自控課程設計報告

1、自動控制原理課程設計任務書一、 目的要求1. 目的1. 加深對自動控制原理中的一些基本概念的理解；2. 掌握被控廣義對象數學模型試驗測試和辨識的方法；3. 掌握閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)響應質量的分析、計算和校正方法；4. 經過對廣義對象特性測試和閉環(huán)系統(tǒng)運行調試試驗，提高實驗動手能力；5. 經過MATLAB、Simulink仿真計算，提高編程、仿真和計算能力。2. 要求1. 認真對待課程設計，集中全部精力，抓緊兩周時間，圓滿完成課程設計任務；2. 認真聽老師講授課程設計，并做好筆記，消化內容，掌握自動控制系統(tǒng)一般的設計步驟和方法；3. 學會用MATLAB/Simulink仿真計算方法，設

2、計自動控制系統(tǒng)；4. 認真做好測試和運行調試試驗，仔細記錄數據，分析實驗結果；5. 按規(guī)定認真寫好課程設計報告。二、 設計題目直流電動機轉速自動控制系統(tǒng)設計三、 質量指標要求1. 給定轉速：2000轉/分2. 穩(wěn)態(tài)誤差：理論上，實際系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，為給定轉速值的3. 動態(tài)質量指標：超調量： 調節(jié)時間：四、 完成時間：2周 80學時課程設計報告正文（提綱）第一章 直流電動機轉速自動控制系統(tǒng)的組成原理1.1廣義對象組成 被控制對象直流電動機工作原理和被控制量 功率放大器電路及工作原理 測速裝置組成及工作原理1.2 廣義對象數學模型的建立 廣義對象時間響應特性的測試 .1 測試實驗原理圖 .2 測試過

3、程與方法 .3 測試結果曲線 數學模型辨識 .1 辨識方法選擇 .2 辨識結果：開環(huán)傳遞函數第二章 轉速控制系統(tǒng)的理論分析與計算2.1 未校正閉環(huán)控制系統(tǒng)的結構圖2.2 未校正系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析2.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差計算2.4 系統(tǒng)動態(tài)質量指標計算 用閉環(huán)零、極點分布計算%，ts 用開環(huán)L(w)、(c)、c 表計算%，ts2.5 計算結果說明（應加校正裝置）第三章 轉速控制系統(tǒng)校正3.1 校正方式的比較與選擇3.2 用Bode圖選擇串聯校正裝置結構和參數第四章 用MATLAB/Simulink仿真設計轉速控制系統(tǒng)4.1 未加校正裝置的轉速控制系統(tǒng)的仿真分析計算用MATLAB程序用simulink仿

4、真4.2 加串聯校正裝置時轉速控制系統(tǒng)設計 用simulink仿真圖4.3 確定所選校正裝置的結構和參數第五章 轉速控制系統(tǒng)的校正裝置實現和系統(tǒng)運行調試5.1用模擬電路實現校正裝置(如圖5.1所示)5.2數字校正裝置5.2.1校正裝置的差分方程5.2.2選擇Kp、Ki（或Kp、Ti）不同值組合調試、運行第六章 結束語6.1 課程設計的收獲和體會6.2 建議第一章 直流電動機轉速自動控制系統(tǒng)的組成原理1.1廣義對象組成 被控制對象直流電動機工作原理和被控制量 被控對象：電動機 被控量：電動機的轉速 直流電動機的原理基于電磁感應定律，即：運動導體切割磁力線，在導體中產生切割電勢；或者說匝線鏈線圈的

5、磁通發(fā)生變化，在線全中產生感應電勢。N極下到導體中的電流流出紙面，用表示S極下到導體中的電流流出紙面，用表示載流導體在磁場中受到電磁力的作用。如果導體在磁場中的長度為L，其中流過的電流為i,導體所在的磁通密度為B，那么導體受到的磁力的值為F=BLI式中，F的單位為牛頓（N）；B的單位為韋伯/米2（Wb/m2）;L的單位為米（m）；I的單位為安（A）；力F的方向用左手定則來確定。 功率放大器電路及工作原理 功率放大器的作用是通過對控制信號的功率放大以產生足夠的功率來驅動執(zhí)行機構。功率放大器的工作原理就是利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將電源的功率轉換為按照輸入信號變化的電流。因為

