控制理論課程設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)串聯(lián)校正設(shè)計(jì)

河南科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書課程名稱控制理論課程設(shè)計(jì)題目控制系統(tǒng)串聯(lián)校正設(shè)計(jì)學(xué)院班級(jí)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師日期控制理論課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：控制系統(tǒng)串聯(lián)校正設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的控制理論課程設(shè)計(jì)是綜合性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)。其目的是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)自控理論知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用的能力；要求學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和校正的方法；掌握應(yīng)用MATLAB語言及SIMULINK仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和校正的方法；培養(yǎng)學(xué)生查閱圖書資料的能力；培養(yǎng)學(xué)生撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告的能力。二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求應(yīng)用時(shí)域法、頻域法或根軌跡法設(shè)計(jì)校正系統(tǒng)，根據(jù)控制要求，制定合理的設(shè)計(jì)校正方案，給出校正裝置的傳遞函數(shù)；編寫相關(guān)MATLAB程序或設(shè)計(jì)相應(yīng)的SIMULINK框圖，繪制校正前、后系統(tǒng)相應(yīng)圖形分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，分析系統(tǒng)性能，求出校正前、后系統(tǒng)相關(guān)性能指標(biāo)；比較校正前后系統(tǒng)的性能指標(biāo)；編制設(shè)計(jì)說明書。三、設(shè)計(jì)要求已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，試用頻率法設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)的相角裕量，靜態(tài)加速度誤差系數(shù)。四、設(shè)計(jì)時(shí)間安排查找相關(guān)資料（1天）；編寫相關(guān)MATLAB程序，設(shè)計(jì)、確定校正環(huán)節(jié)、校正（2天）；編寫設(shè)計(jì)報(bào)告（1天）；答辯修改（1天）。五、主要參考文獻(xiàn)1.梅曉榕.自動(dòng)控制原理,科學(xué)出版社.2.胡壽松.自動(dòng)控制原理（第五版）,科學(xué)出版社.3.鄒伯敏.自動(dòng)控制原理,機(jī)械工業(yè)出版社.4.黃忠霖.自動(dòng)控制原理的MATLAB實(shí)現(xiàn)，國防工業(yè)出版社.指導(dǎo)教師簽字：年月日第一章、緒論在控制工程中用得最廣的是電氣校正裝置，它不但可應(yīng)用于電的控制系統(tǒng)，而且通過將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)，還可應(yīng)用于非電的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)問題常?？梢詺w結(jié)為設(shè)計(jì)適當(dāng)類型和適當(dāng)參數(shù)值的校正裝置。校正裝置可以補(bǔ)償系統(tǒng)不可變動(dòng)部分（由控制對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和量測部件組成的部分）在特性上的缺陷，使校正后的控制系統(tǒng)能滿足事先要求的性能指標(biāo)。常用的性能指標(biāo)形式可以是時(shí)間域的指標(biāo)，如上升時(shí)間、超調(diào)量、過渡過程時(shí)間等，也可以是頻率域的指標(biāo)，如相角裕量、增益裕量、諧振峰值、帶寬等。在許多情況下,它們都是由電阻、電容按不同方式連接成的一些四端網(wǎng)絡(luò)。各類校正裝置的特性可用它們的傳遞函數(shù)來表示，此外也常采用頻率響應(yīng)的波德圖來表示。不同類型的校正裝置對(duì)信號(hào)產(chǎn)生不同的校正作用，以滿足不同要求的控制系統(tǒng)在改善特性上的需要。