自控课程设计报告.pdf

《自控课程设计报告.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自控课程设计报告.pdf（25页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、.-自动控制原理课程设计任务书自动控制原理课程设计任务书一、一、目的要求目的要求1.1.目的目的1.加深对自动控制原理中的一些基本概念的理解；2.掌握被控广义对象数学模型试验测试和辨识的方法；3.掌握闭环系统稳定性、稳态误差和动态响应质量的分析、计算和校正方法；4.经过对广义对象特性测试和闭环系统运行调试试验，提高实验动手能力；5.经过 MATLAB、Simulink 仿真计算，提高编程、仿真和计算能力。2.2.要求要求1.认真对待课程设计，集中全部精力，抓紧两周时间，圆满完成课程设计任务；2.认真听老师讲授课程设计，并做好笔记，消化内容，掌握自动控制系统一般的设计步骤和方法；3.学会用 MA

2、TLAB/Simulink 仿真计算方法，设计自动控制系统；4.认真做好测试和运行调试试验，仔细记录数据，分析实验结果；5.按规定认真写好课程设计报告。二、二、设计题目设计题目直流电动机转速自动控制系统设计三、三、质量指标要求质量指标要求1.给定转速：2000 转/分2.稳态误差：理论上ess0，实际系统稳态误差，为给定转速值的50003.动态质量指标：超调量：%5%.-可修编.-调节时间：ts0.5s四、四、完成时间：完成时间：2 周 80 学时课程设计报告正文（提纲）课程设计报告正文（提纲）第一章第一章 直流电动机转速自动控制系统的组成原理直流电动机转速自动控制系统的组成原理1.11.1广

3、义对象组成广义对象组成1.1.11.1.1 被控制对象直流电动机工作原理和被控制量被控制对象直流电动机工作原理和被控制量1.1.21.1.2 功率放大器电路及工作原理功率放大器电路及工作原理1.1.31.1.3 测速装置组成及工作原理测速装置组成及工作原理1.21.2 广义对象数学模型的建立广义对象数学模型的建立1.2.11.2.1 广义对象时间响应特性的测试广义对象时间响应特性的测试1.2.1.11.2.1.1测试实验原理图测试实验原理图1.2.1.21.2.1.2测试过程与方法测试过程与方法1.2.1.31.2.1.3测试结果曲线测试结果曲线1.2.21.2.2 数学模型辨识数学模型辨识1

4、.2.2.11.2.2.1辨识方法选择辨识方法选择1.2.2.21.2.2.2辨识结果：开环传递函数辨识结果：开环传递函数第二章第二章 转速控制系统的理论分析与计算转速控制系统的理论分析与计算2.12.1 未校正闭环控制系统的结构图未校正闭环控制系统的结构图2.22.2 未校正系统的稳定性分析未校正系统的稳定性分析.-可修编.-2.32.3 系统稳态误差计算系统稳态误差计算2.42.4 系统动态质量指标计算系统动态质量指标计算2.4.12.4.1用闭环零、极点分布计算用闭环零、极点分布计算%，ts ts2.4.22.4.2用开环用开环 L(w)L(w)、(c)c)、c c 表计算表计算%，ts

5、 ts2.52.5 计算结果说明（应加校正装置）计算结果说明（应加校正装置）第三章第三章 转速控制系统校正转速控制系统校正3.13.1 校正方式的比较与选择校正方式的比较与选择3.23.2 用用 BodeBode 图选择串联校正装置结构和参数图选择串联校正装置结构和参数第四章第四章 用用 MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink 仿真设计转速控制系统仿真设计转速控制系统4.14.1 未加校正装置的转速控制系统的仿真分析计算未加校正装置的转速控制系统的仿真分析计算4.1.14.1.1 用用 MATLABMATLAB 程序程序4.1.24.1.2 用用 simulinksimu

6、link 仿真仿真4.24.2 加串联校正装置时转速控制系统设计加串联校正装置时转速控制系统设计4.2.14.2.1 用用 simulinksimulink 仿真图仿真图4.34.3 确定所选校正装置的结构和参数确定所选校正装置的结构和参数第五章第五章 转速控制系统的校正装置实现和系统运行调转速控制系统的校正装置实现和系统运行调试试5.15.1 用模拟电路实现校正装置用模拟电路实现校正装置(如图如图 5.15.1 所示所示)5.25.2 数字校正装置数字校正装置5.2.15.2.1 校正装置的差分方程校正装置的差分方程5.2.25.2.2 选择选择 KpKp、Ki Ki（或（或 KpKp、Ti

