自动控制原理课程设计(哈工大).doc

Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称： 自动控制原理课程设计 设计题目：高精度五轴转台方位系统设计与仿真 院 系： 航天学院 班 级： 1104201 设 计 者： 学 号： 指导教师： 李志诚 由嘉 设计时间： 2014年2月 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）：航天学院控制科学与工程系 专 业：探测制导与控制技术 班 号：1104201 任务起至日期： 2014年 2月 17日至 2014年 3月 20日 课程设计题目：高精度五轴仿真转台方位系统设计与仿真 对于高精度五轴仿真转台方位系统，已知其固有传递函数为要求完成的主要任务：设计控制器满足以下要求：最大角速度；最大角加速度；动态误差小于5角秒；剪切频率高于50 1/s；相角裕度大于45度 工作量：（1） 画出原系统的Bode图，分析其是否满足性能指标。（2） 人工设计利用半对数坐标纸手工绘制系统校正前后及校正装置的Bode图，并确定出校正装置的传递函数。验证校正后系统是否满足性能指标要求。（3） 计算机辅助设计利用MATLAB语言对系统进行辅助设计、仿真和调试。（4） 撰写设计报告。具体内容包括以下五个部分。 1） 设计任务书 2） 设计过程 人工设计过程包括计算数据、系统校正前后及校正装置的Bode图（在半对数坐标纸上）、校正装置的传递函数、性能指标验算数据。 计算机辅助设计过程包括Simulink仿真框图、Bode图、阶跃相应曲线、性能指标要求的其他曲线。 3） 校正装置电路图4) 设计结论5) 设计后的心得体会 工作计划安排： 审题，查阅资料 2天 人工计算，计算机辅助设计 5天 修改，优化设计 5天 完成课程设计说明书 2天 同组设计者及分工：无同组设计者，全部自己完成 指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月 日目录1、题目要求与分析5 1.1题目要求5 1.2 题目分析52、人工设计6 2.1 校正方法的选择6 2.2 串联迟后校正7 2.2.1 串联迟后校正计算7 2.2.2 验算8 2.3 局部反馈校正.9 2.3.1 局部反馈校正计算9 2.3.2 验算.11 2.4 校正结果的检验及修正.113、 计算机辅助设计12 3.1 校正前的开环simulink模型图12 3.2 校正前的开环Bode图13 3.3 校正后的开环simulink模型图14 3.4 校正后的开环Bode图14 3.5 校正后的闭环simulink模型图153.6 校正后的闭环单位阶跃响应仿真曲线153.7 校正后的闭环正弦响应仿真曲线.164、校正装置电路图17 4.1 串联装置原理图184.2 串联迟后校正环节装置电路184.2 局部反馈校正环节装置电路.185、设计总结196、心得体会201、题目要求与分析1.1题目要求（1）、对于高精度五轴仿真转台方位系统，已知其固有传递函数为（2）、性能指标要求：a. 最大角速度；b. 最大角加速度；c. 动态误差小于5角秒；d. 剪切频率高于50 1/s；e. 相角裕度大于45度1.2 题目分析根据题目所给原系统传递函数如下：可画出原控制系统的方框图如下令可求得代入G(s)得 校正前的Bode图如附录一所示。可知剪切频率 190 1/s远远小于设计要求，相角裕度-45度远远小于设计要求，故原系统不满足要求的指标。2、人工设计2.1 校正方法的选择为增大带宽可以先增大开环放大倍数，且增大开环放大倍数可以减小动态误差，取增加的开环放大倍数为100.得到控制系统的开环传递函数为画出当前系统的BODE图增大开环放大倍数后广义被控对象的BODE图由当前系统的bode图可以得出：剪切频率为相角裕度为相角裕度远远小于系统设计要求的，而带宽并未得到提高。故不应该增大开环放大倍数。先采用串联迟后校正来设计。2.2 串联迟后校正2.2.1 串联迟后校正计算 在上述系统中找到处的剪切频率，计算得，再将带入 解得取其为1.7取 得 求得串联迟后环节为： 将其并入原系统，得串联迟后校正后的系统开环bode图如附录二。2.2.2 验算令串联迟后校正以后系统的剪切频率为将代入有相角裕度为，满足设计要求。下面对系统的动态误差进行检验：假正弦输入信号为，由题得，。解得，当正弦输入信号为时，满足设计要求。做完迟后校正的方框图如下2.3 局部反馈校正开环Bode图中有一个不希望折点，导致开环Bode图两次穿过幅值为零的点，该点处阻尼过小，易导致系统不稳定。故还需要做局部反馈校正以消除不希望折点。2.3.1 局部反馈校正计算振荡环节的阻尼比为不希望折点处的频率即振荡环节的转折频率为做反馈校正如下校正后的时间常数和阻尼比分别为时间常数 阻尼比 为了将不希望折点移到高频区，并且不出现高频谐振现象。