自控原理課程設(shè)計

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計說明書（論文）課程名稱： 自動控制原理課程設(shè)計 設(shè)計題目： 控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 院 系： 航天學院 班 級： 設(shè) 計 者： 學 號： 指導教師： 林玉榮 設(shè)計時間： 2013年3月1日 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學課程設(shè)計任務書 姓 名： 院 （系）：航天學院 專 業(yè)：自動化 班 號： 任務起至日期： 2013年 2月 25日至 2013年 3月 20日 課程設(shè)計題目： 控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 （題號 B12） 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計要求：1、已知控制系統(tǒng)固有傳遞函數(shù)如下： 2、性能指標要求：（1）剪切頻率 （2）相角裕度 （3）

2、穩(wěn)態(tài)誤差 （4）角速度 工作量：（1） 設(shè)計系統(tǒng)，滿足性能指標要求。（2） 人工設(shè)計利用半對數(shù)坐標紙手工繪制系統(tǒng)校正前后及校正裝置的Bode圖，并確定出校正裝置的傳遞函數(shù)。驗證校正后系統(tǒng)是否滿足性能指標要求。（3） 計算機輔助設(shè)計利用MATLAB語言對系統(tǒng)進行輔助設(shè)計、仿真和調(diào)試。（4） 確定校正裝置的電路形式及其參數(shù)。（5） 撰寫設(shè)計報告。具體內(nèi)容包括以下五個部分。 1） 設(shè)計任務書 2） 設(shè)計過程 人工設(shè)計過程包括計算數(shù)據(jù)、系統(tǒng)校正前后及校正裝置的Bode圖（在半對數(shù)坐標紙上）、校正裝置的傳遞函數(shù)、性能指標驗算數(shù)據(jù)。 計算機輔助設(shè)計過程包括Simulink仿真框圖、Bode圖、階躍相應曲線

3、、性能指標要求的其他曲線。 3） 校正裝置電路圖4) 設(shè)計結(jié)論5) 設(shè)計后的心得體會 工作計劃安排： 審題，查閱資料 1天 人工計算，計算機輔助設(shè)計 5天 修改，優(yōu)化設(shè)計 3天 完成課程設(shè)計說明書 5天 同組設(shè)計者及分工：無 指導教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務書由課程設(shè)計指導教師填寫。哈爾濱工業(yè)大學課程設(shè)計說明書（論文）目錄1、題目要求與分析21.1題目要求21.2題目分析22、人工設(shè)計32.1校正方法的選擇32.2串聯(lián)遲后超前校正42.2.1 串聯(lián)遲后校正42.2.2 串聯(lián)超前校正52.2.3 手工繪制Bode圖62.2.4 驗算83、計算

4、機輔助設(shè)計93.1對被控對象仿真93.2對校正以后的系統(tǒng)仿真93.3對校正后閉環(huán)系統(tǒng)仿真94、校正裝置電路圖124.1串聯(lián)裝置原理圖124.2串聯(lián)遲后環(huán)節(jié)裝置電路124.3串聯(lián)超前環(huán)節(jié)裝置電路134.4串聯(lián)遲后超前環(huán)節(jié)裝置電路145、設(shè)計總結(jié)146、心得體會15 1 題目要求與分析1.1題目要求1、已知控制系統(tǒng)固有開環(huán)傳遞函數(shù)如下： 2、性能指標要求：（1）剪切頻率 （2）相角裕度 （3）穩(wěn)態(tài)誤差 （4）角速度 1.2 題目分析由系統(tǒng)原開環(huán)傳遞函數(shù)可知，該系統(tǒng)為型系統(tǒng)，用MALAB繪制原開環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖，如圖1.1：圖1.1 原開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖由圖1.1知，系統(tǒng)的剪切頻率為，不滿

5、足設(shè)計要求，遠低于設(shè)計要求，而相角裕度，滿足設(shè)計要求。而且，從系統(tǒng)的原開環(huán)放大倍數(shù)可知系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差遠大于設(shè)計要求，綜上所述，該系統(tǒng)不滿足設(shè)計要求，需要加校正環(huán)節(jié)。2 人工設(shè)計2.1校正方法的選擇系統(tǒng)為I型系統(tǒng)，當輸入單位階躍信號時，穩(wěn)態(tài)誤差為零，當輸入單位斜坡信號時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為，由系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及系統(tǒng)的輸入角速度知，,所以得系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)，取。滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求和串聯(lián)積分環(huán)節(jié)數(shù)的開環(huán)傳遞函數(shù)為。用MATLAB繪制的Bode圖，如圖2.1：圖2.1 滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求的Bode圖令，得到系統(tǒng)的剪切頻率，相角裕度，不滿足設(shè)計要求。若采用串聯(lián)超前校正，由串聯(lián)超前校正的性質(zhì)可知，串聯(lián)超前校正在