7、 Ti）不同值组合调试、运行）不同值组合调试、运行第六章第六章 结束语结束语.-可修编.-6.16.1 课程设计的收获和体会课程设计的收获和体会6.26.2 建议建议第一章第一章 直流电动机转速自动控制系统的组成原理直流电动机转速自动控制系统的组成原理1.11.1 广义对象组成广义对象组成1.1.11.1.1 被控制对象直流电动机工作原理和被控制量被控制对象直流电动机工作原理和被控制量被控对象：电动机被控量：电动机的转速直流电动机的原理基于电磁感应定律，即：运动导体切割磁力线，在导体中产生切割电势；或者说匝线链线圈的磁通发生变化，在线全中产生感应电势。N 极下到导体中的电流流出纸面，用表示S

8、极下到导体中的电流流出纸面，用表示载流导体在磁场中受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度为 L，其中流过的电流为 i,导体所在的磁通密度为 B，那么导体受到的磁力的值为 F=BLI 式中，F 的单位为牛顿（N）；B 的单位为韦伯/米 2（Wb/m2）;L.-可修编.-的单位为米（m）；I 的单位为安（A）；力 F 的方向用左手定则来确定。1.1.21.1.2 功率放大器电路及工作原理功率放大器电路及工作原理功率放大器的作用是通过对控制信号的功率放大以产生足够的功率来驱动执行机构。功率放大器的工作原理就是利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。

9、因为声音是不同振幅和不同频率的波，即流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数。应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原来的倍的大信号，这种现象成了功率放大。而场效应管则是栅极变化一毫伏，原极电流变化一安，就成称跨导为1，功率放大器就是利用这些作用来实现小信号来控制大信号，从而使多级放大器实现了大功率输出，并非真的将功率放大了。1.1.31.1.3 测速装置组成及工作原理测速装置组成及工作原理测速部件是由市场上购买的光栅盘，参见图，配合着槽型光耦产生脉冲，再通过主控芯片计脉冲

10、数来实现测速的。光栅盘上有 200 个孔，对应车轮滚动一周，将有 200 个脉冲信号产生。车轮周长为0.167m，即车轮每转动一周，小车将移动 0.167m，也 将有 200 个脉冲产生，对应到每个脉冲车体移动距离为0.167m/200=0.000853m。这样在固定的时间段内计脉冲的个数就可以达到测速的目的。采用定时的时间间隔为 0.1s，实际车速 1m/s对应的脉冲数为 117个。车速脉冲对应公式：光栅盘及光藕vLNzT其中，v 为车速，L 为车轮的周.-可修编.-长，z 为栅盘的齿数，Ts 为时间间隔，N 为计到的脉冲数1.21.2 广义对象数学模型的建立广义对象数学模型的建立1.2.1

11、1.2.1 广义对象时间响应特性的测试广义对象时间响应特性的测试1.2.1.11.2.1.1 测试实验接线测试实验接线C2 模块的 puluse 孔B9 模块的 IRQ7(中断请求)B9 模块的 OUT1B9 模块的 IRQ6B9 模块的 1.22MHzB9 模块的 CLK11.2.1.21.2.1.2 测试过程与方法测试过程与方法运行“MATLAB”程序选择“控制系统”菜单下“直流电动机闭环调速”实验项目，再选择“开始实验”会弹出转速示波器界面，Kp=1,Ti=200,Td=0,T=0,点击开始，C2 的开关接到 ON,点击发送（尽量在两线重合后再点击），n（t）变化，观察大达到稳态，点击停

12、止，将C2 的开关接到 OFF，然后读数，将屏幕往左移，移到如下图，其中，n（x）=xn（）-n(0)+n(0),G（s）=(s)，1-(s)即可得到测试结果曲线。.-可修编.-1.2.1.31.2.1.3 测试结果曲线测试结果曲线由此图可得：nr=2000 转/分，n（）=1973 转/分，n（0）=176 转/分.-可修编.-由此图可得：n（8）=1621 转/分，t2=0.09s，而实际 n（8）=1613.6 转/由此图可得：n（4）=898 转/分，t1=0.03s，而实际 n（4）=895 转/分1.2.21.2.2 数学模型辨识数学模型辨识1.2.2.11.2.2.1 辨识方法选

