自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)

審定成績(jī)：自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：?jiǎn)挝回?fù)反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正學(xué)生姓名姚海軍班級(jí)0902院別物理與電子學(xué)院專(zhuān)業(yè)學(xué)導(dǎo)老師杜健嶸設(shè)計(jì)時(shí)間20目錄一設(shè)計(jì)任務(wù)二設(shè)計(jì)要求三設(shè)計(jì)原理四設(shè)計(jì)方法步驟及設(shè)計(jì)校正構(gòu)圖五課程設(shè)計(jì)總結(jié)六參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為用相應(yīng)的頻率域校正方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)滿(mǎn)足如下動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能：(1)相角裕度；(2)在單位斜坡輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差；(3)系統(tǒng)的剪切頻率。二、設(shè)計(jì)要求分析設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明校正的設(shè)計(jì)思路（超前校正，滯后校正或滯后－超前校正）；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）；用MATLAB編程代碼及運(yùn)行結(jié)果（包括圖形、運(yùn)算結(jié)果）；校正前后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)圖。摘要根據(jù)被控對(duì)象及給定的技術(shù)指標(biāo)要求，涉及自動(dòng)控制系統(tǒng)，既要保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的性能，滿(mǎn)足給定的指標(biāo)要求，還有考慮方案的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，本課程設(shè)計(jì)是在給定的指標(biāo)下，分別用時(shí)域和頻域方法設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的控制器。本文首先從理論的方法分別用時(shí)域和頻域法求出控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)，再用Matlab對(duì)校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，畫(huà)出階躍響應(yīng)曲線，計(jì)算其時(shí)域性能指標(biāo)，經(jīng)驗(yàn)證，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞:飛行器控制系統(tǒng)時(shí)域頻域MATLAB目錄概述自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航空及航天等眾多產(chǎn)業(yè)部門(mén)，極大地提高了社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了人們地勞動(dòng)環(huán)境，豐富和提高了人民的生活水平。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著越來(lái)越重要的作用。所謂自動(dòng)控制，是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。例如，數(shù)控車(chē)床按照預(yù)定程序自動(dòng)地切削工作；化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動(dòng)維持恒定；雷達(dá)和計(jì)算機(jī)組成的導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)，自動(dòng)地將導(dǎo)彈引導(dǎo)到敵方目標(biāo)；無(wú)人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行；人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收等，這一切都是以應(yīng)用高水平的自動(dòng)控制技術(shù)為前提的。根據(jù)被控對(duì)象及給定的技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，既要保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有良好的性能，滿(mǎn)足給定技術(shù)指標(biāo)的要求，還要考慮方案的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。本說(shuō)明書(shū)介紹了在給定技術(shù)指標(biāo)下，對(duì)飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了達(dá)到給定要求，主要采用了串聯(lián)滯后-超前校正。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正時(shí)，采用了基于伯德圖的串聯(lián)滯后-超前校正，對(duì)系統(tǒng)校正前后的性能做了分析和比較，并用MATLAB進(jìn)行了繪圖和仿真一、設(shè)計(jì)原理校正方式的選擇。按照校正裝置在系統(tǒng)中的鏈接方式，控制系統(tǒng)校正方式分為串聯(lián)校正、反饋校正、前饋校正和復(fù)合校正4種。串聯(lián)校正是最常用的一種校正方式，這種方式經(jīng)濟(jì)，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中多采用這種校正方式。串聯(lián)校正方式是校正器與受控對(duì)象進(jìn)行串聯(lián)連接的。本設(shè)計(jì)按照要求將采用串聯(lián)校正方式進(jìn)行校。校正方法的選擇。