§1.1設(shè)計(jì)目的和意義目的：（1）學(xué)習(xí)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中對(duì)不同的系統(tǒng)選用不同的校正方式；（2）理解相角裕量、穩(wěn)態(tài)誤差、截止頻率、幅值裕度、相位穿越頻率等參數(shù)的含義以及對(duì)系統(tǒng)性能的影響；（3）學(xué)習(xí)使用MATLAB繪制系統(tǒng)各種圖形，使用SIMULINK對(duì)校正系統(tǒng)進(jìn)行仿真，繪制出系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。意義：（1）通過課程設(shè)計(jì)掌握自動(dòng)控制原理課程的有關(guān)知識(shí)，加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)理解，提高解決實(shí)際問題的能力，為將來打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；（2）學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題?！?.2設(shè)計(jì)題目和要求已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，試用頻率法設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)的相角裕量，靜態(tài)加速度誤差系數(shù)。設(shè)計(jì)要求：分析題目要求，說明校正的設(shè)計(jì)思路（2）根據(jù)參數(shù)寫出傳遞函數(shù)，繪制校正前后校正裝置和系統(tǒng)的Bode圖、使用simulink仿真單位階躍響應(yīng)曲線；（3）畫出系統(tǒng)校正前、后的開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖，并進(jìn)行分析；第二章、總體設(shè)計(jì)§2.1校正前對(duì)系統(tǒng)的分析串聯(lián)超前校正裝置的傳遞函數(shù)為根據(jù)對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差的要求確定開環(huán)增益；按已確定的K，繪制未校正系統(tǒng)的伯德圖，并計(jì)算相角裕量；在未校正系統(tǒng)伯德圖選取，然后求出，轉(zhuǎn)折頻率、；利用MATLAB語言計(jì)算出超前校正器的傳遞函數(shù)；校驗(yàn)校正后的系統(tǒng)是否滿足題目要求?！?.1.1校正前系統(tǒng)的參數(shù)已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：靜態(tài)加速度誤差系數(shù)為：，則：滿足初始條件的開環(huán)傳遞函數(shù)為：§2.1.2使用MATLAB繪制校正前的Bode圖程序如下：num=[10];den=[0.2100];margin(num,den)grid得到的Bode圖如圖1所示：圖1校正前系統(tǒng)Bode圖§2.1.3使用SIMULINK繪制校正前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及仿真圖圖2校正前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3校正前系統(tǒng)仿真圖單位階躍響應(yīng)曲線分散，系統(tǒng)不穩(wěn)定?！?.1.4使用MATLAB繪制校正前系統(tǒng)的根軌跡程序如下：num=[10];den=[0.2100];rlocus(num,den)得到校正前系統(tǒng)的根軌跡如圖4所示：圖4校正前系統(tǒng)的根軌跡§2.1.5使用MATLAB繪制校正前系統(tǒng)的奈奎斯特圖程序如下：num=[10];den=[0.2100];nyquist(num,den)得到校正前系統(tǒng)的奈奎斯特圖如圖5所示：圖5校正前系統(tǒng)的奈奎斯特圖由圖1可知校正前系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)如下：幅值裕度；相角裕量；相位穿越頻率；截止頻率由圖1校正前系統(tǒng)Bode圖可知，系統(tǒng)相角裕量，系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖3校正前系統(tǒng)仿真圖單位階躍響應(yīng)曲線不穩(wěn)定，因此系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖4校正前系統(tǒng)根軌跡沒有全部位于s左半平面，系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要校正?！?.2校正參數(shù)計(jì)算§2.2.1校正設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算首先了解一下串聯(lián)超前校正的使用范圍：如果在未校正系統(tǒng)的截止頻率附近，相頻特性的變化率很大，即相角減小得很快，則采用單級(jí)串聯(lián)校正效果將不大，這是因?yàn)殡S著校正后的截止頻率向高頻段的移動(dòng)，相角在附近將減小得很快，于是在新的截止頻率上便很難得到足夠大的相裕量。