6、增加系統(tǒng)的相角裕度的同時也會使系統(tǒng)的剪切頻率有所增加，當系統(tǒng)的剪切頻率遠大于設(shè)計要求是，會使系統(tǒng)抑制高頻噪聲的能力下降，穩(wěn)定性受到影響，所以不能用串聯(lián)超前校正對系統(tǒng)進行校正。若采用串聯(lián)遲后校正，按式求的滿足相角裕度的剪切頻率為，小于系統(tǒng)的設(shè)計要求，所以只用串聯(lián)遲后校正不能同時滿足相角裕度和剪切頻率的設(shè)計要求?？紤]到串聯(lián)超前校正可以有效地增加相較裕度，所以，首先采用串聯(lián)遲后校正，使系統(tǒng)的剪切頻率滿足或接近于近似滿足設(shè)計要求。在此基礎(chǔ)上，再采用串聯(lián)超前校正，使相角裕度滿足設(shè)計要求。2.2串聯(lián)遲后超前校正2.2.1串聯(lián)遲后校正考慮到串聯(lián)超前校正時，會使原系統(tǒng)的剪切頻率增大，所以在做串聯(lián)遲后校正時可以

7、使剪切頻率略小于設(shè)計要求，設(shè)串聯(lián)遲后校正為 （，）。首先，取，做串聯(lián)遲后校正。當時， 有 所以，解得串聯(lián)遲后校正參數(shù)。取，解得，進而得到，所以串聯(lián)遲后校正環(huán)節(jié)為 串聯(lián)遲后校正以后的開環(huán)傳遞函數(shù)為用公式計算得相角裕度。串聯(lián)遲后校正以后，用MATLAB繪制的Bode圖，如圖2.2：圖2.2遲后校正的Bode圖2.2.2 串聯(lián)超前校正設(shè)串聯(lián)超前校正的傳遞函數(shù)為 (,)對串聯(lián)遲后校正以后的系統(tǒng)做串聯(lián)超前校正。先求出串聯(lián)超前校正應提供的相角增量由圖2.2知串聯(lián)超前校正前系統(tǒng)對數(shù)相頻特性在剪切頻率附近下降的斜率非常大，所以上式中取。由有所以有在圖2.2中找到縱坐標為的點對應的頻率，由得所以，為了使校正以后

8、的開環(huán)增益，則校正環(huán)節(jié)的增益所以超前校正環(huán)節(jié)為最后得到遲后超前校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)遲后超前校正后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為用MATLAB繪制的bode圖，如圖2.3：圖2.3遲后超前校正以后的Bode圖2.2.3 手工繪制Bode圖2.2.3.1 校正前系統(tǒng)的漸近Bode圖 2.4 校正前系統(tǒng)的漸進Bode圖2.2.3.2 校正后系統(tǒng)的漸近Bode圖圖 2.5 校正后系統(tǒng)的漸進Bode圖2.2.3.3 校正裝置的漸近Bode圖圖 2.6 校正裝置的漸進Bode圖2.2.4 驗算手工在半對數(shù)坐標紙上畫出校正以后系統(tǒng)的頻率特性bode圖，由圖知，校正以后系統(tǒng)的剪切頻率為，將 代入有，所以相角裕度，均滿足設(shè)

9、計要求。校正后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)跟蹤斜坡信號引起的穩(wěn)態(tài)誤差。校正以后的系統(tǒng)輸入偏差傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為滿足設(shè)計要求。3 計算機輔助設(shè)計3.1 對被控對象仿真(1) 被控對象開環(huán)Simulink模型圖圖3.1 原開環(huán)傳遞函數(shù)Simulink模型圖（2）被控對象開環(huán)Bode圖仿真Bode圖見圖1.1。由仿真結(jié)果知，原系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)剪切頻率遠低于設(shè)計要求，相角裕度為，不符合設(shè)計要求。3.2 對校正以后的系統(tǒng)仿真（1） 校正以后的開環(huán)Simulink模型圖圖3.2 校正后開環(huán)傳遞函數(shù)Simulink模型圖（2）校正以后的開環(huán)Bode圖校正后的Bode圖見圖2.3。3.3 對校正后閉環(huán)系統(tǒng)仿真3.