根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)表達(dá)方式可以進(jìn)行校正方法的確定。本設(shè)計(jì)要求以頻域指標(biāo)的形式給出，因此采用基于Bode圖的頻域法進(jìn)行校正。幾種串聯(lián)校正簡(jiǎn)述。串聯(lián)校正可分為串聯(lián)超前校正、串聯(lián)滯后校正和滯后-超前校正等。超前校正的目的是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)靜態(tài)性能不受損的前提下，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)加入超前校正環(huán)節(jié)，利用其相位超前特性來(lái)增大系統(tǒng)的相位裕度，改變系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性。一般使校正環(huán)節(jié)的最大相位超前角出現(xiàn)在系統(tǒng)新的穿越頻率點(diǎn)。滯后校正通過(guò)加入滯后校正環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益有較大幅度增加，同時(shí)又使校正后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)保持原系統(tǒng)的良好狀態(tài)。它利用滯后校正環(huán)節(jié)的低通濾波特性，在不影響校正后系統(tǒng)低頻特性的情況下，使校正后系統(tǒng)中高頻段增益降低，從而使其穿越頻率前移，達(dá)到增加系統(tǒng)相位裕度的目的。滯后—超前校正適用于對(duì)校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能有更多更高要求的場(chǎng)合。施加滯后—超前校正環(huán)節(jié)，主要是利用其超前部分增大系統(tǒng)的相位裕度，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；利用其滯后部分改善系統(tǒng)的靜態(tài)性能。以上3種不同的校正方法的一般性設(shè)計(jì)步驟如下：1)根據(jù)靜態(tài)性能指標(biāo)，計(jì)算開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的增益。之后求取校正前系統(tǒng)的頻率特性指標(biāo)，并與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比較。2)確定校正后期望的穿越頻率，具體值的選取與所選擇的校正方式相適應(yīng)。3)根據(jù)待設(shè)計(jì)的校正環(huán)節(jié)的形式和轉(zhuǎn)折頻率，計(jì)算相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而確定校正環(huán)節(jié)。4)得出校正后系統(tǒng)。檢驗(yàn)系統(tǒng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。如不滿(mǎn)足則從第二步重新開(kāi)始。在MATLAB中基于Bode圖進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路是通過(guò)比較校正前后的頻率特性，嘗試選定合適的校正環(huán)節(jié)，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)原理，確定校正環(huán)節(jié)參數(shù)。最后對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，并反復(fù)設(shè)計(jì)直至滿(mǎn)足要求。二、設(shè)計(jì)方法步驟及設(shè)計(jì)校正構(gòu)圖2.1校正前系統(tǒng)分析校正前系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：設(shè)計(jì)要求:由得K>20…..令K=25；校正前結(jié)構(gòu)圖單位階躍響應(yīng)和沖激響應(yīng)分析在MATLAB中編寫(xiě)如下程序：clearK=25;den=conv([0.110],[0.21]);G1=tf(K,den);G0=feedback(G1,1,-1);t=0:0.01:5;figure(1);step(G0,t);grid;title('單位階躍響應(yīng)');figure(2);impulse(G0,t);grid;title('單位沖激響應(yīng)');單位階躍響應(yīng)和沖激響應(yīng)的曲線如下由上圖可以看出，系統(tǒng)在階躍輸入下還是可以穩(wěn)定輸出的，但是開(kāi)始時(shí)振蕩比較大，超調(diào)量也比較大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不佳。2).利用MATLAB繪畫(huà)未校正系統(tǒng)的bode圖在MATLAB中編寫(xiě)如下程序：K=25;den=conv([0.110],[0.21]);G=tf(K,den);w=logspace(0,4,50);bode(G,w);grid[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(G)得Gm=0.6000Pm=-12.9919Wcg=7.0711Wcp=9.0101在波得圖上量取原系統(tǒng)的相角和幅值裕量，并找出符合相角裕量要求的相應(yīng)頻率作為wc′。從圖可看出，未校正系統(tǒng)的增益交界頻率wc=9.0101rad/s，其相角裕度γ=-12.99190顯然，未校正系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。再觀察相頻特性，雖然負(fù)相角裕量（-12.9919）的絕對(duì)值并不大，但在w=wc附近，相頻特性變化明顯，可以預(yù)計(jì)到應(yīng)用串聯(lián)滯后校正。2.2校正方法（1）根據(jù)相角裕量γ≥450的要求，再考慮到串接滯后校正裝置的相角滯后(初步按-60計(jì)算)從未校正系統(tǒng)的頻率特性曲線圖一上，找出對(duì)應(yīng)相角－1800+（450+60）=－1290處的頻率wcˊ≈2.42rad/s。wcˊ將作為校正后系統(tǒng)的增益交界頻率。確定滯后裝置的傳遞函數(shù)Gc=(1+aTs)/(1+Ts)①根據(jù)滯后校正裝置的最大幅值和原系統(tǒng)在wcˊ上的幅值相等條件，求出a值。