电气学院自动控制原理课程设计报告.doc

电子与电气工程学院课程设计报告课 程 名 称 自动控制原理 设 计 题 目 专 业 名 称 自动化 班 级 131 学 号 2013210869 学 生 姓 名 张志强 指 导 教 师 汪先兵 2015年 12月 9日电气学院自动控制原理课程设计任 务 书设计名称： 学生姓名： 指导教师： 起止时间：自 2015 年 12 月 9 日起 至 2015 年 12 月 22 日止一、课程设计目的1、通过课程设计进一步掌握自动控制原理课程的有关知识，加深对所学内容的理解，提高解决实际问题的能力。2、理解在自动控制系统中对不同的系统选用不同的校正方式，以保证得到最佳的系统。3、理解相角裕度，稳态误差，剪切频率等参数的含义。4、学习MATLAB在自动控制中的应用，会利用MATLAB提供的函数求出所需要得到的实验结果。5、从总体上把握对系统进行校正的思路，能够将理论运用于实际。二、课程设计任务和基本要求设计任务：单位负反馈随动系统的开环传递函数为1、画出未校正系统的Bode图，分析系统是否稳定2、画出未校正系统的根轨迹图，分析闭环系统是否稳定。3、设计系统的校正装置，使系统达到下列指标（1）在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差0.001（2）超调量Mp30%，调节时间Ts45, 幅值定裕度Gm20。4、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。5、给出校正装置的传递函数。计算校正后系统的剪切频率Wcp和-p穿频率Wcg。6、给出校正装置的传递函数。基本要求：1. 能用MATLAB解复杂的自动控制理论题目。2. 能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标，绘制系统校正前与校正后的Bode图，计算系统的幅值裕量，相位裕量，幅值穿越频率和相位穿越频率。判断系统的稳定性，并说明理由。 3. 利用MATLAB作出系统校正前与校正后的单位脉冲响应曲线，单位阶跃响应曲线，单位斜坡响应曲线，分析这三种曲线的关系。求出系统校正前与校正后的动态性能指标%、tr、tp、ts以及稳态误差的值，并分析 其有何变化。电气学院自动控制原理课程设计指导老师评价表院（部）电气学院年级专业13自动化学生姓名学生学号题 目一、 指导老师评语 二、 成绩评定指导老师签名： 年 月 日 目录（目录应包括论文中全部章节的标题及页码，含摘要与关键词、正文章、节题目、参考文献、附录等。目录题头用四号黑体字居中排写，隔行书写目录内容。）摘要与关键词11 标题（正文第1章标题， 小三号黑体，上下间距为：段前0.5行，段后0.5行）11.1 （正文2级标题，四号黑体）11.1.1 （正文3级标题，小四号黑体）11.1.2 （正文3级标题，小四号黑体）11.2 （正文2级标题，四号黑体）12 标题（正文第2章标题，要求同上）12.1 （正文2级标题，四号黑体）22.1.1 （正文3级标题，小四号黑体）22.2 （正文2级标题，四号黑体）23 标题（正文第2章标题，要求同上）23.1 （正文2级标题，四号黑体）23.1.1 （正文3级标题，小四号黑体）24 总结（正文第2章标题，要求同上）2参考文献（四号黑体居左）2附录（另起一页，四号黑体）2绪 论在控制工程中用得最广的是电气校正装置，它不但可应用于电的控制系统，而且通过将非电量信号转换成电量信号，还可应用于非电的控制系统。控制系统的设计问题常常可以归结为设计适当类型和适当参数值的校正装置。校正装置可以补偿系统不可变动部分（由控制对象、执行机构和量测部件组成的部分）在特性上的缺陷，使校正后的控制系统能满足事先要求的性能指标。常用的性能指标形式可以是时间域的指标，如上升时间、超调量、过渡过程时间等（见过渡过程），也可以是频率域的指标，如相角裕量、增益裕量（见相对稳定性）、谐振峰值、带宽（见频率响应）等。常用的串联校正装置有超前校正、滞后校正、滞后-超前校正三种类型。在许多情况下,它们都是由电阻、电容按不同方式连接成的一些四端网络。各类校正装置的特性可用它们的传递函数来表示，此外也常采用频率响应的波德图来表示。不同类型的校正装置对信号产生不同的校正作用，以满足不同要求的控制系统在改善特性上的需要。在工业控制系统如温度控制系统、流量控制系统中，串联校正装置采用有源网络的形式，并且制成通用性的调节器，称为PID（比例-积分-微分）调节器，它的校正作用与滞后-超前校正装置类同。关键字：Matlab；串联校正；课程设计1 校正前Bode图1.1 绘制未校正系统Bode图系统的开环传递函数为：确定未校正系统的截止频率，相角裕度和幅值裕度。在MATLAB指令窗中输入指令如下：执行后得到系统的Bode图如下：图1-1 校正前系统Bode图由图可知，系统截止频率=5,72，相角裕度=11.4和幅值裕度=3.52dB。