自动控制原理课程设计模板.docx

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1、自动控制原理课程设计模板 自动控制原理 课程设计 姓名： 学号： 班级：14电气1班 专业：电气工程及其自动化 学院：电气与信息工程学院注：姓名、学号、班级等都居中（此行删除） 2022年6月 目录 一、设计目的 (2) 二、设计任务 (2) 三、具体要求 (2) 四、设计原理概述 (2) 五、设计方案及分析 (3) I手工设计 (3) II计算机编程设计 (7) 1观察原系统性能指标 (7) 2校正方案确定及校正结果分析 (11) （1）采用串联超前网络进行系统校正 (11) （2）采用串联滞后网络进行系统校正 (12) （3）采用串联滞后-超前网络校正 (15) 六、结束语 (20) 模拟

2、PID闭环温度控制系统的设计与实现 一、设计目的 （1）掌握PID控制规律及控制器的实现； （2）了解模拟PID闭环控制系统的各部分构成； （3）掌握模拟PID调节器的设计和参数调整的方法； （4）掌握使用Simulink建立PID控制器及构建系统模型与仿真方法。 二、设计任务 （1）使用实验箱搭建系统模拟实现电路，测量温度与电压的关系；（2）使用Simulink进行PID控制器设计和仿真，并给出仿真结果。 五、设计方案及分析 I 、手工设计 1）由开环增益要求，得K 100，取K=100。 2）根据开环频域特征量（和）与时域指标（s t %和）之间的关系近似公式，%100)1sin 1(4.

3、016.0%?-+=（?9035）、)1s i n 1(5.2)1s i n 1(5.12t 2-+-+=c s （?9035）将题目中系统的时域指标转化为频域指标：%30)1sin 1( 4.016.0p 47.79，取?=8.47*； 5.0)1sin 1(5.2)1sin 1(5.12t 217.787，经计算比较，多次计算比较的Matlab 程序如下： s=tf(s); G0=100/(s*(0.1*s+1)*(0.025*s+1); %原系统开环传递函数 wc=25; expPm=47.8; Pm=(pi/2-atan(wc/10)-atan(wc/40)*180/pi; phim=

4、expPm-Pm+6; a=(1+sin(phim*pi/180)/(1-sin(phim*pi/180); wC=sqrt(a)*wc; wD=wc/sqrt(a); wE=0.1*wc; w0=1000/wc; wF=wD*wE/w0; Gc1=(s/wE+1)/(s/wF+1) Gc2=(s/wD+1)/(s/wC+1) G=Gc1*Gc2*G0 计算比较后发现，25c =时可满足调节时间要求，所以取* c =25； 3）绘制未校正系统的开环对数幅频曲线如图1中红色线所示。确定截止频率和相角裕度。 100100c ?= =1010 78.20-40 arctan 10arctan -90

5、-180000=-=c c w w 图1 串联滞后-超前校正过程 原系统不稳定，原开环系统在25*c =处相角储备量?-=2.10)(* c c 。?=+-=+=?c jw ， 对手工设计的进行Simulink 仿真，其系统框图如图2所示 图2 手工设计后的Simulink 系统框图 点击”start simulation ”按钮后，双击示波器，其示波器参数如图3所示 图3 手工设计后的Simulink 系统框图中示波器参数（局部放大） 由图可以看出，手工设计后系统的超调量小于15%，调节时间小于0.4s ，即s t s 5.0%30p ，设计要求全部满足。 II 、计算机编程设计 1 观察原

6、系统性能指标 1）使用MATLAB 编写程序观察原系统的频率特性及阶跃响应。程序如下： s=tf(s); G0=100/(s*(0.1*s+1)*(0.025*s+1); %原系统开环传递函数 Gm,Pm=margin(G0); %返回系统相对稳定参数 margin(G0) %绘制系统Bode 图 figure; step(feedback(G0,1) %系统单位阶跃响应 程序运行结果得到系统Bode 图和阶跃响应，分别如图4和图5所示。 图4 校正前的系统Bode图 (a) 系统阶跃响应曲线(b) 系统阶跃响应曲线(局部放大) 图5 校正前系统的单位阶跃响应 2）用MATLAB编写程序观察原

7、系统的闭环系统Bode图。程序如下：s=tf(s); G0=100/(s*(0.1*s+1)*(0.025*s+1); %原系统开环传递函数 G1=G0/(1+G0); %原系统闭环传递函数 Gm,Pm=margin(G1); %返回系统相对稳定参数 margin(G1) %绘制系统Bode图 校正前的闭环系统Bode图如图6所示： 图6 校正前的闭环系统Bode图 3）使用Simulink观察系统性能 在Simulink新建系统模型，如图7所示。 图7 原系统模型 选中并单击示波器模块，可查看系统阶跃响应，如图8所示。 图8 系统的Simulink 仿真结果 3）使用EWB 工具建立模拟实际

8、电路。 EWB 是Electronics Workbench 软件的缩写，是一种在电子技术工程与电子技术教学中广泛应用的优秀计算机仿真软件，专门用于电子线路仿真实验与设计的“虚拟电子工作平台”。该软件的主要特点是：电子计算机图形界面操作，使用它可以实现大部分模拟电子线路与数字电子线路实验的功能，易学、易用、真实、准确、快捷和方便。 未校正系统的传递函数 )140)(110(s 100 +S s 可分解为以下三级传函级联形式：) 1025.0)(101.0(01.01+s s s 其中，1/(0.1s+1)惯性环节、1/0.01s 积分环节和1/(0.025s+1)惯性环节可分别用以下有源校正装

9、置表示，如图9所示。 （a）惯性环节（b）积分环节（c）惯性环节 图9 系统各环节表示 由图5中各环节组合并使用EWB搭建的模拟实际电路如图10所示。 图10 使用EWB搭建的模拟实际电路图 在系统的仿真中，用键盘上的空格键控制开关的打开、关闭，这样就可以得到一个阶跃信号。由此得出如图11所示的模拟实际电路图的仿真运行结果。 图11 模拟实际电路图的仿真运行结果 4）对原系统的性能分析。 由以上对校正前系统的分析结果可知，系统的裕度Pm=-55.1度（穿越频率12.4rad/s）和相角裕度远小于0度，截止频率较大。从系统阶跃响应结果和模拟系统搭建的电路仿真结果看，结果是一致的。因此，系统需要进行校正。 2.校正方案确定及校正结果分析 根据需要，拟首先尝试采用较为简单的串联超前网络或滞后网络进行校正。如果均无法达到设计要求，再使用滞后-超前网络校正。 （1）采用串联超前网络进行系统校正