自动控制原理课程设计频率法设计串联滞后——超前校正装置.docx

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1、自动控制原理课程设计 频率法设计串联滞后超前校正装置 目录 设计任务 (3) 设计要求 (3) 设计步骤 (3) 未校正前系统的性能分析 (3) 1.1开环增益 K (3) 1.2校正前系统的各种波形图 (4) 1.3由图可知校正前系统的频域性能指标 (7) 1.4特征根 (7) 1.5判断系统稳定性 (7) 1.6分析三种曲线的关系 (7) 1.7求出系统校正前动态性能指标及稳态误差 (7) 1.8绘制系统校正前的根轨迹图 (7) 1.9绘制系统校正前的Nyquist图 (9) 校正后的系统的性能分析 (10) 2.1滞后超前校正 (10) 2.2校正前系统的各种波形图 (11) 2.3由图

2、可知校正前系统的频域性能指标 (15) 2.4特征根 (15) 2.5判断系统稳定性 (15) 2.6分析三种曲线的关系 (15) 2.7求出系统校正前动态性能指标及稳态误差 (15) 2.8绘制系统校正前的根轨迹图和Nyquist图 (16) 心得体会 (18) 主要参考文献 (18) 一、设计任务 已知单位负反馈系统的开环传递函数0 ()(0.11)(0.011) K G S S S S =+，试用频率 法设计串联滞后超前校正装置。 （1）使系统的相位裕度045 （2）静态速度误差系数250/v K rad s （3）幅值穿越频率30/C rad s 二、设计要求 （1）首先，根据给定的性

3、能指标选择合适的校正方式对原系统进行校正，使其满足工作要求。要求程序执行的结果中有校正装置传递函数和校正后系统开环传递函数，校正装置的参数T ，等的值。 （2）利用MATLAB 函数求出校正前与校正后系统的特征根，并判断其系统是否稳定，为什么? （3）利用MATLAB 作出系统校正前与校正后的单位脉冲响应曲线，单位阶跃响应曲线，单位斜坡响应曲线，分析这三种曲线的关系？求出系统校正前与校正后的 动态性能指标%、tr 、tp 、ts 以及稳态误差的值，并分析其有何变化？ （4）绘制系统校正前与校正后的根轨迹图，并求其分离点、汇合点及与虚轴交 点的坐标和相应点的增益K *值，得出系统稳定时增益K *

4、 的变化范围。绘制系统校正前与校正后的Nyquist 图，判断系统的稳定性，并说明理由？ （5）绘制系统校正前与校正后的Bode 图，计算系统的幅值裕量，相位裕量，幅值穿越频率和相位穿越频率。判断系统的稳定性，并说明理由？ 三、设计步骤 开环传递函数0 ()(0.11)(0.011) K G S S S S = + 1、未校正前系统的性能分析 1.1开环增益0K 已知系统中只有一个积分环节，所以属于I 型系统 由静态速度误差系数 250/v K rad s 可选取 v K =600rad/s s rad K S S S K S S H S SG K s s V /600) 101.0)(11.

5、0(lim )()(lim 00 =+= 开环传递函数为 ) 101.0)(11.0(600 )(+= S S S S G 1.2通过MATLAB 绘制出校正前系统的bode 图和校正前系统的单位阶跃响应图分别如： MATALAB 程序为： clear k=600;n1=1;d1=conv(conv(1 0,0.1 1),0.01 1); s1=tf(k*n1,d1); figure(1);sys=feedback(s1,1);step(sys) c=dcgain(sys);y,t=step(sys);max_y,k=max(y);tp=t(k) max_overshoot=100*(max_

6、y-c)/c r1=1; while(y(r1) r2=1; while(y(r2) tr=t(r2)-t(r1) s=length(t); while y(s)0.98c&y(s) ts=t(s) figure(2);margin(s1);hold on figure(3);sys=feedback(s1,1);impulse(sys) figure(4);step(k*n1,d1,0) ess=1-dcgain(sys) 图1-1校正前系统的bode图 图1-2校正前系统的单位阶跃响应 图1-3校正前系统的单位脉冲响应 图1-4校正前系统的单位斜坡响应 1.3由图可知校正前系统的频域性能指

