自控原理設(shè)計(jì)第4題資料

1、得分評(píng)卷教師自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)姓 名：分 院： 機(jī)電工程學(xué)院專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào)：14160134指導(dǎo)教師：張炯二0一六年六月二十四日哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：14級(jí)電氣01班指導(dǎo)教師： 工作單位：機(jī)電工程學(xué)院題目：用MATLA進(jìn)行控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)。初始條件：已知一單位反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是G0(s)=400s2(0.01.s 1)要求完成的主要任務(wù)：(包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求)1、畫(huà)出未校正系統(tǒng)的Bode圖，分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定。(手工加程序)2、設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行串聯(lián)校正。要求校正后的系統(tǒng)滿足指標(biāo)：(1

2、)在單位斜坡信號(hào)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 <0.05(2)超調(diào)量仃<15% ,調(diào)節(jié)時(shí)間ts <3秒(3)相角穩(wěn)定裕度453、計(jì)算校正后系統(tǒng)的截止頻率和穿越頻率。4、給出校正裝置的傳遞函數(shù)。5、在SIMULIN。建立系統(tǒng)的仿真模型。6、分別畫(huà)出系統(tǒng)校正前、后的單位階躍，并進(jìn)行分析7、應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)分析校正器對(duì)系統(tǒng)性能的影響。時(shí)間安排:任務(wù)時(shí)間(天)審題、查閱相關(guān)資料1分析、計(jì)算1編寫(xiě)程序、調(diào)試4仿真分析1撰寫(xiě)報(bào)告2論文答辯1指導(dǎo)教師簽名:教研室主任簽名:目錄1控制系統(tǒng)的Bode圖設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)介紹 1.2校正前系統(tǒng)分析1.3校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)3.3.1 校正前參數(shù)確定3.3.2 校正設(shè)計(jì)3

3、.4校正前后系統(tǒng)性能對(duì)比分析6.4.1 校正前后系統(tǒng)的Bode圖對(duì)比分析.64.2 校正前后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線對(duì)比分析 .75 SIMULINK中校正前后系統(tǒng)的仿真模型及對(duì)比分析 96設(shè)計(jì)總結(jié)11.收獲與體會(huì)1.2參考文獻(xiàn)1.3II哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1控制系統(tǒng)的Bode圖設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)介紹首先，根據(jù)給定的性能指標(biāo)選擇合適的校正方式對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行校正，使其滿足工作要 求。要求程序執(zhí)行的結(jié)果中有校正裝置傳遞函數(shù)和校正后系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)利用MATLA函數(shù)求出校正前與校正后系統(tǒng)的特征根，并判斷其系統(tǒng)是否穩(wěn)定。利用MATLAB乍出系統(tǒng)校正前與校正后的單位脈沖響應(yīng)曲線，單位階躍響應(yīng)曲線，單 位斜

4、坡響應(yīng)曲線，分析這三種曲線的關(guān)系。求出系統(tǒng)校正前與校正后的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)以及 穩(wěn)態(tài)誤差的值。繪制系統(tǒng)校正前與校正后的Bode圖，計(jì)算系統(tǒng)的幅值裕量，相位裕量，幅值穿越頻率和相位穿越頻率。系統(tǒng)的 bode 圖可用函數(shù) G=tf(400,0.01 1 0 0 )；figure(1)margin(G);生成，而頻域指標(biāo) 幅值裕量、相位裕量、相位穿 越頻率和幅 值穿越頻 率通過(guò) Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(G涉得。132校正前系統(tǒng)分析畫(huà)出未校正系統(tǒng)的Bode圖，分析系統(tǒng)是否穩(wěn)定。(手工加程序)未校正系統(tǒng)的bode圖可用函數(shù)G=tf(400,0.01 1 0 0 );figure(1)mar

5、gin(G);生成，而頻域指標(biāo) 幅值裕量、相位裕量、相位穿 越頻率和幅 值穿越頻 率通過(guò)Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(G就得，如圖：Bode Lugram Gm = 4il <B (st 0 用曲，.Pm = -11 deg i；et 198 rwh)1(LFraMmcy |制1(J103 o-solMsola)-1-15所編寫(xiě)的MATLABi序?yàn)椋?gt;> G=tf(400,0.01 1 0 0 );figure(1)margin(G);h0,r,wx,wc=margin(num0,den0) 執(zhí)行結(jié)果為：h0 =0r =-11.2042wx =0wc =19.80

