整理直流電機補償環(huán)節(jié)設(shè)計

1、精品文檔學號：武陵理7人考課程設(shè)計題目直流電機補償環(huán)節(jié)設(shè)計學院專業(yè)班級姓名指導教師年月日精品文檔精品文檔26課程設(shè)計任務(wù)書學生姓名：專業(yè)班級：指導教師：工作單位：自動化學院題目：直流電機補償環(huán)節(jié)設(shè)計初始條件：直流電機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示，簡化的直流電機模型的傳遞函數(shù),1G(s)=。希望利用超前和滯后補償?shù)姆椒ㄊ瓜到y(tǒng)滿足下述性能指標：s(s1)A)對單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1;B)且超調(diào)量小于25%Y要求完成的主要任務(wù)：(包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求)(1)設(shè)計超前補償環(huán)節(jié)D(s),使系統(tǒng)滿足指標要求，畫出加入補償環(huán)節(jié)前后的開環(huán)根軌跡圖；(2)取Ts=0.05

2、s,確定超前補償環(huán)節(jié)的數(shù)字控制形式；(3)對比(1)和(2)兩種實現(xiàn)形式對單位階躍和單位斜坡輸入的響應(yīng)；(4)用滯后補償環(huán)節(jié)重新設(shè)計滿足上述性能指標的系統(tǒng)，畫出加入補償環(huán)節(jié)前后的開環(huán)根軌跡圖；(5)比較滯后補償前后，系統(tǒng)對單位階躍和單位斜坡輸入的響應(yīng)(6)對上述任務(wù)寫出完整的課程設(shè)計說明書，說明書中必須寫清楚分析計算的過程，進行補償環(huán)節(jié)設(shè)計時，必須在波特圖中標注校正前后的曲線，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，說明書的格式按照教務(wù)處標準書寫。精品文檔精品文檔時間安排:任務(wù)時間（天）審題、查閱相關(guān)資料1.5分析、計算2.5編寫程序2.5撰寫報告1論文答辯0.5指導教師簽名:系主

3、任（或責任教師）簽名:精品文檔精品文檔引言自動控制技術(shù)如今已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航空及航天等眾多產(chǎn)業(yè)部門，極大地提高了社會勞動生產(chǎn)率，改善了人們的勞動環(huán)境，豐富和提高了人民的生活水平。在今天的社會生活中，自動化裝置已經(jīng)無所不在，為人類文明進步做出了重要的貢獻，學好自動控制原理對于培養(yǎng)學生的辯證思維能力和創(chuàng)新能力，樹立理論聯(lián)系實際的科學觀點，以及提高綜合分析能力等方面都具有重要的作用，而自動控制的課程設(shè)計是則自動控制原理課程學習的一個重要教學環(huán)節(jié)，在設(shè)計中以一個給定控制系統(tǒng)為研究對象，要求學生綜合應(yīng)用控制原理課程所學的理論和已掌握的實驗技能，按著給定的性能指標，獨立地分析設(shè)計并通過實驗

4、研究、調(diào)試出一個符合性能指標的隨動系統(tǒng)。通過該實踐環(huán)節(jié)，能使同學們能在各項實驗中提高自己的分析問題和解決實際問題的能力，對于鞏固和應(yīng)用所學知識，提高實踐能力，把理論和實踐很好的結(jié)合起來有著重要的意義。在課程設(shè)計中應(yīng)用的Matlab是由美國MathWorks公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理計算系統(tǒng)環(huán)境，除了具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能.Matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學，工程中常用的形式十分相似，故用Matlab來解算問題要比用C,FORTRA解語言簡捷得多.MATLAB是國際公認的優(yōu)秀數(shù)學應(yīng)用軟件之一。精品

5、文檔精品文檔直流電機補償環(huán)節(jié)設(shè)計1 .設(shè)計意義及要求1.1設(shè)計意義本次設(shè)計旨在幫助學生進一步鞏固書本所學的自動控制知識，促使其學會分析設(shè)計命題，自主思考，獨立設(shè)計個人方案，以達到強化知識，訓練思維，激發(fā)創(chuàng)造力，提高實踐動手能力的目的。設(shè)計后可以使簡化直流電機模型實現(xiàn)對單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1,且超調(diào)量小于25%1.2設(shè)計要求性能指標：A)對單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1;B)超調(diào)量小于25%主要任務(wù)：1)設(shè)計超前補償環(huán)節(jié)D(s),使系統(tǒng)滿足指標要求，畫出加入補償環(huán)節(jié)前后的開環(huán)根軌跡圖；2)取Ts=0.05s,確定超前補償環(huán)節(jié)的數(shù)字控制形式；3)對比(1)和(2)兩種實現(xiàn)形式對單位階躍

