位置随动系统的滞后超前校正设计论文毕业文章论文毕业文章.pdf

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1、 课程设计 题目 学院 专业 班级 姓名 指导教师 控制系统的超前校正设计 自动化学院 自动化专业 1003 班 肖纯 2012 年 12 月 20 日 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 课程设计任务书 学生姓名：专业班级：自动化 1003 班 指导教师：肖纯 工作单位：自动化学院 题 目:位置随动系统的滞后-超前校正设计 初始条件：图示为一位置随动系统，测速发电机 TG 与伺服电机 SM 共轴，右边的电位器 与负载共轴。放大器增益为 Ka=40，电桥增益 K=5测,速电机增益 kt=2，Ra=6，La=12mH，J=0.0065kg.m2,Ce=Cm=0.35N m/A,f=0.2N

2、m s,i=0.1。其中，J 为折 算到电机轴上的转动惯量，f 为折算到电机轴上的粘性摩擦系数，i 为减速比。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）求出系统各部分传递函数，画出系统结构图、信号流图，并求出闭 环传递函数；（2）求出系统的截止频率、相角裕度和幅值裕度，并设计超前校正装置，使得系统的相角裕度增加 10 度；（3）用 Matlab 对校正前后的系统进行仿真分析，比较其时域响应曲线有 何区别，并说明原因；（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，并包含 Matlab 源程序或 Simulink 仿真模

3、型，说明书 的格式按照教务处标准书写。武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 时间安排：指导教师签名：年月 日系主任（或责任教师）签名：年月 日 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 目录 1 系统传递函数分析 .5 1.1 位置随动系统原 理 .5 1.2 部分电路分 析 .6 1.3 各部分元件传递函 数 .7 1.4 位置随动系统的结构框图及信号流 图 .7 1.5 位置随动系统的传递函 数 .8 2 位置随动系统的超前校正 .9 2.1 串联超前校正原 理 .9 2.2 校正前系统参数求 解 .9 2.3 超前校正装置系统的求 解 .10 2.4 校正结果检 验 .12 3 校正前后

4、时域响应曲线的比较 .12 4 总结体会 .14 大学自动控制原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名专业班级自动化班指导教师肖纯工作单位自动化学院题目位置随动系统的滞后超前校正设计初始条件图示为一位置随动系统测速发电机与伺服电机共轴右边的电位器与负载减速比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求出系统各部分传函数画出系统结构图信号流图并求出闭环传函数求出系统的截止频率相角裕度和幅值裕度并设计超前校正装置使得系统的相课程设计说明书说明书中必须写清楚分析计算的过程并包含源程序或仿真模型说明书的格式按照教务处标准书写武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书时间安排指

5、导教师签名年月日系主任或责任教师签名年月日武汉理工大学自参考文献 .15 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 位置随动系统的滞后-超前校正设计 1 系统传递函数分析 1.1 位置随动系统原理 位置随动系统通常由测量元件、放大元件、伺服电动机、测速发电机、齿轮 系以 及绳轮等基本环节组成，它通常采用负反馈控制原理进行工作，其原理图如 图 1 所示。图 1 位置随动系统原理图 在图 1 中，测量元件为由电位器组成的桥式测量电路。负载就固定在电位器的滑 臂上，因此电位器的输出电压 Uc 和输出位移成正比。当输入位移变化时，在电 桥的两端得到偏差电压 U=Ur-Uc，经放大器放大后驱动伺服电机，并

6、通过齿轮 系带动负载移动，使偏差减小。当偏差 U=0时，电动机停止转动，负载停止移 动。此时 =表L,明输出位移与输入位移相对应。测速发电机反馈与电动机速度 成正比，用以增加阻尼，改善系统性能。假设是发送电位器的转角按逆时针方向 增加一个角度，而接受电位器没有同 时旋转这样一个角度，则两者之间将产生 角度偏差。相应地，产生一个偏差电压，经放大器放大后得到 Ua，供给直流 电动机，使其带动负载和接受电位器的动笔一起旋转，直到两角度相等为止，即 完成反馈。武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 1.2 部分电路分析 a)自整角机：作为常用的位置检测装置，将角位移或者直线位移转换成模 拟电压信号的幅