13、择辨识方法选择时域法：通过测量对应特定输入信号的系统输出响应，来确定系统的传递函数。.-可修编.-按 t1/t2的值估计结构形式辨识当 t1/t20.32 可以用一阶惯性环节近似0(s)=ttk0,T=12，附加 e-ts(时间死区延迟)2.12T0S1当 0.32t1/t20.46,0(s)=K0/(T0S+1)n，n=（+0.5）2n=1-t1/t2t2t1T0=t1t22.16n.-可修编.-k0n2nn0/0s，由k%e0212100%确定，s2 2ns nnrn0由tp确定nd12n1.2.2.21.2.2.2 辨识结果：开环传递函数辨识结果：开环传递函数系统闭环传递函数为：(s)0

14、.985(0.0543S 1)(0.0017S 1)系统开环传递函数为：k0G(s)(s)T1s 1T2s 11(s)1k0.98500.0000927s20.056s 0.015T1s 1T2s 1.-可修编.-第二章第二章 转速控制系统的理论分析与计算转速控制系统的理论分析与计算2.12.1 未校正闭环控制系统的结构图未校正闭环控制系统的结构图简单模型建立的步骤有：1)建立模型窗口。2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口，对模块进行连接，从而构成需要的系统模块。num=0.985.-可修编.-den=0.0000927 0.056 0.015num,den=cloop(num,den)s

15、tep(num,den)grid onxlabel(t)ylabel(c(t)2.22.2 未校正系统的稳定性分析未校正系统的稳定性分析2.2.12.2.1 劳斯判据劳斯判据由于 D(S)=0.0000927S2+0.056S+0.015，所以由劳斯判据得：s20.00009270.015s10.0560s00.015由于劳斯判据中第一列数据符号无变化,可以判断出系统稳定。2.2.2 L(w)2.2.2 L(w)，（ww）判断）判断0.9852由 Go(s)=0.0000927s 0.056s 0.015可在 MATLAB 程序中运行得到Bode 图，程序及结果图如下：.-可修编.-num=0

16、.985;den=0.0000927 0.056 0.015;g=tf(num,den);marign(g)grid on由 Z=P-2N=0 得出系统是稳定的.2.32.3 系统稳态误差分析计算系统稳态误差分析计算2.3.12.3.1 终值定理计算终值定理计算ess limsesRSensNs limsesRS lims0s020002000 lims01GsGsHss01Gs1210 lim200030s00.98510.0000927s2 0.056s 0.015.-可修编.-2.3.22.3.2 稳态误差系数计算稳态误差系数计算由G0s65.67A2000知：系统型别为 0，e 30s

17、s20.00168s 3.7s 11 kp165.672.42.4 系统动态质量指标计算系统动态质量指标计算2.4.12.4.1用闭环零、极点分布计算用闭环零、极点分布计算%，ts ts(1)%：0s0.9852,2 604.1,.5nn107872s 604.1s 10787.5则有n103.9,2.911故该系统为过阻尼系统，则%0；(2)ts：0s0.982，0.054s 10.0017s 1T1 0.054,T2 0.0017,则tsT1 32,查图得：3.3，所以ts 3.3T1 0.178T2T12.4.22.4.2用开环用开环 L(w)L(w)、(c)c)、c c 表计算表计算%

18、，ts ts.-可修编.-num=0.985;den=0.0000927 0.056 0.015;g=tf(num,den);marign(g)grid on由于未校正前的1，所以可以暂时不计算%，ts2.52.5 计算结果说明（应加校正装置）计算结果说明（应加校正装置）A1 limG0(s)s0由上述数据 ess=2000300.9851 lims00.0000927s2 0.056s 0.015ts=0.183,应为调节时间满足 ts0.5s,需加校正系统消除静态误差。这时可以加入积分作用。在整定时积分系数 K1 由小逐渐增强，观察输出会发现，系统.-可修编.-的静差会逐渐减少甚至消除，知