在wc=wcˊ處，從未校正的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線上求得:20lg|G0(jwc’)|=19.1dB·····①再由20lg1/a=19.1dB計(jì)算出a=0.110②由1/aT=1/10·wcˊ所以當(dāng)wcˊ≈2.42rad/sa=0.110時(shí)，可求得T=37.56s③將所求的a值和T值代入①式得校正裝置的傳遞函數(shù)為：Gc(s)=(1+4.132s)/(1+37.56s)校正裝置結(jié)構(gòu)圖如下：利用MATLAB繪畫(huà)校正裝置的bode圖G=tf([4.1321],[37.561]);figure(1);margin(G);grid[gm,pm,wg,wp]=margin(G);2.3校正后系統(tǒng)分析經(jīng)超前校正后，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：校正后的結(jié)構(gòu)圖如下利用MATLAB繪畫(huà)系統(tǒng)校正后的bode圖程序如下：G=tf([103.325],[0.751211.30837.8610])Transferfunction:103.3s+25--------------------------------------0.7512s^4+11.31s^3+37.86s^2+s>>figure(1);margin(G);grid[gm,pm,wg,wp]=margin(G)gm=5.1092pm=45.4762wg=6.8382wp=2.4170校正后系統(tǒng)的bode圖：由上圖可知：相角裕度；，截止頻率。幅值欲度為無(wú)窮大，各項(xiàng)指標(biāo)均 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)校正前后的單位階躍響應(yīng)對(duì)比圖 MATLAB編寫(xiě)程序如下:clearall;G1=tf([20],[0.020.310])Transferfunction:20----------------------0.02s^3+0.3s^2+sG2=feedback(G1,1);t=0:0.01:10;G3=tf([103.325],[0.751211.30837.8610])Transferfunction:103.3s+25--------------------------------------0.7512s^4+11.31s^3+37.86s^2+sG4=feedback(G3,1);y1=step(G2,t); //校正前的階躍響應(yīng)y2=step(G4,t); //校正后的階躍響應(yīng)plot(t,y1,'--',t,y2);grid;xlabel('t');ylabel('c(t)');title('校正前后單位階躍響應(yīng)對(duì)比圖');text(1.2,1.5,'校正前');text(0.8,1.0,'校正后');三、課程設(shè)計(jì)總結(jié)本次自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)校正有了更深層次的理解以及對(duì)MATLAB在自控方面的應(yīng)用有了更多的了解，雖然在對(duì)校正前函數(shù)各方面的參數(shù)用MATLAB仿真計(jì)算編程時(shí)遇到了一些困難，但在查閱大量資料之后，使自己的設(shè)計(jì)思路逐漸明朗。在對(duì)設(shè)計(jì)校正函數(shù)時(shí)經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)校驗(yàn)才使獲得的參數(shù)與期望的參數(shù)相匹配。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，拓寬了知識(shí)面，鍛煉了能力，綜合素質(zhì)得到較大提高。安排課程設(shè)計(jì)的基本目的，在于通過(guò)理論與實(shí)際的結(jié)合，分析問(wèn)題。尤其是觀察、分析和解決問(wèn)題的實(shí)際工作能力。它的一個(gè)重要功能，在于運(yùn)用學(xué)習(xí)成果，檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果。運(yùn)用學(xué)習(xí)成果，把課堂上學(xué)到的系統(tǒng)化的理論知識(shí)，嘗試性地應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)工作，并從理論的高度對(duì)設(shè)計(jì)工作的現(xiàn)代化提出一些有針對(duì)性的建議和設(shè)想。檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果，看一看課堂學(xué)習(xí)與實(shí)際工作到底有多大距離，并通過(guò)綜合分析，找出學(xué)習(xí)中存在的不足，以便為完善學(xué)習(xí)計(jì)劃，改變學(xué)習(xí)內(nèi)容與方法提供實(shí)踐依據(jù)。對(duì)我們電子專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，實(shí)際能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，而這種實(shí)際能力的培養(yǎng)單靠課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須從課堂走向?qū)嵺`。這也是一次預(yù)演和準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，讓我們找出自身狀況與實(shí)際需要的差距，并在以后的學(xué)習(xí)期間及時(shí)補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)，為求職與正式工作做好充分的知識(shí)、能力準(zhǔn)備，從而縮短從校園走向社會(huì)的心理轉(zhuǎn)型期。在一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)之后，我們普遍感到不僅實(shí)際動(dòng)手能力有所提高，更重要的是通過(guò)對(duì)軟件開(kāi)發(fā)流程的了解，進(jìn)一步激發(fā)了我們對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的興趣，并能夠結(jié)合實(shí)際存在的問(wèn)題在專(zhuān)業(yè)