6、和單位斜坡輸入的響應(yīng)；4)用滯后補償環(huán)節(jié)重新設(shè)計滿足上述性能指標的系統(tǒng)，畫出加入補償環(huán)節(jié)前后的開環(huán)根軌跡圖；5)比較滯后補償前后，系統(tǒng)對單位階躍和單位斜坡輸入的響應(yīng)；6)對上述任務(wù)寫出完整的課程設(shè)計說明書，說明書中必須寫清楚分析計算的過程，進行補償環(huán)節(jié)設(shè)計時，必須在波特圖中標注校正前后的曲線，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，說明書的格式按照教務(wù)處標準書寫。2 .系統(tǒng)分析由初始條件可知，系統(tǒng)的開環(huán)函數(shù)為：G(s)=，要求對單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差s(s1)1,1一，一小于0.1;且超調(diào)量小于25%由ess=得：K=10,且由仃=0.16+0.4(M,1)W0.25和kMr主工可

7、得55°,所以開環(huán)函數(shù)應(yīng)為G(s)=二0sins(s1)伯德圖畫圖步驟：1)該系統(tǒng)是1型系統(tǒng)，所以v=1,k=10,孫=1;2)確定低頻漸近線：L)=20logk-20vlogs,斜率為-20v即-20dB,過點(1,20);3)遇到第一個轉(zhuǎn)折頻率以=1時，斜率下降-20dB/Dec.精品文檔精品文檔校正前伯德圖如圖2-1:其Matlab源程序如下：G=tf(10,1,1,0),margin(G)的deCa/ifTM(E(Jihr、Pm-1Bdeygl口姬rAiecj根軌跡畫圖步驟:1)確定實軸上的根軌跡，實軸上0,-1區(qū)域必為根軌跡；»_(2k+1)打a一n-m2)確定根

8、軌跡的漸近線，由于n-m=2,故有兩條根軌跡漸近線，其中:3二(k=0,1，,n-m-1)=2，萬20'、Pi-"Zj_imj1=0.53)n-m確定分離點和分離角，根據(jù)公式：m1n11一二=£得分離點坐標：d=-0.5jmd-Zjimd-Pi分離角等于：(也:。,.一)二里l224)確定起始角與終止角，其中：mnmn%=(2k+g+(£中加一£%jPi),Q=(2k+1)n-(£Qzi-£%jz)jwjd,jHjW,j：1jW得到起始角與終止角都為0;5)確定根軌跡與虛軸交點，因為閉環(huán)特征方程式為：S2s10=0令S=js,

9、解出無交點精品文檔精品文檔未校正前的根軌跡圖如圖2-2:其Matlab源程序如下：num=10;den=1,1,0;rlocus（num,den）由圖2-1可知未校正前系統(tǒng)的相角裕度為18：開環(huán)截止頻率為3.08,設(shè)計任務(wù)中要求相角裕度要大于或等于551所以可知當前系統(tǒng)并未滿足要求，系統(tǒng)需要進行校正，3 .系統(tǒng)校正3.1 超前補償設(shè)計1 ）補償裝置的參數(shù)a為了達到相角裕度要求，需要增加的超前相角為：口1sin45且：二1-sin45所以可彳35=5.7,又因為-10lga=-10lg5.7直線與未校正對數(shù)曲線相較于缶=4.8,所以取8c=4.8;2 ）根據(jù)a值算出T值根據(jù)公式可計算出T=0.0

10、8;3 ）根據(jù)所求a值與T值來確定校正裝置，可得:校正裝置的傳遞函數(shù)為：精品文檔精品文檔D(s)=1-岌Ts1Ts10.456s10.08s加入超前校正之后的傳遞函數(shù)為:10(10.456s)G(s)D(s);s(10.08s)(1s)伯德圖畫圖步驟：1)該系統(tǒng)是1型系統(tǒng)，所以v=1,k=10,co1=1,o22.19,co3=12.5;2)確定低頻漸近線：L(s)=20logk-20vlogs,斜率為-20v即-20dB,過點(1,20);3)遇到第一個轉(zhuǎn)折頻率必=1時，斜率下降-20dB/Dec;遇到第二個轉(zhuǎn)折頻率82忠2.19時，斜率增加+20dB/Dec;遇到第三個轉(zhuǎn)折斜率。3=12.

11、5時，斜率下降-20dB/Dec.校正后的伯德圖如圖3-1:其Matlab源程序如下：G=tf(4.56,10,0.08,1.08,1,0),margin(G)9mhmgr汗E-dB閩hi1,PmK.fdm憫r«Vs#:：iE耳句r|P*Pwc：根軌跡畫圖步驟:1)確定實軸上的根軌跡，實軸上-12.5,-2和卜1,0區(qū)域必為根軌跡;2)確定根軌跡的漸近線，由于n-m=2,故有兩條根軌跡漸近線，其中:(2k1)二n-m二3二(k=0,1,.,n-m-1)=31'Pi-ZjC-一.二j-5.65n-m3)確定分離點和分離角，根據(jù)公式:精品文檔精品文檔mn1乙=£j二d-