7、值或相位。自整角机作为角位移传感器，在位置随动系统中是成 对使用的。与指令轴相连的是发送机，与系统输出轴相连的是接收机。U(t)=k -r(ct()t)=k 在零初(t)始 条下，拉式变换为：U(s)=K 功(s)率 b放)大器：ua(t)=kau(t)-ut(t)在零初始条件下，拉式变换为：ua(s)=kau(s)-ut(s)c)电枢控制直流电动机：大学自动控制原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名专业班级自动化班指导教师肖纯工作单位自动化学院题目位置随动系统的滞后超前校正设计初始条件图示为一位置随动系统测速发电机与伺服电机共轴右边的电位器与负载减速比要求完成的主要任务包括课程设计工作量及

8、其技术要求以及说明书撰写等具体要求求出系统各部分传函数画出系统结构图信号流图并求出闭环传函数求出系统的截止频率相角裕度和幅值裕度并设计超前校正装置使得系统的相课程设计说明书说明书中必须写清楚分析计算的过程并包含源程序或仿真模型说明书的格式按照教务处标准书写武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书时间安排指导教师签名年月日系主任或责任教师签名年月日武汉理工大学自Td m(t)m dt2+d m(t)dt=kmua(t)在零初始条件下，拉式变换为：(Tms2+s)m(s)=kmua(t)d直)流测速电动机：ut(t)=kd m(t)t dt 在零初始条件下，拉式变换为：ut(s)=kts m(s减)

9、e速)器：c(t)=1 i m(t)在零初始条件下，拉式变换为：1)2)3)4)5)6)7)8)9)(武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 c(s)=1 i m(s)(10)1.3 各部分元件传递函数 Gus(s)1(s)=a)电桥?)=k s(s b)G(s)大器 2(s)=uau(s)=ka c)G3(s)=ut(s)=kts速机 m(s)d)G m(s)4(s)=机 u)=km a(ss(Tms+1)TaJmm=RR=6*0.0065+0.35*0.35=0.03 afm+CmCe6*0.2 kCm 0.35 m=(Rafm+CmCe)（6*0.2+0.35*0.35）=1.3225e

10、）G5（s）=速器c（s）=1m（si 1.4 位置随动系统的结构框图及信号流图 1 如图 2 所示为位置随动系统的结构框图。（11）放（12）测（13）电（14）（15）16）减（17）（武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 图 2 位置随动系统的结构框图 2.如图 3所示为位置随动系统的信号流图。?km u u 大学自动控制原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名专业班级自动化班指导教师肖纯工作单位自动化学院题目位置随动系统的滞后超前校正设计初始条件图示为一位置随动系统测速发电机与伺服电机共轴右边的电位器与负载减速比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

11、求出系统各部分传函数画出系统结构图信号流图并求出闭环传函数求出系统的截止频率相角裕度和幅值裕度并设计超前校正装置使得系统的相课程设计说明书说明书中必须写清楚分析计算的过程并包含源程序或仿真模型说明书的格式按照教务处标准书写武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书时间安排指导教师签名年月日系主任或责任教师签名年月日武汉理工大学自 1 图 3 位置随动系统的信号流图 1.5 位置随动系统的传递函数 由图(3)可以写出开环传递函数 G(s)=k kakm5*40*1.3225.1 Tms2+(ktkakm+1)s0.03*s2+(2*40*1.3225+1)s(18)2645 0.03s2+106.8

