自动控制原理课程设计---燃油调节控制系统校正装置设计.doc

自动控制原理课程设计 燃油调节控制系统校正装置设计 院系：机电工程学院 专业：电气工程及其自动化 班级： 学号： 姓名： 指导老师： 职称：郑州航空工业管理学院2011年12月10日自动控制课程设计一、设计目的 通过课程设计，掌握自动控制理论基本原理、一般电学系统自动控制方法的基础上，用matlab实现系统的仿真与调试。二、设计要求 收集和查阅有关技术资料，独立完成所承担的设计课题的全部内容，初步掌握设计原则、设计方法、设计步骤和设计规范的应用；对工程设计方案进行选择和分析；绘制设计图；撰写说明书。具体要求如下：1.根据所学的控制理论知识（频率法、根轨迹法等）进行人工设计校正装置，初步设计出校正装置传递函数形式及参数；2.在matlab下，用simulink进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，使其满足技术要求；3.确定校正装置的电路形式及电路参数（选作）；4.完成设计报告。本课程设计以设计报告的形式提交，要求论点清楚，论据充分，结构合理；分析问题有层次。包括设计思想，设计过程，图（曲线），总结和数字仿真。三、设计题目燃油调节控制系统校正装置设计： 已知燃油控制系统的开环传递函数为:，设计超前校正装置，使其校正后闭环主导极点满足：阶跃响应的超调量，调整时间，系统单位斜波响应稳态误差。四、设计步骤思路：依题可知系统的性能指标是在时域范围内提出的，给定了要求的超调量、调整时间及稳态误差，则采用根轨迹法进行设计和校正是很有效的，所以该题选用根轨迹法来设计校正装置，最终使系统满足要求，并利用matlab来进行校验.1. 由所给开环传递函数画根轨迹图： 1）系统有三个开环极点：0、-4、-10，没有开环零点，所以根轨迹有三条，分别起始于开环极点，均趋于无穷远处； 2)实轴上的根轨迹段为和区域，根轨迹对称于实轴且连续变 化； 3）渐近线与实轴交点为：， 与实轴夹角为： ； 4）分离点会合点为：， ； 解得: ; ; 可知均为分离点，分离角均为：； 5)与虚轴交点根据特征方程求解得：， ； 令实部和虚部为零：和解得： 所以原系统的根轨迹如下图所示： （注：用手绘和matlab绘制而成） 依题知要求单位斜波响应稳态误差： ，则：可设校正装置的传递函数为：，校正增益为则得：求得： 原系统的单位阶跃响应曲线图如下所示：（用matlab获得） numg=2;deng=conv(1 0,conv(0.25 1,0.1 1);num1,den1=cloop(numg,deng);t=0:0.1:20;c1,x1,t=step(num1,den1,t); plot(t,c1,-);grid;以曲线图可知原系统的阶跃响应超调量60%,调整时间12s，没有满足要求，所以必须进行校正。2.根据题目要求及公式可求得性能指标和的值： ， 解得 ；有曲线图得振幅进入的误差范围此时： ， 解得 ；求的满足题给条件的闭环极点为：； 对照根轨迹图可看出原系统根轨迹不通过希望的闭环极点，且根轨迹位于期望极点的右侧，则原根轨迹需要加以修正可在系统的前向通道中串入超前校正装置。3. 校正装置的确定：应使校正后的装置的系统根轨迹通过希望的闭环主导极点，也就需要满足相角条件： 校正装置产生的超前相角为： 对于所得的值，校正装置的零、极点位置不唯一，在这取系数为最大值时确定的零、极点。依图得： ， ； ， 令则得：；由此确定超前校正装置的零、极点位置(不唯一)。原系统在希望主导极点上得相角为： 所以为使根轨迹通过希望的闭环极点，超前装置应在该点上产生的相角。又有 ： 则有： 代入上式得： ；故校正传递函数为： ；所以： ， ；校正传递函数化为： ；为补偿超前校正装置的幅值衰减，需要加一个放大倍数为的补偿放大器，有前面算得的，所以校正装置的传递函数可视为： ；校正后的传递函数为： ;4.校正后传递函数的根轨迹及单位阶跃响应曲线的变化。校正后的系统根轨迹如图所示: num=2.74 10; den=conv(1 0,conv(0.25 1,conv(0.1 1,0.026 1);rlocus(num,den);校正后的单位阶跃响应曲线图如下图所示： numc=2.74 10;denc=conv(1 0,conv(0.25 1,conv(0.1 1,0.026 1);num2,den2=cloop(numc,denc); t=0:0.1:10; c2,x2,t=step(num2,den2,t);plot(t,c2,-);grid;由系统阶跃响应曲线图可以得到系统的稳态性能指标为：超调量： 调整时间：而且系统的稳态误差为： ， ，所以得到: 符合题目要求。以上各项及计算均存在一定误差，但总体上满足题目要求，所以所求校正传递函数符合条件，校正后的传递函数能实现题中所要求的，所做设计基本可以。五、simulink仿真与调试1.确定校正装置的电路形式及电路参数根据校正网络及其特性和上面所求得校正装置的表达式来看，本次校正装置可用rc网络构成的婺源超前校正装置表示，rc超前网络电路图如下：网络构成的超前校正装置，其传递函数为 令 ， 则：，超前校正装置的零点，极点由上面获得的校正装置的零、极点为：，；解得：，取代入、式可得：， 2. 在simulink下的系统设计和校正 利用simulink仿真环境进行动态反仿真，采用超前校正设计的simulink模型图如下所示: (分别是校正前和校正后的单位阶跃响应曲线)（校正前）（校正后）六、设计总结 经过这次设计，让我更加了解了自动控制原理中校正系统的基本概念及对系统校正实际的相关步骤，通过对基础知识的了解，对校正系统设计方案的比较，进一步认识到校正系统的合理性和使用性。课程设计离不开理论和实际应用的结合，设计过程中方案的选择和参数的设定是自控原理中最重要的部分，在选择时要特别注意题目要求，依据所学知识合理分析系统各个性能指标，最终选择一个较为合理的方案。在这次课程设计中我遇到了不少麻烦，但在解决麻烦的过程中也收获了很多，我认为在设计时应注意：(1）方法选择，根据所给条件选择是用根轨迹法还是用频率法，这次设计题目给了超调量和调整时间等时域范围内的性能指标，所以我用根轨迹法；(2)参数计算，一定要认真细心，我在算数过程中就出错了，结果算了三四边才行；(3)用matlab绘图应注意选合适的坐标范围，得出较好的绘制图；（4）用仿真环境进行动态仿真时，有时会出不来仿真模型，可多做几次或隔段时间再做，要有耐心。通过设计让我明白理论与实际并不一样，动手操作可以很好的发现自己的不足，也锻炼了自己，让自己能较熟