000i p2 = -0.0097 + 0.7666i p3= -0.0097 - 0.7666i 加入微分环节有Wk=Kk(0S+1)(aS+1) /S(1S+1)( 2S+1) 令 a=0.5(两个零点重合 )有名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正11 阻尼比最小处： K=2.8795 -p1=-1.1344 + 0.0000i -p2= -0.1478 + 0.7828i -p3=-0.1478 - 0.7828i 由此可知加入微分环节之后，系统的稳定性大大提高2、系统特性分析改变 a的值，a=0.3 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正12 距离虚轴更近，阻尼比最小处k =6.0557 poles = -1.2670 + 0.0000i -0.1051 + 1.0881i -0.1051 - 1.0881i: 极点与零点重合 ,此时最小阻尼比处k =1.3136 poles = -1.0000 + 0.0000i -0.2071 + 0.5343i -0.2071-0.5343i k = 0.3213 poles =-0.9066 + 0.0000i -0.2219 + 0.1984i -0.2219 - 0.1984i 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正13 极点与零点重合，最小阻尼比处k =1.9672 poles = -0.9918 + 0.9917i -0.9918 - 0.9917i -0.2500 + 0.0000i k =1.2503 poles = -0.9188 + 0.8768i -0.9188 - 0.8768i -0.1938 + 0.0000i 随着 a 的增大的（在一定范围内），最小阻尼增大，系统的超调量减小，趋于稳定，震荡性减弱，相应速度加快。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正14 五、频域分析1、系统伯德图、奈奎斯特图Wk=Kk(0S+1)/s(1S+1)(2S+1) 取单位反馈，令 0=0.5， 1=1， 2=4 对系统进分析截止频率c = 0.45 ；相角裕度 =17.38 ；幅值裕度 h=4.14名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正15 2、系统性能分析加入微分环节有Wk=Kk(0S+1)(aS+1) /S(1S+1)( 2S+1) 令 a=0.1有截止频率c = 0.45 ；相角裕度 =19.94 ；幅值裕度 h=7.78名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正16 截止频率 c = 0.62 ；相角裕度 =64.59 随着 a 的增大，相角裕度增大，截止频率增大，幅值裕度会增大而后减小，但系统的稳定性良好名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 17 页 - - - - - - - - - 自动控制研究性教学电动车车速控制系统校正17 六、小组分工赫思尧： Metlab 仿真吴恺：内容分析石旭东：内容分析邓攀：报告撰写李宗恺： PPT制作七、感受心得通过这次研究性教学，我们对Metlab 有了更好的了解，对所学的知识有了很好的切实的了解，并且提高了对这门课的认识， 在做的过程中遇到了很多困难， 但最终都克服了， 这也让我们更加地喜欢上了这门课。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 17 页 - - - - - - - - -