自動控制課程設(shè)計-控制系統(tǒng)根軌跡法串聯(lián)校正裝置設(shè)計

物理與電子工程學(xué)院《自動控制原理》課程設(shè)計報告書控制系統(tǒng)根軌跡法串聯(lián)校正裝置設(shè)計2013年12月08日2物理與電子工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名呂美青學(xué)號課程名稱自動控制原理設(shè)計題目控制系統(tǒng)根軌跡法串聯(lián)校正裝置設(shè)計設(shè)計目的、主要內(nèi)容(參數(shù)、方法)及要求設(shè)計目的：2.掌握自動控制原理中根軌跡法串聯(lián)校正裝置的作用及用法，根據(jù)不同的系統(tǒng)性能指標(biāo)要求進(jìn)行合理的系統(tǒng)設(shè)計，并調(diào)試滿足系統(tǒng)的指標(biāo)。3.學(xué)會使用MATLAB語言及Simulink動態(tài)仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)仿真與調(diào)試。4.鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考、動手解決問題的能力。設(shè)計內(nèi)容：已知單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)被控制對象的傳遞函數(shù)用根軌跡法設(shè)計串聯(lián)校正裝置。設(shè)計要求：1.引入該校正裝置后，系統(tǒng)的超調(diào)量σ%≤20%,上升時間t;≤1s,當(dāng)輸入信號是單位斜坡函數(shù)時，系統(tǒng)的誤差ess≤0.05。2.用MATLAB仿真軟件輔助分析，畫出單位階躍響應(yīng)曲線，按主導(dǎo)極點(diǎn)法設(shè)計校正裝置，初步設(shè)計出校正裝置傳遞函數(shù)形式。3.利用MATLAB仿真軟件繪制校正后單位階躍響應(yīng)曲線，驗算設(shè)計結(jié)果。4.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；5.完成設(shè)計報告。工作量2周時間，每天3學(xué)時，共計42學(xué)時進(jìn)度安排第1-5天：查閱資料，理論設(shè)計。第6-9天：Matlab/Simulink仿真設(shè)計。第10-14天：整理課程設(shè)計報告。主要參考資料1.黃堅.自動控制原理及其應(yīng)用(第4版)[M],北京：高等教育出版社，20042.王正林，王勝開.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真(第2版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008指導(dǎo)教師簽字教研室主任簽字3根軌跡法將以時域參量描述的性能指標(biāo)要求轉(zhuǎn)化為一對期望主導(dǎo)極點(diǎn)用主導(dǎo)極點(diǎn)代替全部閉環(huán)極點(diǎn)繪制系統(tǒng)時間響應(yīng)曲線，形狀誤差僅出現(xiàn)在曲線的起始段，而主要決定性能指標(biāo)的曲線中、后段，其形狀基本不變。在MATLAB中的命令窗口使用根軌跡分析與設(shè)計工具rltool對系統(tǒng)進(jìn)行校正分析即可。41系統(tǒng)的根軌跡法分析 51.1根軌跡法設(shè)計定義 51.2根軌跡法設(shè)計原理 52系統(tǒng)校正 62.2對系統(tǒng)進(jìn)行分析 73.1未校正系統(tǒng)仿真 73.2超前校正設(shè)計仿真 83.4滯后校正設(shè)計仿真 94心得體會 參考文獻(xiàn) 51系統(tǒng)的根軌跡法分析1.1根軌跡法系統(tǒng)設(shè)計定義在實際工程控制中，往往需要設(shè)計一個系統(tǒng)并選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)以滿足性能指標(biāo)的要求，或?qū)υ邢到y(tǒng)增加某些必要的元件或環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)能夠全面滿足性能指標(biāo)要求，此類問題就稱為系統(tǒng)校正與綜合，即系統(tǒng)設(shè)計。1.2根軌跡法設(shè)計原理(1)根軌跡與穩(wěn)定性當(dāng)系統(tǒng)開環(huán)增益從變化時，若根軌跡不會越過虛軸進(jìn)入s右半平面，那么系統(tǒng)對所有的K值都是穩(wěn)定的；若根軌跡越過虛軸進(jìn)入s右半平面，那么根軌跡與虛軸交點(diǎn)處的K值，就是臨界開環(huán)增益。應(yīng)用根軌跡法，可以迅速確定系統(tǒng)在某一開環(huán)增益或某一參數(shù)下的閉環(huán)零、極點(diǎn)位置，從而得到(2)根軌跡與系統(tǒng)性能的定性分析1)穩(wěn)定性。如果閉環(huán)極點(diǎn)全部位于s左半平面，則系統(tǒng)一定是穩(wěn)定的，即穩(wěn)定性只與閉環(huán)極點(diǎn)的位置有關(guān)，而與閉環(huán)零點(diǎn)位置無關(guān)。2)運(yùn)動形式。