6、聲音是不同振幅和不同頻率的波，即流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的倍，是三極管的交流放大倍數。應用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流（或電壓）是原來的倍的大信號，這種現象成了功率放大。而場效應管則是柵極變化一毫伏，原極電流變化一安，就成稱跨導為1，功率放大器就是利用這些作用來實現小信號來控制大信號，從而使多級放大器實現了大功率輸出，并非真的將功率放大了。1.1.3 測速裝置組成及工作原理測速部件是由市場上購買的光柵盤，參見圖，配合著槽型光耦產生脈沖，再通過主控芯片計脈沖數來實現測速的。光柵盤上有200個孔

7、，對應車輪滾動一周，將有200個脈沖信號產生。車輪周長為0.167m，即車輪每轉動一周，小車將移動0.167m，也將有200個脈沖產生，對應到每個脈沖車體移動距離為0.167m/200 = 0.000853m。這樣在固定的時間段內計脈沖的個數就可以達到測速的目的。采用定時的時間間隔為0.1s，實際車速1m/s 對應的脈沖數為117個。車速脈沖對應公式：光柵盤及光藕其中，v為車速，L為車輪的周長，z為柵盤的齒數，Ts為時間間隔，N為計到的脈沖數1.2 廣義對象數學模型的建立 廣義對象時間響應特性的測試 .1 測試實驗接線C2模塊的puluse孔B9模塊的IRQ7(中斷請求)B9模塊的OUT1B9

8、模塊的IRQ6B9模塊的1.22MHzB9模塊的CLK1.2 測試過程與方法運行“MATLAB”程序選擇“控制系統(tǒng)”菜單下“直流電動機閉環(huán)調速”實驗項目，再選擇“開始實驗”會彈出轉速示波器界面，Kp=1,Ti=200,Td=0,T=0,點擊開始，C2的開關接到ON,點擊發(fā)送（盡量在兩線重合后再點擊），n（t）變化，觀察大達到穩(wěn)態(tài)，點擊停止，將C2的開關接到OFF，然后讀數，將屏幕往左移，移到如下圖，其中，n（x）=xn（）-n(0)+n(0), G（s）=，即可得到測試結果曲線。 .3 測試結果曲線由此圖可得：nr=2000轉/分，n（）=1973轉/分，n（0）=176轉/分由此圖可得：n（

9、8）=1621轉/分，t2=0.09s，而實際n（8）=1613.6轉/由此圖可得：n（4）=898轉/分，t1=0.03s，而實際n（4）=895轉/分 數學模型辨識.1 辨識方法選擇時域法：通過測量對應特定輸入信號的系統(tǒng)輸出響應，來確定系統(tǒng)的 傳遞函數。 按t1/t2的值估計結構形式辨識當t1/t2<0.32可以用一階慣性環(huán)節(jié)近似0(s)=,T=，附加e-ts(時間死區(qū)延遲)當0.32<t1/t2 <0.46可以用二階慣性環(huán)節(jié)近似 0(s)=,k0= T1+T2=(t1+t2)/2.16, T1·T2/（T1+T2）2=(1.74*t1/t2-0.55)t1/t

10、2=0.46,0(s)=K0/(ToS+1)2，To=,k0同前t1/t2>0.46, 0(s)=K0/(T0S+1)n，n=（+0.5）2 n= T0= ，由確定， 由確定1.2.2.2 辨識結果：開環(huán)傳遞函數系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數為：系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數為：第二章 轉速控制系統(tǒng)的理論分析與計算2.1 未校正閉環(huán)控制系統(tǒng)的結構圖簡單模型建立的步驟有：1)建立模型窗口。2）將功能模塊由模塊庫窗口復制到模型窗口，對模塊進行連接，從而構成需要的系統(tǒng)模塊。num=0.985 den=0.0000927 0.056 0.015 num,den=cloop (num,den) step (num,den)

11、grid on xlabel('t') ylabel('c(t)')2.2未校正系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析2.2.1勞斯判據 由于D(S)= 0.0000927S2+0.056S+0.015，所以由勞斯判據得： s2 0.0000927 0.015 s1 0.056 0 s0 0.015由于勞斯判據中第一列數據符號無變化,可以判斷出系統(tǒng)穩(wěn)定。 L(w)，（w）判斷由Go(s)=可在MATLAB程序中運行得到Bode圖，程序及結果圖如下：num=0.985;den=0.0000927 0.056 0.015;g=tf(num,den);marign(g)grid on由Z=