相稳定裕度=3.520，显然闭环系统是稳定的。2 校正前根轨迹图2.1 绘制未校正系统的根轨迹图在MATLAB中输入指令如下：执行后结果为：图2-1 校正前系统根轨迹n 确定分离点坐标：图2-2 校正前根轨迹分离点坐标分离点坐标d=-2.11；增益K*=0.0962n 确定与虚轴交点的坐标：图2-3 校正前根轨迹与虚轴的交点与虚轴的交点坐标：；。增益K*=1.5校正前系统稳定时增益K*的变化范围是0K*1.5，而题目中要求的开环增益K*为10，显然不满足系统稳定的条件。3 校正系统设计3.1 校正前单位斜坡响应在MATLAB中输入指令如下：执行结果如下：图3-1 校正前单位斜坡响应3.1.1 确定滞后校正器传递函数的参数：式中要距较远为好。工程上常选择 根据题目要求，相位裕度截止频率为。则取=，=9.5，并编写之后校正传递函数的MATLAB指令。在MATLAB指令窗中输入指令如下：执行后结果：即对于校正后系统的滞后校正补偿器传递函数为：3.1.2 确定超前校正器传递函数的参数：在MATLAB指令窗中输入指令如下：num=500;den=conv(1 0,conv(1 5,1 10);G0=tf(num,den);kg,gamma,wg,wc=margin(G0);kgdb=20*log10(kg);w=0.001:0.001:100;mag,phase=bode(G0,w);disp( );kgdb,wc,gamma,gamma1=45;delta=6;phim=gamma1-gamma+delta;alpha=(1+sin(phim*pi/180)/(1-sin(phim*pi/180);magdb=20*log10(mag);n=find(magdb+10*log10(alpha)=0.0001);wc=n(1);wcc=wc/1000;w3=wcc/sqrt(alpha);w4=sqrt(alpha)*wcc;numc1=1/w3,1;denc1=1/w4,1;Gc1=tf(numc1,denc1)w1=wcc/10,w2=w1/alpha;numc2=1/w1,1;denc2=1/w2,1;Gc2=tf(numc2,denc2);Gc=Gc1*Gc2;G=Gc*G0;Gmc,Pmc,Wcgc,Wcpc=margin(G);Gmcdb=20*log10(Gmc);disp( ),Gc1,disp( ),Gc2,disp(校正装置传递函数),Gc,disp(校正后系统开环传递函数),G,disp(校正后系统的性能指标 Gmcdb,Wcpc,Pmc,alpha ),Gmcdb,Wcpc,Pmc,alpha,bode(G0,G)执行后结果：Transfer function: 0.254 s + 1-0.05631 s + 1 w1 = 0.8362 Transfer function: 0.254 s + 1-0.05631 s + 1 Transfer function:1.196 s + 1-5.393 s + 1 校正装置传递函数 Transfer function:0.3037 s2 + 1.45 s + 1-0.3037 s2 + 5.45 s + 1 校正后系统开环传递函数 Transfer function: 151.9 s2 + 724.9 s + 500-0.3037 s5 + 10.01 s4 + 97.93 s3 + 287.5 s2 + 50 s 校正后系统的性能指标 Gmcdb,Wcpc,Pmc,alpha ans = 20.4731 2.3835 59.7653 4.5099此时校正后系统的传递函数为：校正前后系统的Bode图如下：图3-2 校正前后系统Bode图由Matlab运行结果可知，系统截止频率=2.3835 ，相角裕度=59.7653 和幅值裕度=20.4731 dB。经过校正之后系统已达到预计效果。4 总结为期一周的自动控制原理课程设计做完了。通过这次课程设计，我对控制系统的校正有了更为深入的理解，但收获最大的还是在做设计的过程中，对问题的分析和计算有了很大的提高，同时也掌握了不少工程中计算的方法，为以后的设计奠定了更好的基础。另外，通过这次课程设计，我还学习了使用MATLAB软件实现对控制系统的仿真和分析。本着严谨认真的态度，用毕业设计的论文格式作为标准来写这篇课程设计，同时也练习了对Word文字编辑软件的操作能力。在刚开始拿到设计题目的时候，感觉比较困惑，无从入手，难以将课堂上学习的东西应用到实际的设计中去。通过认真分析和参考一些资料，找到设计串联滞后校正系统的一般方法，再结合自己的课题对系统进行校正，并对校正后的系统进行Bode图，Nyquist曲线等等方法的分析，对其闭环稳定性进行分析。在分析的过程中，对分析问题，解决问题的能力有了很大的提高，在设计中积累了很多经验，也发现了很多自己的不足。作为一名电气自动专业的学生自控原理的课程设计是很有意义的，也是必要的，通过这种课设，不仅对理论知识理解更深，在实践上面也