如果閉環(huán)系統(tǒng)無零點(diǎn)，且閉環(huán)極點(diǎn)為實數(shù)極點(diǎn)，則時間響應(yīng)一定是單調(diào)的；如果閉環(huán)極點(diǎn)均為復(fù)數(shù)極點(diǎn)，則時間響應(yīng)一般是振蕩的。3)超調(diào)量。超調(diào)量主要取決于閉環(huán)復(fù)數(shù)主導(dǎo)極點(diǎn)的衰減率，并與其它閉環(huán)零、極點(diǎn)接近坐標(biāo)原點(diǎn)的程度有關(guān)。4)調(diào)節(jié)時間。調(diào)節(jié)時間主要取決于最靠近虛軸的閉環(huán)復(fù)數(shù)極點(diǎn)的實部絕對值；如果實數(shù)極點(diǎn)距虛軸最近，并且它附近沒有實數(shù)零點(diǎn)，則調(diào)節(jié)時間主要取決5)實數(shù)零、極點(diǎn)影響。零點(diǎn)減小閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼，從而使系統(tǒng)的峰值時間提前，超調(diào)量增大；極點(diǎn)增大閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼，使系統(tǒng)的峰值時間滯后，超調(diào)量減小。而且這種影響將其接近坐標(biāo)原點(diǎn)的程度而加強(qiáng)。2.1已知條件及要求2.1.1已知單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)被控制對象的傳遞函數(shù)2.1.2設(shè)計串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，使得校正后系統(tǒng)：6系統(tǒng)的超調(diào)量σ%≤20%2.2對系統(tǒng)進(jìn)行分析2.2.1根軌跡法設(shè)計步驟(1)根據(jù)動態(tài)性能指標(biāo)，計算閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)1s和2s;(2)按閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)條件，選取動態(tài)特性校正環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)Gc;依據(jù)校正后系統(tǒng)特征多項式與期望特征多項式相等，計算出校正環(huán)節(jié)的參數(shù)；(3)根據(jù)開環(huán)增益K,計算增益校正環(huán)節(jié)Gc參數(shù)，為使根軌跡(起始段除外)形狀基本不變，即閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)基本不變，又要有較高的開環(huán)增益，校正環(huán)節(jié)的零點(diǎn)和極點(diǎn)必須相互接近，且接近原點(diǎn)。(4)檢驗設(shè)計結(jié)果；主要檢驗是否滿足閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)條件。2.2.2根軌跡法設(shè)計過程已知單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)被控制對象的傳遞函數(shù)系統(tǒng)的超調(diào)量o%≤20%當(dāng)輸入信號是單位斜坡函數(shù)時，系統(tǒng)的誤差es≤0.05。1)根據(jù)要求的速度靜態(tài)誤差，確定系統(tǒng)開環(huán)增益又求。,于是得出，當(dāng)K≥1600時，可以滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的要2)分析未校正系統(tǒng)的性能指標(biāo)作系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)得出系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)為：超調(diào)量σ%=76%,上升3)確定系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)將系統(tǒng)需求的性能指標(biāo)(超調(diào)量σ%≤20%,上升時間t,≤1.0s,取σ%=15%,t,=1.0s)轉(zhuǎn)換成希望的系統(tǒng)閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)或相應(yīng)的阻尼比?和自然頻率φ。。7,求得阻尼比g=0.517,自然頻率O,=2.474)利用rltool設(shè)計工具完成校正裝置的設(shè)計，得到串聯(lián)超前校正補(bǔ)償器的傳數(shù)為5)檢驗校正后系統(tǒng)性能指標(biāo)是否滿足要求加入此超前校正后閉環(huán)系統(tǒng)的g=0.536,o,=2.47;σ%=14%,t,=0.667s。