自动控制系统设计.docx

五邑大学控制系统综合设计报告题 目： 控制系统校正装置仿真与设计院 系 信息工程学院 专 业 自动化 学 号 AP1004405 学生姓名 邓文星 指导教师 梁淑芬 1 转自绕线机控制系统报告一 题目要求与意义按要求改善系统，使系统达到要求。这在实际生活中有重要意义。反馈控制系统使得机器有了一定的判断能力，大大的解放了人类的双手，机器能够不用人操作就能完成一定的任务。本题目是要设计一个校正控制器用于控制系统。所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。系统校正的常用方法是附加校正装置。按校正装置在系统中的位置不同，系统校正分为串联校正、反馈校正和复合校正。按校正装置的特性不同，又可分为PID校正、超前校正、滞后校正和滞后-超前校正。二 课程任务与要求转子绕线机控制系统结构示意图1转子绕线机结构图2控制器设计的具体要求是22：1）单位斜坡响应的稳态误差小于10，静态速度误差系数=10；2）系统对阶跃输入的超调量在10左右；3）按=2要求的系统调节时间为3s左右。三 校正前系统仿真及性能分析3.1伯德图程序及伯德图伯德图程序num=1;den1=conv(1,0,conv(1,5,1,10);sys1=tf(num,den1);w=logspace(-2,2);bode(sys1,w);grid on阶跃响应程序num=1; den=conv(1,0,conv(1,5,1,10); sys=tf(num,den); margin(sys); grid on figure(2); sys1=feedback(sys,1); step(sys1); grid on3.2仿真图形伯德图3阶跃响应图43.3 性能指标分析稳态误差等于0，静态速度误差为无穷大，超调量为0，当=2%时，t=195秒。与要求要求不符合。通过对伯德图的分析，这是系统相角裕度过大。本系统可以采用超前校正法校正系统。四 校正装置的论证4.1控制系统校正设计概述 在经典控制理论中，系统校正设计，就是在给定的性能指标下，对于给定的对象模型，确定一个能够完成系统满足的静态与动态性能指标要求的控制器（常称为校正器或补偿控制器），即确定校正器的结构与参数。控制系统经典校正设计方法有基于根轨迹校正设计法、基于频率特性的Bode 图校正设计法及PID 校正器设计法。按照校正器与给定被控对象的连接方式，控制系统校正可分为串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正四种。串联校正控制器的频域设计方法中，使用的校正器有超前校正器、滞后校正器、滞后-超前校正器等。超前校正设计方法的特点是校正后系统的截止频率比校正前的大，系统的快速性能得到提高，这种校正设计方法对于要求稳定性好、超调量小以及动态过程响应快的系统被经常采用。滞后校正设计方法的特点是校正后系统的截止频率比校正前的小，系统的快速性能变差，但系统的稳定性能却得到提高，因此，在系统快速性要求不是很高，而稳定性与稳态精度要求很高的场合，滞后校正设计方法比较适合。滞后-超前校正设计是指既有滞后校正作用又有超前校正作用的校正器设计。它既具有了滞后校正高稳定性能、高精确度的好处，又具有超前校正响应快、超调小的优点，这种设计方法在要求较高的场合经常被采用。4.2 超前校正原理和特点串联超前校正是利用超前网络或PD控制器进行串联校正的基本原理，是利用超前网络或PD控制器的相角超前特性实现的，使开环系统截止频率增大，从而闭环系统带宽也增大，使响应速度加快。五 软件简介Matlab软件MATLAB（Matrix Laboratory 即“矩阵实验室”）是集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境，其强大的科学计算与可视化功能，简单易用的开放式可扩展环境，使得MATLAB 成为控制领域内被广泛采用的控制系统计算与仿真软件。“自动控制原理”是工科类专业一门重要的课程，其所需数学基础宽而深、控制原理抽象、计算复杂且繁琐以及绘图困难等原因，使学生学习感觉枯燥并有畏难情绪。将MATLAB 软件应用到该门课程教学中，可以解决深奥繁琐的计算，简单、方便又精确的绘图，并可以用丰富多彩的图形来说明抽象的控制原理，可以提高学生的学习兴趣。早期的校正器设计利用试凑法，其计算量非常大，而且还要手工绘制系统的频率特性图，很难达到满意的结果。将MATLAB 软件应用到校正器设计中，则大大提高了设计的效率，并能很方便的达到满意的效果。本文介绍在MATLAB 环境下进行滞后-超前校正器的设计方法六 仿真设计6.1校正装置设计单位斜坡速度误差系数，（1）所以要一个放大系数为500的放大器。速度误差，（2）放大后超调为70%。调节时间7.51秒。如图有典型二阶系统可知，超调为10%左右。则%=e(-/(1-2) （3）求的=0.59相位裕度=tan-1(2/44+1-22，（4）求的=58.5度，高阶系统增加，系统超调量和调节时间都会下降。=1.94，（）=13.4dB，（5）（）-20lgb =0 ， （6）=0.1 （7）得出b=4.67,T=5.1,bT=23.8在知道了b和T后则可以确定校正环节的传递函数： （8）经过多次的matlab仿真验证，得出我认为是最接近的控制函数为 （9）matlab进行验证num1=500;den1=conv(1 0, conv(1 10, 1 5);sys1=tf(num1, den1);sys2=tf(2 1, 12 1);sope=sys1*sys2;margin(sope);figure(2);sope2=feedback(sope,1);step(sope2);6.2校正后的系统结构 （10）其中超调量为26%，调节时间是4.93秒。校正后的伯德图5校正后的单位阶跃响应图6七 课程设计体会通过这次对控制系统的校正设计的分析，让我对校正环节有了更清晰的认识，同时也学会了公式编辑器的基本使用方法，加深了对课本知识的进一步理解。在这次课程设计的过程中，虽然开始有不少知识不是很了解，但通过查找资料以及咨询同学和老师，最后都得到了解决，在寻找答案的过程中，我学到了很多平时缺少的东西，也使我深深认识到认真学习的重要性，平时看似不起眼的一些知识点在关键时刻却有着重要的作用。同时，这次课程设计让我接触到Matlab软件，用它对控制系统进行频域分析，大大简化了计算和绘图步骤，计算机辅助设计已经成为现在设计各种系统的主要方法和手段，因此熟练掌握各种绘图软件显得尤为重要。在今后的学习中，我会发挥积极主动的精神，把所学知识与实践结合起来，努力掌握Matlab等相关软件的使用方法。在这次课程设计过程，也让我深深地体会团队精神的重要性。从课程设计的入手到最后分析，对于一个人来说可能是个不小的挑战，注意到每个细节更是不易，我们班的各位同学在独立思考的基础上，遇到难题互相帮助，使各种难题得到了解决。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，仅有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计过程中遇到的问题是很多的，但我想难免会遇到这样或那样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。八 参考文献 1 蔡菲娜,刘勤贤,朱根兴等. 数据融合方法在单传感器系统