自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告-4

自動(dòng)控控制理論課程設(shè)計(jì)PAGEPAGE0自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化設(shè)計(jì)題目：二階系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：分院院長：教研主任：電氣工程學(xué)院

一、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、設(shè)計(jì)內(nèi)容已知單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，當(dāng)時(shí)，其，要求，。試?yán)糜性创?lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)校正。2、設(shè)計(jì)要求1）根據(jù)性能指標(biāo)要求，確定串聯(lián)超前校正裝置傳遞函數(shù)；2）根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定有源超前網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)R、C值；3）設(shè)計(jì)原系統(tǒng)模擬電路、校正后系統(tǒng)電路；4）徒手繪制校正前、后及校正裝置對(duì)數(shù)頻率特性曲線；5）搭建電路，輸入階躍信號(hào)，記錄校正前、后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，分析結(jié)果；6）利用Matlab仿真軟件輔助分析設(shè)計(jì)，并驗(yàn)算設(shè)計(jì)結(jié)果，繪制校正前、后及校正裝置對(duì)數(shù)頻率特性曲線；7）在Matlab-Simulink下建立系統(tǒng)仿真模型，求校正前、后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)特性，并進(jìn)行系統(tǒng)性能比較；8）設(shè)計(jì)完成后提交設(shè)計(jì)報(bào)告，內(nèi)容包括：理論計(jì)算設(shè)計(jì)過程及結(jié)果、仿真設(shè)計(jì)過程及結(jié)果、確定校正裝置參數(shù)的過程，最后說明校正裝置的作用；9）手寫設(shè)計(jì)報(bào)告，Matlab仿真結(jié)果打印。二、參考資料[1]《自動(dòng)控制原理》教材；[2]《自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》；[3]Matlab相關(guān)書籍；三、設(shè)計(jì)計(jì)劃（2011年12月5日~時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容5~6日布置設(shè)計(jì)任務(wù)、查閱資料、理論設(shè)計(jì)7～14日Matlab仿真設(shè)計(jì)、Simulink仿真分析15～18日寫設(shè)計(jì)報(bào)告并提交四、時(shí)間及地點(diǎn)上午：8:00～11:00下午：1:00～16:00地點(diǎn)：新實(shí)驗(yàn)樓321、323

目錄第一章校正裝置及其相關(guān)設(shè)計(jì) 31.1設(shè)計(jì)矯正裝置……………………..………31.1.1求原系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間….…………...……….31.1.2校正裝置的傳遞函數(shù)………….……...31.2設(shè)計(jì)校正前.后系統(tǒng)模擬電路…….…………31.2.1設(shè)計(jì)校正前系統(tǒng)的模擬電路…………………...…….31.2.2設(shè)計(jì)校正后系統(tǒng)的模擬電路……...….41.3會(huì)出系統(tǒng)前.后波特圖…………………...…...51.3.1校正前的波特圖的計(jì)算與繪制……………...……….51.3.2校正裝置的波特圖的計(jì)算與繪制………………...….51.3.3校正后的波特圖的計(jì)算與繪制…………….5第二章Matlab仿真軟件輔助分析設(shè)計(jì) 92.1Matlab簡介 92.2Matlab仿真 9第三章simulink仿真 133.1Simulink簡介 133.2Simulink仿真 133.2.1校正前仿真 133.2.2校正后仿真 14第四章實(shí)際電路響應(yīng) 154.1校正前實(shí)際電路響應(yīng) 154.2校正后的實(shí)際電路響應(yīng) 16第五章數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)…………….…….18附錄……………………...…………..19參考文獻(xiàn)：…………………..……….20

第二章Matlab仿真軟件輔助分析設(shè)計(jì)2.1Matlab簡介MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。2.2Matlab仿真首先在桌面上打開matlab7.1快捷方式然后單擊File→New,新建空白空間，最后再輸入想要的程序（此程序直接粘貼的）：a=10b=[110]g=tf(a,b)bode(g)grid也可以輸入a=10回車后再輸入b=[110]加回車以此類推直到把程序輸入完成。輸入結(jié)果是：表2-2然后后單擊鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊所要的點(diǎn)，進(jìn)行截圖保存。用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊可得Frequency=3.1rad/sec,agnitude=-0.101dB,hase=-162deg再粘入:a=[0.4561]b=[0.1141]g=tf(a,b)bode(g)grid回車結(jié)果為：圖2-2-2校正裝置仿真圖左鍵單擊選擇Wc`點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值及：Frequency=4.36rad/sec，Magnitude=5.99dB，Phase=36.9deg輸粘入：a=10b=[110]g1=tf(a,b)bode(g1)gridholdonc=[0.4561]d=[0.1141]g2=tf(c,d)bode(g2)a1=conv(a,c)b1=conv(b,d)g=tf(a1,b1)holdonbode(g)回車后結(jié)果為：圖2-2-3校正后裝置仿真圖從圖中可以讀出：校正前裝置：Fquency=3.07rad/sec，Magnitude=0.0549dB，Phase=-162deg校正裝置；Frequency=4.4rad/sec，Magnitude=6.03dB，Phase=36.9deg校正后裝置：Frequency=4.43rad/sec,agnitude=0.000601dB,Phase=-130deg

