自控原理課設(shè)

1、課程設(shè)計(jì)(綜合實(shí)驗(yàn))報(bào)告( 2014- 2015 年度第 1學(xué)期)名 稱(chēng)： 自動(dòng)控制原理 題 目： 自控課設(shè) 院 系： 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 班 級(jí)： 自動(dòng)化1203班 學(xué) 號(hào)： 1121190309 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 張金芳 設(shè)計(jì)周數(shù)： 一周 成 績(jī)： 日期： 2015年1月21日一、課程設(shè)計(jì)題目及報(bào)告要求題目 已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)被控制對(duì)象的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)任務(wù)：1. 分析系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的時(shí)域性能指標(biāo)2. 當(dāng)時(shí)，繪制系統(tǒng)的根軌跡，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性3. 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析，繪制其N(xiāo)yquist圖及Bode圖，確定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性4. 用串聯(lián)校正的頻率域方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)滿(mǎn)足

2、如下動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能指標(biāo)：4.1設(shè)計(jì)串聯(lián)校正滿(mǎn)足下列性能指標(biāo)（1）在單位斜坡信號(hào)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；（2）系統(tǒng)校正后，相位裕量。4.2設(shè)計(jì)串聯(lián)校正滿(mǎn)足下列性能指標(biāo)（1）在單位斜坡信號(hào)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；（2）系統(tǒng)校正后，相位裕量。（3）系統(tǒng)校正后，幅值穿越頻率。課程設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容應(yīng)包括以下幾個(gè)部分：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)時(shí)域指標(biāo)的分析：繪制出系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，利用響應(yīng)曲線計(jì)算出系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)繪制系統(tǒng)的根軌跡，通過(guò)根軌跡分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性繪制系統(tǒng)的Nyquist圖和Bode圖，由圖分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性及穩(wěn)定裕度利用頻率域串聯(lián)校正方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的串聯(lián)校正（1）分析設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明串聯(lián)校正的設(shè)

3、計(jì)思路（滯后校正，超前校正或滯后-超前校正）；（2）詳細(xì)設(shè)計(jì)（包括的圖形有：串聯(lián)校正結(jié)構(gòu)圖，校正前系統(tǒng)的Bode圖，校正裝置的Bode圖，校正后系統(tǒng)的Bode圖）；（3）MATLAB編程代碼及運(yùn)行結(jié)果（包括圖形、運(yùn)算結(jié)果）；（4）校正實(shí)現(xiàn)的電路圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果（校正前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖）；（5）不同校正方法及裝置的比較；（6）總結(jié)（包括課程設(shè)計(jì)過(guò)程中的學(xué)習(xí)體會(huì)與收獲、對(duì)本次課程設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)等內(nèi)容）。二、設(shè)計(jì)正文（原理、程序、圖形）令題目中的s的系數(shù)為0.31、系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)程序：G1=tf(1,0.3 1 0);sys=feedback(G1,1);figure(1)t=0:0.01:6;ste

4、p(sys,t);grid;由圖可得tr=1.61 tp=4.21 ts=2.65 超調(diào)量為0，震蕩次數(shù)N=02、零極點(diǎn)圖，及系統(tǒng)的根軌跡figure(2)p=roots(0.3 1 0)pzmap(G1);grid;程序結(jié)果：p = 0 -3.3333k>0時(shí)的根軌跡圖figure(3)rlocus(G1);rlocfind(G1);grid; k<0時(shí)的根軌跡圖figure(4)rlocus(-G1);rlocfind(-G1);grid;由圖可看出當(dāng)K > 0，可滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定。 由圖可看出 當(dāng)K <0 時(shí)

5、 ，系統(tǒng)不穩(wěn)定 。3、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析Bode圖如下figure(5)margin(G1);grid; Nyquist圖如下figure(6)nyquist(G1);grid;根據(jù)nyquist 穩(wěn)定判據(jù)，R=0，P=0，Z=0  可知系統(tǒng)穩(wěn)定4、串聯(lián)校正的頻率域方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)4.1由于ess<0.01,所以k=100 校正前系統(tǒng)的Bode圖G0=tf(100,0.3 1 0)Sys=feedback(G0,1)figure(1)h0,r,wx,wc=margin(G0)margin(G0)運(yùn)行結(jié)果h0 = Infr = 1

6、0.4318wx = Infwc = 18.1054其中相角裕度r=10.4318<45，截止頻率wc=18.1054 ，不滿(mǎn)足要求 校正前系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖figure(2)T=0:0.01:4;step(Sys,T);grid;（1）超前校正由于校正前的相角裕度小于要求的相角裕度，考慮選擇串聯(lián)超前校正裝置 校正結(jié)構(gòu)圖電路圖MATLAB程序wm=27;l=bode(G0,wm)Lwc=20*log10(l)a=10(-0.1*Lwc)T=1/(wm*sqrt(a)phi=asin(a-1)/(a+1)Gc=(1/a)*tf(a*T 1,T 1)Gc=a*Gcfigure(3)G=G0*G

7、ch,r,wx,wc=margin(G)margin(G)運(yùn)行結(jié)果h = Infr = 48.2206wx = Infwc = 27.0000其中相角裕度r=48.2206>45滿(mǎn)足要求，截止頻率wc=27.0000校正裝置Gc= 0.08161 s + 1 - 0.01681 s + 1校正后的傳遞函數(shù)G= 8.161 s + 100 - 0.005042 s3 + 0.3168 s2 + s校正后系統(tǒng)的Bode圖figure(4)margin(Gc)矯正裝置Bode圖校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖figure(5)T=0:0.01:3;SYS=feedback(G,1)step(SYS,T)

