-課程設(shè)計電氣1403劉鵬11

1、武漢理工大學(xué)自動控制原理A課程設(shè)計說明書摘要 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，而自動控制理論是自動控制科學(xué)的核心。自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入單輸出的線形定常數(shù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題?！?】 在已知一個自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式及其全部參數(shù)的基礎(chǔ)上，研究其穩(wěn)定性條件，以及在典型輸入信號的作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)定、瞬態(tài)性能與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)與輸入信號之間的關(guān)系問題，稱為系統(tǒng)分析問題。在實際工程中，往往提出另外一個問題

2、，即根據(jù)希望的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)性能指標(biāo)，研究如何建立滿足性能要求的控制系統(tǒng)，這稱為系統(tǒng)設(shè)計問題。在控制理論課程中，控制系統(tǒng)的設(shè)計問題主要是指校正裝置的設(shè)計。 本次課程設(shè)計要求利用串聯(lián)滯后校正網(wǎng)絡(luò)來校正系統(tǒng)以改善系統(tǒng)性能，首先分析原有系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)性能情況，再根據(jù)原有系統(tǒng)和初始條件要求來確定滯后校正系統(tǒng)參數(shù)，然后利用MATLAB軟件分析校正后的系統(tǒng)是否達到設(shè)計要求及其性能。關(guān)鍵字：自動控制 滯后校正 系統(tǒng)校正 MATLAB 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)分析131.設(shè)計目的、要求及原理1.1 設(shè)計目的 通過增加一個滯后校正裝置，確定其最適合參數(shù)來改變系統(tǒng)性能。1.2 設(shè)計要求要求系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)，相位裕度 。

3、1.3 設(shè)計原理 串聯(lián)滯后校正的基本原理是利用滯后網(wǎng)絡(luò)的高頻幅值衰減特性，使校正后系統(tǒng)截止頻率下降，從而使系統(tǒng)獲得足夠的相角裕度。另外，可以提高低頻段的增益，減小穩(wěn)態(tài)誤差。在系統(tǒng)響應(yīng)速度要求不高而抑制噪聲電平性能要求較高的情況下，可以考慮采用串聯(lián)滯后校正。此外，如果待校正系統(tǒng)已具備滿意的動態(tài)性能，僅穩(wěn)態(tài)性能不能滿足指標(biāo)要求，也可以采用串聯(lián)滯后校正以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，同時保持其動態(tài)性能仍然滿足性能指標(biāo)通過分析系統(tǒng)逐步確定其矯正系統(tǒng)參數(shù)，具體步驟如下：1.根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差要求求出K值；2.畫出未校正系統(tǒng)的波特圖，并求出相角裕度，截止頻率c，幅值裕度h;3.波特圖上繪制出4.根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的要求，求出校

4、正系統(tǒng)的截止頻率c；5.根據(jù)公式20lg|G0(jc)|+20lgb=0和=0.1c,可求出b和T；6.驗證已校正系統(tǒng)的相位裕度和幅值裕度；2 設(shè)計分析與計算2.1.1最小K值的頻域分析已知轉(zhuǎn)子繞線機控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:要求系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)，相位裕度 。靜態(tài)速度誤差系數(shù)得滿足系統(tǒng)靜態(tài)速度誤差K=600，開環(huán)傳遞函數(shù)為 2.1.2用計算法求相位裕度，幅值裕度求相位裕度A（）=令,得截止頻率=6.31rad/s故-173.85。相位裕度=180=180-173.85。=6.148.求幅值裕度令-180。得=7.07rad/s所以=0.8幅值裕度:2.1.3用BODE圖分析求相位裕度，幅

5、值裕度使用MATLAB軟件可直接得到系統(tǒng)的BODE圖和相位,幅值裕度。程序的代碼如下：num=600;den=1,15,50,0;g1=tf(num,den);mag,phase,w=bode(g1);margin(g1);grid;圖2-1.3校正前系統(tǒng)的BODE圖仿真結(jié)果為Gm=1.94dB Pm=6.18deg 與2.2的理論值計算結(jié)果相同2.2 滯后校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)確定2.1.1用計算法求參數(shù) 得=1.3rad/s令 得b=0.114 得T=67.47使用matlab檢驗是否符合要求：圖2.2.1 計數(shù)法校正后系統(tǒng)BODE圖2.1.2使用matlab進行編程求解操作簡單，可快速得到結(jié)果。設(shè)

