自控课程设计报告(共13页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上学 号： 14课 程 设 计题 目滞后校正控制系统的设计学 院自动化专 业自动化班 级0801姓 名陈云正指导教师谭思云2011年01月09日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化0803 指导教师： 谭思云 工作单位： 自动化学院 题 目: 滞后校正控制系统设计 初始条件：单位负反馈系统的开环传递函数为： 控制系统性能指标为调节时间5s，单位阶跃输入的稳态误差0.1，相角裕度大于45度。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1） 设计一个滞后校正装置，使系统满足上述性能指标；（2） 画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线

2、和波特图；（3） 用Matlab画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标；（4） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析计算的过程，给出响应曲线，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。时间安排：（1） 课程设计任务书的布置，讲解 （一天）（2） 根据任务书的要求进行设计构思。（一天）（3） 熟悉MATLAB中的相关工具（一天）（4） 系统设计与仿真分析。（四天）（5） 撰写说明书。 （两天）（6） 课程设计答辩（一天）指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要为了使一个系统能够按

3、人们要求的方式运行，除了精心设计，还要进行校正，以使系统能够达到设计拟定的性能指标。系统矫正有超前校正、滞后校正、滞后-超前校正等。只有对原系统的性能指标进行了分析，并与拟定的性能指标相比较，针对性的设计校正系统才能得到满足要求的控制系统。本设计是对一个系统进行滞后校正，目的是使系统的各项性能指标达到设计要求。在本设计中，通过一些原理、方案，使系统能够达到一定的要求。并用MATLAB软件验证自己的计算，并进行校正和检验。可见，不仅要能够掌握自动控制原理的一些基本知识，还要有熟练运用MATLAB软件辅助设计的能力，因此在做设计之前要查找充分的资料，并在设计中也勤查资料，只有这样才能全面的、准确的

4、完成课程设计，并能运用MATLAB解决问题。作为学生，不要仅满足于运用MATLAB完成自己的任务，自己要利用这样的好机会，全面的掌握MATLAB的运用，为以后熟练运用MATLAB打下很好的基础。总之，不能仅满足于老师布置的任务，自己要想在课设中有很好的提高，就要勤查资料，严格要求自己，充分利用身边的资源。目 录01滞后矫正控制系统设计1.设计要求已知一单位负反馈系统的开环传递函数为 要求控制系统的性能指标为调节时间5s,单位阶跃输入的稳态误差0.1,相角裕度大于45度。任务：（1）设计一个滞后校正装置，使系统满足上述性能指标； （2）画出系统在矫正前后的奈奎斯特曲线和伯德图； （3）用Matl

5、ab画出校正前后的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标； （4）对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析计算的过程，给出响应曲线，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，说明书的格式按教务处标准书写。2.设计原理对于所给出的系统进行分析可以知道，校正前的系统是稳定的，调节时间与相角裕度两项性能指标都满足设计要求，只有单位阶跃输入的稳态误差过大，需要通过矫正使它由变得小于0.1。对于该系统，由于无差度v=0，可知单位阶跃响应下的稳态误差ess()=。为了减小稳态误差，必须增大稳态位置误差系数Kp。由于Kp=，得知设计的滞后校正装置必须能够使稳态误差系数增大

6、。由于滞后校正装置的传递函数 a1，它的幅频特征曲线如图一所示。串联进前向通道后能够降低系统的截止频率，提高系统的向位裕度，改善系统的暂态性能，但不能改变稳态误差系数，即不能改善系统稳态精度。因此，有必要再之后矫正网络后串连一个放大倍数为B的放大器，如图二所示的放大B倍的滞后校正的伯德图可知，这样做可以在在暂态性能不变的前提下提高系统的稳态精度。综上所述，在原系统开环部分后串连一个滞后校正装置，然后串连一个放大倍数为B的放大器，检验校正后系统的各项性能指标，如符合设计要求，则校正完成。系统的结构图如图三所示。B、L(w)1/T1/aT-20dB/decwL(w)1/T1/aTw图一图二-图三3

7、.设计分析与计算3.1校正参数B的计算由系统原开环传递函数和放大倍数B 得到校正后系统的开环传递函数为G(s)=得到阶跃响应的稳态误差ess()=得到B18，为方便计算，取B=203.2校正参数a、T的计算由于要求的相角裕度r=45在校正前系统的相频特性曲线上做-180+45+10=125线，得到新系统的截止频率=8.91该频率对应原系统幅频特性的交点为-13.1dB。由于校正后系统含有一个放大器会使系统幅频特性向上平移，所以令-13.1+20lgB=20lg1得到a=0.224令=*cot(90-10)得到T=2.8473.3校正后系统的检验对校正后的系统计算各项参数，得到单位阶跃输入的稳态