第三章simulink仿真3.1simulink簡介Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink的簡單操作3.2Simulink仿真3.2.1校正前仿真打開Matlab后點(diǎn)擊Simulink會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框。然后點(diǎn)擊File選擇新建Model此時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)空白工作空間。左鍵點(diǎn)擊Sources選擇step階躍信號(hào)，用鼠標(biāo)左鍵直接拖到空白工作空間。左鍵點(diǎn)擊MathOperations選擇Sum，用鼠標(biāo)拖到工作空間后，雙擊會(huì)出現(xiàn)一個(gè)屬性框，在listofsigns欄中輸入+-點(diǎn)擊OK確定。左鍵點(diǎn)擊Continuous選擇Integrator積分環(huán)節(jié)拖到工作空間，在選擇TtransferFcn微分環(huán)節(jié)拖到工作空間。左鍵點(diǎn)擊MathOperations選擇Gain比例環(huán)節(jié)拖到空間后左鍵雙擊會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，把Gain值更改成10，擊OK確定。按照以上方法選擇示波器Scope。最后合理安排好各個(gè)環(huán)節(jié)的位置后，依次按順序用線連接結(jié)果如圖：圖3-2-1校正前仿真圖單擊startsimulation后雙擊Scope會(huì)出現(xiàn)波形，為了便于讀數(shù)在波形上右鍵點(diǎn)擊選擇Autoscale會(huì)出現(xiàn)如圖：圖3-3-2校正前響應(yīng)圖3.2.2校正后仿真重復(fù)3.1.1的步驟然后單擊Continuous選擇Integrator積分環(huán)節(jié)拖到工作空間后雙擊積分環(huán)節(jié)，Numeratorcoefficient中輸入[0.4560.114]，按OK確定。合理安排位置和順序后連線結(jié)果如圖：圖3-3-3校正后仿真圖點(diǎn)擊startsimulation后雙擊Scope會(huì)出現(xiàn)波形，為了便于讀數(shù)在波形上右鍵點(diǎn)擊選擇Autoscale會(huì)出現(xiàn)如圖：圖3-3-4校正后響應(yīng)圖第四章實(shí)際電路響應(yīng)4.1校正前實(shí)際電路響應(yīng)在拿到實(shí)驗(yàn)箱后，與電腦進(jìn)行連接，然后按所設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行連接，打開虛擬示波器，把電源電壓調(diào)到合適的大小后，把示波器上的儲(chǔ)存打開，按一下開關(guān)等幾秒后，關(guān)閉示波器進(jìn)行讀數(shù)結(jié)果為：圖4-1-1校正前電路響應(yīng)4.2校正后的實(shí)際電路響應(yīng)按照校正后的電路進(jìn)行連線，然后進(jìn)行給電容放電，打開虛擬示波器，把示波器上的儲(chǔ)存打開，按一下開關(guān)等幾秒后，關(guān)閉示波器進(jìn)行讀數(shù)結(jié)果為：圖4.2.1校正后電路響應(yīng)數(shù)據(jù)分析和總結(jié)理論計(jì)算時(shí)：校正前：Wc=3.1,r=17.9°,σ%=60%，ts=6s校正后：Wc=4.4,r=49.8°,σ%=12.2%,ts=2.5Matlab仿真時(shí)：校正前：Wc=3.07,r=18°,σ%=60%,ts=6s校正后：Wc=4,43,r=50°,σ%=12.2%,ts=2.5s實(shí)際測(cè)量時(shí)：校正前:σ%=45%，ts=2.43s校正后：σ%=19%，ts=1.42s綜合以上分析超前校正的優(yōu)點(diǎn)如下：(1)使開環(huán)截止頻率增大，閉環(huán)頻帶寬度增加，暫態(tài)響應(yīng)加快。(2)可以在不改變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的前提下，提高系統(tǒng)的暫態(tài)性能。(3)校正裝置容易實(shí)現(xiàn)。超前校正的缺點(diǎn)如下(1)由于頻率特性高頻段幅值的提高，降低了系統(tǒng)抗高頻干擾信號(hào)的能力。(2)需提高系統(tǒng)的放大倍數(shù)，以補(bǔ)償超前網(wǎng)絡(luò)對(duì)增益的衰減作用。(3)若待校正系統(tǒng)在其截止頻率附近，相頻特性衰減較快，一般不宜采用超前校正。因?yàn)榧词共捎贸熬W(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償，補(bǔ)償效果也不顯著。(4)對(duì)于不穩(wěn)定的系統(tǒng)，一般也不宜采用超前校正方法，否則由于α過大，