水溫控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計(jì)

1、自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)題目：水溫控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計(jì)專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào):指導(dǎo)教師：職稱:鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院2017年12月目錄1、設(shè)計(jì)目的 . 22、設(shè)計(jì)思路 . 23、設(shè)計(jì)步驟 . 33.1 、串聯(lián)超前校正法 . 33.2 、串聯(lián)滯后校正 . 73.3 、串聯(lián)滯后 - 超前校正 .104. 仿真驗(yàn)證 .134.1 、串聯(lián)超前校正仿真 .134.2 、 串聯(lián)滯后校正仿真 .154.3 、 串聯(lián)滯后 - 超前校正仿真 . .165、方法比較 .176、設(shè)計(jì)結(jié)論 .177、參考文獻(xiàn) .17成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn) .1821、設(shè)計(jì)目的1、收集和查閱有關(guān)資料，獨(dú)立完成所承擔(dān)的設(shè)

2、計(jì)課題的全部?jī)?nèi)容；2、通過課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步掌握自動(dòng)控制原理課程的相關(guān)知識(shí)與運(yùn)用，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力；3、理解自動(dòng)控制系統(tǒng)中可采用合適的方法，使系統(tǒng)性能達(dá)到要求；4、初步掌握設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用；5、初步掌握對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行選擇和分析的方法，繪圖，撰寫報(bào)告。6、水溫控制系統(tǒng)為一單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，其中被控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為KG (s)，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)(用超前、s(0.1s1)滯后和滯后-超前校正三種方法并進(jìn)行三種方法的比較)，校正后的系統(tǒng)滿足在單位斜坡信號(hào)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)Kv20S1,相位裕量50 的要求。2、設(shè)計(jì)思路對(duì)于一

3、個(gè)控制系統(tǒng)，人們期望它能滿足一定的性能指標(biāo)需求。如果系統(tǒng)達(dá)不到期望的性能指標(biāo)，就需要對(duì)其進(jìn)行校正。所謂的控制系統(tǒng)校正，就是指在系統(tǒng)的基本部分(通常指對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量元件等主要部件)已經(jīng)確定的條件下，設(shè)計(jì)校正裝置的傳遞函數(shù)或調(diào)整系統(tǒng)放大倍數(shù)，使系統(tǒng)性能得到改善，從而滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。3當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是滿足要求的，為改善穩(wěn)態(tài)性能，而又不影響其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)，可采用超前、滯后和滯后-超前校正等方式，通過串聯(lián)校正裝置，改善其帶寬和幅頻特性最終改善動(dòng)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。按照模擬出來的仿真圖9在進(jìn)行對(duì)比3、設(shè)計(jì)步驟3.1、串聯(lián)超前校正法3.1.1用頻率法設(shè)計(jì)用超前校正裝置的步驟為：1、 根據(jù)所

4、要求的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，確定系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能要求的開環(huán)增益K2、繪制滿足由步驟（1）確定的K值下的系統(tǒng)Bode圖，并求出系統(tǒng)的相角裕量o。3、 確定為使相角裕量達(dá)到要求值，所需增加的超前相角c，即9.Qc0式中，為要求的相角裕量；是因?yàn)榭紤]到校正裝置影響剪切頻率的位置而附加的相角裕量：當(dāng)未校正系統(tǒng)中頻段的斜率為-40dB/dec 時(shí)，取5 15;當(dāng)未校正系統(tǒng)中頻段斜率為-60dB/dec時(shí)，取5 20。 W-4、 令超前校正網(wǎng)絡(luò)的最大超前相角【盂mc，則由下式求出校正裝置的參數(shù)1 si nm一1 sinm5、 在Bode圖上確定未校正系統(tǒng)幅值為20lg時(shí)的頻率m，該頻率作為1校正后系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻

5、率c，即cm。6、由m確定校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率1m超前校正裝置的傳遞函數(shù)為s1Gcsfs 17、將系統(tǒng)放大倍數(shù)增大1倍，已補(bǔ)償超前校正裝置引起的幅值衰減，即Kc1。&畫出校正后系統(tǒng)的Bode 圖，校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G s G0s Gcs Kc9、檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，若不滿足要求，可增大值，從第（3）步起重新計(jì)算。3.1.2要求系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù) Kv20S1，可以確定K 20，作出K 20時(shí)未矯正的Bode圖，如圖1所示。圖 1 校正前系統(tǒng)的Bode 圖Ito5Bode 圖圖 2 MATLAB(3)由程序可以看出系統(tǒng)的剪切頻率為c 112.5 rads，相應(yīng)的相角裕量為MAT

6、LAB程序:wloDiagramnum=20;f1=1,0;f2=0.1,1; den=conv(f1,f2);I.-*AM1rIJ I *j j *-* I(2)用MATLAB程序繪制校正前系統(tǒng)的Bode圖，如圖2所示 f=tf (num,den);bode(f)w I S=allmargin(f)，皿11cBo18090 arctan 0.1ci38.7，幅值裕量KgdB。說明系統(tǒng)的相角裕量小于要求值，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)有嚴(yán)重的振蕩，為達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)采用串聯(lián)超前校正。校正后在系統(tǒng)剪切頻率處的超前相角為5038.78.720因此1sin Qm-0.491 sinm40c 211.8

7、4 rad s校正網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率8.288rad sm17 rad s校正后系統(tǒng)的剪切頻率c 2 m處，校正網(wǎng)絡(luò)的對(duì)數(shù)幅值20lgCO |3.10 dB ,可計(jì)算出未校正系統(tǒng)對(duì)數(shù)幅值為3.10 dB處的頻率，即可作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率c220lg20 20lgc 220lg3.1010校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)*/20 0.121s1、G sG0s Gcs Kcs 0.1s1 0.059s1用MATLAB程序繪制校正后系統(tǒng)Bode圖，如圖1-3所示：7iMATLAB程序：num=20*0.121,1;414c Ldd Vvw Insci I|M|111 ill ji i f1=1,0;f2

8、=0.1,1;f3=0.059,1;den=co nv(f3,conv(f1,f2);校正后系統(tǒng)的相角裕量f=tf(nuBodcDtjgrdmbode(f) nS=allmargi圖 3 MATLAB 繪制校正后系統(tǒng)的Bode 圖3.2、串聯(lián)滯后校正18090 arcta n0.121c2arcta n0.1c 2arcta nO .059c260.33幅值裕量KgdB，滿足要求的性能指標(biāo)。321用頻率法設(shè)計(jì)用超前校正裝置的步驟為：S&1、 根據(jù)所要求的穩(wěn)態(tài)性能確定系統(tǒng)的開環(huán)增益KAji2、根據(jù)已確定的K值，繪制未校正系統(tǒng)的Bode圖，并求出系統(tǒng)的相角裕量 o、幅值裕量Kg。&

9、pP3、 在Bode圖上求出未校正系統(tǒng)相角裕量期望值+處的頻率c2，c2作為系統(tǒng)校正后的剪切頻率，用來補(bǔ)償校正滯后校正網(wǎng)絡(luò)c2處的相角滯后，通常取515。y4、 令未校正系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在c2的幅值為20lg，由此可以確定滯后網(wǎng)絡(luò)的值。5、為保證滯后校正網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)在二工2處的相頻特性基本不受影響，按下式Ml I電確定滯后校正網(wǎng)絡(luò)的第二個(gè)轉(zhuǎn)折頻率為216、校正裝置的傳遞函數(shù)為IGcss17、畫出校正后系統(tǒng)的Bode圖，并檢驗(yàn)性能指標(biāo)。若不滿足要求，可改變或值重新設(shè)計(jì)c210)=gJP3.2.2（1）當(dāng)K 20時(shí)繪制出未校正系統(tǒng)的Bode圖，如圖1所示。（2）用MATLAB程序繪制校正前系統(tǒng)的Bode圖，