8、误差()=0.97。借助校正后系统的伯德图，得到校正后的相角裕度r=104。借助校正后系统的波形图，得到校正后的调节时间ts=1.97s(误差为2%时)。各项参数均符合设计要求。4.仿真程序、结果及结果分析4.1校正前系统的奈奎斯特曲线与伯德图 程序：num=1,10;den=1,2,20;nyquist(num,den) 校正前系统奈氏曲线程序：num=1,10;den=1,2,20;bode(num,den) 校正前系统伯德图4.2校正后系统的奈奎斯特曲线与伯德图程序：num=12.76,147.6,200;den=2.847,19.454,206.54,220;nyquist(num,d

9、en)校正后系统奈氏曲线程序：num=12.76,147.6,200;den=2.847,19.454,206.54,220;bode(num,den)校正后系统伯德图4.3校正前后系统动态性能的比较校正前系统单位阶跃响应的波形图校正后系统的单位阶跃响应的波形图 有校正前后系统单位阶跃响应的波形图可知，校正后系统的稳态值越是校正前系统稳态值约三倍。 校正前系统的超调量为49%，校正后变为19.5%。取=2，校正前系统的调节时间为2.7s，校正后变为1.97秒。校正前系统的上升时间为0.22s，校正后变为0.20s。校正前系统的峰值时间为0.48s,校正后变为0.30s。可知，经过校正，系统的动

10、态性能得到了改善。5.心得体会 在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面，对于化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、相位等，都有相应的控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。此外，在办公室自动化、图书管理 、交通 管 理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技

11、术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。自控涉及的只是很广，所需的知识较多。当然，由于本科阶段时间有限，我们不能很好的更深入的学习自动控制这门课。若想把它学好，在条件许可下，我们应该考上研究生，在研究生阶段更彻底的学习。通过半年的学习，我们对自动控制原理有了比较一定的认识，并能简单运用自动控制解决一些简单问题。我们运用平时所学的一些基础知识解决了课程设计的问题，深感欣慰、高兴。通过本次的课程设计，我们又对自控有了一定的加深。并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，

12、我们才能更好地、精确地、快速地解决问题。平时只有理论知识学习，却缺少必须的动手机会，当然在实验课上，也锻炼了自己的动手能力。可是，毕竟课上时间有限，不能深入的完成实验。要把理论转化为实践是必须的，学生必须尽力为自己寻找一些实验，动手的机会。课程设计为我们提供了这样的机会。课设过程中，大家自己独立思考，完成老师布置的题目，学习了很多东西，把自己所学用于实际，自己倍感有成就感。课设期间，遇到问题，独立解决或同学在一起讨论，大家很有目的的做课设，受益匪浅。参考文献 胡寿松. 自动控制原理(第五版).北京：科学出版社,2006. 魏克新，王云亮编著. MATLAB语言与自动控制系统设计.机械工业出版社

13、,2000. 王正林，王胜开编著. MATLAB/Simulink与控制系统仿真.电子工业出版社. （美）安德鲁，（美）威廉斯编著. 实用自动控制设计指南.化学工业出版社. 黄忠霖编著. 自动控制原理的MATLAB实现.国防工业出版社,2007. 彭雪峰，刘建斌编著. 自动控制原理实践教程.中国水利水电出版社,2006.：本科生课程设计成绩评定表姓 名陈云正性 别男专业、班级自动化0803课程设计题目：滞后校正系统的设计课程设计答辩或质疑记录：1.如果只在原系统开环部分后加一个放大器，而不加滞后校正装置，可以吗？不可以。因为放大器虽然不会改变系统的暂态性能，并有减小系统稳态误差的作用。但是，它

14、会改变系统的幅频特性曲线，影响相角裕度。所以不能这样做。2.参数计算中用20lga-1=-13+20lgB而不是20lga-1=-13如何解释？可以将参数的计算可以视为分为两部分。第一部分先计算放大器增益B，得到一个稳态误差符合设计要求而暂态性能和相频特性与原系统相同的系统。第二部分是对第一部分得到的系统进行校正参数的计算。由于系统的幅频特性等于其各个子系统幅频特性的线性叠加，可知在校正后系统截止频率wc处系统幅频特性的分贝值时放大部分20lgB加上校正前该处的幅频特性分贝值。其次，20lga-1=-13得到的a的值为负，不是滞后校正需要的a1。成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日专心-专注-专业