自动控制原理课程设计报告-Ｉ型二阶系统的典型分析与综合设计.doc

成绩 _自动控制原理课程设计报告题 目 型二阶系统的典型分析与综合设计 系 别 专业名称 自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2011 年 12 月 27 日16目录任务书设计书1一、系统说明（概述）4二、系统建模5三、系统分析8四、系统综合.10五、系统物理模拟图. . 11 自动控制原理课程设计（简明）任务书供09级自动化专业单号学生用引言：自动控制原理课程设计是该课程的一个重要教学环节，既有别于毕业设计，更不同于课堂教学。它主要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学的理论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和基本方法，对工程实际系统进行完整的全面分析和综合。一 设计题目：型二阶系统的典型分析与综合设计二 系统说明：该型系统物理模拟结构如下图。 其中：1m；c =1uf; r0=r三 系统参量：系统输入信号：r(t)； 系统输出信号：y(t)；四设计指标：设定：输入为r(t)=a+bt（其中：a=5 b=4） 在保证静态指标（ess0.25）的前提下， 要求动态期望指标：p20；ts4sec；五 基本要求：1.建立系统数学模型传递函数；2.利用根轨迹方法分析系统：（1） 作原系统的根轨迹草图；（2） 分析原系统的性能，当原系统的性能不满足设计要求时，则进行系统校正。3.利用根轨迹方法综合系统：（1） 画出串联校正结构图，分析并选择串联校正的类型（微分、积分和微分-积分校正）；（2） 确定校正装置传递函数的参数；（3） 画出校正后的系统的根轨迹图，并校验系统性能；若不满足，则重新确定校正装置的参数。4.完成系统综合前后的有源物理模拟（验证）实验；六 课程设计报告：1.课程设计计算说明书一份；2.原系统组成结构原理图一张（自绘）；3.系统分析，综合用根轨迹图一张；4系统综合前后的模拟图各一张；5.总结（包括课程设计过程中的学习体会与收获、对本次课程设计的认识等内容）；6.提供参考资料及文献；7. 排版格式完整、报告语句通顺、封面装帧成册；摘要 随着科学技术的不断的向前发展，人类社会的不断进步。自动化技术取得了巨大的进步，自动控制技术广泛应用于制造业、农业、交通、航空及航天等众多产业部门，极大的提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动条件，丰富和提高了人民的生活水平。当今的社会生活中，自动化装置无所不在，自动控制系统无所不在。因此我们有必要对一些典型、常见的控制系统进行设计或者是研究分析。一个典型闭环控制系统的组成是很复杂的。通常都由给定系统输入量的给定元件，产生偏差信号的比较元件，对偏差信号进行放大的元件，直接对被控对象起作用的执行元件对系统进行补偿的校正元件及检测被控对象的测量元件等典型环节组成。而控制系统设计则是根据生产工艺的要求确定完成工作的必要的组成控制系统的环节、确定环节的参数、确定控制方式，对所设计的系统进行仿真，校正使其符合设计要求。同时根据生产工艺对系统的稳、快、准等具体指标选择合适的控制元件。summarywith the continuous development of science and technology. the continuous progress of human society. automation technology has made great progress. automatic control technology is widely used in the manufacturing.agriculture. transport.aviation and aerospace. and many other industrial sectors.which greatly improves social productivity. improving the working conditions.enrich and improve peoples living standards. in todayssociety. automation devices everywhere, ubiquitous auto-control system. so we need to design some of the mon control systems analysis or research. a typical close-loop control system is very complex. usually enter the quantity of a given component is represented by a given duce bias signal components.to enlarge the bias signal components.works directly with controlled object implementation of components of compensation for the correction of the system components and test measuring