10、如圖2所示計(jì)算未校正系統(tǒng)的剪切頻率C112.5 rad s，系統(tǒng)的相角裕量為018090arcta n 0.1c138.7sI幅值裕量KgdB8Jk=0=f7. Or a d,s此頻率作為校正后系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率。0 5 Q sc 270 rad s時(shí)，令未校正系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅值為從而可求出校正裝置的參數(shù)，即L0c220lg2020lgc29.12dB20lg9-12得2.861c2選取20.7 rad s10R110.24 rad s滯后校正裝置的傳遞函數(shù)為：0Gc1.42s s11校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為4.2s20 1.42s1G s房=1s 0.1s14.2s1繪出校正后系統(tǒng)的Bode圖

11、，如圖4所示。MATLAB程序：num=20*1.42,1;未校正系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)相角裕量為期望值5時(shí)的頻率20lg f1=1,0;f2=0.1,1;f3=4.2,1; den=conv(f3,conv(f1,f2); f=tf (num,den); bode(f)Bode Diagram1(FrQueiKy radSr 5,91JMagnitude00922Frequfificy (ra?圖 4 繪出校正后系統(tǒng)的 Bode 圖校驗(yàn)校正后系統(tǒng)的相角裕量為18090 arcta n1.42c 2arcta n0.1c2arcta n4.2c251.2占*AA滿足要求。 S=allmargin(f)3.

12、3、串聯(lián)滯后-超前校正K 10作出未校正系統(tǒng)的Bode圖，其漸近線如圖2所示。由圖可以求得未校正系統(tǒng)的相角裕量為38.7，故系統(tǒng)不是穩(wěn)定的。若串入超前校正，雖然可以增大相角裕量，滿足對(duì)的要求，幅值裕量卻無法同時(shí)滿足。若串入滯后校正，利用它的高頻幅值衰減使剪切頻率前移,能夠滿足對(duì)Kg的要求，但要同時(shí)滿足1的要求，則很難實(shí)現(xiàn)，故采用滯后-超前校正。分對(duì)剪切頻率附近的相角影響不大，選擇滯后校正部分的第二個(gè)轉(zhuǎn)折頻率為先確定校正后系統(tǒng)的剪切頻率三 3亠般可選未校正系統(tǒng)相頻特性上相角為140的頻率作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率。從圖2中可以11.8 rad s。C11.8rad確定超前部分的參數(shù)，由圖可知，未校

13、正系統(tǒng)在e /-為0.826dB,為使校正后系統(tǒng)剪切頻率為11.8rad s,校,對(duì)數(shù)幅值正裝置在p尸0.8 dB26的/增益C11.8 rad s 處產(chǎn)生 在C11.8 rad s,LCc0 826dB點(diǎn)處畫一條斜率為20dB dec,該直線與0分貝線交點(diǎn)即為超前校正部分的第二個(gè)轉(zhuǎn)折頻率，從圖上可得11取-。選取20.1，貝鬧前部分的傳遞函數(shù)為GC2s10.1s0.110.01s為補(bǔ)償超前校正帶來的幅值衰減，可傳入一放大器，放大倍數(shù)uKC2=12=10。確定滯后校正部分的參數(shù)如下:滯后校正部分一般從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)估算，為使滯后部11=C1.18s1110并選取10，這滯后部分的第一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率為0.

14、118s11 目 U滯后部分的傳遞函數(shù)為11-*（仙” !血H I 1校正后的系統(tǒng)的相角裕量是18090arcta n 0.847c2arcta n 0.01c2arcta n 8.47c2滿足需求。4. 仿真驗(yàn)證4.1、串聯(lián)超前校正仿真圖 6 串聯(lián)超前校正Simulink 模型圖131jit jrth jfcjyjlWhramifciiIMMW圖 7未校正的單位階躍相應(yīng)曲線ICBMB VCAr mutation HdD:RwCfDE JBDji I 1 (H由加|ii*i4.3串聯(lián)滯后-超前校正仿真圖 ii 串聯(lián)滯后-超前校正Simulink 模型圖5 、方法比較串聯(lián)超前校正裝置使得系統(tǒng)的相