6、81校正前系統(tǒng)分析從圖中可以看出相位裕量T =-11.2042度，所以系統(tǒng)不穩(wěn)定。此時(shí)的相角裕度是不滿 足要求的。3校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)3.1校正前參數(shù)確定由設(shè)計(jì)題目可知：4 _由匕。州el"4s 加& % - go &及盹川)謝心公皿 融綣K* M3.2校正設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行串聯(lián)校正。要求校正后的系統(tǒng) 滿足指標(biāo)：(1)在單位斜坡信號(hào)作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差0.05(2)超調(diào)量仃15% ,調(diào)節(jié)時(shí)間ts 3秒(3)相角穩(wěn)定裕度45num0=20;den0=0.01 1 0 0g=tf(num0,den0)Gm1,Pm1,Wcg1,Wcp1=margin(num0,den0);r

7、=45;w=logspace(1,2);mag1,phase1=bode(num0,den0,w);for epsilon=10r0=(-180+r+epsilon)%phic=(r-r0+epsilon)*pi/180;%alpha=(1+sin(phic)/(1-sin(phic);i1,ii=min(abs(phase1-r0);wc=w(ii);alpha=mag1(ii);T=5/wc;numc=T,0.009;denc=alpha*T,1.2;num,den=series(num0,den0,numc,denc);Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(num,den); if(

8、Pm>=r);break;endend> > nujiiO= 20 ; den0= 0. 01 10 0denO =0, 01001.000000> > g-tf (nuaiOj denO )g =200.0】鼠3 + s 2rentinuouE-time transfer function.> > Ginlj Pinlj Wc£l, Wcp 1 =uiargin (numOj denO)； Earning: The closed-loop system is unstable.> In warning a± 26In Dyn

9、ajfcDcSyxt ein. witEEiii at 63In m-rgin at 1.01» r=45：u*=log£pace 2);nag lj phase l=bade (nunOj denOj w):for epsilon=10r0=(-180+r+*psilon)Kphic=(r-rO+epsilon)*pi/ISO;Kalpha=(1+sin(phic)/(l-sin(phic):i 1, ii=nin t abs (phase 1-rO)：*c=w(ii)：alpha=ixa£ 1 (ii);T=5/wc;nwnc= I, 0. 009 ： d-n

10、c= alphai1.2：num, den =seris (rtumOj, din0j numcj dene);Gui, Fuij Wcg, Wcp =inar-gin<nuii« den):r0 =-125>> printsys(numc,denc)num/den =0.5 s + 0.009 0.099504 s +1.2>> printsys(num,den)num/den =10 s + 0.180.00099504 sA4 + 0.1115 sA3 + 1.2 sA2>> Ga=tf(10,0.18,0.00099504,0.111

11、5,1.2,0,0);> > s1=Ga;> > closys=feedback(s1,1);> > figure(1);> > step(closys);hold on校正驗(yàn)證根據(jù)上述得：校正后截止頻率和穿越頻率 wc =7.1499 wx=34.6982> > h0,r0,wx,wc=margin(num,den)h0 =13.4247 r0 =55.1038 wx =34.6982wc =7.1499校正裝置的傳遞函數(shù)» printsys (numc, dsnc)num/ den =0. s + 04 0090. 09

12、9504 s + L 2System- ciasysTimeiseccnds.： 0.592+ r e 1.02System; closys干雪eondaj:-田加5r - - tt-廣Amplitude: 1.130 20,-4060.8Time (secafids0.05,相角穩(wěn)定裕度可以看到此時(shí)系統(tǒng)在單位斜坡信號(hào)輸入下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 尸45 口，系統(tǒng)對(duì)階躍響應(yīng)的超調(diào)量 仃15%滿足設(shè)計(jì)要求。4校正前后系統(tǒng)對(duì)比分析4.1用MATLAB畫(huà)出未校正系統(tǒng)和已校正系統(tǒng)的Bode圖(1)計(jì)算校正后系統(tǒng)的截止頻率和穿越頻率。(2)給出校正裝置的傳遞函數(shù)。1 .未校正系統(tǒng)的Bode圖G=tf(400,

13、0.01 1 0 0;Figure(1)Margin(G)Bodie DigrammE.*w¥= Gs)名 M2 .校正后系統(tǒng)的Bode圖Ga=tf(10,0.18,0.00099504,0.1115,1.2,0,0);figure(1)margin(Ga)(Bp) gpnwJmEIAj -Bap)由 SExzdBo41e DiagramGm = 22.6 dB (at 34.7 ra<s), Pm = 55.1 deg (at 7.15 radfs)IO2 1G-1Fr&quency (rad/s>4.2校正前后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線對(duì)比分析矯正前階越圖G=tf(