動態(tài)性能指標(biāo)基本滿足要求，但是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不滿足要求，而且無論怎樣調(diào)整超前校正裝置零極點(diǎn)位置，都無法滿足系統(tǒng)所有的性能要求，因此加入滯后校6)加入滯后校正裝置設(shè)計，得到超前-滯后校正補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為3.3.1未校正系統(tǒng)仿真已知單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)被控制對象的傳遞函數(shù)>>den=[conv([12],[140]),0]>>G=tf(num,den);>>rltool(G)8k=1.7625;z=[-2.128];p=[-3.125];G=zpk(z,p,k);rlocus(G);h××0M:*6de2cmertoan·0R圖2超前校正設(shè)計根軌跡圖與伯德圖9a向區(qū)D@圖3超前校正設(shè)計階躍響應(yīng)圖3.3.3滯后校正設(shè)計仿真(這不是僅僅滯后裝置，是兩者的綜合運(yùn)用。這是超前--滯后校正裝置加入后的仿真)>>k=0.146;z=[-2.21-0.1];p=[-3.11-0.01];rlocQLuD1.atYiZ圖4滯后校正裝置根軌跡圖9MiAiw2510DealeateelB1ea9×0章音口M2X?Cunet(+0(a+10)Qu)-2gCp圖5滯后校正設(shè)計根軌跡圖與伯德圖圖6滯后校正設(shè)計階躍響應(yīng)圖通過這次的實驗讓我掌握系統(tǒng)的根軌跡主導(dǎo)極點(diǎn)法校正過程，掌握用根軌跡法設(shè)計校正裝置的方法，并用實驗驗證校正裝置的正確性，了解然過去從未獨(dú)立應(yīng)用過它們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計的又一收獲。要做好一個課程設(shè)計，就必須做到：在設(shè)計程序之前，對自動控制理論知識有一個系統(tǒng)的了解，要有一個清晰的思路和一個否不僅僅是實現(xiàn)功能，而應(yīng)該讓人一看就能明白你的思路，這樣也為資料的保存和交流提供了方便；在設(shè)計課程過程中遇到問題是很正常的，但我們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚。在進(jìn)行對系統(tǒng)分析和系統(tǒng)校正中，我體會到使用根軌跡設(shè)計器使得分析系統(tǒng)的性能非常直觀，同時使得進(jìn)行系統(tǒng)校正更為方便。從計算機(jī)轉(zhuǎn)移到關(guān)注自動控制原理中系統(tǒng)分析和校正的概念、思想和方法中來，提高分析和解決實際問題的[1]趙文峰MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真[M]西安電子科技大學(xué)[2]黃忠霖自動控制原理的MATLAB實現(xiàn)北京國防工業(yè)出版社.2007[3]胡壽松自動控制原理科學(xué)出版社[4]楊宏基葛云龍根軌跡串聯(lián)校正設(shè)計的研究課程設(shè)計成績評定表分值優(yōu)秀良好中等及格不及格評分參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)平時考核學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格保證設(shè)計時間并按任務(wù)書中規(guī)定的進(jìn)度開展各項工作。學(xué)習(xí)態(tài)度比較認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)良好，能按期圓滿完成任務(wù)書規(guī)定的任務(wù)。學(xué)習(xí)態(tài)度尚好，遵守組織紀(jì)律，基本保證設(shè)計時間，按期完成各項工作。學(xué)習(xí)態(tài)度尚可，能遵守組織紀(jì)律，能按期完成任務(wù)。學(xué)習(xí)馬虎，紀(jì)律渙散，工作作風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn)，不能保證設(shè)計時間和進(jìn)度。課程設(shè)計報告報告內(nèi)容組織書寫結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，層次清晰，語言準(zhǔn)完全符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計算機(jī)打印成文；圖紙非常工整、清晰。結(jié)構(gòu)合理，符合邏輯，文章層次分明，語言準(zhǔn)確，文字流暢，符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計算機(jī)打印成文；圖紙工整、清晰。結(jié)構(gòu)合理，層次較為分明，文理通順，基本達(dá)到規(guī)范化要求，書寫比較工整；圖紙比較工整、清晰。結(jié)構(gòu)基本合理，邏輯基本清楚，文字尚通順，勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)范化要求；圖紙比較工整。內(nèi)容空泛，結(jié)構(gòu)混亂，文字表達(dá)不清，錯別字較多，達(dá)不到規(guī)范化要求；圖紙不工整或不清晰。技術(shù)水平設(shè)計合理、理論分析與計算正確，文獻(xiàn)查閱能力強(qiáng)、引用合理、調(diào)查調(diào)研非常合理、可信。設(shè)計合理、理