15、角裕量增大， 從而降低了系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量；增加了系統(tǒng)的頻帶寬度，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快。在保持穩(wěn)態(tài)精度不變的前提下， 滯后校正裝置減小了未校正系統(tǒng)在開環(huán)剪切 頻率上的幅值，從而增大了系統(tǒng)的相角裕量，減小了動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量。應(yīng)用頻率法設(shè)計(jì)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(shí)使頻帶變寬， 改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 滯后校正部分則主要用來提高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。6 、設(shè)計(jì)結(jié)論串聯(lián)滯后校正和串聯(lián)超前校正雖然都具有改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的能力， 但二者 所用的方法完全不同， 超前校正是利用超前校正裝置的超前相角來改善系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)特性滯后校正是利用滯后校正裝置的高頻幅值衰減特性來改善系統(tǒng)的

16、動(dòng)態(tài)特 性。而滯后-超前校正去兩者之長(zhǎng)補(bǔ)兩者之短。通過這次課程設(shè)計(jì)，鞏固了課堂 上學(xué)到的知識(shí)， 彌補(bǔ)了一些知識(shí)空白， 同時(shí)也提高了自己的自學(xué)能力和翻閱資料 的能力及獨(dú)立思考的能力，為后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)7 、參考文獻(xiàn)1胡壽松.自動(dòng)控制原理.修訂版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1987.2謝克明.現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ).2版.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2000.3金以慧.過程控制.北京:清華大學(xué)出版社,1993.4薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) MATLAB語言應(yīng)用 北京：清華大學(xué)出版社，1996.成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)|A 優(yōu)秀|B 良好.C 中等.D 及格E 不及格評(píng)項(xiàng)分(:100 X 90)(90

17、X 80)(80 X 70)70 X 60(XV60)分目值參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn) B參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真。學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真?？茖W(xué)習(xí)態(tài)度尚好，學(xué)習(xí)態(tài)度尚學(xué)習(xí)馬虎，紀(jì)習(xí)科學(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，能按遵守組織紀(jì)律，好，能遵守組律渙散，工作態(tài)嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)期圓滿完成任務(wù)基本保證設(shè)計(jì)織紀(jì)律，能按作風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn)，度15時(shí)間并按任務(wù)書規(guī)疋的任務(wù)時(shí)間完成各項(xiàng)期完成任務(wù)不能保證設(shè)計(jì)度書中規(guī)定的進(jìn)工作時(shí)間和進(jìn)度度幵展各項(xiàng)工作技設(shè)計(jì)合理、 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)合理、 設(shè)計(jì)任設(shè)計(jì)合理、 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基本合設(shè)計(jì)不合理，術(shù)任務(wù)能夠全部務(wù)能夠較好完成任務(wù)能夠完成理，設(shè)計(jì)工作基本上屬抄水較好完成且?guī)椎猩倭垮e(cuò)誤，對(duì)但有定錯(cuò)誤，基本完成但襲，實(shí)際動(dòng)手平乎沒有錯(cuò)誤，對(duì)相關(guān)工作原理的對(duì)相關(guān)工作原錯(cuò)誤較多，基能力差，調(diào)研與相關(guān)工作原理分析完善，所畫電理的分析基本本能分析相調(diào)查有較大問實(shí)的分析透徹，所路圖完整但有少完善，所畫電路關(guān)工作原理，題際畫電路圖完整量錯(cuò)誤，計(jì)算過程圖基本完整，計(jì)所畫電路圖匕匕厶冃35無誤，計(jì)算過程完整但有少量錯(cuò)算過程基本完錯(cuò)誤較多，能力完整且基本沒誤，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的整但有一定錯(cuò)完成主要計(jì)有錯(cuò)誤，對(duì)設(shè)計(jì)分析合理，有較強(qiáng)誤，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果算過程基本結(jié)果的分析正的實(shí)際動(dòng)手能力、的分析基本合完整但錯(cuò)誤確，