12、s 闭环传递函数为(s)=5*40*1.3225.1=0.03*s2+(2*40*1.3225+1)s+5*40*1.32250.1 2645(19)=2 0.03s+106.8s+2645 k kakmTms2+（ktkakm+1）s+k kakm8 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 2 位置随动系统的超前校正 2.1 串联超前校正原理 串联超前校正的传递函数为：Gc（s）=一般设计步骤：1+aTs,a1（20）1+Ts（1）根据给定的稳态性能指标，确定系统的开环增益 K。（2）利用（1）求得的 K，绘制未校正前系统的伯德图。（3）在伯德图上量取未校正系统的相位裕度和幅值裕度，并计算为

13、使相位裕度 达到给定指标所需补偿的超前相角?=-0+。其中，为给定的相 位裕度指标，0为未校正系统的相位裕度，为附加的角度。大学自动控制原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名专业班级自动化班指导教师肖纯工作单位自动化学院题目位置随动系统的滞后超前校正设计初始条件图示为一位置随动系统测速发电机与伺服电机共轴右边的电位器与负载减速比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求出系统各部分传函数画出系统结构图信号流图并求出闭环传函数求出系统的截止频率相角裕度和幅值裕度并设计超前校正装置使得系统的相课程设计说明书说明书中必须写清楚分析计算的过程并包含源程序或仿真模型说明

14、书的格式按照教务处标准书写武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书时间安排指导教师签名年月日系主任或责任教师签名年月日武汉理工大学自（4）选取?m=?，并由 a=1+sin?m求出 a。1-sin?m（5）为使超前校正装置的最大超前相角出现在校正后系统的截止频率 c 上，即 m=c取未校正系统幅值为-10lga（dB）时的频率作为校正后系统的的 截止频率 c。大学自动控制原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名专业班级自动化班指导教师肖纯工作单位自动化学院题目位置随动系统的滞后超前校正设计初始条件图示为一位置随动系统测速发电机与伺服电机共轴右边的电位器与负载减速比要求完成的主要任务包括课程设计工

15、作量及其技术要求以及说明书撰写等具体要求求出系统各部分传函数画出系统结构图信号流图并求出闭环传函数求出系统的截止频率相角裕度和幅值裕度并设计超前校正装置使得系统的相课程设计说明书说明书中必须写清楚分析计算的过程并包含源程序或仿真模型说明书的格式按照教务处标准书写武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书时间安排指导教师签名年月日系主任或责任教师签名年月日武汉理工大学自(6)由 m=1 T 计算参数 T，并写出超前校正的传递函数。2.2 校正前系统参数求解 求解校正前系统的参数的源程序如下。num=2645;den=0.03,106.8,0;%校正前系统参数 margin(num,den);%构造相

16、位裕度及幅值裕度 kg,r=margin(num,den)%求解相位裕度及幅值裕度 程序运行后得到：武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 kg=Inf r=89.6014 从而得到幅值裕度为无穷大，相位裕度为=89.6014，截止频率 c为 24.8rad/s。2.3 超前校正装置系统的求解(1)绘制未校正前系统的伯德图 由校正前系统的开环传递函数，可利用程序绘制伯德图，如图 4 所示，源程序如 下。num=2645;den=0.03,106.8,0;%校正前系统参数 bode(num,den)%绘制校正前系统伯德图 grid;%绘制网格 大学自动控制原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名

17、专业班级自动化班指导教师肖纯工作单位自动化学院题目位置随动系统的滞后超前校正设计初始条件图示为一位置随动系统测速发电机与伺服电机共轴右边的电位器与负载减速比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求出系统各部分传函数画出系统结构图信号流图并求出闭环传函数求出系统的截止频率相角裕度和幅值裕度并设计超前校正装置使得系统的相课程设计说明书说明书中必须写清楚分析计算的过程并包含源程序或仿真模型说明书的格式按照教务处标准书写武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书时间安排指导教师签名年月日系主任或责任教师签名年月日武汉理工大学自图 4 校正前系统伯德图（2）求解校正系统所需

