《自动控制理论》课程设计-基于自动控制理论的性能分析与校正.doc

课程设计报告 ( 2015- 2016 年度 第 1 学期)名 称： 自动控制理论课程设计 题 目： 基于自动控制理论的性能分析与校正院 系： 控计学院 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 1 周 成 绩： 日期： 2016 年 1 月 9 日一、 目的与要求本次课程设计是在学完自动控制理论课程后进行的。详细介绍MATLAB的控制系统工具箱的用法以及SIMULINK仿真软件，使学生能够应用MATLAB对自动控制理论课程所学的内容进行深层次的分析和研究，能用MATLAB解决复杂的自动控制系统的分析和设计题目；能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标； 能灵活应用MATLAB的CONTROL SYSTEM 工具箱和SIMULINK仿真软件，分析系统的性能，进行控制系统设计。二、 主要内容1、简要介绍控制系统理论的基本概念和基本方法，并介绍MATLAB软件的基本知识。包括MATLAB的基本操作命令、数据结构、矩阵运算、编程算法等; 简要介绍MATLAB的控制系统工具箱的用法。包括控制系统的模型及相互转换、时域分析方法、频域分析方法等应用MATLAB工具箱进行分析研究，增强理解;简要介绍SIMULINK仿真软件，介绍SIMULINK的应用方法及各种强大功能，应用SIMULINK对系统进行仿真研究;简要介绍控制系统分析与设计所必须的工具箱函数，包括模型建立、模型变换、模型简化、模型实现、模型特性、方程求解、时域响应、频域响应、根轨迹等各个方面。2、在掌握控制系统基本理论和控制系统工具箱函数的基础上，利用MATLAB及其工具箱函数来解决所给控制系统的分析与设计问题,并上机实验;撰写课程设计报告。2.1、自选单位负反馈系统，开环传递函数一个三阶或以上系统。1、绘制闭环系统单位阶跃响应曲线。2、求出系统动态性能指标。3、绘制对数幅频、相频特性曲线，并求出频域指标。2.2、采用串联校正，校正装置传递函数。1、，绘制由的根轨迹，绘制取三个不同数值时单位阶跃响应曲线，并求出相应动态性能指标，试分析随着的变化，系统稳定性、动态性能、稳态性能有何变化。2、采用频率校正法进行设计，可以给时域性能指标要求，也可以给频域性能指标，要既有稳态性能要求，也要有动态性能要求，若单独超前校正或滞后校正不满足要求，可采用滞后超前校正。要熟悉超前校正、滞后校正及滞后超前校正的原理，使用条件，并对校正后的效果进行合理的分析。3、采用根轨迹校正法。根据动态性能要求，确定自选主导极点，同时满足一定稳态性能要求，求出，绘制校正后单位阶跃响应曲线，并求出动态性能指标，分析校正效果及产生该效果的原因。（或采用其它的方法如：反馈校正，复合校正，串联工程法，串联综合法（希望特性法）进行设计等）最好采用频率校正和另外一种校正方法对比研究。2.3、绘制校正前后系统单位阶跃响应曲线对比图，根轨迹对比图、伯德图对比图，并求出系统动态性能指标。2.4、根据校正前、后时域、频域性能指标分析得出结论，按自己所作课程设计的内容撰写课程设计报告。3、考核。课程设计报告：（一）1、 开环传递函数 ，2、令K=1，绘制未校正前的传递函数的阶跃响应、幅频相频曲线等。clc;num1=2;den1=conv(0.2 1,0.5 1);den2=conv(1 0,den1);num,den=cloop(num1,den2,-1);sys=tf(num,den);p=roots(den);t=0:0.01:2;figure(1);step(sys,t);%绘制闭环系统单位阶跃响应曲线gridxlabel(t);ylabel(c(t);title(step response);H1=tf(num1,den2);Gm,Pm,Wc,Wx = margin(sys); %求频域指标figure(2);margin(H1); %对数幅频，相频指标figure(3);nyquist(H1);figure(4);rlocus(sys); y=step(sys,t);Y,k=max(y);tp=t(k) %峰值时间c=dcgain(sys);%终值deta=100*(Y-c)/c;%超调量deta=abs(deta)n=1;while y(n)0.1*c n=n+1;endm=1;while y(m)0.95*c)&(y(i)1.05*c) i=i-1;endts=t(i)%调节时间while y(n)=9, 相角裕度Pm=30,截止频率为5. 解：已知Cmax=12,ess=6,K=3增大相角裕度、增大截止频率选择串联超前校正：根据 Gm=-20lg|G(jwx)|算的：a=10 T=0.0632开环传递函数为：程序如下：clc;clear;num1=6;den1=0.1 0.7 1 0;H1=tf(num1,den1);num1,den1=cloop(num1,den1,-1);sys1=tf(num1,den1);figure(1);t=0:0.01:50;step(sys1,t);grid;num2=3.792 6;den2=conv(0.1 0.7 1 0,0.0632 1);H2=tf(num2,den2);num2,den2=cloop(num2,den2,-1);sys2=tf(num2,den2);figure(2);t=0:0.01:10;step(sys2,t);grid;figure(3);margin(H1);margin(H2);bode(H1,r,H2,b);grid;figure(4);rlocus(H1);figure(5);rlocus(H2);前面程序中有动态性能的求解过程，这里不做赘述：时域动态性能的比较：校正前校正后上升时间tr 0.4000s 0.2400 s峰值时间tp 1.2000s 0.6200s调节时间ts33.0200s 1.8800s超调量%83.3926% 38.1084%频域动态性能比较：校正前校正后幅值裕度h1.349.73相角裕度r4.0531.8穿越频率wx3.169.35截止频率wc2.924.99（校正前的单位阶跃响应）（校正后的单位阶跃响应）校正前后的伯德图对比(校正前的根轨迹图)（校正后的根轨迹图）(三)要求超调量不大于20%，调节时间小于4s。采用根轨迹校正法。根据动态性能要求，确定自选主导极点，同时满足一定稳态性能要求，求出，绘制校正后单位阶跃响应曲线，并求出动态性能指标，分析校正效果及产生该效果的原因。（或采用其它的方法如：反馈校正，复合校正，串联工程法，串联综合法（希望特性法）进行设计等）最好采用频率校正和另外一种校正方法对比研究。原系统要求最大超调量小于等于20%，则可得： ,可得：。增加系统调节时间指标要求，设为则期望的主导极点为：需要补偿的超前角为：校正后的开环传递函数为：最终解得：校正后的开环传递函数为：程序如下：clc;num1=44 73.48;den1=1 10.73 36.11 37.3 0;num,den=cloop(num1,den1,-1);sys=tf(num,den);p=roots(den);t=0:0.01:50;figure(1);step(sys,t);%绘制闭环系统单位阶跃响应曲线gridxlabel(t);ylabel(c(t);title(step response);H1=tf(num1,den1);Gm,Pm,Wc,Wx = margin(sys); %求频域指标figure(2