8、;grid;（2）滯后校正由于校正前的相角裕度小于要求的相角裕度，也考慮選擇串聯(lián)滯后校正裝置 校正結(jié)構(gòu)圖電路圖MATLAB程序wm=2.5;l=bode(G0,wm)Lwc=20*log10(l)b=10(-0.05*Lwc)T=10/(wm*b)Gc=tf(b*T 1,T 1)figure(3)G=G0*Gch,r,wx,wc=margin(G)margin(G)運(yùn)行結(jié)果h = Infr = 47.5187wx = Infwc = 2.5091其中相角裕度r=47.5187>45滿(mǎn)足要求，截止頻率wc=2.5091校正裝置Gc= 4 s + 1 - 128 s + 1校正后的傳遞函數(shù)G

9、= 400 s + 100 - 38.4 s3 + 128.3 s2 + s校正后系統(tǒng)的Bode圖矯正裝置Bode圖figure(4)margin(Gc)校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖figure(5)T=0:0.01:12;SYS=feedback(G,1)step(SYS,T);grid;（3）兩種校正裝置的比較校正前后系統(tǒng)的Bode圖不同校正方式比較figure(1)margin(G0)hold onmargin(G)hold ong=tf(8.161 100,0.005042 0.3168 1 0)margin(g)grid;校正前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖及兩種不同校正方式比較 figure(2)T

10、=0:0.01:6;Sys=feedback(G0,1)step(Sys,T)hold onSYS=feedback(G,1)step(SYS,T);hold ong=tf(8.161 100,0.005042 0.3168 1 0)sys=feedback(g,1)step(sys,T);grid;比較兩種校正特點(diǎn)：超前校正發(fā)生在系統(tǒng)的中頻段，當(dāng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不能滿(mǎn)足我們的需求時(shí)，穿越頻率和相角裕量偏小的時(shí)候，我們可以利用串聯(lián)超前校正使截止頻率和相位裕量同時(shí)增加，在階躍響應(yīng)中表現(xiàn)在調(diào)節(jié)時(shí)間減小和超調(diào)量減小且效果明顯。滯后校正是利用了滯后網(wǎng)絡(luò)的高頻幅值的衰減特性，使校正后的戒指頻率下降，使系統(tǒng)

11、獲得足夠的相角裕量，可以得到結(jié)論滯后網(wǎng)絡(luò)有高頻衰減特性降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。4.2由于ess<0.005，所以K=200校正前系統(tǒng)的Bode圖G0=tf(200,0.3 1 0)Sys=feedback(G0,1)figure(1)h0,r,wx,wc=margin(G0)margin(G0)運(yùn)行結(jié)果h0 = Infr = 7.3868wx = Infwc = 25.7117其中相角裕度r=7.3868，截止頻率wc=25.7117不滿(mǎn)足要求,校正前系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖figure(2)T=0:0.01:4;step(Sys,T);grid;由于校正前的相角裕度與截止頻率都不滿(mǎn)足要求，為了增大

12、系統(tǒng)的相角裕度與截止頻率，故考慮選擇串聯(lián)超前校正裝置 校正結(jié)構(gòu)圖電路圖MATLAB程序wm=58;l=bode(G0,wm)Lwc=20*log10(l)a=10(-0.1*Lwc)T=1/(wm*sqrt(a)phi=asin(a-1)/(a+1)Gc=(1/a)*tf(a*T 1,T 1)Gc=a*Gcfigure(3)G=G0*Gch,r,wx,wc=margin(G)margin(G)運(yùn)行結(jié)果h = Infr = 70.9063wx = Infwc = 58.0000其中相角裕度r=70.9063>45截止頻率wc=58.0000>50滿(mǎn)足要求。校正裝置Gc= 0.0871

13、4 s + 1 - 0.003411 s + 1校正后的傳遞函數(shù)G= 17.43 s + 200 - 0.001023 s3 + 0.3034 s2 + s校正后的Bode圖矯正裝置Bode圖figure(4)margin(Gc)校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖figure(5)T=0:0.01:1;SYS=feedback(G,1)step(SYS,T);grid;三、課程設(shè)計(jì)總結(jié)心得 一周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了， 在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何完成一件事情。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)。課程設(shè)計(jì)是我們專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，是我們學(xué)習(xí)中一個(gè)必不少的過(guò)程。通過(guò)這次設(shè)計(jì)， 綜合運(yùn)用本專(zhuān)業(yè)所學(xué)課程理論進(jìn)行一次設(shè)計(jì)工作從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立工作能力， 鞏固與擴(kuò)充了自動(dòng)控制原理等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握課程設(shè)計(jì)的方法和步驟，掌握了自動(dòng)控制原理的重點(diǎn)內(nèi)容，提高了計(jì)算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考的能力也有了提高。還有，在工程實(shí)際中，我們常按照一定的性能指標(biāo)要求去設(shè)計(jì)一個(gè)系數(shù)，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的部分性能指標(biāo)不能滿(mǎn)足要求，我們就需要對(duì)它進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，這就是校正。通過(guò)校正的學(xué)習(xí)，可以很好的對(duì)一個(gè)系