18、补偿的超前相角。（3）求解参数 a。?=-0+=10+10=2（0 21）武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 a=1+sin?m1+sin20=2.041-sin?m1-sin20（22）（4）确定系统校正后的截止频率。因 为-10loga=-10log2.04=-3.1（2 3）所 以 如图 5 所示，当幅值为-3.1 时所对应的频率即为系统校正后的截止频率。所以，截止频率为 c=m=36rad/s 图 5 校正后系统截止频率的确定 （24）（5）参数 T 的求解。T=（25）1m=12.04?36=0.019（6）得到超前校正的传递函数 Gc（s）=1+aTs1+1.698?0.019

19、s1+0.032s=1+Ts1+0.019s1+0.019s 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书（26）从而得到校正后系统的开环传递函数为：G（s）Gc（s）=（27）26451+0.032s0.03s2+106.8s1+0.019s 2.4校正结果检验 利用 MATLAB 程序求解出校正后系统的相位裕度，源程序如下。num=2645*0.032,2645;den=0.03*0.019,106.8*0.019+0.03,106.8,0;%滞后校正后系统参数 margin（num,den）;%构造相位裕度及幅值裕度 kg,r=margin（num,den）%求解相位裕度及幅值裕度 运行结果为

20、：kg=Inf r=103.6379 可见，校正后系统的相位裕度与校正前相比增大了不止 10 度，可见，这个超前 校正装置满足要求。3 校正前后时域响应曲线的比较 经过以上的求解，可以确定了系统校正前后的闭环函数，通过使用 MATLAB 软 件编程可以绘制出系统校正前后的时域响应曲线，通过曲线的比较可以发现通过 超前校正，系统校正前后有着怎样的不同。以下以系统在单位阶跃信号作用下校 正前后的相应曲线为例，来对系统进行分析。MATLAB 源程序如下。num=2645;大学自动控制原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名专业班级自动化班指导教师肖纯工作单位自动化学院题目位置随动系统的滞后超前校正设

21、计初始条件图示为一位置随动系统测速发电机与伺服电机共轴右边的电位器与负载减速比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求出系统各部分传函数画出系统结构图信号流图并求出闭环传函数求出系统的截止频率相角裕度和幅值裕度并设计超前校正装置使得系统的相课程设计说明书说明书中必须写清楚分析计算的过程并包含源程序或仿真模型说明书的格式按照教务处标准书写武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书时间安排指导教师签名年月日系主任或责任教师签名年月日武汉理工大学自den=0.03,106.8,2645;%校正前系统参数 step(num,den);%绘制校正前系统单位阶跃响应 hold

22、 on num2=2645*0.032,2645;武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 den2=0.03*0.019,106.8*0.019+0.03+0.03,106.8+0.032*2645,2645;%校正后系统参数 step(num2,den2);%绘制校正后系统单位阶跃响应 所绘制的曲线如图 6 所示。通 过对于曲线的观察，可以发现校正后系统的动态相应速度变快了，直观得变现为 系统的上升时间减小了。之所以会有这样的变化时因为超前校正的基本原理就是利用了超前相角补偿系统 的滞后相角，改善系统的动态性能，如增加相位裕度，提高系统的稳定性。但是 同时，因为系统的截止频率增加了，使得系统

23、的带宽也相应的增加，从而导致系 统对于高频信号的抑制作用降低，使得系统的抗干扰能力下降。图 6 校正前后系统时域响应曲线对比 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 4 总结体会 通过这次自控课程设计，我更加清楚的了解了关于系统校正，参数设计的过程和 原理。也对 matlab软件的应用更加熟悉。将课堂上学到的只是应用于实践，需要 我们下一番功夫，这对我们的学习能力，素质水平都有很大的促进作用。在随动 系统的建模上，经过讨论，分析，仿真。找出了符合要求的随动系统模型。同时 根据课设的初始条件，选择参数，计算传递函数。在模型建立好，参数选择合适 的前提下，计算出传递函数。在设计校正装置，根据大学自