10、3.1（1） 校正以后的閉環(huán)Simulink模型圖圖3.3 校正后閉環(huán)傳遞函數(shù)Simulink模型圖（2） 單位階躍響應仿真曲線由經(jīng)驗公式計算得系統(tǒng)要求的超調(diào)量，由經(jīng)驗公式 計算得系統(tǒng)要求的調(diào)整時間。圖3.4校正后閉環(huán)傳遞函數(shù)單位階躍響應圖由圖3.4可知校正后系統(tǒng)的超調(diào)量，小于，調(diào)整時間（），小于，所以滿足系統(tǒng)對超調(diào)量和調(diào)整時間的要求。3.3.2 （1）校正以后的閉環(huán)Simulink模型圖圖3.5校正以后的閉環(huán)Simulink模型圖(2) 斜坡信號引起的誤差響應仿真曲線圖3.6 斜坡信號引起的誤差響應仿真曲線圖3.7 斜坡信號引起的誤差響應仿真曲線由仿真結(jié)果知，校正后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)跟蹤斜坡信

11、號引起的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.003rad，滿足系統(tǒng)對穩(wěn)態(tài)誤差的要求，符合設(shè)計要求。4 校正裝置電路圖4.1 串聯(lián)裝置原理圖校正裝置傳遞函數(shù)為：采用運算放大器和網(wǎng)絡構(gòu)成的串聯(lián)校正裝置，圖4.1是一個串聯(lián)遲后（超前）裝置的電路原理圖。圖4.1 串聯(lián)遲后（超前）校正裝置4.2 串聯(lián)遲后環(huán)節(jié)裝置電路串聯(lián)遲后環(huán)節(jié)為：（為遲后校正環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)， 為超前校正環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)），取，。對于串聯(lián)遲后校正環(huán)節(jié)有：,且,所以?。?電路圖如圖4.2圖4.2 串聯(lián)遲后環(huán)節(jié)裝置電路圖4.3 串聯(lián)超前環(huán)節(jié)電路裝置串聯(lián)超前校正環(huán)節(jié)為：取放大倍數(shù)。對于串聯(lián)超前校正環(huán)節(jié)，有：，且，所以?。?，電路圖如圖4.3圖4.3 串聯(lián)超前環(huán)節(jié)裝置

12、電路圖4.4串聯(lián)遲后超前校正電路裝置圖4.4 串聯(lián)遲后超前校正裝置電路圖5 設(shè)計總結(jié)（1）在繪制原系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線時，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的剪切頻率遠低于設(shè)計指標，相角裕度滿足設(shè)計要求，但穩(wěn)態(tài)誤差與設(shè)計要求相差甚遠。因此，在設(shè)計系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)時，應使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差滿足要求。（2）在系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求后，繪制系統(tǒng)的Bode圖，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的剪切頻率遠大于設(shè)計要求，而相角裕度遠小于設(shè)計要求，此時，考慮到用遲后校正環(huán)節(jié)可以降低剪切頻率提高相角裕度，采用遲后校正環(huán)節(jié)。后來發(fā)現(xiàn)僅采用串聯(lián)遲后校正環(huán)節(jié)不能夠使系統(tǒng)的剪切頻率和相角裕度同時滿足要求。（3）雖然串聯(lián)超前校正可以使系統(tǒng)的相角裕度提高，同時也可以使系統(tǒng)的剪切

13、頻率有所提高，但系統(tǒng)的剪切頻率太高會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響。綜上考慮，系統(tǒng)采用串聯(lián)遲后超前校正，使系統(tǒng)的相角裕度和剪切頻率都滿足設(shè)計要求。（4）在設(shè)計校正環(huán)節(jié)時，并不是一次性成功的，經(jīng)過反復的改變時間常數(shù)，繪制校正后的系統(tǒng)Bode圖，直到系統(tǒng)的剪切頻率和相角裕度滿足要求。6 心得體會在這次課程設(shè)計中，課程設(shè)計的格式要求非常嚴格，極大地鍛煉了耐心和仔細的程度，讓我知道課程設(shè)計并不是想象中的那么簡單，而是需要花費很多時間和精力去研究的課題。我很幸運有這次課程設(shè)計的機會，讓我系統(tǒng)的了解并掌握設(shè)計的前期準備和設(shè)計過程，在這里感謝林老師的大力幫助，這次課程設(shè)計帶給我的不僅僅是一個課題的成功，而且教會我如何自學，如何獨立的處理問題，這是我的一點體會。此外，在這次課程設(shè)計中，運用了許多課本上的知識，同時也翻閱了一些其他的資料，進一步擴展了自己的知識。通過這次課程設(shè)計，又一次接觸到了Matlab軟件，使我掌握了一些用Matlab解決自動控制原理相關(guān)問