在工程實(shí)踐中一般不希望a值很大，當(dāng)a＝20時(shí)，最大超前角，如果需要60°以上的超前相角時(shí)，可以考慮采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)由隔離放大器串聯(lián)在一起使用。在這種情況下，串聯(lián)超前校正提供的總超前相角等于各單獨(dú)超前校正網(wǎng)絡(luò)提供的超前相角之和。由以上得到的數(shù)據(jù)可知，相角裕度不滿足要求，需要校正。確定為達(dá)到相角裕度要求，需增加的超前相角，并由此估算出要求的最大超前相位：需要增加的超前相角：應(yīng)當(dāng)注意，超前校正裝置不僅改變了Bode圖中的相角曲線，也改變了幅值曲線，并使幅值穿越頻率增大，即右移（參看圖2）。在新的幅值穿越頻率上，的相角滯后增大了，因此相角超前裝置必須補(bǔ)償?shù)暨@一相角滯后增量。為此相角超前校正裝置產(chǎn)生的最大超前相角約為：確定超前校正傳遞函數(shù)的參數(shù)：由公式得：可求得校正裝置的幅值：由圖1中對(duì)數(shù)幅值曲線查得原系統(tǒng)幅值=17.85dB時(shí)的頻率為=1.11rad/s。因此可得：Kc為比例環(huán)節(jié)的系數(shù)，在此系統(tǒng)中置為1，不進(jìn)行放大。求出校正裝置的傳遞函數(shù)：將、、帶入公式中得§2.2.2使用MATLAB繪制出校正裝置的Bode圖程序如下：num=[10.14];den=[18.67];margin(num,den)grid圖6校正裝置的Bode圖§2.3校正后對(duì)系統(tǒng)的分析§2.3.1繪制出校正后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及仿真圖校正裝置參數(shù)確定后，校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：圖7系統(tǒng)校正后結(jié)構(gòu)框圖圖8校正后單位階躍響應(yīng)曲線§2.3.2繪制出校正后系統(tǒng)的Bode圖和校正后的單位階躍響應(yīng)圖程序如下：num=conv([00010],[0010.14]);den=conv([0.2100],[0018.67]);sys1=tf(num,den);subplot(2,2,1);%在指定窗口繪制圖形margin(sys1);grid;subplot(2,2,2);num12=num;den12=num+den;sys12=tf(num12,den12);step(sys12);grid圖9校正后系統(tǒng)Bode圖圖10校正后單位階躍響應(yīng)圖驗(yàn)證校正后系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足要求。經(jīng)研究已校正系統(tǒng)的Bode圖，從圖7中可以看出，超前裝置加入系統(tǒng)后，使系統(tǒng)的剪切頻率左移到1.11rad/s處，這說明系統(tǒng)的頻帶寬度減小，與此同時(shí)，相角裕度為，系統(tǒng)滿足了題目所給的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此，可以說校正后的系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到了規(guī)定的要求?！?.3.3繪制校正前后系統(tǒng)Bode圖的對(duì)比圖程序如下：num1=[10];den1=[0.2100];sys1=tf(num1,den1);%校正前的開環(huán)傳遞函數(shù)num2=conv([00010],[0010.14]);den2=conv([0.2100],[0018.67]);sys2=tf(num2,den2);%校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)margin(sys1)holdonmargin(sys2)holdongrid;圖11校正前后Bode圖對(duì)比§2.3.4繪制校正前后系統(tǒng)的奈奎斯特圖并對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析校正前程序如下：num=[10];den=[0.2100];sys1=tf(num,den);nyquist(sys1);圖12校正前奈奎斯特圖由于開環(huán)傳遞函數(shù)中含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以從到順時(shí)針補(bǔ)畫一圈，再由上圖可知，Nyquist曲線在(-1，j0)左邊無窮遠(yuǎn)處穿越負(fù)實(shí)軸一次，所以校正前閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。