《自动控制原理课程设计》.docx

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1、自动控制原理课程设计 二一五二一六学年第一学期信息科学与工程学院课程设计报告书 课程名称： 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 二一五年十二月 一、题目、任务及要求 题目2：已知单位负反馈系统被控制对象的开环传递函数 ) 11.0()(+=s s K s G k 用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计。 任务：用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使系统满足如下动态 及静态性能指标： （1）在单位斜坡信号t t r =)(作用下，系统的稳态误差005.0ss e ； （2）系统校正后，相位裕量045)(c 。 （3）系统校正后，幅值穿越频率50c 。 二设计步骤规范化要求 一、按

2、如下步骤，利用频率域串联校正方法对系统进行的串联校正设计： （1）根据要求的稳态品质指标，求系统的开环增益值； （2）根据求得的值，画出校正前系统的Bode 图，并计算出幅值穿越频率、相位裕量,以检验性能指标是否满足要求。若不满足要求，则执行下一步； （3）画出串联校正结构图，分析并选择串联校正的类型（超前、滞后和滞后-超前校正）。（若可以采用多种方法，分别设计并进行比较） （4）确定校正装置传递函数的参数； （5）画出校正后的系统的Bode 图，并校验系统性能指标。若不满足，跳到第（4）步。否则进行下一步。 （6）提出校正的实现方式及其参数。（要求实验实现校正前、后系统并得到的校正前后系统的

3、阶跃响应） 二、利用MATLAB 软件编程进行辅助设计。 必做项目：利用MATLAB 绘制校正前、后系统及校正装置的Bode 图，并利用MATLAB 计算校正前、后系统幅值穿越频率、相位裕量。 选做项目：利用MATLAB 软件编程实现串联校正的自动设计。 三设计 ) 11.0()(+=s s K s G k 为I 型系统，稳态误差ess= k 1，要求ess 005.0 所以要求k 200，如果取k=200 则转折频率s /rad 101.011=，用MATLAB 作出校正前Bode 图为 num1=200; den1=0.1 1 0; sys1=tf(num1,den1); 设幅值穿越频率为

4、c ，对于第一段 20-0-10lg a -b = 对于第二段 40-10lg -c lg b -0= 联立得s /rad 67.44c = 因为()()?0.1arctan -90-?= 相位裕度()?=?=62.1267.441.0arctan -90-180Pm 幅值穿越频率和相位裕度都不满足要求，需进行串联校正设计 为了使系统满足相角要求，可加入超前校正环节，利用相位超前特性增大系统相位裕度，改变开环频率特性。 校正后系统剪切频率处的超前相角应为m 4562.1262.12-45?=?=?+?=。 172.045sin 145sin -1=? +?= 校正后系统剪切频率m =c 校正网

5、络在m ?处的增益为dB 645.71lg 10=? ? ? 此为校正后剪切频率 由40-10 lg -lg b -645.7-=，b=26dB 所以m /rad 34.69=s 校正网络的两交接频率76.28m 1=?=rad/s s /r a d 19.167m 2= 校正网络传递函数Bode 图 num2=1/28.76,1; den2=1/167.19,1; sys2=tf(num2,den2); %矫正环节的传递函数 校正装置传递函数119.1671176.281G +=s s ，校正后传递函数为()119 .16711s 76.28110.1s s 200G +?+=s 校正后Bo

6、de 图为 num=conv(1/28.76,1,200); den=conv(1/167.19,1,0.1 1 0); sys=tf(num,den); %矫正以后的系统开环传递函数 校正后相位裕度()? ? ?+?=19.16734.69arctan -34.691.0arctan -76.2834.69arctan 90-180r 所以r=?15.53 校正后5035.69c =rad/s ?=4515.53r 满足要求 实现方式：在系统串联一个相位超前PC 网络 电路如下 R1C 176.2811= 172.0R2 R1R2=+ 如果R2=100，则R1=481.4 F 22.7C 1

7、05 -?= 校正前后动态响应曲线 MATLAB 程序： clc figure(1);%这个图像中红色显示原系统，圈圈表示校正系统，蓝线表示矫正后的系统 bode(sys1,r:); grid; hold on; bode(sys2,b:o); grid; hold on; bode(sys); grid; legend(sys1,sys2,sys,4)%图例 grid; figure(2) margin(sys1); gm1,pm1,wcp1,wcg1=margin(sys1); gmdb1=20 * log10(gm1); gmdb1,pm1,wcp1,wcg1%原系统的增益裕度、相位裕度

8、、幅值穿越频率、相角穿越频率 grid figure(3) margin(sys); gm,pm,wcp,wcg=margin(sys); gmdb=20 * log10(gm); gmdb,pm,wcp,wcg%校正后系统的增益裕度、相位裕度、幅值穿越频率、相角穿越频率 grid figure(4); sys0=feedback(sys,1);%校正后系统的闭环传递函数 step(sys0); %校正后系统的阶跃响应 sys1=feedback(sys1,1);%校正前系统的闭环传递函数 hold on step(sys1,r:); %校正前系统的阶跃响应 legend(sys,sys1,4

9、)%图例 四总结 本次实验首先是要求出系统的各个参数指标，随后根据题目要求进行校正，最终由MA TLAB 进行设计和实现，对于系统的理论计算，根据是课本所学知识都能较快的解决，这个难点和重点是MA TLAB的绘制和设计的实现，平常接触MATLAB并不是很多，因为本次设计重点回顾和学习了MA TLAB的许多知识，从最快是的无从下手，到最后得以实现，可以说和自己的努力和同学的指导是分不开的。本次课程设计对于自己掌握好MATLAB是一次很好的提高，也感受到了MA TLAB这门数学工具的强大，我现在懂的不过是皮毛，希望在以后的学习当中，更能加深自己对这门工具的理解。可以说本次课程设计收获良多，不仅巩固了课本知识，也学习到了很多课本外的知识，同时加深了课本和现实情况的联系。