14、400,0.01 1 0 0);figure(1)Step Response0510152G 2S 30Time (seconds)矯正后階越圖step(closys);hold onBpn-dwStep Response06Time iseconds11.2矯正后截止頻率0c =7.1499和穿越頻率% =34.6982。校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：printsys(num,den)num/den =10s 0.180.000 995S4 4 0.1 1 1S3 1.2s25 SIMULINK中系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)總結(jié)校正前系統(tǒng)仿真模型校正前動(dòng)態(tài)響應(yīng)校正后系統(tǒng)仿真模型校正后系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)分析平穩(wěn)性

15、，由曲線看出，阻尼系數(shù)（T,超調(diào)量響應(yīng)的振蕩平穩(wěn)性好；反之，（J ,振蕩T ,平穩(wěn)性差?？焖傩?，T , ts T ,快速性差；反之，（ J , ts J ；但（過(guò)小，系統(tǒng)響應(yīng)的起始速 度較快，但振蕩強(qiáng)烈，影響系統(tǒng)穩(wěn)定。超調(diào)量：指在響應(yīng)過(guò)程中，超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量和穩(wěn)態(tài)值之比。校正后，超調(diào)量 為正，曲線收斂。峰值時(shí)間pt：指單位階躍響應(yīng)曲線超過(guò)其穩(wěn)定值而達(dá)到第一個(gè)峰值所需要得時(shí)間。校 正后，時(shí)間提前了，系統(tǒng)快速性提高。調(diào)節(jié)時(shí)間st:在單位階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 5%乍為誤差帶，響應(yīng)曲線達(dá)到并 不再超出該誤差帶的最小時(shí)間。校正后，時(shí)間變短，系統(tǒng)快速性變好。穩(wěn)態(tài)誤差sse：當(dāng)時(shí)間t趨于無(wú)窮時(shí)

16、，系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的實(shí)際值（即穩(wěn)態(tài)值） 與期望 值之差。校正后，系統(tǒng)穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差為 0,系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。6設(shè)計(jì)總結(jié)為期一周的自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)做完了。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)控制系統(tǒng)的校正 有了更為深入的理解，但收獲最大的還是在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)問(wèn)題的分析和計(jì)算有了很 大的提高，同時(shí)也掌握了不少工程中計(jì)算的方法， 為以后的設(shè)計(jì)奠定了更好的基礎(chǔ)。另外, 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我還學(xué)習(xí)了使用 MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的仿真和分析。本著 嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度，用畢業(yè)設(shè)計(jì)的論文格式作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)寫(xiě)這篇課程設(shè)計(jì)，同時(shí)也練習(xí)了對(duì) Word文字編輯軟件的操作能力。在剛開(kāi)始拿到設(shè)計(jì)題目的時(shí)候，感覺(jué)比較困惑，無(wú)從入手

17、，難以將課堂上學(xué)習(xí)的東西 應(yīng)用到實(shí)際的設(shè)計(jì)中去。通過(guò)認(rèn)真分析和參考一些資料，找到設(shè)計(jì)串聯(lián)滯后校正系統(tǒng)的一 般方法，再結(jié)合自己的課題對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，并對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行Bode圖，Nyquist曲線等等方法的分析，對(duì)其閉環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在分析的過(guò)程中，對(duì)分析問(wèn)題，解決問(wèn)題 的能力有了很大的提高，在設(shè)計(jì)中積累了很多經(jīng)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了很多自己的不足。作為一名 電氣自動(dòng)專業(yè)的學(xué)生自控原理的課程設(shè)計(jì)是很有意義的，也是必要的，通過(guò)這種課設(shè)，不 僅對(duì)理論知識(shí)理解更深，在實(shí)踐上面也得到鍛煉，總之，收獲頗多。收獲與體會(huì)自動(dòng)控制原理這門(mén)課程設(shè)計(jì)讓我深深的體會(huì)到實(shí)踐出真知，以前對(duì)有關(guān)知識(shí)有些模糊 的地方經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì)后，并不是自己專研就可以的，不僅要通過(guò)自己用心去研究，去探索, 找到不足的地方，不斷查找資料，如果還有不明白的地方，則跟同學(xué)一起探討，去解決。 比如說(shuō)吧，以前對(duì)matlab這一軟件并不是很了解，但通過(guò)這門(mén)課程設(shè)計(jì)后，不但了解很多 以前不清楚的地方。也學(xué)到了很多新的指令，為日后的課程打下了一定的基礎(chǔ)，總的來(lái)說(shuō) 這門(mén)課程設(shè)計(jì)收獲還是很大的。 不足就是在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于自己的粗心，弄混了些概念， 導(dǎo)致浪費(fèi)了很多時(shí)間，同時(shí)這提醒了我自身存在的缺點(diǎn)，相信在以后的學(xué)習(xí)中我會(huì)更加注 意這方面的問(wèn)題通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我收獲了友誼，收獲了勞動(dòng)成果，體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)合作之間 的重