自動控制原理課程設(shè)計-多容水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

1、 引言自動控制原理課程是自動化類專業(yè)的核心課程，它涉及到控制系統(tǒng)的分析設(shè)計參數(shù)的整定等多種問題，包括古典控制理論,現(xiàn)代控制理論等。作為電氣工程及其自動化專業(yè)的學(xué)生，學(xué)好這門課程，對以后的工作或是進一步的深造都有很大的幫助。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器，設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。2、 設(shè)計課題 多容水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)單位反饋的多容水箱水位控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：Error! No bookmark name given. ，用頻域設(shè)計滯后超前校正裝置，使校正后系統(tǒng)滿足以下指標(biāo)：單位斜坡信號作用下速度誤差系數(shù); 校正后相位裕量，時域性能指標(biāo)：超調(diào)量30，調(diào)整時間； 。三、課程設(shè)計的目的及要求 通過課程設(shè)計，在掌握自動控制理論基本原理、一般電學(xué)系統(tǒng)自動控制方法的基礎(chǔ)上，用MATLAB實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真與調(diào)試。要求根據(jù)所學(xué)控制理論知識（頻率法或根軌跡法）進行人工設(shè)計校正裝置，初步設(shè)計出校正裝置傳遞函數(shù)形式及參數(shù)。要求在MATLAB下，用simulink進行狀態(tài)仿真，在計算機上對人工設(shè)計系統(tǒng)進行仿真調(diào)試，使其滿足技術(shù)要求；確定校正裝置的電路形式及電路參數(shù)；完成設(shè)計報告。4、 設(shè)計過程及步驟（1） 設(shè)計思想在分析設(shè)計時，應(yīng)用頻域法設(shè)計滯后超前校正裝置，其中超前校正部分可以提高系統(tǒng)的相角裕量，同時使頻帶變寬，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性；滯后校正部分則主要用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。 頻率法設(shè)計校正裝置主要是通過對數(shù)頻率特性（Bode圖）來進行。開環(huán)對數(shù)頻率特性的低頻段決定系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)確定低頻段的斜率和高度。為保證系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕量，開環(huán)對數(shù)頻率特性在剪切頻率附近的斜率應(yīng)為20，而且應(yīng)具有足夠的中頻寬度，為抑制高頻干擾的影響，高頻段應(yīng)盡可能迅速衰減?；陬l率法校正的基本思想是：首先研究怎樣改造原有系統(tǒng)的頻率特性，才能使系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足要求；然后根據(jù)改造原系統(tǒng)頻率特性的要求，確定在原系統(tǒng)中需要附加的校正裝置；最后我們確定校正裝置的電路形式及電路參數(shù)。 (2)設(shè)計過程根據(jù)單位斜坡信號作用下速度誤差系數(shù)可以求得，所以系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：繪制值下的系統(tǒng)的Bode圖MATLAB程序為： num=10; f1=1,0;f2=1,1;f3=0.25,1; den=conv (f1,conv(f2,f3); bode(num,den) 1.由公式計算得未校正系統(tǒng)的剪切頻率，系統(tǒng)未校正時的相角裕量 求得幅值裕量為+8dB 得未校正時系統(tǒng)的頻率為2，校正裝置在此頻率產(chǎn)生一個-8dB的增益，由以上條件及，可解得校正裝置的參數(shù)選取 所以從圖上可得，即超前部分第二個轉(zhuǎn)折頻率選取，得超前部分傳遞函數(shù)為2.為了補償超前校正部分帶來的幅值衰減，可串入一放大器，放大倍數(shù)；與超前部分同理可以求得滯后部分的第二個轉(zhuǎn)折頻率為并選取=10，則滯后部分的第一個轉(zhuǎn)折頻率為故滯后部分的傳遞函數(shù)為 3.綜合以上內(nèi)容可得滯后超前校正裝置的傳遞函數(shù)為由此可作出校正后的Bode圖如下所示：MATLAB程序為： f1=2,1;f2=5,1; num=conv(f1,f2); f3=0.2,1;f4=50,1; den=conv(f3,f4); bode(num,den)則 校正后的系統(tǒng)的Bode圖如下所示:MATLAB程序為： f1=5,1;f2=2,1;num=10*conv(f1,f2); f3=1,0;f4=1,1;f5=0.25,1;f6=0.2,1;f7=5,10; den=conv(f3,conv(f4,conv(f5,conv(f6,f7); bode(num,den) 校驗校正后系統(tǒng)的相角裕量為， 4.時域性能指標(biāo)的要求：對超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間要轉(zhuǎn)換到開環(huán)頻率域的性能指標(biāo) 因為 由最大超調(diào)量 = 而 =2.64754.1266s 驗證校正后的系統(tǒng)是否滿足設(shè)計的要求（時域指標(biāo)與頻域指標(biāo)） 很明顯滿足相角裕量條件和時域指標(biāo)要求。5、 用Simulink對系統(tǒng)進行動態(tài)仿真 為進一步驗證校驗后系統(tǒng)的性能，我們用Simulink對系統(tǒng)進行動態(tài)仿真1.系統(tǒng)未校正時在單位斜坡信號作用下的響應(yīng)曲線 MATLAB程序為： %G0(s) Unit-Ramp Response% num1=10; den1=0.25,1.25,1,10,0,0; t=0:0.1:20; y1,z1,t=step(num1,den1,t); plot(t,y1,-); grid2 系統(tǒng)校正后在單位斜坡信號作用下的響應(yīng)曲線: MATLAB程序為： %Gc(s)G0(s) Unit-Ramp Response % num2=conv(2.,1,5,1); den2=conv(1,0,conv(1,0,conv(1,1,conv(0.25,1,conv(0.2,1,50,1); t=0:0.1:20; y2,z2,t=step(num2,den2,t); plot(t,y2,-); grid由以上兩圖比較可得，校正后系統(tǒng)的穩(wěn)定性變好，單位斜波信號響應(yīng)曲線緩慢上升，平滑過渡，達到了預(yù)期的校正目的6、 校正電路的電路形式及電路參數(shù)滯后超前校正裝置的傳遞函數(shù)為又因為 由對應(yīng)關(guān)系可求得：= = = =則滯后超前的電路圖如下七、總結(jié)及心得體會對不穩(wěn)定系統(tǒng)進行設(shè)計調(diào)整使其達到穩(wěn)定狀態(tài)必須綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)過程的相互制約和平衡關(guān)系，根據(jù)具體工作環(huán)境有所側(cè)重，努力達到最佳設(shè)計效果，滿足工業(yè)環(huán)境中對自動控制裝置的性能要求。 經(jīng)過將近一周的收集整理材料，終于完成了這個課程設(shè)計，期間雖然遇到了許多困難，但得到了諸多同學(xué)的幫助，在這里要向他們道一聲謝謝。 課程設(shè)計是實踐課的一種，在很大程度上實現(xiàn)了動手與動腦。通過此次自動控制原理課程設(shè)計，使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。但在設(shè)計過中程因為能力有限，許多細(xì)節(jié)問題可能還沒有提到，我也知道要真正的掌握好還需要今后更多的學(xué)習(xí)，所以在今后我會