自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)(室溫控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計(jì))

PAGE室溫控制系統(tǒng)校正裝置設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的通過(guò)課程設(shè)計(jì)，在掌握自動(dòng)控制理論基本原理、一般電學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)控制方法的基礎(chǔ)上，用MATLAB實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真與調(diào)試。二、設(shè)計(jì)要求收集和查閱有關(guān)技術(shù)資料，獨(dú)立完成所承擔(dān)的設(shè)計(jì)課題的全部?jī)?nèi)容，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；對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行選擇和分析；繪制設(shè)計(jì)圖；撰寫說(shuō)明書。要求如下：根據(jù)所學(xué)控制理論知識(shí)(頻率法、根軌跡法等)進(jìn)行人工設(shè)計(jì)校正裝置，初步設(shè)計(jì)出校正裝置傳遞函數(shù)形式及參數(shù)；使用MATLAB和Simulink，對(duì)加入的校正裝置的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并在計(jì)算機(jī)上對(duì)人工設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，使其滿足技術(shù)要求；確定校正裝置的電路形式及電路參數(shù)（選作）；完成設(shè)計(jì)報(bào)告。三、設(shè)計(jì)任務(wù)已知某室溫控制系統(tǒng)為單位負(fù)反饋，某開環(huán)傳遞函數(shù)為：，試用Bode圖設(shè)計(jì)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行滯后串聯(lián)校正設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)滿足;系統(tǒng)在斜坡信號(hào)作用下，系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)≥30系統(tǒng)校正后的剪切頻率≥2.3系統(tǒng)校正后，系統(tǒng)的相角裕量2.2設(shè)計(jì)要求①分析設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明校正的設(shè)計(jì)思路（滯后校正分析②詳細(xì)設(shè)計(jì)（包括的圖形有：校正結(jié)構(gòu)圖，校正前系統(tǒng)的Bode圖，校正裝置的Bode圖，校正后系統(tǒng)的Bode圖）③用MATLAB編程代碼及運(yùn)行結(jié)果（包括圖形、運(yùn)算結(jié)果）④校正前后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)圖。三、設(shè)計(jì)方法步驟及設(shè)計(jì)校正構(gòu)圖3.1校正前系統(tǒng)分析校正前系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 設(shè)計(jì)校正要求：≥30，≥2.3，因?yàn)?，所以所以，原系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)變?yōu)椋豪肕ATLAB繪畫未校正系統(tǒng)的Bode圖,見(jiàn)圖1在MATLAB中編寫如下程序：num=30;f1=[1,0];f2=[0.1,1];f3=[0.2,1];den=conv(f1,conv(f2,f3));bode(num,den)原系統(tǒng)Bode圖圖1利用MATLAB繪制未校正系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，見(jiàn)圖2在MATLAB中編寫如下程序：num=30;f1=[1,0];f2=[0.1,1];f3=[0.2,1];G=tf(f1,conv(f2,f3));G1=feedback(G,1);t=0:0.1:10;step(G1,t);gridxlabel('t');ylabel('c(t)');title('原系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)');階躍響應(yīng)曲線為：圖2由圖1可以看出，相角欲度，此時(shí)系統(tǒng)的相角裕度不符合要求，故該系統(tǒng)需要校正。由于校正前系統(tǒng)已有一定的相角欲度，因此可以考慮引入串聯(lián)滯后校正裝置以滿足相角欲度的要；由圖2系統(tǒng)在階躍輸入下是不能穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不佳。3.2校正方法根據(jù)系統(tǒng)的性能，決定采用串聯(lián)滯后校正。在MATLAB中設(shè)計(jì)滯后網(wǎng)絡(luò)的步驟如下：（1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差要求確定開環(huán)增益K因?yàn)?，所以（2）利用確定的開環(huán)增益并在MATLAB中繪制原系統(tǒng)Bode圖（見(jiàn)圖1），讀出原系統(tǒng)的相角裕度。（3）確定校正后的系統(tǒng)剪切頻率。在此頻率上開環(huán)傳遞函數(shù)的相位裕量應(yīng)等于要求的相位裕量再加上（）——補(bǔ)償滯后校正網(wǎng)絡(luò)本身在處的相位滯后?，F(xiàn)要求校正后系統(tǒng)的相位裕量，為了補(bǔ)償滯后校正網(wǎng)絡(luò)本身的相位滯后，需要再加上的補(bǔ)償角，所以取（補(bǔ)償角?。┰贐ode圖（圖1）上可找得，在附近的相位角等于（即相位裕量為），故取此頻率為校正后系統(tǒng)的增益剪切頻率。即：（4）求值。確定原系統(tǒng)頻率特性在處的幅值下降到0dB時(shí)所必需的衰減量=20Lg，求取值。由圖1得原系統(tǒng)在處的頻率增益為21.2dB，為了保證系統(tǒng)的增益剪切頻率處，滯后校正裝置應(yīng)產(chǎn)生21.2dB的衰減量：=21.2dB，即20=20Lg（5）選取T值。