element of the controlled object such as a typical part of composition. while the design of control system is determined in accordance with requirements of the production process of the completion of the necessary links to form control system to determine link parameters.determine how the controls. the system.and simulation to the design. tuning to meet design requirements. at the same time according to the production process on the stability of the system. fast. specific indicators.such as selecting the right control components.一、系统说明（概述）1. 设计目的 掌握自动控制原理课程中所学的理论知识；掌握反馈系统的基本理论和方法，对工程实际系统进行全面分析 和综合； 掌握控制系统的设计和校正方法；掌握利用matlab对控制理论进行分析，研究和仿真技能； 提高分析问题和解决问题的能力。2. 系统原理（简介）首先，是一个积分环节，第二个，是一个一阶惯性环节 第三个是比例环节 图1-13. 各环节的性能、功能特性说明积分环节是当输入信号为零时，输出信号才能保持不变，而且能保持在任何位置上。在控制系统中，引用积分环节可以消除被控量的偏差。并且由于惯性环节系统的阻力，一开始输出并不与输入同步按比例变化，直到过渡过程结束,输出才能与输出保持比例，从而保证了控制过程作无差控制。4. 设计基本要求要求输出等于给定输入所要求的期望输出值。 要求输出尽量不受扰动的影响。 衡量一个系统是否完成除以上两点，还要求稳，快，准 5. 设计指标设定：输入为r(t)=a+bt（其中：a=5 b=4） 在保证静态指标kv=4（ess0.25）的前提下， 要求动态期望指标：p20；ts4sec；二、系统建模1. 各个环节模型（1） 环节结构图（电路原理图）（2） 写出输入输出关系（3） 写出传递函数g(s),画出结构方框图 比例环节： 具有比例运算关系的元部件称为比例环节，其特点：输入输出量成正比。 图1-2输入x输出u g=-惯性环节： 一阶惯性环节的微分方程是一阶的，且输出响应需要一定时间后才能达到稳态值，因此称为一阶惯性环节。其特点：输出信号对输入信号的响应存在惯性（输入信号阶跃加入后，输出信号不能突然变化，只能随时间增加逐渐变化）。 图1-3输入 :u输出 :y g=- （2-1）积分环节 输出量与输入量成积分关系的环节，称为积分环节。其特点：输出量与输入量的积分成正比例，当输入消失，输出保持不变，具有记忆功能；积分环节受到扰动自身无法达到稳定。g=-=-1 (2-2)2. 系统模型：系统的框图结构 比例环节: 其中kp=1 惯性环节: kp= t= 积分环节: ti=3. 简化框图（1） 化简为单位负反馈（2） 系统的开环传递函数 传函= -图1-4三、系统分析原系统根轨迹稳定性分析 由闭环传函 判据知系统是稳定的稳态精度分析ess由i型系统 = =0 = = =0 = 所以 =动态性能分析 开环传函为 由 a(s)=4 a(s)=0 b(s)= b(s)=2s+1 -4(2s+1)=0 推出与实轴交点s= - 与实轴的夹角 = k=1,2 = , 极点 0 -1 2条根轨迹 起点在0，-1 终止于无穷远处 -=- = 在-处分离 无汇合点 闭环传函 闭环极点s=。由闭环特征方程 +s+4=0 (2-3) =4 =2 2=1 所以= =cos 75.5 =100%23%20%所以原系统超调量不满足要求 =8s2s原系统的调节时间也不满足要求四、系统综合1. 利用期望指标绘制根轨迹2. 设计校正规律和校正装置（电路图、装置参数）当取 此时=0.5 =16.3%20%满足系统要求3. 系统综合过程表达（根轨迹图上） 计算微分校正补偿角 将 s=-1j代入开环传递函数求得幅角值为argg(s)=arg=-args-args+2=- =不满足幅角条件应该增加微分校正装置使幅角条 件为arg+arg(s)=所以： =arg=-arg=由作图法确定校正装置的零点 极点位置为 -= -=-1- 校正装置的传函=kgc (2-4)由幅值条件增益补偿角kgc 将主导极点代入幅值条件 |=1 则算出kgc=1.114微分校正系统的结构图r(s) c(s) 图1-5五、系统物理模拟图1. 原系统模拟图图1-62. 原系统单位阶跃响应曲线（使用matlab仿真）图1-73. 综合后系统模拟图图1-84.综合后系统的单位阶跃响应曲线（使用matlab仿真） 图1-9 六. 心得体会为期一周的自动控制原理课程设计结束了，个人感觉自己又学到了好多以前不知道的东西。收获颇多，在马老师细心指导下，我们的课程设计比较顺利，而且本次自动控制原理课程设计的出发点和落足点都很好。通过本次课程设计，我不但复习了知识，理解的公式的由来，认识掌握了一些软件的操作和实现，更解决了好多模棱