校正后程序如下：num=conv([00010],[0010.14]);den=conv([0.2100],[0018.67]);sys1=tf(num,den);nyquist(sys1);圖13校正后奈奎斯特圖由于開環(huán)傳遞函數(shù)中含有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以從到順時(shí)針補(bǔ)畫一圈，再由上圖可知，奈奎斯特曲線沒有圍繞點(diǎn)(-1，j0)，所以,，又，所以，所以校正后閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。由圖9可知校正前系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)如下：幅值裕度；相角裕量；相位穿越頻率；截止頻率。系統(tǒng)相角裕量，滿足題目要求且系統(tǒng)穩(wěn)定。圖8和圖10的校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線圖和SIMULINK仿真圖趨于平穩(wěn)，因此系統(tǒng)穩(wěn)定。第三章、設(shè)計(jì)結(jié)論首先對(duì)校正裝置進(jìn)行分析：校正前當(dāng)系統(tǒng)輸入信號(hào)后在上升階躍信號(hào)的響應(yīng)出現(xiàn)很大的震動(dòng)，而加入了所設(shè)計(jì)的校正裝置后使得系統(tǒng)能夠平穩(wěn)的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，響應(yīng)不會(huì)出現(xiàn)很大的震動(dòng)，這樣有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。但加入校正裝置后，系統(tǒng)的上升時(shí)間變長，即系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的響應(yīng)變慢了。設(shè)計(jì)結(jié)論：從校正前后系統(tǒng)Bode圖對(duì)比圖中可以看出，系統(tǒng)加入超前裝置后，使系統(tǒng)的截止頻率由左移到處，相角裕量為。因此，可以說校正后的系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到了規(guī)定的要求。通過本次自動(dòng)控制理論課程設(shè)計(jì)，我對(duì)自動(dòng)控制原理校正環(huán)節(jié)有了更深的了解，更進(jìn)一步掌握了控制理論的控制方法。我本次做的是對(duì)系統(tǒng)的超前校正，使我更深入地了解了超前校正裝置對(duì)系統(tǒng)的影響。除此之外，這次課程設(shè)計(jì)還使我學(xué)會(huì)了好多電腦方面的知識(shí)，比如如何MATLAB中繪制伯德圖，如何用SIMULINK來仿真等等，我們從這些內(nèi)容當(dāng)中學(xué)到的對(duì)我們將來的工作很有幫助。參考文獻(xiàn)[1]梅曉榕，主編.自動(dòng)控制原理（第三版），北京：科學(xué)出版社，2013.8.[2]朱衡君.MATLAB語言及實(shí)踐教程(第二版)，清華大學(xué)出版社.2014.8.[3]張德豐，楊文茵.編著.MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用，清華大學(xué)出版社.2012.1.[4]鄒伯敏.自動(dòng)控制原理,機(jī)械工業(yè)出版社.2012.5.[5]張靜.MATLAB在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.電子工業(yè)出版社.2007.目錄TOC\o"1-3"\u第一章項(xiàng)目概要 11.1項(xiàng)目背景 11.2項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容與工期 21.3投資估算和資金籌措 31.3.1投資估算 31.3.2資金籌措方案 31.4效益分析 41.4.1經(jīng)濟(jì)效益 41.4.2社會(huì)效益 51.4.3生態(tài)效益 5第二章項(xiàng)目區(qū)概況 62.1自然概況 62.2社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況 8第三章項(xiàng)目建設(shè)的必要性和可行性 103.1項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約因素 103.2項(xiàng)目建設(shè)的必要性 103.3項(xiàng)目建設(shè)的可行性 13第四章水資源評(píng)價(jià)及水利工程設(shè)施 144.1項(xiàng)目區(qū)水資源概況 144.2水利工程措施 14第五章規(guī)劃設(shè)計(jì) 185.1指導(dǎo)思想 185.2選項(xiàng)原則 185.3建設(shè)標(biāo)準(zhǔn) 185.4道路建設(shè) 195.5建設(shè)規(guī)模 205.6規(guī)劃布局 20第六章開發(fā)任務(wù)與開發(fā)原則 226.1開發(fā)任務(wù) 226.2開發(fā)原則 22第七章投資估算與資金籌措 247.