12、ZjwdPi得分離點坐標：d忠0.565,4.735±1.339j分離角等于:(2k1)二l(k=0,1,.l-1)ji24)確定起始角與終止角，其中:mn%=(2k1)二，：加-、%jpi)jj,jTmnZ=(2k1)二：ZjZi-pjz)j3j二1j得到起始角與終止角都為0；5)確定根軌跡與虛軸交點，因為閉環(huán)特征方程式為：0.08s3+1.08s2+5.56s+10令s=jco,解出無交點校正后的根軌跡圖如圖3-2:其Matlab源程序如下：num=4.56,10;den=0.08,1.08,1,0;rlocus(num,den)HmjAkh-由圖3-1可知，校正后的相角裕度為5

13、6.5",滿足設(shè)計要求3.2 確定超前補償環(huán)節(jié)數(shù)字控制形式因為Ts=0.05s,且D(s)=1+裕，7=豆丁已知口=5.7,所以可以計算出D(s)=1+0.285s精品文檔精品文檔校正后的傳遞函數(shù)為G(s)D(s)=10(10.285s)s(s-1)超前校正階躍輸入的模型圖如圖3-3:階躍輸入響應(yīng)如圖3-4:超前校正斜坡輸入的模型圖如圖3-5:斜坡輸入響應(yīng)如圖3-6:超前補償環(huán)節(jié)的數(shù)字控制階躍輸入模型如圖3-7:階躍響應(yīng)如圖3-8:超前補償環(huán)節(jié)的數(shù)字控制單位斜坡輸入的模型如圖3-9:單位斜坡響應(yīng)如圖3-10:3.3 滯后補償設(shè)計1 )校正裝置的參數(shù)a審二1805510=-115作-1

14、25口線，對應(yīng)的幅值為25.9dB,可得校正后的開環(huán)截止頻率q=0.46,1 -120lg=25.9,一=20,a=0.05aa2)根據(jù)所求的口值計算出T值1根據(jù)=sctanw可以計算得T=242二T3)根據(jù)所求的口值和T值來確定校正裝置校正裝置的傳遞函數(shù)為:D(s)=1Ts112.1s1242s加入超前校正后的傳遞函數(shù)為:G(s)D(s)=10(112.1s)s(1242s)(1s)伯德圖畫圖步驟:1)該系統(tǒng)是1型系統(tǒng),所以v=1,k=10,眄定0.004,82ft;0.083,編3=1;2)3)確定低頻漸近線：L(m)=20logk-20vlogs,斜率為-20v即-20dB,過點(1,2

15、0)3)遇到第一個轉(zhuǎn)折頻率必定0.004時，斜率下降-20dB/Dec;遇到第二個轉(zhuǎn)折頻率精品文檔精品文檔02定0.083時，斜率增加+20dB/Dec;遇到第三個轉(zhuǎn)折斜率切3=1時，斜率下降-20dB/Dec.校正后的伯德圖如圖3-11:其Matlab源程序如下：G=tf(121,10,242,243,1,0),margin(G)iQfflhTdB犍*1.Pfi-5S.fr修iat-1工1)2)根軌跡畫圖步驟：確定實軸上的根軌跡,確定根軌跡的漸近線,實軸上-1,-0.08和-0.004,0區(qū)域必為根軌跡;由于n-m=2,故有兩條根軌跡漸近線，其中：3)4)(2k1)二n。m(k=0,1,.,

16、n-m-1)=,Pi-、ZjC-一.二2j-0.46n-m確定分離點和分離角，根據(jù)公式：m1n1ud-Zji'd-Pi得分離點坐標：d-0.179,-0.44,-0.0022,.)l2確定起始角與終止角，其中:3二精品文檔精品文檔%=(2k1)二個./iP0J.J,一:4,z=(2k1)二一(V工”)nj昌得到起始角與終止角都為0;5)確定根軌跡與虛軸交點，因為閉環(huán)特征方程式為：242s3+243s2+122s+10=0令s=jm,解出無交點。校正后的根軌跡圖如圖3-12:其Matlab源程序如下：num=121,10;den=242,243,1,0;rlocus(num,den)由圖

17、3-11可知，校正后的相位裕角為55.6,滿足設(shè)計的要求。滯后校正階躍輸入的模型圖如圖3-13:滯后校正階躍響應(yīng)如圖3-14:滯后校正單位斜坡輸入的模型圖如圖3-15:單位斜坡輸入響應(yīng)如圖3-16:結(jié)束語通過此次課程設(shè)計，我對超前滯后校正有了更深入的了解，設(shè)計過程中的方案選擇和參數(shù)設(shè)定使我進一步認識到自動控制原理中校正環(huán)節(jié)對整個系統(tǒng)的重要作用。一個細小的參數(shù)設(shè)定就能促使系統(tǒng)的最后性能指標符合要求，工作在我們所需的狀態(tài)，可見合理選擇校正方案是整個設(shè)計的核心。在這個過程中，我更加認識到課程設(shè)計的前提就是在于充分掌握基礎(chǔ)知識，然后利用所學的知識方法去解決遇到的問題，分析比較并得出最優(yōu)方案。這也是我們學習自動控制原理的關(guān)鍵。同時，在設(shè)計中通過運用Matlab軟件作出系統(tǒng)的伯德圖和根軌跡圖極大的簡化了設(shè)計的過程，是我更加直觀