19、道消除静差的速度满意为止。注意这时的超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例系数 Kp。.-可修编.-第三章第三章 转速控制系统校正转速控制系统校正3.13.1 校正方式的比较与选择校正方式的比较与选择3.1.13.1.1 选选 PIDPID 校正校正:（1）附加负实根极点，使%减小，使系统响应速度降低，tp 增大。（2）附加负实根零点，使%增加，使系统响应速度降低，tp 减小。（3）闭环增益改变，对动态性能无影响。（4）加比例环节可以提高系统增益。（5）加微分环节可以加快系统的调节时间。（6）加积分环节可以减慢系统的调节时间。.-可修编.-3.1.23.1.2 选选 PIPI 校正：校正：（

20、1）附加负实根极点，使%减小，使系统响应速度降低，tp 增大。（2）附加负实根零点，使%增加，使系统响应速度降低，tp 减小。（3）闭环增益改变，对动态性能无影响3.23.2 用用 BodeBode 图选择串联校正装置结构和参数图选择串联校正装置结构和参数如果比例控制系统的静差达不到设计要求，这时可以加入积分作用。在整定时积分系数 K1 由小逐渐增强，观察输出会发现，系统的静差会逐渐减少甚至消除，知道消除静差的速度满意为止。注意这时的超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例系数 Kp。第四章第四章 用用 MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink 仿真设计转速控制系统仿真设计

21、转速控制系统4.14.1 未加校正装置的转速控制系统的仿真分析计算未加校正装置的转速控制系统的仿真分析计算4.1.14.1.1 用用 MATLABMATLAB 程序程序.-可修编.-num=0.985den=0.0000927 0.056 0.015num,den=cloop(num,den)step(num,den)grid onxlabel(t)ylabel(c(t)由图得：ess=30,%=0,ts=0.183s4.1.24.1.2 用用 simulinksimulink 仿真仿真.-可修编.-存在静态误差，其他条件满足校正要求。4.24.2 加串联校正装置时转速控制系统设计加串联校正装

22、置时转速控制系统设计4.2.14.2.1 用用 simulinksimulink 仿真图仿真图PI 校正装置如下图：.-可修编.-k=1.kp=1,ki=-0.045,ts=0.175s由图可知：ts0.5,无超调并消除静态误差。4.34.3 确定所选校正装置的结构和参数确定所选校正装置的结构和参数PI 校正装置:2.1s 10.0167t 0.17,%0,e 0,sss3220000.00205s 1.2432s 0.333sGs第五章第五章 转速控制系统的校正装置实现和系统运行调转速控制系统的校正装置实现和系统运行调试试.-可修编.-5.15.1 用模拟电路实现校正装置用模拟电路实现校正装

23、置(如图如图 5.15.1 所示所示)PDPIPID图 5.15.25.2 数字校正装置数字校正装置5.2.15.2.1 校正装置的差分方程校正装置的差分方程PD 装置：GC（S）=Kp（1+TDS）PI 装置：GC（S）=Kp（1+1/TIS）PID 装置：GC（S）=Kp（1+1/TIS+1/TDS）5.2.25.2.2 选择选择 KpKp、Ki Ki（或（或 KpKp、Ti Ti）不同值组合调试、运行）不同值组合调试、运行Kp=1,Ti=175,ts=0.17s.-可修编.-.-可修编.-第六章第六章 结束语结束语6.16.1 课程设计的收获和体会课程设计的收获和体会通过课程设计，我们将

24、理论与实践更好的联系起来，通过不断尝试校正，不断修改参数，我们从中掌握了 PI 校正的一般规律，并且加深了对理论知识的理解。经过本次自动控制原理实验的学习，我对 MATLAB 当中的 SIMLINK 有了全新的认识，那是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。同时通过课程的学习，复习了 SIMLINK 中的各个环节的操作，掌握了改变步长和算法的基本分析方法对我们三本学生来讲，要想立足于社会实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。这也是一次预演和准备毕业设计工作。通过课程设计，让我找出自身情况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能里准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。6.26.2 建议建议1、建议课程设计安排在学完此课程的下一个学期，这样大家可以对课程的有一个全方位的了解，也能保证课程设计的质量。2、在以后的学习中，希望有更多的机会能参加实践，提高动手能力，为就业多做准备。.-可修编.-.-可修编.