6、計要求幅值裕度，再附加上，則=6設(shè)滯后校正器的傳遞函數(shù)為：校正前的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 用matlab編寫的求滯后校正的程序代碼如下：【3】所以滯后校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)檢驗校正后的性能指標(biāo)，校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:使用matlab檢驗是否符合要求，程序代碼為：K=600;n1=1;d1=conv(conv(1 0,1 5),1 10);s1=tf(K*n1,d1);n2=17.1 1;d2=347.9 1;s2=tf(n2,d2);sys=s1*s2;mag,phase,w=bode(sys);margin(sys)圖2.2.1 編程求解校正后系統(tǒng)BODE圖由圖可知 幅值裕度Gm=28dB 相位

7、裕度 Pm=74.5deg （由編程求得的相位裕度更好所以選用編程求得的校正系統(tǒng)）2.3用MATLAB畫校正前后的軌跡2.3.1校正前的根軌跡 由于系統(tǒng)未校正前的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 使用MATLAB畫根軌跡代碼如下：2.3.2校正后的根軌跡系統(tǒng)校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 使用MATLAB畫根軌跡代碼如下：num=600*17.1 1den=conv(conv(1 10,347.9 1),1 5 0)rlocus(num,den)2.4用Matlab對校正前后的系統(tǒng)進行仿真分析2.4.1校正前系統(tǒng)系統(tǒng)未校正前的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 單位負反饋閉環(huán)傳遞函數(shù)為使用MATLAB求校正前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性能指

8、標(biāo)代碼如下：2.4.1校正前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)2.4.2校正前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)由圖可知校正前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo)： 1上升時間tr = 0.184s 2峰值時間tp =0.556s3調(diào)節(jié)時間ts =12.8s 4峰值幅值h（tp）=1.795 穩(wěn)態(tài)值 h()= 16 超調(diào)量 =792.4.2校正后系統(tǒng)系統(tǒng)校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 單位負反饋閉環(huán)傳遞函數(shù)為使用MATLAB求校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)代，代碼如下：num=600*17.1,1den=347.9,5219.5,17410,10310,600s1=tf(num,den);Lsys=tf(num,den);y,t,x=step(

9、Lsys);plot(t,y)2.4.1校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)2.4.2校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)由圖可知校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo)： 1 上升時間tr = 2.92s 2 峰值時間tp =7.86s3 調(diào)節(jié)時間ts =28.8s 4 峰值幅值h（tp）=1.075 穩(wěn)態(tài)值 h()= 16 超調(diào)量 =7.1心得體會這次課設(shè)雖然時間較短，但是通過這次課程設(shè)計，自己親自根據(jù)課設(shè)題目，分析設(shè)計要求，計算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，相位裕度和幅值裕度，并利用matlab來進行驗證和形象的分析系統(tǒng)的穩(wěn)定、瞬態(tài)性能。這次課設(shè)讓我明白了滯后校正網(wǎng)絡(luò)的基本原理是利用滯后網(wǎng)絡(luò)的高頻幅值衰減特性，使的系統(tǒng)截止頻率下降，從而使

10、系統(tǒng)獲得足夠的相角裕度。滯后利用原系統(tǒng)本身的相角性能，這點與超前校正不同的。但是滯后校正網(wǎng)絡(luò)也有其缺點：1 要求系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，滯后校正由于減小，可能不滿足；2當(dāng)滯后校正的T太大時，實際應(yīng)用難以實現(xiàn)；3原系統(tǒng)的低頻區(qū)可能找不到對應(yīng)相位裕度。 同時我也意識到自動控制原理的學(xué)習(xí)，不是僅僅局限于學(xué)習(xí)課本上的一些理論知識，更重要的是將理論靈活并且變換的運用到實際中，這樣才能學(xué)有所用，作為新一代的大學(xué)生，我們決不能走入死讀書的歧途，而學(xué)校組織學(xué)生進行課程設(shè)計，旨在加強學(xué)生的實際運用能力，將課本知識與實際聯(lián)系起來，更好的加深對理論的掌握和運用。課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際

11、問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，自動化控制已經(jīng)成為當(dāng)今計算機應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說得是無處不在。其次通過起此次課程設(shè)計，不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。同時我還學(xué)會了如何用matlab繪制波特圖和根軌跡圖，鍛煉了我自主學(xué)習(xí)的能力和動手能力，這次校正系統(tǒng)的設(shè)計，我不但運用了自控課本上的知識，還學(xué)會了運用MATLAB軟件?？傊?，在這次課程設(shè)計過程中，我既學(xué)習(xí)到了自動控制原理的知識，又學(xué)到了許多書本之外寶貴的分析動手能力。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。參考文獻1自動控