為了使滯后校正裝置產(chǎn)生的相位滯后對(duì)校正后系統(tǒng)的增益剪切頻率處的影響足夠小，應(yīng)滿足，一般取=10/T取T=10/=4.35（6）確定滯后校正裝置的傳遞函數(shù)利用MATLAB繪畫校正裝置的bode圖，見(jiàn)圖3在MATLAB中編寫如下程序：G=tf([4.351],[52.21]);figure(1)margin(G);grid[gm,pm,wg,wp]=margin(G);title('校正裝置');校正裝置Bode圖如下：圖33.3校正裝置采用RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成無(wú)源滯后校正裝置如下圖：其傳遞函數(shù)為：其中,（），由校正裝置傳遞函數(shù)得如下關(guān)系：=12，即———————①=4.35———————————————②選取適當(dāng)?shù)那覞M足①②兩關(guān)系式的參數(shù)值即可確定校正裝置。3.4校正后系統(tǒng)分析經(jīng)超前校正后，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：(1)利用MATLAB繪畫系統(tǒng)校正前、后的bode圖（見(jiàn)圖4）及校正前、后系統(tǒng)對(duì)單位階躍響應(yīng)（見(jiàn)圖5）的對(duì)比在MATLAB中編寫如下程序：num=627;f1=[1,0];f2=[0.1,1];f3=[0.2,1];den=conv(f1,conv(f2,f3));g0=tf(num,den);pm=627;dpm=pm+5;[mag,phase,w]=bode(g0);magdb=20*log10(mag);wcg=2.4gr=-spline(w',magdb(1,:),wcg);alpha=10^(gr/20);T=10/(alpha*wcg);gc=tf([alpha*T1],[T1]);F0=feedback(g0,1);F=feedback(g0*gc,1);figure(1);bode(g0,g0*gc);figure(2);step(F0,F);校正前、后系統(tǒng)的Bode圖對(duì)比：圖4校正前、后系統(tǒng)對(duì)單位階躍響應(yīng)對(duì)比：,圖5四、在MATLAB下，用Simulink進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真在Simulink仿真環(huán)境下采用串聯(lián)滯后校正，校正前結(jié)構(gòu)圖（見(jiàn)圖6），對(duì)原系統(tǒng)仿真，得系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線（見(jiàn)圖7）見(jiàn)圖6校正前系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線：圖7由圖7可看出，系統(tǒng)對(duì)單位階躍響應(yīng)的輸出極不穩(wěn)定，系統(tǒng)不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。在原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖上串加上環(huán)節(jié)進(jìn)行滯后校正，校正后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（見(jiàn)圖8），對(duì)校正后系統(tǒng)仿真，得系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線（見(jiàn)圖9）圖8校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線:圖9由圖9可看出，系統(tǒng)對(duì)單位階躍響能夠穩(wěn)定的應(yīng)輸出，系統(tǒng)的最大超調(diào)量在25%左右，過(guò)渡時(shí)間在2.5s附近，對(duì)于本溫度控制系統(tǒng)以上參數(shù)是滿足要求的。五、總結(jié)由上分析可知：在滯后校正中，利用的是滯后校正網(wǎng)絡(luò)在高頻段的衰減特性。對(duì)系統(tǒng)滯后校正后：改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能滯后校正網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)低通濾波器，對(duì)低頻信號(hào)有較高的增益，從而減小了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。同時(shí)由于滯后校正在高頻段的衰減作用，使增益剪切頻率移到較低的頻率上，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。響應(yīng)速度變慢滯后校正裝置使系統(tǒng)的頻帶變窄，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間增大。莊子云：“人生天地之間，若白駒過(guò)隙，忽然而已。”是呀，春秋置換，日月交替，這從指尖悄然劃過(guò)的時(shí)光，沒(méi)有一點(diǎn)聲響，沒(méi)有一刻停留，仿佛眨眼的功夫，半生已過(guò)。人活在世上，就像暫時(shí)寄宿于塵世，當(dāng)生命的列車駛到終點(diǎn)，情愿也罷，不情愿也罷，微笑也罷，苦笑也罷，都不得不向生命揮手作別。我們無(wú)法挽住時(shí)光的腳步，無(wú)法改變?nèi)松乃廾?。但我們可以拿起生活的畫筆，把自己的人生涂抹成色彩靚麗的顏色。生命如此短暫，豈容隨意揮霍！只有在該辛勤耕耘的時(shí)候播灑汗水，一程風(fēng)雨后，人生的筐簍里才能裝滿碩果。就算是煙花劃過(guò)天空，也要留下短暫的絢爛。只有讓這僅有一次的生命豐盈充實(shí)，才不枉來(lái)塵世走一遭。雁過(guò)留聲，人過(guò)留名，這一趟人生旅程，總該留下點(diǎn)兒什么！生活是柴米油鹽的平淡，也是行色匆匆的奔波。一粥一飯來(lái)之不易，一絲一縷物力維艱。前行的路上，有風(fēng)也有雨。有時(shí)候，風(fēng)雨撲面而來(lái)，打在臉上，很疼，可是，我們不能向生活低頭認(rèn)輸，咬牙抹去臉上的雨水，還有淚水，甩開腳步，接著向前。我們需要呈現(xiàn)最好的自己給世界，需要許諾最好的生活給家人。所以，生活再累，不能后退。即使生活賜予我們一杯不加糖的苦咖啡，皺一皺眉頭，也要飲下。人生是一場(chǎng)跋涉，也是一場(chǎng)選擇。我們能抵達(dá)哪里，能看到什么樣的風(fēng)景，能成為什么樣的人，都在于我們的選擇。如果我們選擇面朝大海，朝著陽(yáng)光的方向揮手微笑，我們的世界必會(huì)收獲一片春暖花開。如果我們選擇小橋流水，在不動(dòng)聲色的日子里種籬修菊，我們的世界必會(huì)收獲一隅靜謐恬淡。選擇臨風(fēng)起舞，我們就是歲月的勇者；選擇臨陣脫逃，我們就是生活的懦夫。沒(méi)有淌不過(guò)去的河，就看我們?nèi)绾螖[渡。沒(méi)有爬不過(guò)去的山，就看我們何時(shí)啟程。德國(guó)哲學(xué)家尼采說(shuō)：“每一個(gè)不曾起舞的日子，都是對(duì)生命的辜負(fù)。”讓我們打開朝著晨光