24、动控制原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名专业班级自动化班指导教师肖纯工作单位自动化学院题目位置随动系统的滞后超前校正设计初始条件图示为一位置随动系统测速发电机与伺服电机共轴右边的电位器与负载减速比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求出系统各部分传函数画出系统结构图信号流图并求出闭环传函数求出系统的截止频率相角裕度和幅值裕度并设计超前校正装置使得系统的相课程设计说明书说明书中必须写清楚分析计算的过程并包含源程序或仿真模型说明书的格式按照教务处标准书写武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书时间安排指导教师签名年月日系主任或责任教师签名年月日武汉理工大学自

25、题目的要求，求出合理的校 正网络的传递函数，结果基本符合要求。最后就是校正前后的性能比较。学会仿 真软件又是我要掌握的一项。在经过学习，请教后，我能轻松的画出自己想要的 图形。看着最终的成果，还是觉得受益匪浅的。这次课程设计，让我们有机会将 课堂上所学的理论知识运用到实际中。并通过对知识的综合利用，进行必要的分 析，比较。从而进一步验证了所学的理论知识。同时，这次课程设计也为我们以 后的学习打下基础。指导我们在以后的学习，多动脑的同时，也可以动动手。善 于自己去发现并解决问题。武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 参考文献 1 胡寿松.自动控制原理第五版.科学出版社,2007.2 Mohan

26、dMokhtari,Michel Marie.赵彦玲，吴淑红，译.MATLAB 与 SIMULINK 工 程应用M，北京：电子工业出版社，2002 3 刘金琨，先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真M.北京：电子工业出版社，2003 大学自动控制原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名专业班级自动化班指导教师肖纯工作单位自动化学院题目位置随动系统的滞后超前校正设计初始条件图示为一位置随动系统测速发电机与伺服电机共轴右边的电位器与负载减速比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求出系统各部分传函数画出系统结构图信号流图并求出闭环传函数求出系统的截止频率相角裕

27、度和幅值裕度并设计超前校正装置使得系统的相课程设计说明书说明书中必须写清楚分析计算的过程并包含源程序或仿真模型说明书的格式按照教务处标准书写武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书时间安排指导教师签名年月日系主任或责任教师签名年月日武汉理工大学自4 王琦，高军锋等 MATLAB 基础与应用实例集萃北京：人民邮电出版社，2007 5 王万良.自动控制原理。北京：高等教育出版社，2008.武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 本科生课程设计成绩评定表 武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书 指导教师签字：年月日大学自动控制原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名专业班级自动化班指导教师肖纯工作单位

28、自动化学院题目位置随动系统的滞后超前校正设计初始条件图示为一位置随动系统测速发电机与伺服电机共轴右边的电位器与负载减速比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求出系统各部分传函数画出系统结构图信号流图并求出闭环传函数求出系统的截止频率相角裕度和幅值裕度并设计超前校正装置使得系统的相课程设计说明书说明书中必须写清楚分析计算的过程并包含源程序或仿真模型说明书的格式按照教务处标准书写武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书时间安排指导教师签名年月日系主任或责任教师签名年月日武汉理工大学自 6.答弼（25 分）总分 最终评定成绩（以优.良、中.及格.不及格评定）大学自动控制原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名专业班级自动化班指导教师肖纯工作单位自动化学院题目位置随动系统的滞后超前校正设计初始条件图示为一位置随动系统测速发电机与伺服电机共轴右边的电位器与负载减速比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求出系统各部分传函数画出系统结构图信号流图并求出闭环传函数求出系统的截止频率相角裕度和幅值裕度并设计超前校正装置使得系统的相课程设计说明书说明书中必须写清楚分析计算的过程并包含源程序或仿真模型说明书的格式按照教务处标准书写武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书时间安排指导教师签名年月日系主任或责任教师签名年月日武汉理工大学自