12、P-2N=0得出系統(tǒng)是穩(wěn)定的.2.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析計算2.3.1終值定理計算2.3.2穩(wěn)態(tài)誤差系數計算由知：系統(tǒng)型別為0，2.4 系統(tǒng)動態(tài)質量指標計算 用閉環(huán)零、極點分布計算%，ts(1)%：,則有故該系統(tǒng)為過阻尼系統(tǒng)，則；(2)ts：，所以 用開環(huán)L(w)、(c)、c 表計算%，tsnum=0.985;den=0.0000927 0.056 0.015;g=tf(num,den);marign(g)grid on由于未校正前的>1，所以可以暫時不計算%，ts2.5 計算結果說明（應加校正裝置） 由上述數據ess=ts=0.183,應為調節(jié)時間滿足ts<0.5s,需加校正系統(tǒng)消

13、除靜態(tài)誤差。這時可以加入積分作用。在整定時積分系數K1由小逐漸增強，觀察輸出會發(fā)現，系統(tǒng)的靜差會逐漸減少甚至消除，知道消除靜差的速度滿意為止。注意這時的超調量會比原來加大，應適當的降低一點比例系數Kp。第三章 轉速控制系統(tǒng)校正3.1 校正方式的比較與選擇3.1.1選PID校正:（1）附加負實根極點，使%減小，使系統(tǒng)響應速度降低，tp增大。（2）附加負實根零點，使%增加，使系統(tǒng)響應速度降低，tp減小。（3）閉環(huán)增益改變，對動態(tài)性能無影響。（4）加比例環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)增益。（5）加微分環(huán)節(jié)可以加快系統(tǒng)的調節(jié)時間。（6）加積分環(huán)節(jié)可以減慢系統(tǒng)的調節(jié)時間。3.1.2 選PI校正：（1）附加負實根極點，

14、使%減小，使系統(tǒng)響應速度降低，tp增大。（2）附加負實根零點，使%增加，使系統(tǒng)響應速度降低，tp減小。（3）閉環(huán)增益改變，對動態(tài)性能無影響3.2 用Bode圖選擇串聯校正裝置結構和參數 如果比例控制系統(tǒng)的靜差達不到設計要求，這時可以加入積分作用。在整定時積分系數K1由小逐漸增強，觀察輸出會發(fā)現，系統(tǒng)的靜差會逐漸減少甚至消除，知道消除靜差的速度滿意為止。注意這時的超調量會比原來加大，應適當的降低一點比例系數Kp。第四章 用MATLAB/Simulink仿真設計轉速控制系統(tǒng)4.1 未加校正裝置的轉速控制系統(tǒng)的仿真分析計算用MATLAB程序num=0.985 den=0.0000927 0.056

15、0.015num,den=cloop (num,den)step (num,den)grid onxlabel('t')ylabel('c(t)')由圖得：ess=30, =0, ts =0.183s用simulink仿真存在靜態(tài)誤差，其他條件滿足校正要求。4.2 加串聯校正裝置時轉速控制系統(tǒng)設計 用simulink仿真圖PI校正裝置如下圖： k=1.kp=1,ki=-0.045,ts=0.175s由圖可知：ts<0.5,無超調并消除靜態(tài)誤差。4.3 確定所選校正裝置的結構和參數PI校正裝置: , 第五章 轉速控制系統(tǒng)的校正裝置實現和系統(tǒng)運行調試5.1用模

16、擬電路實現校正裝置(如圖5.1所示) PD PI PID圖5.15.2數字校正裝置5.2.1校正裝置的差分方程PD裝置：GC（S）=Kp（1+TDS）PI裝置：GC（S）=Kp（1+1/TIS）PID裝置：GC（S）=Kp（1+1/TIS+1/TDS）5.2.2選擇Kp、Ki（或Kp、Ti）不同值組合調試、運行Kp=1,Ti=175,ts=0.17s第六章 結束語6.1 課程設計的收獲和體會 通過課程設計，我們將理論與實踐更好的聯系起來，通過不斷嘗試校正，不斷修改參數，我們從中掌握了PI校正的一般規(guī)律，并且加深了對理論知識的理解。經過本次自動控制原理實驗的學習，我對MATLAB 當中的SIMLINK 有了全新的認識，那是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。同時通過課程的學習，復習了SIMLINK 中的各個環(huán)節(jié)的操作，掌握了改變步長和算法的基本分析方法對我們三