7、标如下： 幅值裕度h L =-14.7dB ； 穿越频率x =31.6/rad s ; 相角裕度r=-26.8度； 剪切频率c =69.8/rad s 。 1.4特征根： 1.5判断系统稳定性 （1）由图1可以看出，0c 之前对数幅频渐近特性曲线所对应的相频特性曲线穿越了-，（2）由特征根可以看出，有根在右半平面，因此系统不稳定，按本题要求，需要进行串联滞后超前校正。 1.6分析校正前单位脉冲响应曲线，单位阶跃响应曲线，单位斜坡响应曲线，这三种曲线的关系 单位斜坡响应的一次导数是阶跃响应曲线，阶跃响应的一次导数是冲击响应。 1.7求出系统校正前动态性能指标%、tr 、tp 、ts 以及稳态误差

8、的值 =%max_overshoot = 560.9737 tr =0.0145 tp =0.1489 ts =0.1998 ess =0 1.8绘制系统校正前的根轨迹图，并求其分离点、汇合点及与虚轴交点的坐标和相应点的增益K * 值，得出系统稳定时增益K * 的变化范围。 程序： clear k=600;n1=1;d1=conv(conv(1 0,0.1 1),0.01 1); s1=tf(k*n1,d1); k=0:0.05:200; figure(1);rlocus(s1,k) figure(2);nyquist(s1) k,poles=rlocfind(s1) Select a poi

9、nt in the graphics window selected_point = -97.7488 - 1.5528i k = 0.0391 poles = 1.0e+002 * -1.0248 -0.0376 + 0.1466i -0.0376 - 0.1466i 图1-5校正前系统的根轨迹 分离点-10与虚轴的交点为-97.7488 1.5528i，当取 -97.7488 - 1.5528i 点时，k=(0 0.0391) 1.9绘制系统校正前的Nyquist图，判断系统的稳定性，并说明理由。 图1-6校正前系统的耐奎斯特曲线 因为系统的耐奎斯特曲线顺时针包围（-1，j0）点1圈，所以

10、R=-1，没有实部为正的极点所以P=0，Z=P-R=1，闭环系统不稳定。 2、校正后的系统的性能分析 2.1滞后超前校正 题目中要求30/C rad s ,取C =35rad/s ，过C 处作一斜率为-20 dB/dec 的直线作为期望特性的中频段。 图2-1 为使校正后系统的开环增益不低于250rad/s ，期望特性的低频段应与未校正系统特性一致。而未校正系统的低频段斜率与期望特性的中频段斜率同为-20dB/dec ，即两线段平行，为此，需在期望特性的中频段与低频段之间用一斜率为-40 dB/dec 的直线作连接线。连接线与中频段特性相交的转折频率2距C 不宜太近，否则难于保证系统相角裕度的

11、要求。现按 10 5 2C C = 的原则 选取75 35 2= 为使校正装置不过于复杂，期望特性的高频段与未校正系统特性一致。由于未 -20db/dec -40db/dec -40db/dec 100 Wc0=69.8 10 -20db/dec -40db/dec Wc=35 -60db/dec W2=8 -20db/dec +20db/de c 校正系统高频段特性的斜率是-60dB/dec ，故期望特性中频段与高频段之间也应有斜率为-40 dB/dec 的直线作为连接线。 用未校正系统的特性L o 减去期望特性，就得到串联校正装置的对数幅频特性Lc,它表明，应在系统中串联相位滞后-超前校正

12、装置。 其传递函数为: ()()()() S T S T S aT S bT S G C 12121111)(+= 式中：143.0711 2 2= = bT 1.01011=aT b a 1= 由上图可以写出a K lg 20)lg (lg 20lg 20223510 =- 15.17=a 058.0=b 47.22=T 006.01=T 因此，串联滞后-超前校正装置的传递函数为 ()()()()() S S S S S G C 006.0147.211.01143.01+= 校正后系统的开环传递函数为 ()()()()() 101.01006.0147.21143.0600)()(0+=

13、=S S S S S S G S G S G C 2.2通过MATLAB 绘制出校正后系统的bode 图和校正后系统的单位阶跃响应图分别如： MATALAB 程序为： clear n1=600;d1=conv(conv(1 0,0.1 1),0.01 1); s1=tf(n1,d1); s2=tf(0.143 1,2.47 1); s3=tf(0.1 1,0.006 1); sope=s1*s2*s3; figure(1);margin(sope);hold on figure(2);sys=feedback(sope,1);step(sys) y,t=step(sys); c=dcgain(sys); max_y,k=max(y); tp=t(k) max_overshoot=100*(max_y-c)/c r1=1; while(y(r1) r2=1; while(y(r2) tr=t(r2)-t(r1) s=length(t); while y(s)0.98*c&y(s) ts=t(s) figure(3);sys=feedback(s1,1);impulse(sys) figure(4);step(k*n1,d1,0) ess=1-dcgain(sys)