应有：为方便计算，取=685rad/s则可得解之得代入解之得加了局部反馈校正的部分传递函数为局部校正后系统的开环传递函数为2.3.2 验算局部反馈校正后的转折频率和阻尼比分别为满足了设计要求。2.4 校正结果的检验及修正 经过两次校正后系统的开环传递函数为 做出串联迟后校正及局部反馈校正后开环传递函数的Bode图如附录三。 发现剪切频率过小，故应再加一个放大环节。 取 修正后的系统开环传递函数为 得出最终校正后的系统开环Bode图如附录四所示。令算出剪切频率 相角裕度 满足设计要求。再验证动态误差。校正后系统的误差传递函数将输入信号代入得具体见3.7计算机设计部分。3、 计算机辅助设计3.1 校正前的开环simulink模型图3.2 校正前的开环Bode图3.3 校正后的开环simulink模型图3.4 校正后的开环Bode图3.5 校正后的闭环simulink模型图3.6 校正后的闭环单位阶跃响应仿真曲线Simulink模型图单位阶跃响应仿真曲线3.7 校正后的闭环正弦响应仿真曲线Simulink 模型图有图形求得误差约为4.02角秒，符合题目小于5角秒的要求。4、校正装置电路图4.1 串联装置原理图采用运算放大器和网络构成的串联校正装置，下图是一个串联迟后装置的电路原理图。4.2 串联迟后校正环节装置电路迟后反馈校正装置的传递函数可将放大环节K=20计入串联迟后环节，得对于串联迟后环节 且 所以取 4.3 局部反馈校正环节装置电路令则即所以可取 5、设计总结（1） 当系统的剪切频率大于要求指标，而相角裕度有小于要求值时，可以先考虑串联迟后校正，当只用串联迟后校正仍不能满足设计指标时（多是剪切频率过小），可在迟后校正的基础上串联超前校正，以使剪切频率适当提高。（2） 反馈校正： 若在剪切频率附近出现振荡较为强烈的点，即该点处阻尼较小，对系统的稳定性影响较大，所以应该消除该点，或将该点移动到高频段，使其约为剪切频率的510倍。取振荡环节的转折频率为十倍的剪切频率，计算出反馈环节的参数。（3）迟后校正：原理：利用迟后网络的高频幅值衰减特性，改善系统的稳态性能。效果：1）系统的增益剪切频率下降，闭环带宽减小。 2）对于给定的开环放大系数，由于附近幅值衰减，使、及谐振峰值均得到改善。缺点：频带变窄，使动态响应时间变大。应用范围：1）附近，原系统的响应变化急剧，以致难于采用串联超 前校正。 2）适于频宽与瞬态响应要求不高的情况。 3）对于高频抗干扰有一定的要求。 4）低频段能找到需要的相位裕度（4）超前校正：原理：利用超前网络的相角超前特性，改善系统的动态性能。效果：1）在附近，原系统的对数幅频特性的斜率变小，相角裕度与幅值裕度变大。 2）系统的频带宽度增加。 3）由于增加，超调量下降。缺点： 频带加宽，对高频抗干扰能力下降。应用范围：1）附近，原系统的相位之后变化缓慢，超前相位一般要求小于，对于多级串联超前校正则无此要求。 2）有大的频宽和快的瞬态响应。 3）高频干扰不是主要问题。 （5）设计控制系统之前应该了解系统的工程背景，采取适当的设计方法，在这部分多花一些时间可以节省后面部分的很多工作量。6、心得体会本次仿真实验给了我一个机会去接触具有实际工程背景的控制系统，我的题目是俯仰系统的设计。在刚刚拿到题目的时候，觉得题目会很难下手，比考试的题难。然而随着我对系统设计进行的深入，我逐渐学会了探索和解决问题的方法，开始一次次的尝试。串联迟后校正环节要怎么设计，电路如何布置，控制系统的结构又是什么样子，这些问题都都引领着我一步步的走向前去。 并且我十分感激的是，在老师的提醒下，我明白了仅仅建立一个串联迟后校正环节是不够的。之后的工作就落在了建立局部反馈环节，以将阻尼较小的振荡环节移到高频区，同时增大阻尼。通过复习上学期学过的知识，同时查找相关资料，我确定了反馈通道的计算方法，并且完成了反馈环节的计算和的初步设计，之后，用Matlab再次验证。在设计上述系统时，虽然所学知识无法选择最优的控制系统，但是在设计的过程中，我根据自己对系统的认识以及多次的尝试改变参数来使原系统向所要求的系统方向靠近，最终使系统满足了要求。我想这种方式对我开阔思路有一定的影响，我也感到有一定成就感。通过这时的Bode图，我发现局部反馈环节使系统的增益减小，剪切频率也随之移到了低频区，所以还需要增加一个放大环节。经过计算和尝试，确定K=20时的系统可以满足给定的技术参数要求。这样，校正环节共由一个串联迟后校正，一个局部反馈校正，一个放大环节组成，可将放大环节计入串联迟后校正。我的系统设计就完成了。 通过这次仿真设计，使我对串联迟后校正的理解更加深刻，我相信这对今后的学习会有所帮助。比如在实际设计校正电路的时候，应该选取实际存在的电阻值，从而对于实际购买元件有很大的帮助。相反，若主观臆造任意电阻和电容值，不仅无形的增加的系统的设计难度，同时对于系统的实现也产生了影响。还有要注意在用频率特性设计系统的过程中，应考虑如何串入某些环节来改变系统的折点位置，并考虑如何选择各种环节。虽然只是在计算机上实现理论的仿真。但这足以让我知道了